Magnetohydrodynamischer Wechselstrom-Generator Die bisher vorgeschlagenen magnetohyd@rod'ynn- mischen Generatoren umfassen einen von ionisiertem, Gas durchströmten Kanal, Mittel zur Erzeugung eines quer zur Strömungsrichtung des Gases verlaufenden Magnetfeldes und Elektroden zur Entnahme der durch die Trennung der elektrischen Ladungsträger im Magnetfeld nutzbar gewordenen elektrischen Lei stung.
Besondere Schwierigkeiten stellen sich der Reali sierung der Elektroden entgegen. Im Hinblick auf die hohe Gastemperatur - als Quelle für den Gasstrom wird üblicherweise eine Brennkammer vorgesehen kommt als Elektrodenmaterial z. B. Kohle in Be tracht. Der im Betrieb auftretende Elektrodenabbrand erfordert Nachschubeinrichtungen mit all ihren Kom plikationen.
Bei Generatoren von der zur Zeit als besonders wirtschaftlich betrachteten Grösse müssen von den bewegbaren Elektroden Ströme in der Grö- ssenordnung 105 A abgenommen werden. Aber selbst dann, wenn diese Aufgaben praktisch befriedigend erfüllt wären, verblieben noch weitere mit den Elek troden verbundene Schwierigkeiten, von denen hier lediglich die Eigenemission erwähnt sei.
Die Erfindung betrifft einen magnetohydrodyna- mischen Wechselstromgenerator, der einen von einem ionisierten Gas durchströmten Kanal und Mittel zur Erzeugung e Hirnes quer zur Strömungsrichtung verlau fenden Magnetfeldes umfasst.
Der erfindungsgemässe Generator ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal im wesentlichen einen ringförmigen Querschnitt auf weist und zwischen einem Kern und einem Mantel verläuft, wobei Mantel und Kern Teile mindestens einer nach Art eines Manteltransformators aufgebau ten, magnetischen Struktur bilden,
welche Wicklun gen zur Erzeugung eines den Kanal radial durchset- zenden Magnetfeldes und eine Sekundärwicklung zur Entnahme der erzeugten Wechselstromfeistung trägt. Aufbau und Wirkungsweise eines solchen Gene- rators seien an Hand eines in den Fig. Ia und 1b ge zeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die magnetische Struktur umfasst den Kern 2 mit kreisförmigem Querschnitt, den Mantel 4 mit kreis ringförmigem Querschnitt und eine Mehrzahl radialer Speichen 3 als Verbindung von Kern und Mantel. Der Kanal 1, in welchem das ionisierte Gas in der Richtung v strömt, verläuft im aktiven Teil des Gene- rators zwischen Kern 2 und Mantel 4; er weist daher dort einen kreMörmigen Querschnitt auf. Zur Erzeu gung eines den Kanal radial durchsetzenden Magnet feldes sind die beiden Wicklungen 5' und 5" vorgese hen.
Damit ein zweckmässig gestaltetes Magnetfeld, dessen Feldlinien etwa den in Fig. la gestrichelt ein gezeichneten und mit H bezeichneten Verlauf auf weisen, erzeugt wird, müssen die beiden Wicklungen 5' und 5" vom Erregerstrom mit entgegengesetztem Umlaufsinn durchflossen werden.
In bekannter Weise wirkt auf ein im ionisierten Gas mitgeführtes freies Elektron die Kraft
EMI0001.0069
wo e die Elementarladung, v die vektoriellt Gas geschwindigkeit und B die magnetische Induktion im Gaskanal bedeuten. Eine analoge Kraft wirkt auch auf die Ionen, die aber nur wenig abgelenkt werden, da sie schwer und träge sind.
Die geladenen Teilchen stossen .immer wieder mit anderen Teilchen zusam men; zudem besteht) zwischen Ionen und Elektronen .eine elektrische Wechselwirkung.
Diese Bremswir kungen stellen den elektrischen Widerstand dar,, des sen Kehrwert die elektrische Leitfähigkeit ist. Der im Gaskanal induzierte Strom berechnet sich demnach aus der Formel
EMI0001.0086
worin a die spezifische elektrische Leitfähigkeit,
EMI0002.0002
das induzierte elektrische Feld und das
EMI0002.0004
Gegenfeld der Nutzspannung sind.
Da die Strömungs geschwindigkeit
EMI0002.0005
und die radiale magnetische In duktion
EMI0002.0007
senkrecht aufeinander stehen, hat das in duzierte elektrische Feld nur eine Tangen tialkomponente, :ebenso auch
EMI0002.0009
das Gegenfeld E Der induzierte Strom verläuft demnach zirkular um den Kern 2, wie dies in Fig. 1a eingezeichnet ist.
Wird ein @radiales magnetisches Wechselfeld er zeugt, das heisst werden die Wicklungen 5', 5" mit Wechselstrom gespeist, so erzeugt der Strom j im Kern 2 und über die Speichen 3 im Mantel 4 den mit H' bezeichneten Induktionsfluss. An der Sekun därwicklung 6 kann daher eine Wechselstromleistung abgenommen werden.
Die Anordnung wirkt also wie ein Transformator, dessen Primärwicklung nur ihrer Wirkung nach vorhanden ist, indem der Induktions- fl'uss durch einen im ionisierten Gas mittels eines quer zur Gasströmung verlaufenden magnetischen Wechselfeldes durch magnetohydrodynamischen Effekt hervorgerufenen Strom erzeugt wird.
Zufolge der gegensinnigen Speisung der Wicklungen 5', 5" sind diese gegenüber dem Induktionsfluss H' und damit auch gegenüber der Sekundärwicklung 6 entkoppelt. Der Induktionsfluss <I>H'</I> eilt dem Erregerfluss <I>H</I> um 90 in der Phase nach, so dass für beide Flüsse ver hältnismässig hohe Kerninduktionen zugelassen wer den können.
Die Wände des Kanals müssen minde stens .im aktiven Teil des Generators mit einem elek- trisch-isolierenden Belag versehen sein. Eine an gemessene Kühlung muss dafür sorgen, dass nirgends in der magnetischen Struktur der Curie-Punkt erreicht wird-. Mit Rücksicht auf die hohe Geschwindigkeit der Gasströmung sind insbesondere Kern und Spei chen so zu gestalten, dass minimale Strömungswider stände entstehen.
Diese Massnahme ist in. Fig. la als Zuspitzung der Enden des Kernes 2 angedeutet. Die Teile der magnetischen Struktur sind zweckmässig aus lamelliertem Eisen aufzubauen. Genauere Unter suchungen der Betriebsbedingungen eines solchen Generators lassen erkennen, dass es zweckmässig ist, kleine Magnetfeldstärken, grössere Leitfähigkeit des Gases und kleinere Längen des aktiven Teiles vor zusehen, als es für die bisher vorgeschlagenen, mit Elektroden versehenen Gleichstromgenüratoren von vergleichbaren Leistungen als optimal bekanntgewor den ist.
Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, dass sich innerhalb der magnetischen Struktur in der Nachbarschaft der Speichen 3 mehr oder weniger grosse Räume befin den, die praktisch frei von dem durch die Wicklungen 5', 5" erregten Magnetfeld (gestrichelt) sind. Der In duktionsfluss des Transformators kann daher im lei tenden Gas, das sich in diesen Räumen befindet, Ströme induzieren, welche den Kern 2 umschliessen. Sie lassen sich unterdrücken durch die Anordnung isolierender Platten 7 in radialen Ebenen unmittel- bar hinter den eintrittsseitigen bzw. vor den austritts- seitigen Speichen.
Anstelle der in Fig. laa gezeigten Zuführung des Gases in axialer Richtung kann auch eine Zuführung durch den Mantel hindurch treten. Die Fig. 2 zeigt eine solche Anordnung, bei welcher für jeden der beispielsweise vier Sektoren (vgl. Fig. la) eine eigene Brennkammer 8 zur Erzeugung des Gasstromes vor gesehen ist. Der eintrittsseitige Speichenstern nach Fig. 1a kann in dieser Anordnung durch eine un geteilte Platte 9 ersetzt werden. Dasselbe kann aus- trittsseitig geschehen, wenn die Gasabfuhr ebenfalls radial durch den Mantel hindurch erfolgt.
Eine andere mögliche Bauform ist in Fig. 3 ge zeigt. Die Zuführung des Gases in den kreisringför migen Kanal geschieht über eine Mehrzahl von Zu leitungsröhren 9 aus einer toroidförmigen Brennkam- mer 10.<B>Die</B> Figur deutet durch gestrichelte Linien die zweckmässige Führung eines Kühlmediums an. Anstelle einer toroidförmigen Brennkammer kann natürlich auch für jedes Zuleitungsrohr eine eigene Brennkammer vorgesehen sein.
Der Generator für einphasigen Wechselstrom kann bei zweckmässiger Dimensionierung praktisch die volle, zur Konversion verfügbare thermische Ener gie in elektrische umsetzen. Hiezu muss der aktive Teil so lang sein, dass die Laufzeit des Gasstromes in ihm mindestens 1/1 der Periodendauer des Wechsel feldes beträgt. Es können dabei auch mehrere magne tische Strukturen vorgesehen werden, die vom Gas strom nacheinander durchflossen werden.
Mehrphasenwechselstrom (z. B. zwei- oder drei- phasig) kann derart erzeugt werden, dass man den einzelnen Phasen<B>je</B> eine magnetische Struktur zu ordnet, deren Wicklungen aus einer entsprechenden Mehrphasenquelle gespeist werden.
Die einzelnen Kanäle können von einer gemeinsamen Brennkammer parallel gespeist werden oder auch eigene Brennkam- mern aufweisen. Die Kanäle lassen sich aber auch längs eines einzigen Weges hintereinander anordnen, so dass sie vom Gasstrom nacheinander durchflossen werden. Es muss dann dafür gesorgt sein, dass jeder Teil des Generators von der verfügbaren Leistung jeweils nur den ihm ,gemäss der jeweiligen Phasen zahl zukommenden Teil aufnimmt.
Dabei kann die wirksame Länge der aktiven Teile verhältnismässig klein gehalten werden.
Die Fig. 4 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung von Drehstrom. Sie enthält drei miteinander ver einigte magnetische Strukturen von der beschriebenen Art mit ihren Wicklungen, die vom Gas nacheinander durchströmt werden. Die drei Erregerwicklungspaa:re 5', 5" werden aus einer Drehstromquelle gespeist; dementsprechend kann an den beispielsweise in Sternschaltung miteinander verbundenen Sekundär wicklungen 6 Drehstromleistung entnommen wer den.
Abgesehen von der Speisung der Wicklungen 5', 5" mit Wechselstrom kommen auch andere Mass- nahmen zur Erzeugung eines zeitlich veränderlichen Induktionsflusses in Frage. Es können z. B. die Wick lungen 5', 5" mit Gleichstrom gespeist werden, wenn dafür gesorgt wird" dass die elektrische Lei-tfähigkdit und/oder die Geschwindigkeit des Gases sich peri odisch ändert. Eine Beeinflussung der Leitfähigkeit kann dadurch geschehen, dass die an sich bekannte Einführung fremder Ladungsträger (z.
B. Ka'lium- ionen) in den Gasstrahl mit periodischer Schwankung der Dosierung bewerkstelligt wi.rd,. Die Gasgeschwin digkeit kann bei gleichbleibender Strömungsrichtung zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert verändert werden, oder sie kann, bei periodi scher Umkehrung der Strömungsrichtung, zwischen zwei Maximalwerten variieren. Im letzteren Falle hat die Einströmung des Gases abwechslungsweise von beiden Generatorseiten her zu erfolgen.