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
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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
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worin a die spezifische elektrische Leitfähigkeit,
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das induzierte elektrische Feld und das
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Gegenfeld der Nutzspannung sind.
Da die Strömungs geschwindigkeit
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und die radiale magnetische In duktion
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senkrecht aufeinander stehen, hat das in duzierte elektrische Feld nur eine Tangen tialkomponente, :ebenso auch
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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.
Magnetohydrodynamic alternating current generator The previously proposed magnetohyd @ rod'ynn- mix generators include a channel through which ionized gas flows, means for generating a magnetic field running transversely to the direction of flow of the gas, and electrodes for removing what has become usable through the separation of the electrical charge carriers in the magnetic field electrical power.
The realization of the electrodes opposes particular difficulties. With regard to the high gas temperature - a combustion chamber is usually provided as a source for the gas flow. B. Coal in Be tracht. The electrode burn-off that occurs during operation requires supply devices with all their complications.
In the case of generators of the size currently considered to be particularly economical, currents of the order of magnitude of 105 A must be drawn from the movable electrodes. But even if these tasks were fulfilled in a practically satisfactory manner, there were still further difficulties connected with the electrodes, of which only the self-emission is mentioned here.
The invention relates to a magnetohydrodynamic alternating current generator which comprises a channel through which an ionized gas flows and means for generating a magnetic field extending transversely to the direction of flow.
The generator according to the invention is characterized in that the channel essentially has an annular cross section and runs between a core and a jacket, the jacket and core forming parts of at least one magnetic structure constructed in the manner of a jacket transformer,
which windings are used to generate a magnetic field that radially penetrates the channel and a secondary winding for drawing off the generated alternating current power. The structure and mode of operation of such a generator will be explained in more detail using an exemplary embodiment shown in FIGS. 1a and 1b.
The magnetic structure comprises the core 2 with a circular cross section, the jacket 4 with a circular cross section and a plurality of radial spokes 3 as a connection between the core and jacket. The channel 1, in which the ionized gas flows in the direction v, runs in the active part of the generator between core 2 and cladding 4; it therefore has a cr-shaped cross section there. To generate a magnetic field radially penetrating the channel, the two windings 5 'and 5 "are provided.
So that a suitably designed magnetic field, the field lines of which have approximately the curve drawn in dashed lines in FIG. La and labeled H, is generated, the two windings 5 'and 5 "must be traversed by the excitation current in opposite directions.
The force acts in a known way on a free electron carried along in the ionized gas
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where e is the elementary charge, v is the vectorial gas velocity and B is the magnetic induction in the gas duct. An analogous force also acts on the ions, but they are only slightly deflected because they are heavy and inert.
The charged particles repeatedly collide with other particles; there is also an electrical interaction between ions and electrons.
These braking effects represent the electrical resistance, whose reciprocal value is the electrical conductivity. The current induced in the gas duct is calculated from the formula
EMI0001.0086
where a is the specific electrical conductivity,
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the induced electric field and that
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Opposite field of the useful voltage are.
As the flow velocity
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and radial magnetic induction
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stand perpendicular to each other, the induced electric field has only one tangential component, as well
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the opposing field E. The induced current accordingly runs circularly around the core 2, as is shown in FIG. 1a.
If a radial alternating magnetic field is generated, i.e. the windings 5 ', 5 "are fed with alternating current, the current j in the core 2 and through the spokes 3 in the jacket 4 generates the induction flux labeled H'. On the secondary winding 6, AC power can therefore be drawn.
The arrangement thus acts like a transformer, the primary winding of which is only present according to its effect, in that the induction flow is generated in the ionized gas by means of a magnetic alternating field running transversely to the gas flow through a magnetohydrodynamic effect.
As a result of the opposing feed of the windings 5 ', 5 ", they are decoupled from the induction flux H' and thus also from the secondary winding 6. The induction flux <I> H '</I> rushes around the excitation flux <I> H </I> 90 in the after phase, so that relatively high core inductions can be permitted for both flows.
The walls of the duct must be provided with an electrically insulating coating at least in the active part of the generator. Appropriate cooling must ensure that the Curie point is not reached anywhere in the magnetic structure. In view of the high speed of the gas flow, the core and spoke must be designed in such a way that minimal flow resistance occurs.
This measure is indicated in FIG. 1 a as a tapering of the ends of the core 2. The parts of the magnetic structure are expediently made of laminated iron. More detailed investigations of the operating conditions of such a generator show that it is advisable to provide for small magnetic field strengths, greater conductivity of the gas and shorter lengths of the active part than has been known to be optimal for the previously proposed, electrode-equipped direct current generators of comparable performance is.
It can be seen from FIG. 1 that within the magnetic structure in the vicinity of the spokes 3 there are more or less large spaces which are practically free from the magnetic field (dashed) excited by the windings 5 ', 5 " Induction flow of the transformer can therefore induce currents in the conductive gas that is located in these spaces, which surround the core 2. They can be suppressed by arranging insulating plates 7 in radial planes directly behind the inlet or in front of the outlet - side spokes.
Instead of the supply of gas in the axial direction shown in FIG. Laa, a supply can also pass through the jacket. Fig. 2 shows such an arrangement in which for each of the four, for example, sectors (see. Fig. La) a separate combustion chamber 8 for generating the gas flow is seen before. The entry-side spoke star according to FIG. 1 a can be replaced by an un-divided plate 9 in this arrangement. The same can happen on the outlet side if the gas is also discharged radially through the jacket.
Another possible design is shown in Fig. 3 GE. The gas is fed into the circular channel via a plurality of feed tubes 9 from a toroidal combustion chamber 10. The figure indicates the appropriate routing of a cooling medium by dashed lines. Instead of a toroidal combustion chamber, a separate combustion chamber can of course also be provided for each supply pipe.
The generator for single-phase alternating current can, with appropriate dimensioning, convert practically the full thermal energy available for conversion into electrical energy. For this purpose, the active part must be so long that the running time of the gas flow in it is at least 1/1 of the period of the alternating field. Several magnetic structures can also be provided through which the gas stream flows one after the other.
Multi-phase alternating current (for example two- or three-phase) can be generated in such a way that a magnetic structure is assigned to the individual phases, the windings of which are fed from a corresponding multi-phase source.
The individual channels can be fed in parallel from a common combustion chamber or have their own combustion chambers. However, the channels can also be arranged one behind the other along a single path, so that the gas stream flows through them one after the other. It must then be ensured that each part of the generator only consumes that part of the available power according to the respective number of phases.
The effective length of the active parts can be kept relatively small.
Fig. 4 shows an arrangement for generating three-phase current. It contains three mutually united magnetic structures of the type described with their windings through which the gas flows one after the other. The three pairs of excitation windings: re 5 ', 5 "are fed from a three-phase current source; accordingly, three-phase power can be drawn from the secondary windings 6 connected to one another in a star connection, for example.
Apart from feeding the windings 5 ', 5 "with alternating current, other measures for generating a time-varying induction flux can also be used. For example, the windings 5', 5" can be fed with direct current if this is ensured That the electrical conductivity and / or the speed of the gas changes periodically. The conductivity can be influenced by the fact that the introduction of foreign charge carriers (e.g.
B. potassium ions) in the gas jet with periodic fluctuations in the dosage wi.rd ,. The gas speed can be changed between a maximum and a minimum value while the flow direction remains the same, or it can vary between two maximum values with a periodic reversal of the flow direction. In the latter case, the gas has to flow in alternately from both generator sides.