發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及發(fā)展?fàn)顩r.doc

發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及發(fā)展?fàn)顩r發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及發(fā)展?fàn)顩r發(fā)電機(jī)組脈沖電源是一種正在受到重視的技術(shù)，它涉及高功率、短持續(xù)時(shí)間電能量脈沖的產(chǎn)生和運(yùn)用。脈沖磁流體發(fā)電機(jī)作為一種重要脈沖電源，適合于輸出脈沖強(qiáng)電流，在地球物理研究領(lǐng)域開始獲得應(yīng)用，包括地震預(yù)測、地理預(yù)報(bào)、天然氣勘探、地球地殼構(gòu)造研究，同時(shí)在軍用及空間應(yīng)用等方面也有廣闊的應(yīng)用前景，例如作為電磁炮、慣性約束核聚變、自由電子激光器、粒子束武器、電子對(duì)抗系統(tǒng)等的電源。在實(shí)驗(yàn)室中，一般通過合適的能量存儲(chǔ)裝置來實(shí)現(xiàn)脈沖供電，例如電容器、電感線圈、飛輪等。能量是在低功率量級(jí)上用相對(duì)長的時(shí)間積累，隨后通過負(fù)載在短時(shí)間內(nèi)釋放達(dá)到高功率。這些裝置需要初始能源來驅(qū)動(dòng)。但是在空間、或是在遙遠(yuǎn)的地區(qū)，能量只能由太陽能、核能和化學(xué)能三種初始能源得到。其中，只有化學(xué)能的能量密度能夠達(dá)到每千克數(shù)十兆焦，具有提供兆瓦級(jí)的功率的潛力。另一方面，在太陽能和核能作為初始能源的裝置中，需要極龐大的輔助設(shè)備。例如，太陽能的能量密度是較低的，必須要依靠伸展面積很大的能量收集設(shè)備，而在核能作為初始能源的裝置中，保護(hù)和轉(zhuǎn)化設(shè)備也導(dǎo)致同樣的結(jié)果。相比較而言，利用化學(xué)能的轉(zhuǎn)換裝置就具有結(jié)構(gòu)緊湊的長處。這類裝置包括蓄電池、燃料電池、磁流體發(fā)電機(jī)、以機(jī)械能轉(zhuǎn)換為中間環(huán)節(jié)的透平驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)等。其中，在兆瓦級(jí)的高功率系統(tǒng)中，脈沖磁流體發(fā)電機(jī)是最具有優(yōu)勢的，對(duì)于一個(gè)功率30兆瓦磁流體發(fā)電機(jī)來說，系統(tǒng)的比功率可達(dá)4 6兆瓦/千克。1運(yùn)行原理脈沖運(yùn)行的磁流體發(fā)電機(jī)組，其工作原理仍然是依籍導(dǎo)電流體在磁場中運(yùn)行時(shí)所發(fā)生的電磁感應(yīng)。一個(gè)直管型磁流體發(fā)電機(jī)組發(fā)電通道部分的運(yùn)行原理示意圖。在燃料和氧化劑的燃燒產(chǎn)物中加入易電離的堿金屬，形成具有一定導(dǎo)電性的等離子體，經(jīng)由噴管加速，然后進(jìn)入如圖所示的發(fā)電通道。B為外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。Ey為外電場，它的方向與氣流速度和磁感應(yīng)矢量積（感應(yīng)電場）的方向相反。垂直于電場的通道壁具有導(dǎo)電性，而與電場平行的通道壁是絕緣的，有效電流能夠被提取出來為負(fù)載提供功率。當(dāng)有負(fù)載時(shí)，在發(fā)電通道內(nèi)此電流與磁場相互作用，在等離子體內(nèi)產(chǎn)生洛倫茲力，方向與等離子體運(yùn)動(dòng)方向相反。于是，導(dǎo)電流體的動(dòng)能被轉(zhuǎn)換成電能。Ex稱為霍爾電場，它是由導(dǎo)電流體中電荷在磁場作用下運(yùn)動(dòng)的二維性質(zhì)所致，使發(fā)電通道的出口處與入口處處于不同的電位，通常稱之為霍爾效應(yīng)。盡可能維持高霍爾電場，對(duì)于實(shí)現(xiàn)磁流體發(fā)電機(jī)的高性能，有著重要的意義。發(fā)電通道壁的絕緣不良造成的泄漏電流就是霍爾電場衰減的原因之一，將電極壁沿氣流方向加以分割以及保證絕緣壁足夠的絕緣性能是有效的對(duì)策?；魻栯妶鲇绊懘帕黧w發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能的程度取決于霍爾參數(shù)，它是電子回旋與電子碰撞頻率的比值。對(duì)于磁流體發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能來說，有4個(gè)參數(shù)是非常重要的：磁感應(yīng)強(qiáng)度、等離子體速度、等離子體電導(dǎo)率和霍爾參數(shù)。磁流體發(fā)電機(jī)的功率密度為：P w =（ UB）2 k（ k- 1）其中，是與發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和聯(lián)接方式相關(guān)系數(shù)，是工質(zhì)電導(dǎo)率， U是工質(zhì)流速， k是負(fù)荷系數(shù)。當(dāng)k = 0. 5時(shí)功率密度具有最大值，增大B、U、都會(huì)增大功率密度的值。與以工業(yè)電站為應(yīng)用目標(biāo)的磁流體發(fā)電機(jī)相比較，脈沖磁流體發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成以簡單、緊湊為原則，往往重視技術(shù)指標(biāo)，如電參數(shù)和比功率，不以經(jīng)濟(jì)性為最重要的約束條件，在某些特殊的場合甚至不計(jì)較能量的轉(zhuǎn)換效率。此外，因?yàn)槭敲}沖輸出，就不需要逆變裝置。又因?yàn)槭菃味溯敵觯?，分段電極法拉第型的發(fā)電通道就被排除在外。對(duì)于高功率脈沖磁流體發(fā)電機(jī)，另外兩個(gè)重要的參數(shù)是相互作用系數(shù)和磁雷諾數(shù)。相互作用系數(shù)定義為：I p = UB 2 L P其中， P是等離子體進(jìn)口靜壓力， L是發(fā)電機(jī)通道長度。相互作用系數(shù)是洛倫茲力與等離子體的慣性力比值的量度。當(dāng)它增加時(shí)，等離子體的氣體動(dòng)力學(xué)性能將有很大的變化，造成類似于在透平壓縮機(jī)和過度膨脹的擴(kuò)壓器中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)分離和氣流分離等現(xiàn)象。磁雷諾數(shù)為：R m = 0 Ul其中，0是真空磁導(dǎo)率， l是特征長度。磁雷諾數(shù)是等離子體中由電流感生出的磁場與外加磁場的比值。在通常情況下，磁雷諾數(shù)的值是較低的，因此，由等離子體運(yùn)動(dòng)引起的外加磁場的非線性變形是可以被忽略的二階小量。除了燃燒之外，等離子體可以通過凝聚相炸藥爆炸獲得。在由爆炸方式驅(qū)動(dòng)的磁流體裝置中，等離子體是以短長度導(dǎo)電柱塞的形式通過發(fā)電通道的。脈沖持續(xù)時(shí)間是受到柱塞通過發(fā)電機(jī)有效區(qū)域時(shí)間的限制的，它約等于電極長度與等離子體速度的商。燃燒式脈沖磁流體發(fā)電機(jī)和爆炸式脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)的典型數(shù)值如下所示。從數(shù)值的比較中可以看到，爆炸式裝置運(yùn)行于高磁雷諾數(shù)的情況下，爆炸式脈沖磁流體發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換效率過低；與之相反，燃燒式裝置運(yùn)行在低的磁雷諾數(shù)下和具有較高的效率。脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的磁體系統(tǒng)有他勵(lì)和自勵(lì)兩種方式。裝置可以做成固定式或移動(dòng)式。發(fā)電通道有整體電極型霍爾型串接型直管通道及盤式通道。脈沖磁流體發(fā)電機(jī)輸出電壓大致為數(shù)百伏到數(shù)萬伏，輸出電流大約為數(shù)千安培到數(shù)萬安培。起動(dòng)迅速，功率密度大，可達(dá)500 600兆瓦/立方米，比能特性高。一般來說，脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的總壽命為幾秒到幾百秒。2脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r簡述脈沖磁流體發(fā)電機(jī)是磁流體發(fā)電技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用方向。脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的研究和發(fā)展開始于60年代初，用含有電離種子的炸藥爆炸來產(chǎn)生工質(zhì)等離子體。1963 1965年，研制成功一臺(tái)爆炸式脈沖磁流體發(fā)電機(jī)，在2. 8T的磁場下，它的功率為280兆瓦，輸出脈沖電流為430千安，其發(fā)電機(jī)尺寸為20 15 78厘米，轉(zhuǎn)換效率為1. 6%，此功率記錄曾持續(xù)了多年。同時(shí)，在商業(yè)和軍事部門的支持下，還開始了大型燃燒式脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的研究。1964年，美國建成電功率為20兆瓦的霍爾發(fā)電機(jī)作為風(fēng)洞電源，這是磁流體發(fā)電技術(shù)的第一次特殊應(yīng)用。同時(shí)， AVCO公司建成20兆瓦自勵(lì)磁磁流體發(fā)電機(jī)MkV，隨后在1966年運(yùn)行，第一次證明了自勵(lì)磁運(yùn)行方式的可行性。60年代中期，田納西大學(xué)空間研究所研制出以加有輕金屬的火箭燃料燃燒驅(qū)動(dòng)的磁流體發(fā)電機(jī)，并發(fā)現(xiàn)固體燃料較液體燃料有更好的性能，在發(fā)電通道內(nèi)壁形成的沉淀物并未降低發(fā)電機(jī)的性能，而且作為高溫保護(hù)層對(duì)發(fā)電機(jī)是有益的。60年代末，用于軍事用途上的磁流體發(fā)電機(jī)的興趣開始降溫。但是AVCO公司還是得到了美國空軍的支持，隨著技術(shù)的發(fā)展，致力于研究更高性能的脈沖磁流體發(fā)電機(jī)。功率為400千瓦，發(fā)電通道長度為0. 7米的發(fā)電機(jī)研制成功，在磁場強(qiáng)度僅有2. 3T情況下，卻獲得了相當(dāng)高的功率密度。70年代初，由于技術(shù)進(jìn)步， Hercules公司進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明可重復(fù)運(yùn)行的脈沖磁流體發(fā)電機(jī)是可行的。由燃燒固體火箭燃料驅(qū)動(dòng)的磁流體發(fā)電機(jī)創(chuàng)下了前所未有14. 5%的最高轉(zhuǎn)換效率記錄，更為重要的是它在質(zhì)量流量僅有3. 3千克/秒的條件下，產(chǎn)生的功率的峰值達(dá)到2. 4兆瓦。70年代中期，由于受石油禁運(yùn)和反對(duì)核能運(yùn)動(dòng)的沖擊，各國都加強(qiáng)了以基本負(fù)荷電廠為應(yīng)用目標(biāo)的燃煤磁流體發(fā)電機(jī)的研究。盡管如此，美國關(guān)于脈沖發(fā)電機(jī)的研究并沒有中斷，美國AVCO公司致力于材料和輕重量、主動(dòng)冷卻、使用液體燃料的高性能發(fā)電通道設(shè)計(jì)的研究，設(shè)計(jì)出了使用超導(dǎo)磁體和液體燃料的脈沖磁流體發(fā)電機(jī)，功率為30兆瓦、累積脈沖持續(xù)時(shí)間達(dá)到了一分鐘。70年代中后期，進(jìn)一步發(fā)展了爆炸式磁流體發(fā)電機(jī)的新概念。通過爆炸實(shí)現(xiàn)高壓縮的氬氣使工質(zhì)等離子體的溫度和壓力升高，使工質(zhì)電導(dǎo)率達(dá)到相當(dāng)高的值，實(shí)驗(yàn)功率達(dá)到了京瓦量級(jí)，脈沖持續(xù)時(shí)間為幾十微妙。同時(shí)也開始了對(duì)一系列固體火箭燃料驅(qū)動(dòng)的大功率脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的研究。蘇聯(lián)也進(jìn)行了系統(tǒng)的脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的研究。1976年，大功率系統(tǒng)Pamir 1和Pamir 2公布于眾，二者都是由兩個(gè)固體火箭燃料驅(qū)動(dòng)的發(fā)電通道組成，共用同一個(gè)磁體，其中一發(fā)電通道的輸出用于常導(dǎo)磁體的激勵(lì)，而另外一個(gè)通道提供有效輸出功率，運(yùn)行時(shí)，發(fā)電通道的功率密度高達(dá)500兆瓦/立方米。每個(gè)等同的通道產(chǎn)生15兆瓦的功率，持續(xù)時(shí)間由開始的3秒增加到10秒，這是由其散熱片結(jié)構(gòu)限制的最長時(shí)間。Pamir 1是固定式的，而Pamir 2是可移動(dòng)式的，它的重量約為8. 5噸，用大卡車就可以運(yùn)載。除了Pamir系列外，還有更大的可移動(dòng)系統(tǒng)Khibini和Ural.Ural是獨(dú)立發(fā)電機(jī)磁場系統(tǒng)，而Khibini是由共享同一磁體的兩個(gè)Ural發(fā)電機(jī)組成的，輸出總功率約為90兆瓦、脈沖寬度10秒。80年代，脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的研究有了進(jìn)一步發(fā)展，主要有：采用無鐵芯的磁體，以減少系統(tǒng)的重量；通過冷卻主要部件來延長脈沖持續(xù)時(shí)間；使用效率更高的對(duì)角聯(lián)接結(jié)構(gòu)的通道；使用金屬粉末燃料；用不同的方式產(chǎn)生工質(zhì)等離子體。同時(shí)，脈沖磁流體發(fā)電機(jī)經(jīng)歷了從實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段到研制地球物理研究用的磁流體發(fā)電裝置的實(shí)用階段的進(jìn)展。在最近的十幾年中，脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的發(fā)展更加深入和更趨向于多面化。Pamir 3是可移動(dòng)式自勵(lì)磁脈沖磁流體發(fā)電機(jī)，它的最大功率為15兆瓦，由三個(gè)發(fā)電通道組成，其中兩個(gè)通道為負(fù)載提供功率，第三個(gè)發(fā)電通道用于激勵(lì)磁體。由固體火箭燃料燃燒產(chǎn)生的工質(zhì)等離子體的質(zhì)量流率是16- 26千克/秒，壓力為2 9 5 1M Pa，溫度約為3950K.Pamir 6也是可移動(dòng)式自勵(lì)磁脈沖磁流體發(fā)電機(jī)，等離子體的質(zhì)量流率是4 3千克/秒，功率密度100兆瓦/立方米，電功率達(dá)到1 4兆瓦，壓力為5 5M Pa，溫度約為3950K.馬赫數(shù)為2 8，磁場強(qiáng)度小于1 9T，總脈沖持續(xù)時(shí)間到達(dá)140秒，一共重復(fù)運(yùn)行了27次，每次運(yùn)行時(shí)間4 9秒。日本提出了利用添加鉀的氬氣作為工質(zhì)等離子體的自勵(lì)磁脈沖盤式磁流體發(fā)電機(jī)的想法，并且作了實(shí)驗(yàn)。工質(zhì)可以在較低的溫度下電離，從而避免了散熱片結(jié)構(gòu)上的限制和使用整體電極聯(lián)接方式引起的電流集中。目前，美國、日本、俄羅斯等國對(duì)脈沖磁流體發(fā)電機(jī)有較為深入的研究，我國磁流體發(fā)電的研究開始于60年代末，最初的應(yīng)用目標(biāo)是作為固體激光器的電源。80年代末，又針對(duì)地球物理勘探的需求，進(jìn)行了脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的可行性研究，考慮的是直管式發(fā)電通道等。一些已經(jīng)建造的脈沖磁流體發(fā)電機(jī)如所示。3脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的研究課題脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的研究內(nèi)容是非常豐富和具有深度的。最重要的方法就是理論分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不斷的完善和提高研究水平。主要有以下幾各方面。3 1燃料選擇脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的工質(zhì)的選擇是非常重要的，它直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)的效率，運(yùn)行性能等。燃料的選擇和其成分的組成一直得到重視。發(fā)電機(jī)燃料多種多樣，組分非常復(fù)雜，與基荷磁流體發(fā)電機(jī)的不同，有較大的選擇余地，但必須滿足燃燒產(chǎn)物熱電性質(zhì)的要求，同時(shí)，燃料供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)盡可能簡單并且便于控制。脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的用途不同，對(duì)燃料的要求也會(huì)有差別，有時(shí)，燃料成本也成為考慮的因素。目前使用的燃料價(jià)格過分昂貴。各國研究者都在探索比較廉價(jià)的燃料，以降低成本，比如使用碳。純碳燃燒能產(chǎn)生較高的溫度和電導(dǎo)率，但是其燃燒速度太低，必須采用專門措施。3 2結(jié)構(gòu)材料發(fā)電機(jī)重要部件的材料選取同樣是非常重要的，由于脈沖磁流體發(fā)電機(jī)通常都是熱沉式的，所以材料在高達(dá)3000 4000K高溫下的性能對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行影響特別大。脈沖持續(xù)時(shí)間和重復(fù)運(yùn)行次數(shù)很大程度上取決于材料的耐高溫性和散熱性以及散熱裝置的設(shè)計(jì)。例如，最常用的燃燒室結(jié)構(gòu)為非水冷燒蝕性或熱沉式結(jié)構(gòu)，燃燒室具有金屬外殼，內(nèi)部裝有多層熱絕緣材料，如玻璃鋼。銅是常用的熱沉材料，在極短的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，溫度不會(huì)升高到它的熔點(diǎn)。噴管喉部要保證其尺寸不變，使氣動(dòng)參數(shù)不變，因此就不能使用燒蝕材料。發(fā)電通道一般采用熱沉式結(jié)構(gòu)，一次運(yùn)行時(shí)間約為10秒左右，極限時(shí)間不超過1分鐘。運(yùn)行一段時(shí)間必須做例行檢修，或更換部件。涂層冷卻和發(fā)汗冷卻是延長發(fā)電通道壽命的先進(jìn)技術(shù)。石墨、陶瓷和金屬材料廣泛作為通道的電極材料。3 3磁體系統(tǒng)脈沖磁流體發(fā)電機(jī)按磁系統(tǒng)有自勵(lì)式和他勵(lì)式。目前，國外所進(jìn)行的試驗(yàn)自勵(lì)式較多。對(duì)于自勵(lì)式脈沖磁流體發(fā)電機(jī)一般有2 3個(gè)發(fā)電通道，其中之一用于產(chǎn)生強(qiáng)磁場，另外的用于發(fā)電或者只有一個(gè)發(fā)電通道，它既產(chǎn)生強(qiáng)磁場又同時(shí)發(fā)電，當(dāng)然還有其它形式。自勵(lì)式結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格較低，便于制成移動(dòng)式，運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定。而他勵(lì)磁場式就要考慮磁體對(duì)系統(tǒng)重量的影響，必須考慮為磁體提供功率的電源。使用空芯常導(dǎo)磁體和超導(dǎo)磁體也是選擇磁體時(shí)需要決策的問題。磁體產(chǎn)生的磁場的分布及強(qiáng)度、運(yùn)行的穩(wěn)定性、幾何結(jié)構(gòu)、冷卻方式以及重量等都是研究發(fā)電機(jī)所面臨重要問題，一直得到各國的重視。磁體系統(tǒng)的選取要根據(jù)發(fā)電機(jī)具體情況確定。3 4發(fā)電通道磁流體發(fā)電機(jī)的最重要的部件就是發(fā)電通道。目前，用于脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的發(fā)電通道大多為直管式通道，例如，自勵(lì)脈沖磁流體發(fā)電機(jī)Pamir系列，甚至還有結(jié)構(gòu)非常簡單的截面為矩形或圓形的激波管，盤式發(fā)電通道不是很多。直管通道與盤式通道相比較，它在高電離度的工質(zhì)和低霍耳參數(shù)條件下運(yùn)行最為合理。由于工質(zhì)一般為加堿金屬種子的燃料燃燒產(chǎn)物，具有較低的電導(dǎo)率，因而，要保證有效的電輸出，就要求具有較強(qiáng)的磁場，直管通道不得不在較高的霍耳參數(shù)下運(yùn)行。這種條件下，電極壁常常需要細(xì)分成許多段，使得通道的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)外加負(fù)載的聯(lián)接也相對(duì)復(fù)雜一些。而盤式通道就無此限制，它應(yīng)用于大的霍爾參數(shù)的場合，通過一個(gè)成對(duì)的電極來提取電功率，外接負(fù)載簡單，并且有完全利用了高磁場強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。盤式通道絕緣好，結(jié)構(gòu)簡單，可以耐受高電場，功率密度大，相互作用長度小，結(jié)構(gòu)緊湊，使得它的磁系統(tǒng)大大簡化，成本降低。盤式結(jié)構(gòu)減小了無端部損失，由于不會(huì)產(chǎn)生邊界層分離，盤式通道作為脈沖裝置還有無運(yùn)行限制的優(yōu)點(diǎn)，但是，盤式通道的進(jìn)口葉片和擴(kuò)壓器較直管式的要復(fù)雜。可以說盤式和直管式通道各有所長。發(fā)電通道材料的選擇、幾何方案、通道的截面形狀和結(jié)構(gòu)、電極的聯(lián)接方式、冷卻方式等都受到高度重視。國內(nèi)外在研究磁流體發(fā)電通道的數(shù)學(xué)模型時(shí)有三維方法、二維和準(zhǔn)二維方法，但是其計(jì)算都較復(fù)雜，而一維模型和準(zhǔn)一維模型由于其計(jì)算比較簡單及有效，因而被較多地采用。在一維數(shù)學(xué)模型中不計(jì)邊界層的影響，并且一般也不計(jì)摩擦對(duì)動(dòng)量方程的影響。一維模型的不足之處是無法顯示流動(dòng)截面上的參數(shù)變化，一維模型一般假定流動(dòng)為定常流動(dòng)，計(jì)算量少，適合工程計(jì)算。相比較而言二維、三維模型計(jì)算量大，要對(duì)定常N S方程進(jìn)行數(shù)值求解。而準(zhǔn)一維數(shù)學(xué)模型計(jì)及壁面摩擦和傳熱效應(yīng)，