Физический энциклопедический словарь - магнитогидродинамическийгенератор (мгд-генератор)

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~v²B². 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).

379

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

(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.

Исследования и разработки в области М. г. ведутся в СССР, США, Японии, Индии и др. странах.

• Р о з а Р., Магнитогидродинамическое преобразование энергии, пер. с англ., М., 1970; Магнитогидродинамическое преобразование энергии, М., 1979.

Ю. М. Волков.