ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ НА ОСНОВЕ МГД-ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к источникам электрической энергии кратковременного действия на основе МГД-генератора постоянного тока и может быть использована в качестве полностью автономного источника электрической энергии кратковременного действия мощностью до 100 кВт с длительной (месяцы, годы) готовностью к работе и временем выхода на режим генерации электроэнергии ~ 0.1 с.
Известны МГД-генераторы кратковременного действия с резистивной магнитной системой на продуктах сгорания твердого (порохового) плазмообразующего топлива ["МГД-генераторы кратковременного действия", Энциклопедия низкотемпературной плазмы, под редакцией В.Е.Фортова, М., издательство "Наука", 2000, т.IV, с.162-164].
Основные недостатки таких генераторов заключаются в следующем:
- отсутствие автономности, т.к. для начала их работы необходимо создание первичного магнитного поля, значительно меньшего рабочего, от внешнего источника электрической энергии непосредственно перед началом работы МГД-генератора. Такое поле создается батареей аккумуляторов или конденсаторов, для поддержания номинальных характеристик которых требуется их подзарядка от автономного зарядного устройства;
- большое время (1-2 с) выхода МГД-генератора на режим генерации электроэнергии, связанное с установлением рабочего магнитного поля в результате самовозбуждения;
- низкий к.п.д. генератора, т.к. значительная часть (30-50%) генерируемой в МГД-канале электрической энергии тратится на поддержание индукции магнитного поля;
- ограничение по длительности интервала между запусками (≥10 часов) при отсутствии системы охлаждения, связанное с джоулевым нагревом материала обмотки магнита. Применение же системы охлаждения потребует дополнительного источника энергии для ее питания, что сделает МГД-генератор более громоздким и еще более снизит степень его автономности.
Последние три недостатка полностью исключаются при использовании в МГД-генераторе вместо резистивной магнитной системы сверхпроводящего магнита [Р.В.Догадаев, В.П.Панченко и др. "Компактная МГД-установка для генерации мощных электрических импульсов", Известия РАН, Энергетика, 2007, №4, с.130-139].
Однако, МГД-генератор со сверхпроводящей магнитной системой также не является автономным т.к. магнитное поле, равное рабочему, создается до запуска МГД-генератора от внешнего источника электрической энергии и поддерживается постоянным в течение заданного времени.
В таком МГД-генераторе длительность выхода на режим зависит только от времени установления требуемых параметров плазмы, которое для унитарного топлива составляет ~ 0,1 с.
Генерируемая в МГД-канале электрическая энергия полностью передается потребителю без затрат на поддержание индукции магнитного поля, что не уменьшает к.п.д. генератора.
Ограничение по длительности интервалов между импульсами в МГД-генераторе со сверхпроводящей магнитной системой не определяется временем охлаждения обмотки магнита, т.к. сверхпроводящая обмотка магнита находится при постоянной температуре, например, при температуре жидкого гелия, не нагревается при прохождении тока и, следовательно, не требует отвода тепла с обмотки.
Этот тип МГД-генератора выбран в качестве прототипа. Однако указанный МГД-генератор также не является полностью автономным, т.к. автономный маломощный источник, кроме указанной выше функции, необходим для электропитания системы криогенного обеспечения сверхпроводящей магнитной системы, прежде всего ее криокулера и компрессора.
Техническим результатом, достигаемым в полезной модели, является обеспечение полной автономности источника электрической энергии кратковременного действия на основе МГД-генератора с приемлемыми для ряда приложений электрическими характеристиками, создание простой, компактной и надежной его конструкции с длительной готовностью к работе, невосприимчивостью к внешним воздействиям и независимостью от условий окружающей среды.
Указанный технический результат достигается тем, что в источнике электрической энергии кратковременного действия на основе МГД-генератора постоянного тока, содержащем камеру сгорания с контейнером для плазмообразующего топлива, перезарядным устройством, воспламенителем топлива и устройством запуска, сверхзвуковое сопло, линейный фарадеевский МГД-канал и магнитную систему для создания магнитного поля в МГД-канале, образованном двумя многослойными электроизоляционными стенками, а также анодной и катодной многослойными стенками, при этом секционированные токосъемные электроды анодной и катодной стенок соединены с соответствующими токосъемными шинами, в качестве магнитной системы использован постоянный магнит с индукцией магнитного поля не менее 0,5 Тл, а в качестве плазмообразующего топлива использовано унитарное топливо, обеспечивающее электропроводность сверхзвукового потока плазмы не менее 100 См/м, устройство запуска выполнено механическим, токосъемные электроды анодной и катодной стенок изготовлены из материала, обеспечивающего приэлектродное падение напряжения, по крайней мере, в 3 раза меньшее рабочего напряжения МГД-генератора, при этом один из токосъемных электродов соединен с соответствующей токосъемной шиной, а другая токосъемная шина другого токосъемного электрода разделена на два участка, каждый из которых направлен вдоль соответствующей электроизоляционной стенки и перпендикулярно противоположной электродной стенке, над которой указанные участки соединены с образованием третьего участка, направленного параллельно неразделенной на участки токосъемной шине и расположенного на минимально допустимом из условия электрической изоляции расстоянии от нее.
Электрические характеристики МГД-генератора по полезной модели (время работы - до 10 с, электрическая мощность - до 100 кВт, к.п.д. - несколько процентов) являются приемлемыми для ряда применений, например, в качестве источника электрической энергии для стартеров мощных энергосиловых установок (дизелей, двигателей внутреннего сгорания, турбин), для запитки индуктивных накопителей, магнитов мощных МГД-установок, маломощных аварийных, резервных или стабилизационных источников электрического питания кратковременного действия.
Полная автономность устройства по изобретению достигается за счет использования в нем в качестве магнитной системы постоянного магнита, в качестве плазмообразующего топлива - унитарного плазмообразующего топлива и выполнения устройства запуска механическим. Постоянный магнит создает в объеме МГД-канала постоянную во времени индукцию магнитного поля, величина которой зависит от материала магнита. Использование унитарного плазмообразующего топлива, в состав которого уже входит горючее, окислитель и легко ионизирующаяся присадка, не требует системы подачи компонент топлива.
Выполнение токосъемных электродов из материала, обеспечивающего приэлектродное падение напряжения, по крайней мере, в 3 раза меньшее рабочего напряжения МГД-генератора, и коммутация токосъемных шин по полезной модели обеспечивают получение указанных выше электрических характеристик МГД-генератора.
Конструктивная простота и компактность устройства обеспечиваются применением неохлаждаемой безобмоточной магнитной системы на основе постоянного магнита и унитарного плазмообразующего топлива, создающего электропроводность продуктов сгорания не менее 100 См/м.
Повышенная надежность МГД-генератора связана как с уменьшением количества узлов конструкции (обмоток и электрических цепей магнита, системы охлаждения, электрической системы запуска, автономного источника электропитания), так и конструктивной простотой магнита, камеры сгорания, топлива, устройства запуска.
Устройство может находится в длительном режиме готовности к работе благодаря существованию магнитного поля постоянного магнита в течение длительного времени (месяцы, годы) и гарантированному ресурсу топлива (не менее 10 лет).
Простота и надежность конструкции, тип используемого унитарного топлива, постоянный магнит, механическое устройство запуска обеспечивают независимость работы МГД-генератора от окружающей среды и внешних воздействий.
Источник электрической энергии по полезной модели представлен на фиг.1, 2, где на фиг.1 - структурная схема устройства в продольном разрезе, на фиг.2 - схема устройства в поперечном разрезе с одним из вариантов ошиновки МГД-канала, а именно, с разделением катодной токосъемной шины на два участки.
На указанных фигурах:
1 - камера сгорания,
2 - контейнер с плазмообразующим топливом,
3 - перезарядное устройство,
4 - воспламенитель топлива,
5 - устройство запуска,
6 - сверхзвуковое сопло,
7 - линейный фарадеевский МГД-канал,
8 - постоянный магнит,
9 - многослойная электроизоляционная стенка,
10 - анодная многослойная стенка,
11 - катодная многослойная стенка,
12 - токосъемные электроды анодной и катодной стенок,
13 - анодная токосъемная шина,
14 - катодная токосъемная шина,
15 - опорная станина.
Источник электрической энергии кратковременного действия на основе МГД-генератора постоянного тока (Фиг.1) содержит камеру сгорания 1, включающую контейнер с плазмообразующим топливом 2, перезарядное устройство топлива 3, воспламенитель топлива 4 и устройство запуска 5. В качестве плазмообразующего топлива, расположенного в контейнере 2 камеры сгорания 1, использовано унитарное топливо, обеспечивающее электропроводность сверхзвукового потока плазмы на входе в МГД-канал не менее 100 См/м.
Для обеспечения полной автономности генератора устройство запуска 5 выполнено механическим. К камере сгорания пристыковано сверхзвуковое сопло 6, которое сочленяется с линейным фарадеевским МГД-каналом 7, расположенным в рабочем объеме магнитной системы на основе постоянного магнита 8 с индукцией магнитного поля не менее 0,5 Тл. МГД-канал прямоугольного сечения образован двумя многослойными электроизоляционными стенками 9, а также анодной 10 и катодной 11 многослойными стенками. Токосъемные электроды 12 анодной и катодной стенок изготовлены из материала, обеспечивающего приэлектродное падение напряжения, по крайней мере, в 3 раза меньшее напряжения между электродами анодной и катодной стенок МГД-канала. Конструктивно секционированные электроды 12 анодной 10 и катодной 11 стенок соединены с соответствующими токосъемными шинами анодной 13 и катодной 14 стенок. (Фиг.2). Катодная шина разделена на два участка, каждый из которых направлен вдоль соответствующей электроизоляционной стенки и перпендикулярно противоположной электродной стенке, над которой указанные участки соединены с образованием третьего участка, направленного параллельно неразделенной на участки токосъемной шине и расположенного на минимально допустимом из условия электрической изоляции расстоянии от нее.
Все указанные выше узлы МГД-генератора соединены в жесткую конструкцию, установленную на опорную станину 15.
После укомплектования МГД-генератора может находиться в стадии готовности к работе в течение длительного времени (месяцы, годы), т.к. в его конструкции используются унитарное плазмообразующее топливо, постоянный магнит, механическое устройство запуска и воспламенитель, которые обладают большим сроком хранения.
-3
Включение МГД-генератора производится с помощью устройства запуска 5, инициирующего зажигание воспламенителя 4, который поджигает топливо в контейнере 2. Ряд плазмообразующих топлив, прежде всего твердые (пороховые), не требуют предпусковой подготовки и предварительных систем запуска, выходят на номинальный режим горения за время ~ 0.1 с и могут находиться в постоянной готовности к работе не менее 10 лет. После воспламенения топлива в камере сгорания 1 за время ~ 0.1 с устанавливаются заданные давление, температура, свойства плазмы и расход продуктов сгорания через сверхзвуковое сопло 6 и МГД-канал 7. Так как магнитное поле в МГД-канале существует постоянно, то при появлении плазменного потока в МГД-канале происходит "мгновенная" (с задержкой ~ 10 с) генерация электрической мощности.
Генерируемый в МГД-канале ток отводится непосредственно в нагрузку или в преобразователь электрической энергии от токосъемных электродов 12, размещенных на анодной 10 и катодной 11 стенках канала, с помощью анодной 13 и катодной 14 токосъемных шин (Фиг.2). При этом соединение электродов и отвод тока от МГД-канала осуществляются по схеме, исключающей ослабление магнитного поля постоянного магнита в МГД-канале. Как уже указывалось выше, один из токосъемных электродов соединен с соответствующей токосъемной шиной, а другая токосъемная шина другого токосъемного электрода разделена на два участка, каждый из которых направлен вдоль соответствующей электроизоляционной стенки и перпендикулярно противоположной электродной стенке, над которой указанные участки соединены с образованием третьего участка, направленного параллельно неразделенной на участки токосъемной шине и расположенного на минимально допустимом из условия электрической изоляции расстоянии от нее.
В одном из вариантов отвода тока от МГД-канала секционированные токосъемные электроды 12 анодной стенки 10 соединены с анодной токосъемной шиной 13. Катодная токосъемная шина 14 разделена на два участка, каждый из которых направлен вдоль соответствующей электроизоляционной стенки 9 и перпендикулярно анодной стенке 10. Указанные участки соединены в третий участок над анодной стенкой 10 (Фиг.2). Третий участок шины 14 параллелен анодной токосъемной шине 13 и расположен на минимально допустимом из условия электрической изоляции расстоянии от нее.
Так как токи в участках катодной токосъемной шины текут противоположно токам в плазме МГД-канала, то индуцируемые ими и токами в плазме "z"-компоненты магнитного поля в значительной мере компенсируются и поэтому не ослабляют магнитное поле в рабочем объеме канала, создаваемое постоянным магнитом. Так как параллельные участки токосъемных шин 13 и 14 над анодной стенкой расположены предельно близко друг к другу, токи в них равны и текут в противоположных направлениях. Следовательно, по закону полного тока индуцируемые ими магнитные поля компенсируют друг друга и, тем самым, не искажают в канале магнитное поле постоянного магнита.
Другим вариантом отвода тока от МГД-канала является смена ошиновки анодной и катодной стенок МГД-канала на обратную.
Описанная коммутация электродов и токосъемных шин МГД-канала обеспечивает заданные электрические характеристики МГД-генератора, величины которых могут изменяться в диапазоне от холостого хода до короткого замыкания.
Для уменьшения прикатодного и прианодного падений напряжения в МГД-канале используются токосъемные электроды 12 в составе многослойных анодной 10 и катодной 11 стенок из материала, обеспечивающего приэлектродное падение напряжения, по крайней мере, в 3 раза меньшее рабочего напряжения МГД-генератора, например, из пирографита. В этом случае приэлектродное падение напряжения не оказывает существенного влияния на электрические характеристики МГД-генератора.
Таким образом, устройство по полезной модели является полностью автономным источником электрической энергии кратковременного действия на основе МГД-генератора с постоянным магнитом, электрические характеристики которого приемлемы для ряда технических применений. Его конструкция проста, компактна и надежна, обеспечивает длительный режим готовности к работе, невосприимчива к внешним воздействиям и независима от условий окружающей среды. Постоянный ток, генерируемый МГД-генератором, может быть преобразован в переменный или постоянный ток более высокого напряжения с помощью преобразователя электрической энергии на основе инверторов, выпрямителей и трансформаторов с к.п.д. ≥95%, что расширяет возможности применения устройства по полезной модели.