МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

       

(МГД-генератор), установка для непосредств. преобразования тепловой энергии в электрическую. Основан на явлении эл.-магн. индукции, т. е. возникновении тока в проводнике, пересекающем магн. силовые линии; в кач-ве движущегося в магн. поле проводника используется плазма или проводящая жидкость (электролиты и жидкие металлы) .

На возможность использования проводящих жидкостей, движущихся в магн. поле, для генерации электрич. токов указал ещё англ. физик М. Фарадей в 1831. Однако предпринятые им же попытки экспериментально проверить эту идею были безуспешны. Осн. принципы устройства современных М. г. были сформулированы в 1907 — 22, однако практич. реализация их оказалась возможной только в кон. 50-х гг. в связи с развитием магнитной гидродинамики, физики плазмы и т. д.

М. г. состоит (рис. 1) из генератора (нагревателя, источника) рабочего тела, в к-ром рабочее тело нагревается до необходимой темп-ры (тв. топливо переходит в газ и ионизуется) и разгоняется до требуемых скоростей; МГД-канала, в к-ром движется рабочее тело (плазма или проводящая жидкость) и происходит отвод генерируемой электроэнергии контактным (с помощью электродов) или индукционным (вторичные обмотки) способами; магн. системы, в магн. поле " к-рой происходит пондеромоторное торможение рабочего тела.

Рис. 1. Схема плазменного МГД-генератора: 1 — генератор плазмы; г — сопло; 3 — МГД-канал; 4 — электроды с последовательно включённой нагрузкой; 5 — магн. система, создающая тормозящее магн. поле; Rн — нагрузка.

По типу используемого рабочего тела М. г. подразделяются на плазменные и жидкометаллические. В плазменных М. г. может использоваться равновесная или неравновесная плазма.

Системы с М. г. могут работать по открытому и замкнутому циклам. В первом случае использованные газы выбрасываются в атмосферу. В М. г. замкнутого цикла рабочее тело, пройдя М. г., возвращается в МГД-канал через компрессор или насос.

Как и в любом генераторе, основанном на принципе эл.-магн. индукции, в проводящем потоке (с электропроводностью а), движущемся в МГД-канале М. г. со скоростью v поперёк магн. поля В, возникает индукц. поле напряжённостью E=vXB. Под действием этого поля в объёме потока и во внеш. цепи возбуждается электрич. ток.

Вз-ствие генерируемого тока с магн. полем приводит к появлению тормозящей пондеромоторной силы, работа к-рой на длине канала М. г. определяет уд. мощность и эффективность М. г. Она тратится на работу во внеш. цепи, на джоулев нагрев рабочего тела и на работу, связанную с токами утечки.

Мощность М. г. N=sv2B2. Для жидкометаллич. М. г. существенной проблемой при получении больших мощностей явл. разгон рабочего тела до высоких скоростей. В совр. схемах разгона парогазовой смеси с конденсацией перед МГД-каналом происходят большие потери кинетич. энергии, а при работе с гетерогенным парогазовым рабочим телом — потери электропроводности. Эти потери и ряд др. эффектов ограничивают кпд жидкометаллич. М. г. величинами =3— 6%; агрегатные мощности М. г.— ок. 0,5—1,0 МВт. Значительно более высокие показатели имеют плазменные М. г. Во-первых, в них рабочее тело можно разгонять до больших скоростей (=2000 —2500 м/с), во-вторых, введение в газы небольших кол-в легко ионизующихся добавок (напр., паров щелочных металлов К, Cs) позволило снизить темп-ру ионизации и получить приемлемые электропроводности плазмы уже при темп-рах 2300—3000 К и атм. давлениях. Использование перегрева электронной компоненты плазмы относительно ионной и ат. компонент также значительно увеличивает электропроводность такой неравновесной плазмы. При типичных значениях магн. индукции В = 3Т можно получать кпд плазменных М. г. до 20%, а мощность с ед. объёма рабочего тела =103 МВт/м3.

При использовании плазмы в кач-ве рабочего тела нужно учитывать особенности работы М. г., связанные с плазменными эффектами и сжимаемостью газа. Так, в сильных магн. полях или в разреж. газе, когда частота соударений эл-нов уменьшается и становится сравнимой с циклотронной частотой вращения эл-нов, они успевают за время между соударениями пройти заметную дугу по ларморовской окружности. Благодаря этому направление тока в плазме не совпадает с направлением напряжённости электрич. поля (Холла эффект).

Рис. 2. Схемы соединения электродов в МГД-генераторах: a — линейный фарадеевский генератор с секционированными электродами; б — линейный холловский генератор; в — сериесный генератор с диагональным соединением электродов.

Это приводит к возникновению дополнит. электрич. поля, т. н. поля Холла, направленного навстречу потоку газа. В результате а уменьшается в направлении индуцированного поля и становится анизотропной. Для уменьшения вредных последствий эффекта Холла предпочтительны режимы работы с давлениями, близкими атмосферным. Кроме того, можно разделить электроды на секции (чтобы уменьшить циркуляцию тока вдоль канала), причём каждая пара электродов должна иметь свою нагрузку (рис. 2, а), что усложняет конструкцию М. г. Если же в идеально секционированном канале электроды коротко замкнуты (рис. 2, 6, в), то поле Холла значительно больше индукционного и этот эффект используется для получения высоких (10—20 кВ) напряжений.

Сжимаемость газа приводит к появлению градиентов давления и темп-ры вдоль канала. Эти эффекты частично компенсируют расширением проточной части канала. Трение газа о стенки канала приводит к образованию холодных пограничных слоев, где теряется часть генерируемого напряжения; в результате трения может также происходить зажигание дуг, разрушающих электроды. При сильных пондеромоторных торможениях рабочего тела может произойти отрыв пограничного слоя и в потоке плазмы возникнут резкие возмущения, поток расслаивается, резко уменьшается индуцированное поле в выходных зонах, генерация срывается. Отсос пограничного слоя частично компенсирует этот эффект.

В канале М. г. может возникать также ряд плазменных неустойчивостей, обусловленных локальными перегревами, неоднородностью ионизации и т. п.

Отсутствие движущихся деталей (осн. преимущество М. г.) и принципиально высокая рабочая темп-ра позволяют создавать М. г. с высокими кпд и большими агрегатными мощностями. В комбинированных ТЭС можно применять М. г. как высокотемпературные ступени перед обычными машинными генераторами, что должно повысить кпд станции в целом на 10—15%. Быстрота выхода на режим (=1 с) позволяет на базе М. г. создавать пиковые и аварийные электростанции, а также мощные импульсные МГД-установки. Используя принцип самовозбуждения магн. системы, можно создавать автономные импульсные МГД-установки. Малое количество вредных примесей в выхлопных газах М. г., работающих на природных ископаемых топливах, обеспечивает лучшие условия защиты окружающей среды от теплового и химического загрязнений. Созданы экспериментальные МГД-генераторы, генерирующие до 10—20 МВт в течение сотен часов. В народном хозяйстве используются мощные импульсные М. г. открытого цикла, работающие на продуктах сгорания специальных твёрдых топлив. Разработаны МГД-установки для прогнозирования землетрясений методом периодических глубинных зондирований земной коры, для геофиз. нефтепоисковых работ и т. д.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.