МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
MAGNETOHYDRODYNAMIC GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области магнитогидродинамики и, в частности, к ее применению для получения, по меньшей мере, части остаточной энергии в рабочей среде турбины.
Уровень техники
Термин "турбина" применяют для обозначения вращающегося устройства, которое сконструировано для использования энергии рабочей среды для поворота вращающегося вала. Энергию рабочей среды, характеризующуюся ее скоростью и теплосодержанием, таким образом, частично преобразуют в механическую энергию, которую можно извлечь с помощью вращающегося вала. Тем не менее, после турбины рабочая среда обычно сохраняет большое количество остаточной энергии. В приведенном ниже описании термины "до" и "после" следует понимать относительно нормального направления прохождения потока рабочей среды.
Во французской заявке на патент FR 2 085 190 уже предложено использовать магнитогидродинамический генератор в дополнение к турбине для получения энергии, содержащейся в рабочей среде турбины. В таком магнитогидродинамическом генераторе поток ионизированной текучей среды, подвергаемый воздействию магнитного поля в направлении, перпендикулярном потоку ионизированной текучей среды, создает электрический ток между двумя электродами, которые находятся на некотором расстоянии друг от друга в другом направлении, которое перпендикулярно и потоку ионизированной текучей среды, и магнитному полю.
Тем не менее, на практике не получается без проблем интегрировать такой магнитогидродинамический генератор в турбину, в частности, касательно расположения электродов и средства для генерации магнитного поля в канале для рабочей среды турбины.
Раскрытие сущности изобретения
Настоящее изобретение представляет собой попытку устранить эти недостатки, предложив магнитогидродинамический генератор, который можно более просто интегрировать в узел, включающий в себя турбину, которую приводят в действие той же самой рабочей средой.
По меньшей мере, в одном варианте осуществления этой цели достигают посредством того, что магнитогидродинамический генератор, который содержит как канал для рабочей среды, ограниченный первой стенкой и второй стенкой, так и ионизирующее устройство для ионизации рабочей среды, также дополнительно содержит, по меньшей мере, одну пару поперечин, каждая из которых соединена с первой и второй стенками после упомянутого ионизирующего устройства, чтобы в канале для текучей среды образовывать канал между упомянутыми поперечинами и упомянутыми стенками, причем упомянутый канал расположен так, чтобы через него проходила часть рабочей среды после ионизации, магнит для создания магнитного поля, направленного перпендикулярно потоку рабочей среды через канал, ограниченный парой поперечин и упомянутыми стенками, и, по меньшей мере, одну пару электродов, причем каждый из электродов в каждой паре расположен на соответствующей стороне канала, ограниченного парой поперечин с упомянутыми стенками, при этом электроды в каждой паре находятся на некотором расстоянии друг от друга в направлении, перпендикулярном упомянутому магнитному полю и направлению потока рабочей среды через канал, ограниченный парой поперечин и упомянутыми стенками. Магнит может представлять собой электромагнит, как вариант содержащий соленоид, который предпочтительно может обладать улучшенной проводимостью вследствие интегрирования углеродных нанотрубок в сердечник проводника, либо может являться сверхпроводником, но он также может представлять собой постоянный магнит. В любом случае у него может иметься многослойный сердечник.
Посредством этого оборудования стало легче расположить электроды и полюсы магнита вдоль двух осей, которые являются взаимно перпендикулярными и перпендикулярными потоку рабочей среды. Кроме того, можно вырабатывать электричество только из части рабочей среды турбины, что может быть желательно, например, если турбина должна подавать сравнительно большую величину механической энергии, в то время как магнитогидродинамический генератор предназначен для подачи существенно меньших величин электрической энергии для вспомогательных целей.
В частности, каждый электрод каждой пары электродов может быть расположен на соответствующей поперечине упомянутой пары поперечин. В таких условиях, чтобы создать магнитное поле перпендикулярно потоку рабочей среды в направлении, в котором электроды отстоят друг от друга, магнит может включать в себя сердечник, расположенный внутри одной из упомянутых поперечин. Тем не менее, также можно предусмотреть альтернативное расположение, в котором каждый электрод каждой пары расположен на соответствующей стенке, ограничивающей канал, при этом магнит расположен так, чтобы создавать магнитное поле, которое сориентировано в направлении, в котором поперечины отстоят друг от друга.
Чтобы ускорить поток текучей среды в канале, ограниченном стенками и поперечинами, тем самым, увеличив эффективность магнитогидродинамического генератора, первая и вторая стенка могут сходиться друг к другу в направлении потока выхлопного газа, по меньшей мере, на протяжении первого сегмента канала, расположенного перед упомянутой парой поперечин. В таких условиях и чтобы предотвратить большую величину реактивной тяги, в частности, когда магнитогидродинамический генератор установлен в выхлопном сопле турбовального двигателя, в частности, турбовального двигателя винтокрылого летательного аппарата, первая и вторая стенки могут расходиться друг от друга в направлении потока рабочей среды, по меньшей мере, на протяжении одного второго сегмента канала, расположенного после упомянутой пары поперечин, чтобы еще раз сократить скорость потока.
Чтобы обеспечить эффективную ионизацию рабочей среды и, в частности, газообразной рабочей среды, упомянутое ионизирующее устройство может быть выполнено в виде плазмотрона. Такой плазмотрон может содержать, в частности, пару электродов, соединенных с устройством для создания постоянного (DC) или переменного (AC) электрического потенциала между электродами этой пары, причем этот потенциал больше или равен ионизирующему потенциалу рабочей среды. Тем не менее, также можно предусмотреть другие типы ионизирующего устройства, например, устройство для ионизации путем ввода микроволн, путем геликонного разряда или путем индуктивной связи. Более того, чтобы упростить ионизацию рабочей среды, генератор может включать в себя устройство для ввода элементов, обладающих низким потенциалом ионизации, перед упомянутым ионизирующим устройством, как вариант, вместе с фильтром для извлечения элементов, обладающих низким потенциалом ионизации, после канала, ограниченного стенками и поперечинами.
Сравнительно небольшие расстояния между противоположными магнитными полюсами и электродами в канале, ограниченном парой поперечин и стенками, могут быть предпочтительными для производительности и эффективности магнитогидродинамического генератора. Чтобы увеличить количество рабочей среды, используемой для магнитогидродинамической генерации, ограничивая при этом размеры, генератор может включать в себя несколько пар поперечин, соединяющих друг с другом первую и вторую стенки после упомянутого ионизирующего устройства, и для каждой пары поперечин он может включать в себя соответствующий магнит и пару электродов. Путем разделения магнитогидродинамической генерации электричества по нескольким каналам можно увеличить электрическую мощность, сохраняя при этом небольшое проходное сечение для каждого канала. Пары электродов в каждом канале могут быть электрически соединены друг с другом последовательно или параллельно.
Чтобы было легче адаптировать магнитогидродинамический генератор к турбине, проточный канал может быть кольцевым, причем первая и вторая стенки расположены коаксиально вокруг центральной оси проточного канала, а указанные поперечины являются радиальными.
Изобретение также относится к газотурбинному двигателю, включающему в себя такой магнитогидродинамический генератор, и, по меньшей мере, одну турбину, устроенную так, чтобы ее приводили в движение той же рабочей средой, что и магнитогидродинамический генератор. В качестве примера магнитогидродинамический генератор может быть использован для извлечения, по меньшей мере, части остаточной энергии рабочей среды, которая не может быть использована турбиной. Газотурбинный двигатель может, в частности, включать в себя камеру сгорания перед турбиной и магнитогидродинамическим генератором для получения выхлопного газа с высоким теплосодержанием, образующего рабочую среду турбины и расположенного после нее магнитогидродинамического генератора, и имеющего высокую температуру, что способствует ионизации. Кроме того, чтобы увеличить теплосодержание выхлопного газа и управлять его потоком, газотурбинный двигатель может включать в себя, по меньшей мере, один компрессор перед камерой сгорания и первую турбину, которая соединена с упомянутым компрессором через первый вращающийся вал, чтобы приводить его в действие. Он может также включать в себя вторую турбину. В таких обстоятельствах вторая турбина, которая, в частности, может быть расположена после первой турбины, но также перед магнитогидродинамическим генератором, может быть соединена с выходным валом для формирования турбовального двигателя, такого как, например, турбовальный двигатель для винтокрылого летательного аппарата.
Чтобы иметь возможность лучше использовать остаточную энергию рабочей среды, которая не может использоваться турбиной, магнитогидродинамический генератор может быть расположен в выпускном сопле после турбины.
В настоящем изобретении также предложен магнитогидродинамический способ генерации электричества, в котором рабочую среду ионизируют, по меньшей мере, частично, с помощью ионизирующего устройства в проточном канале, ограниченном первой и второй стенками, и ионизированная часть рабочей среды проходит через канал, заданный в проточном канале упомянутыми стенками и парой поперечин, каждая из которых соединяет первую и вторую стенки после упомянутого ионизирующего устройства, и подвергается воздействию магнитного поля, создаваемого магнитом, причем поле проходит в канале в направлении, перпендикулярном к потоку рабочей среды, чтобы генерировать электрический ток между электродами, по меньшей мере, одной пары электродов, причем каждый из электродов каждой пары расположен на соответствующей стороне канала, ограниченного парой поперечин и упомянутыми стенками, причем электроды каждой пары отстоят друг от друга в направлении, перпендикулярном как упомянутому магнитному полю, так и потоку выхлопного газа в канале. Этот магнитогидродинамический способ генерации электричества может быть использован, в частности, для получения остаточной энергии рабочей среды, которая до этого была использована для приведения в действие, по меньшей мере, одной турбины. В частности, на борту транспортного средства, приводимого в действие посредством газотурбинного двигателя, магнитогидродинамический способ может служить для генерации электричества, которое применяют для питания вспомогательного оборудования транспортного средства, отличного от газотурбинного двигателя.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет понятным, а его преимущества будут более ясными по прочтении последующего подробного описания вариантов осуществления, приведенного в виде неограничивающих примеров. Описание ссылается на сопровождающие чертежи.
На фиг. 1 показан винтокрылый летательный аппарат с турбовальным двигателем, содержащим вариант осуществления магнитогидродинамического генератора, схематический вид в перспективе;
на фиг. 2 показан двигатель, изображенный на фиг. 1, схематичный продольный вид в разрезе;
на фиг. 3А показана часть магнитогидродинамического генератора двигателя, изображенного на фиг. 2, схематичный вид в перспективе;
на фиг. 3В подробно показана часть фиг. 3А;
на фиг. 4 показан второй вариант осуществления магнитогидродинамического генератора, схематичный вид в перспективе;
на фиг. 5 показан третий вариант осуществления магнитогидродинамического генератора, схематичный вид в перспективе;
на фиг. 6 показан турбовальный двигатель в четвертом варианте осуществления, схематичный вид в продольном разрезе; и
на фиг. 7 схематично показан пятый вариант осуществления турбовального двигателя.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан винтокрылый летательный аппарат, более конкретно вертолет 100, имеющий турбовальный двигатель 101, предназначенный для приведения в действие его основного винта 102 и хвостового винта 103 посредством трансмиссии 104. Двигатель 101 включает в себя вариант осуществления магнитогидродинамического генератора 10 для подачи электричества на различные потребляющие электричество детали оборудования, установленного на борту вертолета 100.
Как более подробно показано на фиг. 2, двигатель 101 содержит газогенератор с, в направлении прохождения потока воздуха, компрессором 201, камерой 202 сгорания, имеющей воспламенитель и инжекторы, соединенные с системой подачи топлива (не показаны), и первой турбиной 203, соединенной с компрессором 201 посредством первого вращающегося вала 204. После этой первой турбины 203 в двигателе 101 имеется вторая турбина 205, соединенная со вторым вращающимся валом 206, который в вертолете 1 подходит для соединения с трансмиссией 104, чтобы приводить в действие винты 102 и 103. Наконец, после второй турбины 205 двигатель включает в себя сопло 207 выпуска газа.
В этом первом варианте осуществления магнитогидродинамический генератор 10 интегрирован в сопло 207 после турбин 203 и 205. В этом магнитогидродинамическом генераторе 10 кольцевой проточный канал 11 для выхлопного газа, который в этом варианте осуществления представляет собой рабочую среду турбин 203 и 205, а также магнитогидродинамического генератора 10, ограничен внутренней первой стенкой 12 и наружной второй стенкой 13, расположенной коаксиально вокруг первой стенки 12 вокруг оси Х двигателя. Магнитогидродинамический генератор 10 также содержит устройство 14 для ионизации выхлопного газа. В качестве примера, ионизирующее устройство 14 может представлять собой плазмотрон с двумя электродами, выполненными с возможностью создавать электрическое поле между собой, и это электрическое поле является достаточно мощным, чтобы ионизировать выхлопной газ, имеющий высокую температуру и проходящий на высокой скорости через кольцевой канал 11, для создания электропроводной холодной плазмы. Это сильное электрическое поле может быть полем постоянного тока или полем переменного тока, полем переменного тока, служащим для предотвращения теплового дисбаланса в холодной плазме. Для облегчения ионизации выхлопного газа двигатель 101 может также включать в себя устройство, расположенное до ионизирующего устройства, для подачи элементов, обладающих низким потенциалом ионизации, таких как калий. Устройство для подачи элементов, обладающих низким потенциалом ионизации, в частности, может быть интегрировано в контур подачи топлива, так что элементы, имеющие низкий потенциал ионизации, вводят в камеру 202 сгорания вместе с топливом.
На первом сегменте 11а кольцевого канала 11 прохождения потока выхлопного газа через магнитогидродинамический генератор 10 стенки 12 и 13 сходятся в направлении потока прохождения выхлопного газа, чтобы ускорить поток, а на втором сегменте 11b эти стенки 12 и 13 опять расходится в направлении потока выхлопного газа, чтобы уменьшить скорость потока перед выходом из сопла 207. Между сходящимся сегментом 11а и расходящимся сегментом 11b пары радиальных поперечин 15 соединяют стенки 12 и 13 так, чтобы образовывать каналы 16 в проходе 11, причем каждый канал 16 ограничен стенками 12 и 13 и поперечинами 15 пары. Чтобы гарантировать, что элементы с низким потенциалом ионизации, которые были введены выше по потоку, впоследствии не будут вытеснены наружу, генератор 10 также может включать в себя фильтр (не показан) для извлечения элементов с низким потенциалом ионизации после каналов 16.
В варианте осуществления, более подробно показанном на фиг. 3А и 3В, магнитогидродинамический генератор 10 содержит для каждого канала 16, по меньшей мере один электрод 17, установленный на внутренней поверхности каждой из поперечин 15, образующих канал 16, чтобы они были обращены к ионизированному выхлопному газу, проходящему через канал 16, а также электромагнит 18, имеющий радиально противоположные полюсы 18а и 18b, покрытые соответственно внутренней стенкой 12 и внешней стенкой 13 на противоположных сторонах канала 16 и соединенные друг с другом сердечником 18c, размещенным в одной из поперечин 15, причем сердечник является многослойным и окружен соленоидом 18d, чтобы генерировать магнитное поле B в канале 16, которое ориентировано в радиальном направлении и, следовательно, по существу перпендикулярно потоку ионизованного выхлопного газа в канале 16. Чтобы создать особенно сильное магнитное поле, соленоид 18d, в частности, может быть сверхпроводящим.
Таким образом, в этом варианте осуществления поток ионизированного выхлопного газа через каждый канал 16, который подвергается воздействию магнитного поля В, создаваемого электромагнитом 18, может генерировать электродвижущую силу и, следовательно, электрический ток между электродами 17, расположенными по обе стороны канала 16 и, таким образом, обращенными друг к другу в направлении, перпендикулярном как направлению потока, так и направлению магнитного поля В.
В альтернативном варианте осуществления, как показано на фиг. 4, расположение стенок 12 и 13, поперечин 15, а также каналов 16 идентично. Тем не менее, электроды 17, соответствующие каждому каналу 16, установлены не на поперечинах 15, а на внутренних поверхностях стенок 12 и 13, чтобы быть обращенными в канал 16, радиально напротив друг друга, в то время как электромагнит 18 расположен так, чтобы создавать магнитное поле В, которое ориентировано в направлении, которое по существу перпендикулярно радиальному направлению и направлению потока ионизированного выхлопного газа. Другие элементы магнитогидродинамического генератора 10 аналогичны другим элементам первого варианта осуществления, и они обозначены на чертеже теми же ссылочными позициями.
Хотя проточный канал 11 является кольцевым в обоих этих вариантах осуществления, чтобы облегчить интеграцию магнитогидродинамического генератора 10 в двигатель 101, можно предусмотреть другие формы, например, интегрировать магнитогидродинамический генератор 10 в плоское сопло. Таким образом, в другом альтернативном варианте осуществления, показанном на фиг. 5, проточный канал 11 имеет прямоугольное сечение, при этом магнитогидродинамический генератор в этом третьем варианте осуществления во всех других отношениях аналогичен генератору согласно первому варианту осуществления, при этом эквивалентные элементы обозначены на этой фигуре теми же ссылочными позициями.
Хотя в первом варианте осуществления магнитогидродинамический генератор 10 расположен после двух турбин 203 и 205, также можно предусмотреть его размещение между двумя турбинами 203 и 205, как в четвертом варианте осуществления, показанном на фиг.6, или даже сразу после камеры 202 сгорания до двух турбин 203 и 205, как в пятом варианте осуществления, показанном на фиг.7. В обеих конфигурациях элементы магнитогидродинамического генератора 10 остаются аналогичными элементам первого варианта осуществления, и на чертежах они обозначены теми же ссылочными позициями.
Работа магнитогидродинамического генератора 10 в каждом из этих вариантов осуществления аналогична. В каждой конфигурации выхлопной газ из камеры 202 сгорания ионизируют, по меньшей мере частично, с помощью ионизирующего устройства 14, ускоряют при прохождении его через сходящийся сегмент 11а в проточном канале 11 до попадания в каналы 16, ограниченные каждой парой поперечин 15, где он подвергается воздействию магнитного поля В, создаваемого электромагнитом 18 в направлении, которое по существу перпендикулярно направлению потока ионизированного выхлопного газа в каждом канале 16, чтобы генерировать электрический ток между электродами 17, причем этот электрический ток может использоваться, в частности, для питания различных устройств на борту вертолета 1. При выходе из каналов 16 поток выхлопного газа замедляется в расходящихся сегментах 11b.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, ясно, что в эти примеры могут быть внесены различные модификации и изменения, не выходящие за рамки общей цели изобретения, заданного формулой изобретения. Например, хотя в каждом из показанных вариантов осуществления каждый канал 16 имеет только одну пару электродов 17, также можно предусмотреть размещение нескольких пар электродов в каждом канале, причем, например эти пары электродов, возможно, следуют друг за другом в направлении потока рабочей среды. Кроме того, магнитогидродинамические генераторы могут использоваться в газотурбинных двигателях отличных от показанных турбовальных двигателей. Кроме того, отдельные характеристики упомянутых различных вариантов осуществления могут быть объединены в дополнительных вариантах осуществления. Следовательно, описание и чертежи можно рассматривать как иллюстративные, а не ограничивающие.