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Générateur hydromagn6tiquee
La présente invention concerne d'une manière générale des générateurs hydromagnétiques et, plus particulièrement, des con- duits générateurs et des montages producteurs de flux magnétique pour ces conduits,
Suivant la théorie de l'hydromagnétisme, une tension électrique est produite entre des électrodes sur des parois espacées d'un conduit dans lequel un fluide ou un gaz ionisé est entraîné et dans lequel un champ magnétique est établi transversalement à
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l'intervalle entre les électrodes et au sens dans lequel le uide circule.
Cette théorie est un cas spécial de la théorie d'ind tion électromagnétique plus générale de Faraday suivant laquelle un force électromotrice ou tension est induite dans un circuit éllctri- que chaque fois que le flux magnétique qui couple le circuit c@ange.
Il est connu que, dans des machines électromécaniques, la théo@@e de Faraday explique la production d'une tension dans des condu teurs en cuivre ou autre matière solide avec laquelle des cougpèages inductifs subissent continuellement des variations par le déplacement des conducteurs dans un champ de flux magnétique ou par le dépla- cément d'un champ de flux magnétique par rapport aux conduc- teurs.
Dans un générateur hydromagnétique, un fluide conducteur ou gaz ionisé en circulation joue le rôle d'un conducteur ou d'un agent de conduction qui est déplacé dans un champ de flux magné- tique, et un champ électrique ainsi qu'une tension correspondante sont produits dans le fluide en mouvement dans un sens déterminé par les règles directionnelles bien connues de l'induction électromagnétique. Cette tension induite apparaît sur les électrodes précitées entre lesquelles le fluide est conduit et, lorsqu'un circuit de charge est connecté aux électrodes, du courant est produit et est mis en circulation dans le circuit fermé.
La tension produite ainsi que d'autres caractéristiques de fonctionnement obtenues au moyen d'un générateur donné peuvent être prévues avec un degré raisonnable de certitude. Par exemple, si on utilise du gaz ionisé comme fluide de travail conducteur, la tension e t le courant produits dépendent de paramètres physiques (comprenant la conductibilité électrique, la température, la pression' et la vitesse) du gaz (qui peut comprendre des produits de combustion' ainsi que des atomes actifs ou des molécules d'un élément de faible puissance d'ionisation tel que du césium ou du potassium) et dé la façon dont ces paramètres subissent dynamiquement des varia-
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tiens, en particulier lorsque le gaz circule dans le conduit généra- teur.
Le champ de flux magnétique et les propriétés physiques de matériaux de construction telles que la perméabilité magnétique, la résistivité ou la conductibilité électrique et les caractéristi- ques température-résistance sont également des facteurs importants pour déterminer la tension et le courant. D'une manière plus géné- rale, la nature d'un générateur hydromagnétique peut être ar.alysée mathématiquement et cette analyse en termes de débit, de principes électromagnétiques et thermodynamiques, peut être trouvée dans des' travaux de recherche et des brevets récents.
En appliquant la théorie de l'hydromagnétisme pour obte- nir des générateurs fonctionnant d'une manière efficace, on rencontre de nombreux problèmes et l'un d'eux concerne la production d'un champ de flux magnétique dans le conduit générateur d'une manière efficace et économique. Au point de vue structure, le conduit générateur est allongé et pourvu d'une section rectangulaire ou carrée ou analogue. Des électrodes sont placées sur deux des parois opposées du conduit et une tension est produite entre ces électrodes lorsque le flux magnétique est établi transversalement à l'intervalle entre les électrodes et à la longueur du conduit et lorsque du gaz ionisé est transporté longitudinalement dans le conduit.
Des parois latérales isolées espacées relient les parois portant des électrodes le long de leurs faces longitudinales opposées et un passage de cir- culation est ainsi formé dans le conduit. Le flux magnétique peut être produit avec une uniformité acceptable le long,du conduit au moyen d'un enroulement d'aimant placé longitudinalement par rapport au conduit et entouré sur toute sa longueur par un noyau d'aimant de manière à réduire au minimum la force magnétomotrice nécessaire pour établir le niveau de flux désiré dans le conduit.
Les investissements requis pour ce dispositif ou cet aimant producteur de flux peuvent être très élevés, en particulier dans des générateurs hydromagnétiques de grande puissance. De plus, en termes de fonctionnement physique, -l'efficacité de la production
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d'une tension du conduit décrit plus haut est limitée par la valeur à laquelle la résistivité électrique des parois latérales peut être maintenue avec la température croissante car la conduction ou les fuites par l'intervalle interélectrode à travers les parois latérales produisent une perte de puissance interne du générateur.
Quoique des matières de garniture céramiques connues ou en cours de ' développement pour les parois latérales, comme la zircone, soient acceptables ou puissent être acceptables sous ce rapport, une limi- tation est néanmoins imposée au rendement du générateur. Cela est dû au fait qu'une plus haute température de fonctionnement est souhaitable car. elle améliore la conductibilité du fluide de travail, mais que dans une gamme de températures élevées, la conductibilité des parois latérales et, partant, les courants de fuite interélec- trodes, deviennent ou deviendraient excessifs.
La présente invention a pour but principal de procurer un générateur hydromagnétique comportant un conduit et une construc- tion pour la production d'un flux magnétique qui permette de produire un flux magnétique transversal efficacement et économiquement et qui élimine le problème posé par le courant de fuite interélectrodes.
L'invention réside d'une manière générale dans un généra- teur hydromagnétique comprenant au moins un conduit générateur oblong comportant des parois tubulaires intérieure et extérieure en substance concentriques avec entre elles un passage de circulation de fluide annulaire allongé, des électrodes placées sur les parois à des endroits radialement opposés et un dispositif producteur de flux magnétique disposé de manière à produire, lorsqu'il est excité, un flux magrétique circonférentiellement dans le passage.
Pour. bien faire comprendre l'invention, on en décrira plusieurs formes d'exécution préférées ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: la Fig. 1 est une coupe longitudinale d'un conduit géné- rateur et d'un dispositif producteur de flux dans un générateur hy- dromagnétique représentés en partie schématiquement et construits
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suivant l'invention; @ la Fig. 2 est une coupe transversale suivant la ligne II-II de la Fig, l; la Fig. 3 est une vue en perspective d'un autre con-
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duit générateur et dispositif magnétiseur suivant l'inventiônj et .:Y^f,,y, la Fig.4 est une vue schématique de plusieurs conduite disposes suivant la présente invention.
Les Figs. 1 et 2 représentent un conduit générateur al- ; longé 10 et un dispositif producteur de flux 12 qui, ensemble, ,forment la partie active d'un générateur hydromagnétique. Si le fluide ou le gaz de travail ionisé est forn par des produits de
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combustion, le génératettr hydromçgnétique peut conprcrtdre par :
exemple un compresseur d'admission d'air (non repr±senté) à partir duquel de l'air sous pression et préchauffe est transporte vers une chambre de combustion où sa composition est modifiée par les produits de combustion et où le mélange gazeux résultant est chauf- fé à une température relativement élevée, par exemple 2500 Kelvin.../ Des atomes actifs ou des molécules fortement ionisables. comme des atomes ou des molécules de césium ou de potassium, peuvent être injectés dans le gaz par des moyens appropriés,(non représentés)
de manière à améliorer le rendement de la production de courant dans le conduit 10 et ces atomes actifs ou molécules peuvent être ultérieurement récupérés du courant de gaz par des moyens appropriés.
Un appareil échangeur de chaleur (non représenté) peut être prévu dans l'installation du générateur hydromagnétique là où il le faut, afin de récupérer de la chaleur des agents de refroi- dissement en circulation ou à d'autres fins. Une source de courant séparée (non représentée) peut être prévue pour exciter le dispositif producteur de flux 12. D'autres appareils effectuant différentes fonctions coopérantes ou fortuites peuvent être utilisés suivant les besoins fonctionnels d'un générateur hydromagnétique particulier.
Le conduit générateur 10 a, dans ce cas, une géométrie en substance cylindrique, c'est-à-dire qu'il comprend des parois
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intérieure et extérieure tubulaires cylindriques 14 et 16 en substance concentriques et refroidies de préférence par un circuit d'aient de refroidissement approprié (non représenta), Les parois tabulaires 14 et 16 peuvent être fabriquées en une matière telle que de l'asier inoxydable et peuvent être chacune convenablement garnies par exemple de couches 18 et 20 appliquées le long du conduit générateur et comprenant une matière thermo-isolante appro- priée présentant des caractéristiques de résistance élevées à la température, comme la zircone.
Des couches-électrodes correspondantes, radialement opposées 22 et 24 sont de préférence appliquées sur les- couches thermo-isolantes 18 et 20 et les couches-électrodes 22 et 24 peuvent avoir la forme de .tubes d'une pièce en matière d'électrode appropriée telle que du borure de zirconium ou du métal refroidi par un fluide, ou, elles peuvent comprendre plusieurs bagues-électrodes et plusieurs bagues d'espacement en matière isolante qui alternent le long du conduit générateur 10.
Des conduites d'entrée et de sortie de gaz 26 et 28 peuvent être respectivement convenablement raccordées aux extrémités d'entrée et de sortie du conduit générateur 10 et ce raccordement peut être effectué au moyen de bagues d'espacement thermiquement et électriquement isolantes 30 et 32 placées entre les conduites 26 et 28 et le conduit générateur 10.
Chaque conduite 26 et 28 peut procurer les forces de support principales pour la paroi tubu- laire.intérieure 14 du 'conduit générateur, comme indiqué par le chiffre 29 et comprend des parois tubulaires intérieure et extérieure '
34 et,36, de préférence convenablement refroidies et faites en une matière telle que de l'acier inoxydable et garnies intérieurement de couches respectives 38 et 40 en matière thermo-isolante présentant de bonnes caractéristiques de résistance à la température telle que du zircone.
Un fluide conducteur ou un gaz ionisé à haute température ; ayant une vitesse prédéterminée et débité par une source telle que
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la chambre de combustion 11 pénètre donc dans le passage de circu- lation annulaire 42 dans le conduit générateur 10 à partir du col- lecteur 13 et de la conduite d'entrée 26. Après âtre passé dans le passage 42, le fluide peut être dirige par la conduite 28 pour être ralenti et évacué. Toute matière active injectée dans le gaz ionisé peut alors être récupérée du gaz avant son échappement.
Afin de produire du courant entre les électrodes du con-' duit générateur 22 et 24, il faut qu'un champ de flux magnétique soit établi transversalement au sens de l'intervalle entre les électrodes et au sens de circulation du gaz. Cela étant, des dispo- sitifs producteurs de flux magnétique sont prévus pour établir un champ de flux magnétique circonférentiel dans le passage de circulation annulaire 42.
Les dispositifs producteurs de flux comprennent dans ce cas-ci un câble isolé allongé 44 ou plusieurs fils métalliques allongés convenablement isolés de la paroi tubulaire intérieure 14 du conduit générateur et ce câble 14 est prolongé longitudinalement dans la paroi tubulaire 14 et est excité par un dispositif appro- prié 21 et par un câble de retour 19 qui sert à produire un courant magnétiseur IM qui circule dans le câble. Ce courant produit un flux magnétique circonférentiel autour du câble 44 et une notable partie de ce flux est produite dans le passage de circulation an- nulaire 42.
Les conduites 26 et 28 qui prolongent le conduit s'éva- sent de préférence vers 1'extérieur longitudinalement à partir des extrémités respectives du conduit générateur 10 de sorte que la paroi tubulaire Intérieure 14 du conduit générateur peut être pro- longée vers 11 extérieur depuis chaque extrémité du conduit ou des supports supplémentaires (tels que la fondation 45) peuvent être prévus ainsi qu'une borne de courant 46. Un trajet de courant partant de l'électrode intérieure 22 est donc établi vers la borne de puissance 46 à travers la paroi tubulaire 14 et une ou plusieurs bornes 48 qui connectent l'électrode 22 à la paroi tubulaire 14.
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Les bornes de connexion 48 sont prolongées par des ou- vertures appropriées dans la couche thermo-isolante 18 et en plus de leur fonction consistant à fermer le circuit, elles peuvent supporter la couche-électrode 22, si on le désire. De même, un ou plusieurs connecteurs 50 peuvent être-fixés à la couche-électrode 24 et peuvent, si on le désire, supporter cette couche et se pro- longer à travers la couche thermo-isolante 20 pour être connectés à une autre borne de courant 52.
Le dispositif producteur de flux peut être prévu dans , des formes autres que celle décrite plus haut au sujet de la forme d'exécution préférée de l'invention, aussi longtemps que ce dis- positif est capable de produire économiquement un champ de flux magnétique circonférentiel, de préférence contenu en substance à l'intérieur du conduit.
Déplus, en particulier si le courant magnétiseur est produit de la façon décrite plus haut, la géométrie tubulairé du conduit générateur 10 peut être prévue dans des formes autres que la forme cylindrique décrite. Ainsi, comme le montre schématiquement la Fig. 3, le conduit générateur 23 peut comprendre des parois d'électrodes tubulaires intérieure et extérieure 15 et 25 qui ' forment des segments de cônes concentriques respectifs. Un avantage de cette forme géométrique est qu'un passage de circulation annu- laire 17 est formé et va en augmentant le long du conduit généra- teur de sorte que la vitesse du gaz peut être maintenue à mesure que la pression du gaz tombe par suite du travail effectué contre l'action de la force du champ magnétique.
D'autres formes de conduit générateur peuvent également être utilisées, par exemple des cornets exponentiels concentriques et, pour n'importe quelle géométrie prévue, les axes longitudinaux du conduit générateur ne doivent pas nécessairement être linéaires mais peuvent être courbés si cette disposition est avantageuse dans-un générateur hydromagnétique particulier. Mais, dans toute ' géométrie de conduit générateur tubulaire utilisée, les parois
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tubulaires intérieure et extérieure du conduit générateur sont de préférence disposées concentriquement l'une par rapport à l'autre de aorte que l'écarteme des électrodes le long du conduit gène- rateur est en substance constant pour assurer une production de tension uniforme en fonction de la longueur du conduit.
De plus, comme le montre schématiquement la Fig. 4, plusieurs conduits 60 électriquement en série de n'importe quelle géométrie annulaire décrite plus haut peuvent être disposés physiquement de manière à être magnétiquement excités par un con- " ducteur magnétsieur commun 62. De cette manière, on obtient une meilleure efficacité de la magnétisation car la longueur des parties non utilisées 64 du trajet total du conducteur n'est limitée que par la disposition physique du conduit et les trajets de retour de continuité sont donc en substance raccourcis ou éliminés.
Une efficacité optimum est obtenue sous ce rapport dans le cas extrême où des conduits 60 électriquement en série sont disposés en une couronne ou en une autre disposition fermée avec le con- ducteur 62 entièrement contenu dans cet anneau sauf pour l'accès à la prise ou l'équivalent. En tout cas, lorsque plusieurs con- duits sont groupés pour être excités magnétiquement en commun comme décrite des trajets de circulation de fluide conducteur individuels peuvent être formés pour chaque conduit par des paires de passages d'entrée et de sortie séparées ou certains conduits ou la totalité d'entre eux peuvent être raccordés en série pour la circulation avec un réchauffage du fluide s'il le faut entre des conduits successifs dans n'importe quel groupe.