МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)
MAGNETOHYDRODYNAMIC DEVICE (VERSIONS)

Изобретение относится к области магнитной гидродинамики, а именно к электромагнитным насосам, и может быть использовано в металлургии, в ядерной и нетрадиционной энергетике, машиностроении, химической промышленности, а также в космической технике.
Известен магнитогидродинамический (МГД) насос (патент РФ №2363088 С2, кл. H02K 44/02, опубл. 27.07.2009), создающий электромагнитные силы для продвижения жидкого металла от взаимодействия магнитного потока, вызванного системой возбуждения, с током, пропускаемым через канал с металлом, в насосе от внешнего источника напряжения, выполнен с числом каналов больше двух, суживающихся от периферии к центру насоса, а система возбуждения выполнена в виде постоянных магнитов, расположенных между каналами и создающих в каналах магнитные потоки, векторы индукции которых направлены по концентрическим окружностям относительно продольной оси.
Известен магнитогидродинамический насос (патент РФ №2106053 C1, кл. H02K 44/02, опубл. 27.02.1998) для перекачивания алюмоцинкового расплава, содержащий корпус с рабочим каналом и индукторами бегущего поля, причем корпус выполнен разъемным в виде двух симметричных герметизированных блоков коробчатой формы со смежными стенками, вдоль каждой из которых размещен индуктор, при этом блоки скреплены герметично, а рабочий канал образован из двух продольных пазов прямоугольного сечения, каждый из которых выполнен на наружной стороне смежной стенки блока.
Известен электромагнитный насос (патент РФ №2159001 C2, кл. H02K 44/02, опубл. 10.11.2000) для перекачивания расплавленных металлов и сплавов, выбранный в качестве прототипа, включающий в себя магнитопровод, канал, входной патрубок, снабженный вторым магнитопроводом и одним выходным патрубком, патрубки гидравлически соединены между собой под углом и к ним подведен ток, в месте соединения патрубки выполнены плоскими, их плоские участки лежат в одной плоскости и по обе стороны от места соединения, размещены между полюсами магнитопроводов, охватывающих канал с противоположных сторон.
Общими недостатками вышеперечисленных устройств является то, что эти устройства предназначены для только одной области техники, имеют обмоточную систему для создания магнитного поля. В связи с этим у них сложная конструкция и значительные габариты.
Задачей изобретения является повышение эффективности, надежности, ремонтопригодности, упрощение конструкции, снижение массогабаритных показателей насоса и расширение области его применения путем введения безобмоточной магнитной системы, а техническим результатом - введение возможности пропускания через рабочий канал как жидкой проводящей среды, например электролиты, расплавы металлов, так и газообразной проводящей среды, например ионизированный газ.
Поставленная задача решается, а технический результат по первому варианту достигается тем, что в магнитогидродинамическом устройстве, включающем в себя канал, входные и выходные патрубки, магнитную систему, в отличие от прототипа внутренняя стенка канала является цилиндрической, а внешняя стенка канала выполнена конической, в патрубки вмонтированы рабочие электроды, и магнитная система выполнена в виде сплошного цилиндра из проводящего материала, установленного внутри внутренней стенки канала и торцы которого соединены при помощи электрических проводов с рабочими электродами, подключенными к источнику питания.
Поставленная задача решается, а технический результат по второму варианту достигается тем, что в магнитогидродинамическом устройстве, включающем в себя канал, входные и выходные патрубки, магнитную систему, в отличие от прототипа внешняя и внутренняя стенки канала являются цилиндрическими, в патрубки вмонтированы рабочие электроды, причем функцию одной пары электродов выполняют стенки канала, а магнитная система выполнена в виде сплошного цилиндра из проводящего материала, установленного внутри внутренней стенки канала и торцы которого соединены при помощи электрических проводов с рабочими электродами, подключенными к источнику питания.
Существо изобретения по первому варианту поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена конструкция магнитогидродинамического устройства, общий вид; на фиг.2 - конструкция магнитогидродинамического устройства, разрез А-А; на фиг.3 - распределение векторов электромагнитных сил в коническом участке канала магнитогидродинамического устройства.
Существо изобретения по второму варианту поясняется чертежами.
На фиг.4 представлена конструкция магнитогидродинамического устройства, продольный разрез; на фиг.5 - конструкция магнитогидродинамического устройства, разрез Б-Б; на фиг.6 - распределение векторов электромагнитных сил на участке канала магнитогидродинамического устройства.
Магнитогидродинамическое устройство по первому варианту состоит из соединенных между собой канала 1 из немагнитного материала (например, сталь 12Х15Г9НД со структурой аустенита), входного и выходного патрубков 2, 3 из прочного тепло- и электроизоляционного материала, например из керамики. Во внутренней стенке канала 1 установлен медный цилиндрический проводник 4, который зафиксирован при помощи цилиндрических втулок 5 с прорезями для вентиляции из теплоустойчивого и электроизоляционного материала, например из керамики. Внутри патрубков 2, 3 вмонтированы рабочие электроды 6, 7. В свою очередь, рабочие электроды 6 соединены с медным цилиндрическим проводником 4 при помощи электрических проводов (на фиг.1, 2 не показаны).
Технологически монтирование электродов в патрубки может быть обеспечено на стадии изготовления при помощи прессования металла и керамики.
Внешняя стенка канала выполнена конической с углом наклона α в диапазоне от 0° до 90°.
Изнутри поверхности рабочего канала 1, а также поверхности внутренней стенки канала покрыты немагнитным, электроизоляционным и термо-, износоустойчивым материалом, например мелкодисперсной керамикой.
Магнитогидродинамическое устройство по второму варианту состоит из соединенных между собой канала 1 из немагнитного материала (например, сталь 12Х15Г9НД со структурой аустенита), входного и выходного патрубков 2 из прочного тепло- и электроизоляционного материала, например из керамики. Внутри внутренней стенки канала 1 установлен медный цилиндрический проводник 3, который зафиксирован при помощи цилиндрических втулок 4 с прорезями для вентиляции из теплоустойчивого и электроизоляционного материала, например из керамики. Внутри патрубков 2 вмонтированы рабочие электроды 5, 6, 7. Рабочие электроды 5 соединены с медным цилиндрическим проводником 4 при помощи электрических проводов (на фиг.4 не показаны). В свою очередь, рабочие электроды 6 и 7 своими торцами контактируют с торцами стенок канала 1, таким образом обеспечивая между ними электрический контакт.
Внешняя и внутренняя стенки канала 1 выполнены цилиндрическими. Внутренняя поверхность внутренней стенки канала 1 покрыта немагнитным, электроизоляционным и термо-, износоустойчивым материалом, например мелкодисперсной керамикой.
τ
n
τ
n
Магнитогидродинамическое устройство по первому варианту работает следующим образом. При заполнении рабочего канала 1 электропроводящей жидкостью и подведении напряжения к рабочим электродам 6, 7 образуются две цепи, по которым протекают токи. Первая цепь замыкается в цилиндрическом проводнике, а вторая - через рабочий канал 1, в котором находится электропроводящая жидкость. При протекании тока в первой цепи образуется постоянное магнитное поле, силовые линии которого представляют концентрические окружности вокруг оси цилиндра. Это внешнее магнитное поле взаимодействует с током, протекающим в канале. При этом образуется электромагнитная сила f в канале, направление которой определяется согласно «правилу левой руки». Эта сила действует на весь объем жидкости в канале. В конической части канала сила f имеет две составляющие: осевая fи радиальная f. Осевая составляющая f действует на заряженные частицы, находящиеся в электропроводящей жидкости, в осевом направлении, таким образом создавая тягу в рабочем канале, в то время как радиальная составляющая f действует на заряженные частицы, находящиеся в электропроводящей жидкости, в радиальном направлении, таким образом сжимая электропроводящую жидкость в рабочем канале.
τ
Проведенные расчеты показывают, что наибольшие значения осевой тяговой силы  f наблюдаются при значениях угла α в диапазоне от 10° до 40°.
1
2
1
Магнитогидродинамическое устройство по второму варианту работает следующим образом. При подаче напряжений на электроды происходит замыкание двух цепей. В первой по цилиндрическому проводнику протекает ток i, а вторая цепь замыкается по воздушному промежутку между стенками канала, образуя множественные искровые разряды (ток i). При этом воздух в промежутке становится ионизированным и представляет собой плазму. Образуется магнитное поле с индукцией B, силовые линии которого представляют собой концентрические окружности вокруг центрального проводника. Это магнитное поле взаимодействует с образованной плазмой. При этом возникают электромагнитная сила F, направление которой определяется по «правилу левой руки». В данном случае, направление электромагнитной силы совпадает с направлением тока i. В итоге происходит движение частиц плазмы под действием этой силы.
Магнитная ускоряющая система в обоих вариантах МГД-устройства выполнена безобмоточной, и в ней отсутствует магнитопровод, что позволяет снизить требования по термо- и электроизоляции.
Простая конструкция магнитной системы в виде цилиндрического проводника позволяет легко осуществлять ремонт магнитогидродинамического устройства.
Простая конструкция и минимальное количество составных частей магнитогидродинамического устройства позволяют повысить его надежность.
Выполнение магнитогидродинамического устройства первого варианта в смешанном виде (кондукционном и индукционном) позволяет повысить его КПД.
Возможность пропускания через рабочий канал как жидкой проводящей среды, например электролиты, расплавы металлов, так и газообразной проводящей среды, например ионизированный газ, расширяет области применения магнитогидродинамического устройства.