DE1924667A1 - Magnetohydrodynamischer Generator - Google Patents

Description

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Magnetohydrodynamischer Generator

Bestimmte magnetohydrodynamische Generatoren der bekannten Hall-Art können aus zwei identischen, isolierenden, parallelen Scheiben bestehen, die den Raum begrenzen, in dem die heissen Gase, die das Plasma bilden, im Kreis geführt werden. Der Abzug dieser Gase erfolgt radial und zentrifugal. Das transversale Magnetfeld wird von einer zu den Scheiben koaxialen Wicklung geliefert.

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An jeder Stelle der gasförmigen Masse bildet sich ©in elektrischer Strom der Dichte I„ aus. Die Richtung dieses Stromes ist gleichzeitig senkrecht zu der des Feldes und der der Verschiebung der gasförmigen Teilchen an dieser Stelle. Der elektrische Strom flieset somit senkrecht zu der radialen Ebene, die durch den betrachteten Punkt verläuft. Für das gesamte System bildet sich der resultierende Strom aus Symmetriegründen in Form einer Schleife aus, die in sich geschlossen und koaxial zum Generator ist.

Unter der Wirkung de* Stromes X₀ tritt auch ein Hall-Strom I auf, der gleichzeitig senkrecht zur Richtung des Feldes und der des Stromes, d.h. radial ist« Äusserdem ist der Strom I e

genauso wie die Gasströmung»

Äusserdem ist der Strom I ebenfalls zentrifugal,

Die Anode des Generators ist in dessen Mitte angeordnet, die Kathode dagegen am Umfang, Die Nutzspannung wird somit zwischen diesen beiden Elektroden gewonnen·

Es sind Verfahren zur Isolierung von unter Spannung stehenden Metallteilen bekannt, bei denen man einen Zwischengasstrom vorzugsweise aus inerten Gasen verwendet» Die Dauer der Isolation dieser Art kann mehrere hundert Stunden bei Spannungen von kO V und mehr erreichen.

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Es xst schliesslich bekannt, dass eine relativ kalte gasförmige Schicht von einem elektrischen Strom mit Hilfe von «Brücken¹¹ aus flüssigem Metall durchdrungen werden kann« das mit einer geeigneten Geschwindigkeit an der Stelle und in der Richtung eingebracht wird, der gemäss man die Schicht durchqueren will. Man erzeugt üblicherweise für Jeden Durchgang eine doppelte Metallbrücke» die von einer Einheit aus zwei Strahlen gebildet wird, von denen jeder mit einem der Pole des Nutzgerätes verbunden ist» Jeder Strahl bewirkt die

Durchdringung der Grenzschicht, die an der gleichen ™

Seite und gegen die Wand des Behälters gelegen ist, auf der der Strahl angeordnet ist. Zwischen den Enden der beiden Strahlen bleibt ein bestimmter Abstand bestehen, der die Endladung eines elektrischen Bogens in der Plaemamasse hervorruft, die zwischen den beiden Schälten eingeschlossen und zwischen den Enden der beiden Strahlen gelegen ist.

Die beiden Scheiben, zwischen denen sich die Gaskammer befindet, bestehen üblicherweise aus einem keramischen, feuerfesten Material» Dies ist jedoch nicht ohne Nachteile, da sich dieses Material nicht zur Bearbeitung t eignet und ausεβrdem infolge der heisaen Gase der Kammer sehr korrosionsempfindlich ist. Diese Gase sind insbesondere alt Teilchen bestimmter Metalle, wie AJLkalioietallen, beladen, welche Teilchen die Keime des Plasmas bilden.

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Der Generator gemäss der. Erfindung will die voarerwähnten Nachteile beseitigen. Infolge dieser Erfindung gelingt es insbesondere, Generatoren hoher Leistung zu schaffen,, was bisher nicht möglich war. Die Lebensdauer von Düsen dieser Art ist andererseits wesentlich verlängert.

Ebenso wie bestimmte bekannte Generatoren enthält der hydrodynamische Generator gemäss der Erfindung eine Düse, die von zwei im wesentlichen identischen und parallelen Scheiben gebildet wird, zwischen denen die Plasmakammer begrenzt wird.

Die Unterteilung einer jeden Scheibe wird dadurch erhalten, dass sie zunächst in eine bestimmte Anzahl von identischen Sektoren unterteilt wird. Gemäss einem Merkmal der Erfindung ist jeder Sektor seinerseits in Segmente unterteilt, um eine Reihe von im wesentlichen prismatischen und senkrecht zur Richtung der radialen Symmetrieebene der betrachteten Sektorzelle angeordneten Querelementen zu bilden.

Einmal angeordnet, bilden die verschiedenen prismatischen Elemente, die in gleicher Entfernung von der Mitte des Generators angeordnet sind, polygonale, regelinässige, konzentrische Körper, deren Seiten vom Umfang aur Mitte abnehmen.

In Querrichtung, d.h. in einer beliebigen radialen Schnittebene, tritt die übliche Form einer Konvergenz— Divergenz-Düse auf, weshalb die Höhe der verschiedenen

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prismatischen Elemente in Richtung der Achse des Drehkörpers, den der Generator gemäss der Erfindung bildet, von der Mitte zum Umfang hin abnimmt.

Jeder polygonale Körper kann am Rand an den ringförmigen Teil des Drehkörpers angeglichen werden, der zwischen den beiden zylindrischen, konzentrischen und benachbarten Flächen enthalten ist. Jede Scheibe besteht daher aus der Reihe der derartigen Körper, die konzentrisch zueinander angeordnet sind.

Der Brenner befindet sich im Inneren in der Mitte' der Vorrichtung. Aussen ist die Vorrichtung, die von den beiden Scheiben gebildet wird, an den beiden Seiten eben, auf denen die beiden vorzugsweise supraleitenden- Rings pul en angeordnet werden, deren Aufgabe es ist, das Magnetfeld zu erzeugen«

Die Elektroden des Generators werden jeweils von einer oder mehreren Grundelektroden gebildet, d.h. von einem oder mehreren Strahlen aus flüssigem Metalle Jeder Strahl durchquert die innere Wand der Düse, wo er sich in einer geeigneten Leitung ausbildet, die den Strahl von der Wand elektrisch isoliert.

Die Anode des Generators wird demnach von der Gesamtheit der vorerwähnten Grundelektrodeln gebildet, die in der Nähe der Achse des Generators, vorzugsweise auf einem oder auf mehreren konzentrischen und koaxialen Kreisen angeordnet sind. Die Kathode des Generators wird

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in analoger Weise durch die Gesamtheit der Grundelektroden gebildet, die sich in der Nähe des Umfange des Generators vorzugsweise gleichmässig auf einem oder auf mehreren konzentrischen und koaxialen Kreisen befinden.

Bei jeder Grundelektrode muss ein guter elektrischer Kontakt einerseits zwischen dem flüssigen Metallbad, von dem der Strahl ausgeht, und andererseits dem Ausgangsansohluss des Generators sichergestellt werden, der die gleiche Polarität wie die jeweilige Grundelektrode aufweist. Man verbindet dann jede dieser allgemeinen Anschlüsse (positiver Anschluss oder Anode und negativer Anschluss oder Kathode) mit einem der Singangsansohlüsse des Nutzgerätes,

Aufgrund der Vorgänge der Elektronenemission bzw, des Slektroneneinfangs, der elektrischen Strom erzeugenden Vorgänge, zeigt sich die Wirkung der Grundelektroden, nach-dem jeder metallische Strahl in das Innere des Plasmas eingedrungen ist und die Grenzschicht durchquert hat, die der Wand, aus der er herausführt, benaohbart ist.

Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist jedes der prismatischen, hohlen Elemente, von denen eine Sektorzelle gebildet wird, gekühlt, indem man ein ge» eignetes Strömungsmedium, z.B. in besonders zu diesem Zweck ausgebildeten Kanälen im Kreis führt. Nötigenfalls sind äussere Verbindungen zwischen den Kanälen der verschiedenen prismatischen Elemente vorgesehen.

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Die Isolation zwischen den verschiedenen polygonalen, koaxialen Körpern wird durch eine interstitielle Strömung erhalten. Zu diesem Zweck sind enge Spalte, deren Breite in der Grössenordnung von 3 t»^⁸ ^/10 mm betragen kann, zwischen zwei polygonalen benachbarten Körpern ausgebildet.

Man kann gegebenenfalls die Strömungsisolation auch zwischen den verschiedenen Elektroden vorsehen« Man trifft nun eine Anordnung, damit der Spalt der angewandten Strömung zu diesem Zweck parallel zur Richtung des Strahlabflusses ist. Man muss deshalb so vorgehen, dass der Gasstrom, das eingeblasene Gas, weniger tief in das Innere eindringt als der Metallstrahl, um jede zufällige Behinderung des Stromdurchgangs zu vermeiden.

Der Aufbau der Düse gemäss der Erfindung, wie sie oben beschrieben wurde, ermöglicht es, die Ublicherweise in der Magnetohydrodynamik verwendeten keramischen Teile durch Metallteile zu ersetzen, die weniger für die Korrosion empfindlich sind, die die heissen Gase unvermeidbar auf ihrem Durchgang hervorrufen, insbesondere, da die Gase einer vorherigen Keimung, z.B. aus Kalium, unterzogen wurden.

Ss muss auch auf einen weiteren Vorteil hingewiesen werden, der sich aufgrund der Erfindung ergibt und der, obwohl er zweitrangig ist, nichtsdestoweniger eine gewisse praktische Bedeutung besitzt. Es ist die Leichtigkeit, die Elemente der Düse zu ersetzen, die beschädigt sind.

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Zum Vergleich mit den üblichen Düsen, die geradlinig sind und unterteilte Elektroden aufweisen bzw« nach dem Hall-Effekt arbeiten, bieten die im Ultraschallbereich arbeitenden Düsen gemäss der Erfindung noch zwei weitere Vorteile.

Der erste besteht in der Stabilisierung der Grenzschicht mit Rücksicht auf die Tatsache, dass die Wände der Düse gemäss der Erfindung isolierend sind. Man weiss tatsächlich, dass bei den üblichen Düsen mit leitenden Wänden, die Elektroden bilden, die diesen Wänden benachbarte Grenzschicht stets unstabil ist. Die Düse gemäss der Erfindung bietet daher eine Strömung, die als stabil und in allen Fällen als wenig empfindlich gegenüber dem aerodynamischen Abreissen angesehen werden kann, was eine Folge eines elektrischen Näherungseffektes ist.

Der zweite Vorteil der Düse geinäss der Erfindung besteht darin, dass die Elektroden, die die Funktion der Kathode ausführen und am Umfang einer Jeden Scheibe angeordnet sind, Rekompressionsstösse hervorrufen, was den Wirkungsgrad der Düse verbessert. Damit dies eintritt, ist es jedoch erforderlich, dass die Mach'sehe Zahl nicht grosser ist als 1,4. Der zweite Vorteil beschränkt sich jedoch auf die Kathoden allein, da die Anoden immer in der Unterschallströmung angeordnet sind.

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Noch ein weiterer Vorteil der Düse gemäss der Erfindung besteht darin, dass sie praktisch keinen Spannungsabfall erzeugt, folglich weder einen Leistung«verlust beim Durchgang der Elektroden noch ausserdem beim Überqueren der kalten Grenzschicht, hervorgerufen durch die Verminderung der Betriebstemperatur der hohen Körper, aus denen die Düse gebildet wird, wobei die Temperatur auf 200 bis 800°G gehalten werden kann. Der Strom, der im Inner— en des Plasmas erzeugt wird, fliesst tatsächlich längs der Strahlen der beiden Elektroden, die ihm entsprechen, wobei er so direkt die Verbindungeleitungen zum Nutzgerät erreicht und folglich nur die Ohm*sehen Widerstände und gegebenenfalls die sehr kleinen Impedanzen auf seinem Vag iberwinden muss.

Diese Besonderheit der grösseren Dimensionierung der Generatoren der beschriebenen Art, die durch den Vorteil, den die Erfindunghervorruft, erreicht wird, ermöglicht die Herstellung von Einheiten, die viel höhere elektrische Leistungen als die bisher hergestellten liefern.

Ein weiterer Vorteil muss ebenso erwähnt werden. Das Auftreten der bereits erwähnten kalten Grenzschicht bildet einen wirksamen Antikorrosionsschutz der Wände der Düse.

Der Einbau der Spulen, die zur Erzeugung des im Inneren der Düse axialen Magnetfeldes bestimmt sind, ist aufgrund der Konstruktion der Düse gemäss der Erfindung erheblich erleichtert; die beiden Spulen sind

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einerseits symmetrisch und andererseits ausserhalb der die Düse bildenden Scheiben befestigt. Dadurch ist die gesamte axiale Breite des Systems relativ gering. Die Spulen sind daher leicht zugänglich.

Man verwendet vorzugsweise jedoch nicht unbedingt supraleitende Spulen«

Der Brenner des Generators ist in dessen Mitte angeordnet, was eine leichte und ausreichend widerstandsfähige Konstruktion ermöglicht, um die elektromagnetischen Beanspruchungen auezuhalten, die zwischen den beiden Spulen ausgeübt werden.

Schliesslich besteht ein Vorteil der Düse gemäss der Erfindung darin, dass die Strahlen aus flüssigem Metall, die die Elektroden bilden, gegebenenfalls auch zur Keimung des Plasmas beitragen können, indem vorgesehen wird, dass diese Strahlen ein leicht ionisierbares Metall enthalten,

Xn den Figuren 1 bis 6 der Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt und nachstehend näher erläutert. Es zeigern

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Düse gemäss der Erfindung{

Fig, 2 eine Aufsicht auf die Düse der Fig. 1;

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Fig. 3 eine halbe, mehr ins Einzelne gehende Aufeicht der Fig. 1|

Fig. k eine Sektorzelle der Düse gemäss der Erfindung;

Fig. S einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. k und

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einiger prismatischer Elemente einer Sektorzelle mit ihren Kühlleitungen.

Man sieht in Fig. 1 die beiden Scheiben 1 der Düse. 2 ist deren Brenner. Bei 3 sieht man die beiden Spulen, die vorzugsweise jedoch nicht unbedingt supraleitend und höher und niedriger gelegen sind.

Die Strahlen k, die genau auf einem Kreis in der Nähe des Brenners angeordnet und elektrisch miteinander in der Plasmamasse verbunden sind, bilden die Anode der Vorrichtung.

Die Strahlen 5» ^die genau auf einem zum ersten konzentrischen Kreis angeordnet und am Umfang der Scheiben gelegen sind, bilden ihrerseits die Kathode der Vorrichtung.

Man sieht bei 6 die zylindrische aussere Wand des Generators, in der die Austrittsöffnungen 7 der Gase ausgebildet sind.

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Bei 8 ist eine Sektorzelle der Düse dargestellt, die selbst in eine bestimmte Anzahl von prismatischen Elementen unterteilt ist.

10 ist ein Teil des äussersten polygonalen Körpers der Düse, der durch die Gesamtheit der ausseren prismatischen Elemente aller Sektorzellen der Scheibe gebildet wird.

Die Fig. 5 zeigt insbesondere die Spalte 11, die zwischen den beiden prismatischen, unmittelbar benachbarten Elementen 9 gebildet werden, um das Einblasen eines isolierenden Gases auszuführen. Man sieht bei 12 den Wärmeisolierstoff, der die beiden benachbarten prismatischen Elemente trennt, ebenso wie die aussere Verbindung 13 zwischen den Kühlkanälen Ik, die aus Fig. 6 ersichtlich sind.

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Claims (1)

1. Ansprüche

   M.)Magnetohydrodynamischer Generator der Hall-Art mit einer Düse, die von zwei parallelen Scheiben ,gebildet wird, die eine Kammer für die heissen ionisierten Gase begrenzen, mit Mitteln zur Erzeugung eines im wesentlichen senkrecht zur Scheibenebene verlaufenden Magnetfeldes, und mit Elektroden zum Ableiten des erzeugten Stromes, wobei die Scheiben in eine bestimmte Anzahl von identischen Sektorzellen unterteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sektorzelle (8) ihrerseits in eine bestimmte Anzahl von Segmenten unterteilt ist, die ebenso viele, im wesentlichen prismatische Querelemente (9) bilden, die senkrecht zur radialen Symmetrieebene der betrachteten Sektorzelle angeordnet sind,

   2, Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die prismatischen Elemente (9)» die in gleichen Abstand von der Achse des Generators entfernt sind, polygonale gleichmässige, konzentrische Körper bilden, deren Seitenlange vom Umfang zur Mitte abnimmt .

   3e Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der verschiedenen prismatischen Elemente (9) in Richtung der Achse des Drehkörpers,

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   der den Generator bildet, von der Mitte zum Umfang hin derart abnimmt, dass in einer Ebene eines beliebigen Radialschnittes die Einhüllende der Elemente den Umriss einer üblichen Düse bildet„

   k. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes zwei Spulen (3) aufweisen, die an den Scheiben (1) angeordnet sind, an jeder Seite und innerhalb der A Gaskammerβ

   5. Generator nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (3) supraleitend sind,

   6. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrode aus einem oder mehreren Strahlen (5) aus flüssigem Metall besteht, die im Inneren einer geeigneten Leitung die innere Wand der Düse durchqueren, von welcher Wand der Strahl (5) auf jeden Fall elektrisch isoliert ist.

   7» Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, " dass die Elektroden,die in der Nähe der Achse des

   Generators angeordnet sind, dessen Anode bilden,

   8. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden, die in der Nähe des Umfangs des Generators angeordnet sind, dessen Kathode bilden. .

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   9. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen (5) aus flüssigem Metall einer jeden Elektrode sich im wesentlichen auf einem oder mehreren konzentrischen und koaxialen Kreisen befinden.

   10. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes prismatische Element (9) hohl und gekühlt ist, wobei eine geeignete Flüssigkeit in besonderen, zu diesem Zweck ausgebildeten Kanälen umläuft.

   11. Generator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den verschiedenen Kanälen äussere Verbindungen (13) Vorgesehen sind, die zu den verschiedenen prismatischen Elementen (9) gehören,

   12. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation zwischen den verschiedenen polygonalen, koaxialen Körpern (9) durch eine inter· stitielle Strömung erreicht wird, die quer durch enge Spalten (11) verläuft, die zu diesem Zweck zwischen zwei benachbarten polygonalen Körpern ausgebildet sind.

   13· Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet;, dass die Isolation zwischen den verschiedenen Elektroden durch eine Strömung erreicht wird, die quer durch Spalte (11) verläuft, deren Richtung parallel zur Strömungsrichtung des Strahls aus flüssigem Metall erfolgt.

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   Ik. Generator nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktionselemente aus Metall bestehen.

   15· Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall das gleiche ist wie das, das zur vorherigen Keimbildung im Gas des Generators dient,

   16„ Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die heissen, ionisierten Gase durch einen Brenner (2) erzeugt werden, der in der Mitte des von den Scheiben (1) begrenzten Raumes angeordnet ist. .

   17· Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen (3) aus flüssigem Metall, die die Elektroden bilden, zur Keimung der heissen, ionisierten Gase verwendet werden.

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