脉冲功率技术(MHD发电机技术).ppt
磁流体MHD发电机,磁流体MHD发电机,MHD发电原理基于导电流体产生的霍尔效应。典型的MHD发电机由燃烧室、发电通道、电极对、磁体和导电流体组成。在燃烧室内放置诸如煤气、油、天然气、火药、火箭推进剂或炸药等化学燃料，燃烧产生3000k或更高温度的气体，气体以极高的速度通过由耐高温材料制成的发电通道。,磁流体MHD发电机,高温气体中一部分原子电离成电子和正离子，但仍是低温等离子体，导电性较差，低于铜、铝等金属材料。需要在这种高温气体中掺入少量容易电离的“种子”，例如钾和铯，促进气体的电离，提高气体的导电率。导电气体在发电通道上以速度V垂直于磁体产生的磁场B运动，由于气体中的正、负离子受洛伦兹力作用，它们在垂直于B和V所在平面反向运动，结果在通道两侧的接收电极间出现电势差。,磁流体MHD发电机,在两个电极外接负载，负载便获得功率。如果导电气流脉冲地通过通道，例如中断燃料注入或向弱导电气体间断地填加种子，负载将可以得到电脉冲。脉冲长度取决于导电气体流过发电通道的时间。,MHD发电机历史,1910就出现了磁流体发电的专利。1940年，西屋电气公司制造了大型霍尔型试验MHD发电机，对电离机制不甚了解，没有成为实用的设备。二战后，受控热核聚变领域的研究进展，包括等离子体物理在内的磁流体力学的迅速发展，促进了MHD发电机的进一步发展。1959年，美国的Avco公司制成了11.5kW的实验磁流体发电机，在MHD发电史上具有划时代的意义。之后，苏、英、法、日等国相继开始了研究。,MHD发电机历史,小体积、高功率、短持续时间的脉冲MHD发电机的研究工作在60年代始于美国空军，主要想研制一种机载的高功率MHD装置，使用固体炸药作燃料，或用火箭发动机来激励MHD发电机。1967年，美国完成了脉冲发电机的理论工作，并建成一台供超音速风洞实验用的霍尔型MHD发电机。,MHD发电机历史,1967年以后，苏联和日本继续对MHD发电机进行了深入的研究工作。苏联把超导磁铁用于炸药激励的脉冲MHD发电机中；用核能激励脉冲MHD发电机。日本率先将超导体用于磁流体发电研究，已建成储能70MJ、重50T的超导磁铁。为避免常规导体激磁绕组的损耗和提高效率，采用超导体势在必行。,MHD发电机种类,磁流体发电最根本的原理是导电的流体高速切割磁场。根据工作性质，可分直流工作和脉冲工作两种。根据工作流体，可分为液态金属和等离子体。根据不同电离方式，有平衡电离和非平衡电离。根据所用能源，可分为化学燃料和核燃料，也有少量太阳能MHD发电机。,MHD发电机种类,根据用途来分，可分为民用和脉冲功率等特种用途。根据通道形式，可分为直线型和曲线型。根据激磁方式，可分为自激和他激MHD发电机。根据工作流体循环方式，可分为简单或联合的开式循环及简单或联合的闭式循环两种。,MHD发电机种类,MHD发电机特点,具有较高的效率。使用化学燃料时，发电机本身效率可达20%-30%，系统总效率在10%以上；使用核燃料时，有更高的效率。无转动部件。MHD发电机是静止的机械。直接启动快。工作流体充满发电通道的时间即是发电机的启动时间，工作流体常达1000m/s的速度，所以毫秒量级的时间即可启动起来。,MHD发电机特点,不需要中间储能元件，可由发电机直接向负载传递能量。不用大功率开关。对高功率脉冲电源来讲非常有优势。由于使用化学能或核能，不存在中间储能器和转换开关，所以脉冲MHD发电机体积小，工作可靠和成本低。和其它高功率脉冲电源相比，它能提供秒级的、大能量的脉冲。,MHD发电机特点,脉冲MHD发电机可作为托卡马克和仿星器等热核聚变装置、大型超音速风洞、大型高能加速器的高功率脉冲电源。适合天基和机载应用。在大功率激光器、粒子束武器、微波武器、电磁发射和高功率应急通讯等领域受到重视。,MHD发电机特点,四个品质因数衡量脉冲MHD发电机的性能。比燃料耗量Q-单位输出功率的燃料流量速率；比重量密度WD-单位输出功率的固定装置重量；比体积密度VD-单位输出功率的装置体积；比能量输出e-单位重量产生的能量。,MHD发电机特点,我们希望Q、WD、VD小，e大。若MHD发电机工作时间为t，则为了获得最大的e值，对于短脉冲持续时间和大Q值时，WD必须小。,MHD发电机特点,大功率、紧凑的和能可靠工作的脉冲MHD发电机，应当：燃料、氧化剂、种子、磁场和流速必须有最佳优化组合；使发电机结构排列最佳化，以便用适当的电压和持续时间就可以供出所需的功率；根据陆基还天基、单脉冲还是连续脉冲、使用空气供氧还是氧化剂、是自激还是它激等工作方式，使体积和重量最佳化。,MHD发电机磁体,MHD发电机的输出功率与通道体积和磁感应强度平方成正比。尽可能大的通道体积内获得更高强度的均匀磁场，并且还要求激磁系统成本低、重量轻和消耗的功率少。MHD所有的磁体线圈有常规导体线圈和超导体线圈两大类。超导磁体不损耗励磁功率且能获得更高的磁场强度，特别受到重视。直线型发电通道的MHD发电机所用的磁体线圈通常是马鞍形线圈。,化学燃料的脉冲MHD发电机,脉冲MHD发电机不能使用通常的化石燃料（煤、天然气等），而应使用火箭推进剂和高级炸药等特种化学燃料，或使用核燃料。,火箭燃料的脉冲MHD发电机,把火箭发动机的燃烧室和MHD发电机的发电通道联合起来，便可建成紧凑、简单、成本低而功率大的脉冲电源。这种MHD发电机主要包括相当燃烧室的火箭发动机、发电机通道、废气排管和自激磁铁等。,火箭燃料的脉冲MHD发电机,火箭燃料的脉冲MHD发电机,在正式工作开始以前，通过开关S2的的一次闭合，电池组给磁铁提供一次小电流（相当于普通自激发电机的剩磁）。磁铁的较低磁场激励发电机，导电气体通过通道而产生感应电压，向磁铁提供大电流，而大电流产生的磁场再激励发电机，完成所谓的自激过程。,火箭燃料的脉冲MHD发电机,当磁铁储存了发电机最大能量（设计电流）后，切断种子的供应，于是发电通道电极间的阻抗突然变大，在磁铁线圈上引起感应电动势，通过整流器对负载RL脉冲放电。在负载不需要能量时，将开关S1闭合，从而短路掉负载。通过向燃烧室脉冲地引入和断掉种子，可以得到重复脉冲。由于燃烧产生气体的导电率仅为加种子情况的1%，所以用引入和切断种子来控制脉冲是可行的。,火箭燃料的脉冲MHD发电机,火箭燃料的脉冲MHD发电机,典型的火箭燃料在氧中燃烧的温度为3000-3500k，压力为5Mpa，这种MHD发电机可以把燃气热能的20%-30%转变成电能。如果具有更高的火焰温度和低比热的氰，其效率更高。,火箭燃料的脉冲MHD发电机,与火箭发动机联合的MHD发电机的脉冲工作范围为图中空白部分，工作时间从几微秒到几天。因此，这种发电机既能在故障情况或者尖峰过负荷时作工业电站的辅助装置，又能代替慢电容器组和蓄电池等短时间放电。,爆炸等离子体MHD发电机,用炸药爆炸激励的脉冲MHD发电机是最有前途的装置之一。因为这种发电机具有很高的储能密度，能以非常小的体积提供所需的大能量脉冲；它的脉冲持续时间短，可达几至几十微秒，产生的功率较大。,爆炸等离子体MHD发电机,在一个炸药驱动的脉冲MHD发电机中，加有钠和铯种子的高级炸药在燃烧室内爆炸，产生高焓的等离子体，此等离子体朝向通道膨胀，具有大约100s/m的电导率，并以5-10km/s的速度进入通道，快速切割磁场B，在电极间产生脉冲电压，把电流引到外负载上。,爆炸等离子体MHD发电机,爆炸等离子体MHD发电机,等离子体通过通道运动时其速度和电导率应无明显变化；爆炸室应当允许使用大横向尺寸的发电通道而不显著地改变电离气体的性质；爆炸源应当使发电机通道剩余气体能在环境压力下工作；应尽可能使能量转换效率最高，以便炸药装药当量、通道壁的机械压力和热载荷最小；负载能量与通道磁能之比应当尽可能大。,脉冲等离子体MHD发电机,脉冲等离子体MHD发电机是最近发展起来的另一种有前途的脉冲MHD发电机。它不是用炸药爆炸产物来产生等离子体的，而是用炸药爆轰波对预置的气体做功来产生高电导率的等离子体。,脉冲等离子体MHD发电机,脉冲等离子体MHD发电机,它是一个特殊的药筒，在居中的环形腔体内充满工作气体，用钢隔膜密封。把军用炸药铸入中心和外环腔体内，一个波整形器和一个雷管置于药筒尾端。当炸药被引爆后，爆轰波在药筒内传播。适当的装药结构及合理地布置波整形器，能使爆轰波的波前同时沿内圆柱和外环形腔均匀地向前推进。很高的爆炸压力把工作气体腔的环形腔体压垮并形成一动态密封。,脉冲等离子体MHD发电机,密封处以炸药爆速运动，产生具有强大压力的冲击波。工作气体被爆轰波加速，同时被激发而形成高速（20km/s）和高电导率（30ks/m）的等离子体，试验证明，炸药能量的25%-50%可被转换到等离子体中去。以炸药爆速运动的等离子体汇聚到腔的端部，此时圆柱炸药驱动铝活塞进一步激励这些个等离子体，铝活塞继续压垮并把等离子体驱动到MHD发电机的发电通道中去发电。,脉冲等离子体MHD发电机,脉冲等离子体发电机的等离子体密度极大，速度极高（10-30km/s）和电导率高（15-30ks/m）。脉冲MHD发电机结构紧凑、体积小、重量轻、输出功率大（1010W）和每个脉冲输出兆焦耳以上能量。而且可以实现重复脉冲。,脉冲等离子体MHD发电机,脉冲等离子体MHD发电机,若采用快速大帆船自动装载机构，能实现每秒100个脉冲，与火炮发射速率相当。目前已在1.05*1010W峰值功率时测得电流为5.5MA，电压2kV和脉宽1us。脉冲MHD发电机对脉冲功率的发展，特别是军事应用方面，有很重要的意义。,置磁炸药MHD发电机,前述提到的MHD发电机均需一个外磁体向发电通道提供磁场，在他激的情况下尚需要另外的激磁电源，这将导致发电机比功率密度的降低和成本的升高。虽然使用超导磁体能避免这个缺点，但目前还未实现常温超导。置磁炸药MHD脉冲发电机能克服上述缺点。,置磁炸药MHD发电机,所谓置磁炸药MHD发电机，不使用外磁铁，而是把永久磁铁微粒均匀分散在炸药中（我们称此时的炸药为置磁炸药）。这些永久磁铁微粒可被看成许多球形磁偶极子阵列，它们在炸药中提供一个磁场B。导电的永久磁铁微粒还能增大炸药爆炸区的导电能力（爆炸前置磁炸药绝缘），永久磁铁微粒同时又起来种子作用。输出依赖于炸药产物的电导率和置磁炸药的磁导率。,置磁炸药MHD发电机,
