发电机结构及发展状况.doc

发电机组的结构及发展状况发电机组的结构及发展状况发电机组脉冲电源是一种正在受到重视的技术，它涉及高功率、短持续时间电能量脉冲的产生和运用。脉冲磁流体发电机作为一种重要脉冲电源，适合于输出脉冲强电流，在地球物理研究领域开始获得应用，包括地震预测、地理预报、天然气勘探、地球地壳构造研究，同时在军用及空间应用等方面也有广阔的应用前景，例如作为电磁炮、惯性约束核聚变、自由电子激光器、粒子束武器、电子对抗系统等的电源。在实验室中，一般通过合适的能量存储装置来实现脉冲供电，例如电容器、电感线圈、飞轮等。能量是在低功率量级上用相对长的时间积累，随后通过负载在短时间内释放达到高功率。这些装置需要初始能源来驱动。但是在空间、或是在遥远的地区，能量只能由太阳能、核能和化学能三种初始能源得到。其中，只有化学能的能量密度能够达到每千克数十兆焦，具有提供兆瓦级的功率的潜力。另一方面，在太阳能和核能作为初始能源的装置中，需要极庞大的辅助设备。例如，太阳能的能量密度是较低的，必须要依靠伸展面积很大的能量收集设备，而在核能作为初始能源的装置中，保护和转化设备也导致同样的结果。相比较而言，利用化学能的转换装置就具有结构紧凑的长处。这类装置包括蓄电池、燃料电池、磁流体发电机、以机械能转换为中间环节的透平驱动的发电机等。其中，在兆瓦级的高功率系统中，脉冲磁流体发电机是最具有优势的，对于一个功率30兆瓦磁流体发电机来说，系统的比功率可达4 6兆瓦/千克。1运行原理脉冲运行的磁流体发电机组，其工作原理仍然是依籍导电流体在磁场中运行时所发生的电磁感应。一个直管型磁流体发电机组发电通道部分的运行原理示意图。在燃料和氧化剂的燃烧产物中加入易电离的碱金属，形成具有一定导电性的等离子体，经由喷管加速，然后进入如图所示的发电通道。B为外加磁场的磁感应强度。Ey为外电场，它的方向与气流速度和磁感应矢量积（感应电场）的方向相反。垂直于电场的通道壁具有导电性，而与电场平行的通道壁是绝缘的，有效电流能够被提取出来为负载提供功率。当有负载时，在发电通道内此电流与磁场相互作用，在等离子体内产生洛伦兹力，方向与等离子体运动方向相反。于是，导电流体的动能被转换成电能。Ex称为霍尔电场，它是由导电流体中电荷在磁场作用下运动的二维性质所致，使发电通道的出口处与入口处处于不同的电位，通常称之为霍尔效应。尽可能维持高霍尔电场，对于实现磁流体发电机的高性能，有着重要的意义。发电通道壁的绝缘不良造成的泄漏电流就是霍尔电场衰减的原因之一，将电极壁沿气流方向加以分割以及保证绝缘壁足够的绝缘性能是有效的对策。霍尔电场影响磁流体发电机运行性能的程度取决于霍尔参数，它是电子回旋与电子碰撞频率的比值。对于磁流体发电机组的运行性能来说，有4个参数是非常重要的：磁感应强度、等离子体速度、等离子体电导率和霍尔参数。磁流体发电机的功率密度为：P w =（ UB）2 k（ k- 1）其中，是与发电机的结构和联接方式相关系数，是工质电导率， U是工质流速， k是负荷系数。当k = 0. 5时功率密度具有最大值，增大B、U、都会增大功率密度的值。与以工业电站为应用目标的磁流体发电机相比较，脉冲磁流体发电机系统的构成以简单、紧凑为原则，往往重视技术指标，如电参数和比功率，不以经济性为最重要的约束条件，在某些特殊的场合甚至不计较能量的转换效率。此外，因为是脉冲输出，就不需要逆变装置。又因为是单端输出，所以，分段电极法拉第型的发电通道就被排除在外。对于高功率脉冲磁流体发电机，另外两个重要的参数是相互作用系数和磁雷诺数。相互作用系数定义为：I p = UB 2 L P其中， P是等离子体进口静压力， L是发电机通道长度。相互作用系数是洛伦兹力与等离子体的惯性力比值的量度。当它增加时，等离子体的气体动力学性能将有很大的变化，造成类似于在透平压缩机和过度膨胀的扩压器中出现的动态分离和气流分离等现象。磁雷诺数为：R m = 0 Ul其中，0是真空磁导率， l是特征长度。磁雷诺数是等离子体中由电流感生出的磁场与外加磁场的比值。在通常情况下，磁雷诺数的值是较低的，因此，由等离子体运动引起的外加磁场的非线性变形是可以被忽略的二阶小量。除了燃烧之外，等离子体可以通过凝聚相炸药爆炸获得。在由爆炸方式驱动的磁流体装置中，等离子体是以短长度导电柱塞的形式通过发电通道的。脉冲持续时间是受到柱塞通过发电机有效区域时间的限制的，它约等于电极长度与等离子体速度的商。燃烧式脉冲磁流体发电机和爆炸式脉冲磁流体发电机的相关参数的典型数值如下所示。从数值的比较中可以看到，爆炸式装置运行于高磁雷诺数的情况下，爆炸式脉冲磁流体发电机转换效率过低；与之相反，燃烧式装置运行在低的磁雷诺数下和具有较高的效率。脉冲磁流体发电机的磁体系统有他励和自励两种方式。装置可以做成固定式或移动式。发电通道有整体电极型霍尔型串接型直管通道及盘式通道。脉冲磁流体发电机输出电压大致为数百伏到数万伏，输出电流大约为数千安培到数万安培。起动迅速，功率密度大，可达500 600兆瓦/立方米，比能特性高。一般来说，脉冲磁流体发电机的总寿命为几秒到几百秒。2脉冲磁流体发电机的发展状况简述脉冲磁流体发电机是磁流体发电技术的一个重要应用方向。脉冲磁流体发电机的研究和发展开始于60年代初，用含有电离种子的炸药爆炸来产生工质等离子体。1963 1965年，研制成功一台爆炸式脉冲磁流体发电机，在2. 8T的磁场下，它的功率为280兆瓦，输出脉冲电流为430千安，其发电机尺寸为20 15 78厘米，转换效率为1. 6%，此功率记录曾持续了多年。同时，在商业和军事部门的支持下，还开始了大型燃烧式脉冲磁流体发电机的研究。1964年，美国建成电功率为20兆瓦的霍尔发电机作为风洞电源，这是磁流体发电技术的第一次特殊应用。同时， AVCO公司建成20兆瓦自励磁磁流体发电机MkV，随后在1966年运行，第一次证明了自励磁运行方式的可行性。60年代中期，田纳西大学空间研究所研制出以加有轻金属的火箭燃料燃烧驱动的磁流体发电机，并发现固体燃料较液体燃料有更好的性能，在发电通道内壁形成的沉淀物并未降低发电机的性能，而且作为高温保护层对发电机是有益的。60年代末，用于军事用途上的磁流体发电机的兴趣开始降温。但是AVCO公司还是得到了美国空军的支持，随着技术的发展，致力于研究更高性能的脉冲磁流体发电机。功率为400千瓦，发电通道长度为0. 7米的发电机研制成功，在磁场强度仅有2. 3T情况下，却获得了相当高的功率密度。70年代初，由于技术进步， Hercules公司进行的实验表明可重复运行的脉冲磁流体发电机是可行的。由燃烧固体火箭燃料驱动的磁流体发电机创下了前所未有14. 5%的最高转换效率记录，更为重要的是它在质量流量仅有3. 3千克/秒的条件下，产生的功率的峰值达到2. 4兆瓦。70年代中期，由于受石油禁运和反对核能运动的冲击，各国都加强了以基本负荷电厂为应用目标的燃煤磁流体发电机的研究。尽管如此，美国关于脉冲发电机的研究并没有中断，美国AVCO公司致力于材料和轻重量、主动冷却、使用液体燃料的高性能发电通道设计的研究，设计出了使用超导磁体和液体燃料的脉冲磁流体发电机，功率为30兆瓦、累积脉冲持续时间达到了一分钟。70年代中后期，进一步发展了爆炸式磁流体发电机的新概念。通过爆炸实现高压缩的氩气使工质等离子体的温度和压力升高，使工质电导率达到相当高的值，实验功率达到了京瓦量级，脉冲持续时间为几十微妙。同时也开始了对一系列固体火箭燃料驱动的大功率脉冲磁流体发电机的研究。苏联也进行了系统的脉冲磁流体发电机的研究。1976年，大功率系统Pamir 1和Pamir 2公布于众，二者都是由两个固体火箭燃料驱动的发电通道组成，共用同一个磁体，其中一发电通道的输出用于常导磁体的激励，而另外一个通道提供有效输出功率，运行时，发电通道的功率密度高达500兆瓦/立方米。每个等同的通道产生15兆瓦的功率，持续时间由开始的3秒增加到10秒，这是由其散热片结构限制的最长时间。Pamir 1是固定式的，而Pamir 2是可移动式的，它的重量约为8. 5吨，用大卡车就可以运载。除了Pamir系列外，还有更大的可移动系统Khibini和Ural.Ural是独立发电机磁场系统，而Khibini是由共享同一磁体的两个Ural发电机组成的，输出总功率约为90兆瓦、脉冲宽度10秒。80年代，脉冲磁流体发电机的研究有了进一步发展，主要有：采用无铁芯的磁体，以减少系统的重量；通过冷却主要部件来延长脉冲持续时间；使用效率更高的对角联接结构的通道；使用金属粉末燃料；用不同的方式产生工质等离子体。同时，脉冲磁流体发电机经历了从实验室验证阶段到研制地球物理研究用的磁流体发电装置的实用阶段的进展。在最近的十几年中，脉冲磁流体发电机的发展更加深入和更趋向于多面化。Pamir 3是可移动式自励磁脉冲磁流体发电机，它的最大功率为15兆瓦，由三个发电通道组成，其中两个通道为负载提供功率，第三个发电通道用于激励磁体。由固体火箭燃料燃烧产生的工质等离子体的质量流率是16- 26千克/秒，压力为2 9 5 1M Pa，温度约为3950K.Pamir 6也是可移动式自励磁脉冲磁流体发电机，等离子体的质量流率是4 3千克/秒，功率密度100兆瓦/立方米，电功率达到1 4兆瓦，压力为5 5M Pa，温度约为3950K.马赫数为2 8，磁场强度小于1 9T，总脉冲持续时间到达140秒，一共重复运行了27次，每次运行时间4 9秒。日本提出了利用添加钾的氩气作为工质等离子体的自励磁脉冲盘式磁流体发电机的想法，并且作了实验。工质可以在较低的温度下电离，从而避免了散热片结构上的限制和使用整体电极联接方式引起的电流集中。目前，美国、日本、俄罗斯等国对脉冲磁流体发电机有较为深入的研究，我国磁流体发电的研究开始于60年代末，最初的应用目标是作为固体激光器的电源。80年代末，又针对地球物理勘探的需求，进行了脉冲磁流体发电机的可行性研究，考虑的是直管式发电通道等。一些已经建造的脉冲磁流体发电机如所示。3脉冲磁流体发电机的研究课题脉冲磁流体发电机的研究内容是非常丰富和具有深度的。最重要的方法就是理论分析计算和实验验证，不断的完善和提高研究水平。主要有以下几各方面。3 1燃料选择脉冲磁流体发电机的工质的选择是非常重要的，它直接关系到发电机的效率，运行性能等。燃料的选择和其成分的组成一直得到重视。发电机燃料多种多样，组分非常复杂，与基荷磁流体发电机的不同，有较大的选择余地，但必须满足燃烧产物热电性质的要求，同时，燃料供应系统应尽可能简单并且便于控制。脉冲磁流体发电机的用途不同，对燃料的要求也会有差别，有时，燃料成本也成为考虑的因素。目前使用的燃料价格过分昂贵。各国研究者都在探索比较廉价的燃料，以降低成本，比如使用碳。纯碳燃烧能产生较高的温度和电导率，但是其燃烧速度太低，必须采用专门措施。3 2结构材料发电机重要部件的材料选取同样是非常重要的，由于脉冲磁流体发电机通常都是热沉式的，所以材料在高达3000 4000K高温下的性能对发电机运行影响特别大。脉冲持续时间和重复运行次数很大程度上取决于材料的耐高温性和散热性以及散热装置的设计。例如，最常用的燃烧室结构为非水冷烧蚀性或热沉式结构，燃烧室具有金属外壳，内部装有多层热绝缘材料，如玻璃钢。铜是常用的热沉材料，在极短的运行时间内，温度不会升高到它的熔点。喷管喉部要保证其尺寸不变，使气动参数不变，因此就不能使用烧蚀材料。发电通道一般采用热沉式结构，一次运行时间约为10秒左右，极限时间不超过1分钟。运行一段时间必须做例行检修，或更换部件。涂层冷却和发汗冷却是延长发电通道寿命的先进技术。石墨、陶瓷和金属材料广泛作为通道的电极材料。3 3磁体系统脉冲磁流体发电机按磁系统有自励式和他励式。目前，国外所进行的试验自励式较多。对于自励式脉冲磁流体发电机一般有2 3个发电通道，其中之一用于产生强磁场，另外的用于发电或者只有一个发电通道，它既产生强磁场又同时发电，当然还有其它形式。自励式结构紧凑，价格较低，便于制成移动式，运行相对稳定。而他励磁场式就要考虑磁体对系统重量的影响，必须考虑为磁体提供功率的电源。使用空芯常导磁体和超导磁体也是选择磁体时需要决策的问题。磁体产生的磁场的分布及强度、运行的稳定性、几何结构、冷却方式以及重量等都是研究发电机所面临重要问题，一直得到各国的重视。磁体系统的选取要根据发电机具体情况确定。3 4发电通道磁流体发电机的最重要的部件就是发电通道。目前，用于脉冲磁流体发电机的发电通道大多为直管式通道，例如，自励脉冲磁流体发电机Pamir系列，甚至还有结构非常简单的截面为矩形或圆形的激波管，盘式发电通道不是很多。直管通道与盘式通道相比较，它在高电离度的工质和低霍耳参数条件下运行最为合理。由于工质一般为加碱金属种子的燃料燃烧产物，具有较低的电导率，因而，要保证有效的电输出，就要求具有较强的磁场，直管通道不得不在较高的霍耳参数下运行。这种条件下，电极壁常常需要细分成许多段，使得通道的结构复杂，同时外加负载的联接也相对复杂一些。而盘式通道就无此限制，它应用于大的霍尔参数的场合，通过一个成对的电极来提取电功率，外接负载简单，并且有完全利用了高磁场强度的优点。盘式通道绝缘好，结构简单，可以耐受高电场，功率密度大，相互作用长度小，结构紧凑，使得它的磁系统大大简化，成本降低。盘式结构减小了无端部损失，由于不会产生边界层分离，盘式通道作为脉冲装置还有无运行限制的优点，但是，盘式通道的进口叶片和扩压器较直管式的要复杂。可以说盘式和直管式通道各有所长。发电通道材料的选择、几何方案、通道的截面形状和结构、电极的联接方式、冷却方式等都受到高度重视。国内外在研究磁流体发电通道的数学模型时有三维方法、二维和准二维方法，但是其计算都较复杂，而一维模型和准一维模型由于其计算比较简单及有效，因而被较多地采用。在一维数学模型中不计边界层的影响，并且一般也不计摩擦对动量方程的影响。一维模型的不足之处是无法显示流动截面上的参数变化，一维模型一般假定流动为定常流动，计算量少，适合工程计算。相比较而言二维、三维模型计算量大，要对定常N S方程进行数值求解。而准一维数学模型计及壁面摩擦和传热效应，