МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ (МГД) МАШИНА
MULTIFUNCTIONAL MAGNETOHYDRODYNAMIC (MHD) MACHINE

Изобретение относится к области энергомашиностроения, а именно к энергопреобразующим устройствам роторного типа. Предлагаемая МГД машина, в зависимости от условий и поставленной задачи может быть: электрогенератором, кондукционным МГД - насосом центробежного типа для перекачки проводящих и не проводящих газообразных и жидких сред, проточным химическим и электрокаталитическим реакторами.
Концептуальной основой предлагаемой многофункциональной машины являются известное свойство обратимости униполярной электрической машины и способ организации течения рабочей среды в устройствах роторного типа с использованием проницаемых пористых материалов.
Классическим примером униполярного генератора является генератор Фарадея /1/, известный как «диск Фарадея». Содержит электропроводящий диск, приводимый во вращение с помощью ручки, постоянный магнит, создающий поле параллельное оси вращения диска и двух токосъемников - один на оси диска, другой у края диска. В результате при вращении диска возникает ЭДС между его центром и краем. Такой генератор имеет чрезвычайно низкую ЭДС (от долей до единиц вольт) при низком внутреннем сопротивлении и большом токе.
Аналогом предлагаемого устройства является динамо машина или генератор с самовозбуждением на постоянных магнитах Николы Тесла /2/, представляющий совмещение двух дисков Фарадея, расположенных в одной плоскости и электрически связанных между собой гибким проводящим ремнем по периферии. Токосъем осуществлялся через осевые подшипники, в которых закреплялись и приводились во вращение диски. Такая схема позволяет в два раза повысить ЭДС электрической машины. Одним из отличий предлагаемого изобретения от известного является электрическая связь между двумя вращающимися в противоположных направлениях дисков, осуществляемая посредством непосредственного контакта боковых поверхностей дисков или посредством создаваемой там локальной проводящей зоны. Другим отличием является совмещение электрического генератора и движителя в единую машину, в которой для привода дисков, выполненных из пористого высокопроницаемого электропроводного материала, используется рабочая среда - струя газа или жидкости.
Прототипом предлагаемого технического решения является энергопреобразующее устройство роторного типа и способ организации течения рабочей среды в нем /3/. Энергопреобразующее устройство роторного типа содержит, по крайней мере, один ротор, установленный на валу с возможностью вращения, коллекторы подвода и отвода рабочей среды, при этом ротор выполнен любой геометрической формы, например диск, конус, усеченный конус, шар, из проницаемого в различных направлениях ячеистого материала с образованием каналов внутри тела ротора для протекания рабочей среды. Согласно способу, направление и интенсивность течения рабочей среды задают формой ротора и его ячеистой структурой, проницаемой в различных направлениях. В качестве ячеистого материала использован каталитический материал, причем процессы энергетического, массового обмена и химического взаимодействия происходят внутри тела ротора с участием его развитой поверхности.
Недостатками перечисленных выше прототипов является то, что каждый из них в отдельности обладает низкой ЭДС и не обладает свойствами многофункциональной МГД машины.
Задачей изобретения является создание многофункциональной МГД-машины и повышение генерируемой ЭДС.
Поставленная задача реализуется благодаря тому, что многофункциональная МГД машина является энергопреобразующим устройством роторного типа, содержащая параллельно установленные в корпусе дисковые роторы и коллекторы подвода и отвода рабочей среды, согласно изобретению рабочими элементами, преобразующими энергию рабочей среды в механическую, а затем в электрическую являются дисковые роторы, выполненные из электропроводного пористого материала проницаемого, по крайней мере, с одной торцевой поверхности, и установленные с возможностью встречного вращения и с обеспечением электрического контакта между собой на электропроводящих участках валов роторов, чередующихся с изолированными участками валов в шахматном порядке относительно друг друга. Каждая пара лежащих в одной плоскости дисков размещена между полюсами постоянных магнитов, установленных в перпендикулярной плоскости к осям роторов и подключена последовательно только в одну пару контактов электрического напряжения на валах, так что обеспечивает прохождение тока последовательно через каждый диск обоих роторов.
Положительный результат достигается благодаря тому, что получение более высокой электродвижущей силы и увеличение производительности МГД-машины становится возможно при использовании многодисковых роторов установленных таким образом, чтобы при противоположном вращении дисков, электрический заряд мог перетекать с одного из дисков первого ротора к другому, сопряженному с ним диску второго ротора посредством проводящей среды или при непосредственном касании вращающихся в противоположные стороны дисков. При этом направление магнитного потока или направление полюсов магнита должно быть одинаковое для обоих пар дисков, чтобы вращение дисков в противоположные стороны развивало ток в одном диске от центра к окружности, а в другом от окружности к центру, в результате чего имеет место сложение электродвижущих сил двух дисков.
Принципиальным отличием предлагаемого изобретения от известных является непосредственный электрический контакт между двумя вращающимися в противоположных направлениях дисков и совмещение электрического генератора и движителя в единую машину, в которой для привода дисков, выполненных из пористого высокопроницаемого электропроводного материала, используется рабочая среда - струя газа или жидкости.
Также отличием предлагаемого изобретения от известных технических решений является то, что электропроводящие диски роторов одновременно являются основным составляющим элементом, как генератора электрической энергии, так и движителя. Высокая электропроводность дисковых роторов предлагаемой многофункциональной МГД машины, в отличие от известных магнитогидродинамических устройств, позволяет эффективно работать с непроводящей газообразной или жидкой рабочей средой.
На фиг.1 представлена схема многодисковой униполярной электрической МГД-машины, поперечный разрез; на фиг.2 - вид сверху; на фиг.3 изображена условная схема многофункциональной МГД-машины.
Согласно предлагаемому техническому решению МГД машина содержит корпус 1 с двумя дисковыми роторами 2 и 3, расположенными в одной плоскости и установленными с возможностью электрического контакта между боковыми поверхностями дисков. В перпендикулярной плоскости к осям роторов установлены полюса 4 и 5 постоянного магнита. В перпендикулярной к осям роторов плоскости расположен входной канал коллектора подвода рабочей среды 6, в который подается газообразная или жидкая рабочая среда, приводящая во вращение электропроводящие пористые диски роторов, и выходной канал коллектора отвода рабочей среды - 7. Осесимметрично с валами роторов располагаются два окна 8 и 9, предназначенные для дополнительной эжекции газовой или жидкостной среды. Валы роторов снабжены скользящими токоподводящими контактами 10, 11 и являются валами отбора крутящего момента. Участки валов роторов между пористыми электропроводящими дисками 2 и 3 имеют электроизоляцию 12, размещенную в шахматном порядке относительно друг друга на роторах.
Многофункциональная МГД машина может работать в различных режимах, представленных в примерах: в режиме генератора электрической мощности, в режиме двигателя или насоса, а также в режиме проточного химического и электрокаталитического реакторов.
Пример 1
Способ работы МГД машины в режиме генератора, включающий газодинамическое движение, подаваемой рабочей среды, приводящее к разнонаправленному вращению пористых электропроводящих дисков роторов в магнитном поле и генерации электрического тока во внешней нагрузке.
В режиме электрогенератора поток рабочей среды газа или жидкости из канала 6 поступает в область контакта пористых дисков 2, 3 и далее, после частичного смешения с рабочей средой из каналов 8, 9 движется к выходному каналу 7. В результате такого сложного газодинамического течения электропроводящие пористые диски роторов приходят во вращательное разнонаправленное движение, и при наличии внешнего магнитного поля происходит генерация электрического тока, снимаемого с контактов 10, 11.
Пример 2
Способ работы МГД машины в режиме двигателя заключается в преобразовании энергии потока рабочей среды через разнонаправлено вращающиеся пористые электропроводящие диски роторов в энергию вращения роторов (при разомкнутой электрической цепи).
Способ работы МГД машины в режиме двигателя, включающий преобразование электрической энергии через разнонаправлено вращающиеся пористые электропроводящие диски роторов в энергию вращения роторов (при включении в электрическую цепь внешней ЭДС) без подачи рабочей среды.
При отсутствии магнитного поля или разомкнутой электрической цепи данная МГД машина работает в режиме двигателя, преобразующего энергию струи рабочей среды в энергию вращения роторов.
Пример 3
Способ работы МГД машины в режиме центробежного насоса, осуществляющего перекачку подаваемой рабочей среды, с возможностью отбора механической мощности с валов роторов.
При подключении к контактам 10, 11 внешнего источника электричества МГД-машина работает как центробежный кондукционный МГД насос используемый, например, для перекачки жидких металлов /4/. В данной машине, в отличие от /4/, движущейся проводящей средой являются роторы с пористыми электропроводящими дисками, что позволяет перекачивать как электропроводные, так и непроводящие среды.
Пример 4
Основной частью рабочего объема предлагаемой МГД машины является система вращающихся дисков выполненных из пористого хорошо проницаемого электропроводного материала, за счет чего значительно возрастает эффективная поверхность взаимодействия последних с потоком рабочей среды. При соответствующем выборе материала дисков или нанесении покрытий, обладающих необходимыми каталитическими свойствами, многофункциональная МГД машина в генераторном режиме или в режиме насоса может быть использована в качестве проточного электрокаталитического химического реактора. Наличие окон 8, 9 позволяет проводить дозированную подачу реагентов в реакционную зону.
Источники информации:
1. Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству T.1 // М. Изд. АНССС. 1947
2. Патент США. №406968 Динамо Электрическая машина, 16 июля 1889 г. Никола Тесла.
3. Патент РФ. №2256861 Способ организации течения рабочей среды и энергопреобразующее устройство роторного типа для его осуществления, МПК F28D 11/02, публ. 20.07. 2005 г. - прототип.
4. Горбунов В.А., Колесников Ю.Б., Колоколов В.Е. и др. Экспериментальное исследование характеристик центробежного кондукционного МГД-насоса. // Магнитная гидродинамика. 1984. №1. С.134-136