Магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) - устройство, в к-ром за счёт явления электромагнитной
индукции в канале с наложенным магн. полем внутр., тепловая или (и) кинетич.
и потенциальная энергии потока электропроводящей среды преобразуются в электрич.
энергию. Рабочим телом М. г. могут быть низкотемпературная плазма или проводящая
жидкость (жидкие металлы, электролиты). Низкотемпературная плазма в М. г. представляет
собой продукты сгорания природных или спец. топлив с легкоионизуемыми добавками
соединений щелочных металлов или инертные газы также со щелочными добавками
в равновесном или термически неравновесном состояниях. Используются М. г. в
т. н. установках прямого преобразования энергии. Идея МГД-преобразования энергии
была высказана М. Фарадеем (М. Faraday) ещё в 1831, а осн. принципы устройства
совр. М. г. сформулированы в 1907-22, однако их практич. реализация оказалась
возможной только в конце 50-х гг. в связи с развитием гл. обр. магн. гидродинамики,
физики плазмы и аэрокосмич. техники.
Рис. 1. Схема линейного
фарадеевского секционированного МГД-генератора: 1 - канал; 2 -
электроды; 3 - межэлектродные изоляторы; 4 - боковые изоляционные
стенки; 5 - сопротивления нагрузки; стрелками указано направление тока
в нагрузке.
Устройство и принцип
действия. М. г. состоит (рис. 1-3) из канала, в к-ром формируется поток,
индуктора, создающего стационарное или переменное (бегущее) магн. поле, системы
съёма энергии с помощью электродов (кондукционные М. г.) или индуктивной связи
потока с цепью нагрузки (индук-
Рис. 2. Схема дискового
холловского МГД-генератора: 1 - обмотка индуктора; 2 - канал генератора;
3-подвод рабочего тела; 4-выходной холловский электрод; 5 - входной холловский электрод; 6 - нагрузка.
ционные М. г.). Каналы
могут иметь разл. конфигурацию: быть линейными, дисковыми (с радиальным течением
рабочего тела, вихревым), коаксиальными (в т. ч. с винтовым потоком) и др. Оптимальной
в каждом конкретном случае является конфигурация, в к-рой вектор скорости потока
перпендикулярен силовым линиям магн. поля для заданного типа магн. системы.
Используемые в М. г. магн. системы выполняются либо на основе традиц. технологии
со стальным магнитопроводом (для М. г. небольшого масштаба), либо безжелезными
со сверхпроводящими обмотками. Эдс и ток, генерируемые в МГД-потоке при использовании
любого проводящего рабочего тела, направленные нормально к вектору скорости
и и магн. индукции В, наз. фарадеевскими. Если рабочим телом М. г. является
достаточно разреженная плазма, в к-рой
циклотронная частота для электронов сравнима или больше частоты их столкновений
с нейтралами и ионами, то электроны между столкновениями в плазме успевают пройти
заметную дугу по ларморовской окружности, т. е. они будут дрейфовать в направлении,
перпендикулярном приложенным скрещенным элект-рич. и магн. полям. Как следствие
этого дрейфа (Холла эффект)при замыкании цепи фарадеевского тока возникает
холловская эдс, направленная по потоку, а электропроводность
становится тензорной величиной. При этом холловский ток снижает эффективную
электропроводность 
рабочего тела.
Рис. 3. Схема коаксиального
индукционного МГД-генератора: 1 - подвод рабочего тела; 2 - мгновенная
эпюра бегущего магнитного поля; 3 - наружный корпус канала МГД-генератора,
на котором размещается волновая обмотка индуктора (статор); 4 - выхлоп;
5 - стенка и внутренний магнитопровод МГД-генератора.
Электрич. энергия в МГД-канале
генерируется за счёт работы потока 
(здесь - отнесённой к ед. объёма), совершаемой против объёмных сил эл--магн.
торможения, 
,
где J - плотность полного тока. Полезное взаимодействие обусловлено только
фарадеевской компонентой тока Jф. В то же время генерируемая
мощность выделяется в цепи как фарадеевского, так и холловского тока при соответствующем
нагружении. По способу электрич. нагружения различают М. г.: 1) фарадеевского
типа (рис. 1) с электродами, как правило, секционированными в продольном направлении
при соответствующем секционировании нагрузки для предотвращения замыкания по
ним холловского тока; 2) холловского типа (рис. 4, а), в к-ром фарадеевская
цепь замкнута накоротко для увеличения холловского напряжения и тока в нагрузке;
3) сериесного, т. е. с последовательным соединением электродов, наз. также диагональным
(рис. 4, б), где рабочими являются обе компоненты напряжения и
тока. Фарадеевский секционированный М. г. обладает наилучшими электрич. характеристиками,
но наименее удобен для использования из-за необходимости гальванич. развязки
всех цепей нагрузки. Для холловского М. г. требуется единственная нагрузка,
но в генераторе этого типа электрич. кпд
значительно
ниже, чем у фарадеевского
М. г. Диагональный М. г. имеет лишь несколько более сложную схему электрич.
нагружения, чем холловский, но его характеристики почти такие же, как у фарадеевского.
Способ электрич. нагружения М. г. в значит. мере связан с типом конструкции
канала и магн. системы, и, в частности, нек-рые конфигурации М. г. предназначены
для использования только одного из видов нагружения. Так, в дисковом холловском
М. г. (рис. 2) круговой фара-деевский ток полностью замыкается по призме, кольцевые
электроды на входе и выходе канала используются только для съёма холловского
тока.
Рис. 4. Электрические схемы
линейных МГД-генераторов: холловского (а) и диагонального (б)
типов: 1 - электроды; 2 - канал; 3 - нагрузка.
В индукц. М. г. бегущее
магн. поле создаёт в потоке рабочего тела токи разл. направления, образующие
пространственно замкнутые петли, индуктивно связанные с сетевой обмоткой индуктора
(статора), что обеспечивает передачу в сеть генерируемой электрич. мощности.
При этом, однако, за счёт одноврем. изменения в потоке знака магн. поля и тока
не изменяется направление действия пондеромоторной - тормозящей - силы. Существенным
ограничением применения плазменных индукц. М. г. в сравнении с жидкометаллическими
является малое значение (из-за относительно невысокой электропроводности плазмы)
магн. числа Рейнольдса, к-рым определяется отношение активной и реактивной составляющих
мощности М. г. Жидкометаллич. М. г. во многом подобны обычным асинхронным электрич.
генераторам, в частности выполненные в конфигурации рис. 3.
Важнейшие характеристики
М. г. при их использовании в энергетич. установках - мощность N, внутр.
относительный кпд и коэф. преобразования энергии. Мощность в единице объёма
определяется как
=
. Входящие
в это выражение характерные величины 
,
учитывают
влияние на уровень генерируемой мощности джоулева тепловыделения, приэлектродных
падений напряжения, электрич. утечек и, соответственно, неоднородностей распределения
проводимости в поперечном сечении канала и токов Холла. Условием эффективной
работы плазменного М. г. является уровень энерговыделения N
20-50
МВт/м3, при к-ром относит. потери за счёт теплоотдачи к стенкам и
трения несущественны. При использовании термически равновесной плазмы, в к-рой
проводимость очень сильно зависит от температуры, а разгон потока достигается за
счёт срабатывания части его тепловой энергии, даже при В
5
Т (что в стационарных условиях возможно только при использовании сверхпроводящих
магн. систем) необходима начальная температура 
2500
°С. При этом в канале 
~10
См/м режим течения - околозвуковой (и~ 1000 м/с).
При использовании в М.
г. плазмы инертных газов за счёт индуцир. поля возможно повышение температуры электронов,
значительное увеличение степени ионизации плазмы и её проводимости. Экспериментально
показана возможность получения необходимой для работы М. г. проводимости плазмы
при температуре 
2000 К. Ведутся исследования и разработки этого типа М. г.
В жидкометаллич. М. г.
проблемой является разгон рабочего тела до высоких скоростей, осуществляемый
за счёт работы расширения пара металлов, ускорения им жидкой фазы и последующей
конденсации пара в устройствах типа эжектора перед М. г. или путём сепарации
жидкой фазы двухфазного потока, набегающего на клин. Эти процессы сопровождаются
большой диссипацией энергии, кпд такого разгонного устройства ~10%, что определяет
низкую результирующую эффективность преобразования работы расширения пара в
электрич. энергию.
Внутр. относительный кпд
характеризует отношение мощности М. г. к мощности гипотетич. преобразователя
без диссипации энергии при одинаковом перепаде давления от входа де выхода устройства.
В идеальном случае
внутр. относительный кпд несколько ниже электрич. кпд. Оптимальное значение
этого параметра для плазменного М. г. с большим срабатыванием температуры ~0,7;
оно характеризует затраты энергии в термодинамич. цикле на сжатие рабочего тела.
Коэф. преобразования энергии
в М. г.- это отношение произведённой электрич. энергии к энергии, подведённой
к рабочему телу в плазменном М. г. или к пару жидкого металла в энергетич. установках
с жидкометалич. М. г. Этот результирующий показатель оценивается на уровне 0,1
для плазменных мобильных, автономных энергетич. МГД-установок, 0,25- для крупных
М. г. комбинир. теплоэлектрич. станций и 0,1 - для жидкометаллических.
Конструкция М. г. и организация
течения в канале оказывают существенное влияние на характеристики М. г., прежде
всего плазменных. Продольный холлов-ский ток, возникающий при резкой неоднородности
проводимости в потоке, вследствие несовершенства электроизоляции, при недостаточно
тонком продольном секционировании электродов и, в частности, из-за межэлектродного
холловского пробоя, вызывает резкое снижение эффективной проводимости, а следовательно,
и мощности. Осн. неоднородности в течение вносят пограничные слои, развивающиеся
на стенках М. г. и имеющие тенденцию к "отрыву" при сильном торможении
потока. В кондукц. М. г. в "холодной" области приэлектродного пограничного
слоя возникает контракция тока, она сопровождается значит. падением напряжения
и повышенной электродуговой эрозией электродов. С целью повышения эффективности
М. г. за счёт снижения тепловых потерь на стенке и устранения дуговых явлений
на электродах ведутся исследования и разработки "горячих" керамич.
стенок с температурой ~2000 К.
Отсутствие в М. г. и устройствах
нагрева рабочего тела (камере сгорания, теплообменных аппаратах регенеративного
типа с неподвижной насадкой) движущихся механически нагруженных высокотемпературных
элементов конструкции, а также возможность охлаждения стенок позволяют использовать
М. г. в высокотемпературных циклах энергетич. установок для преобразования энергии
с высоким кпд. Однако из-за резкого снижения эффективности плазменных М. г.
при понижении температуры они используются в качестве высокотемпературной ступени
бинарного цикла в составе комбинир. теплоэлектростанций (ТЭС) (в качестве надстройки
к традиц. паросиловой установке).
Применение М. г. Для
энергетики, базирующейся на использовании органич. топлива, перспективны и разрабатываются
М. г. на плазме продуктов сгорания, применение к-рых в составе комбинированных
МГД ТЭС открытого цикла даёт существ. экономию топлива и решает ряд экологич.
проблем (уменьшение вредных выбросов, экономия охлаждающей воды). Опытно-промышленные
разработки и исследования ведутся на МГД-установках У-25 (Москва) на газе и
МО-10, МО-25 (Кохтла-Ярве, Эст.ССР) на угле соответственно тепловой мощностью-150
и до 25 МВт. Макс. электрич. мощность У-25 составляет ~20 МВт. Разработаны также
автономные МГД-установки кратковрем. действия мощностью неск. десятков МВт на
продуктах сгорания спец. твёрдых топлив, используемые для прогнозирования землетрясений
методом периодич. глубинных зондирований земной коры, для геофиз. разведки полезных
ископаемых и др.
М. г. замкнутого цикла
(т. е. с внеш. подводом и отводом теплоты к рабочему телу), плазменные и (или)
жидкометаллические, могут работать в энергетич. установках с газоохлаждаемым
высокотемпературным ядерным реактором. В плазменных М. г. замкнутого цикла,
работающих на неравновесной плазме, благодаря снижению температуры упрощается ряд
технологич. проблем их конструкции. Разрабатываются также МГД-установки
замкнутого цикла, использующие тепло продуктов сгорания традиционных энергетич.
топлив.
Исследования и разработки
М. г. широко развёрнуты в СССР, США, Японии, Нидерландах, Индии и др. странах.
В США эксплуатируется опытная МГД-установка на угле тепловой мощностью 
50
МВт.
В. И. Ковбасюк
|
|
 |
