Магнитогазодинамический канал

 

Изобретение относится к технической физике, в частности к энергетическим установкам, в которых осуществляется прямое преобразование электрической энергии в кинетическую, и может быть использовано в гиперскоростных аэродинамических трубах с магнитогазодинамическим (МГД) ускорителем при моделировании условий полета летательных аппаратов с большими скоростями. Целью изобретения является повышение надежности и ремонтопригодности при использовании МГД-канала в качестве канала МГД-ускорителя аэродинамической трубы. МГД-канал содержит электродные стенки из электродов и межэлектродных изоляторов, боковые стенки из силовых и электроизоляционных частей, первые из которых являются продолжением полюсов магнита. Электродные стенки включают электроизоляционные панели с пазом, медные электроды, размещенные в пазе и прикрепленные к панели с помощью резьбовых стержней, являющихся токоподводами, и межэлектродные изоляторы, состоящие из двух частей, одна из которых размещена в пазе панели, а другая, обращенная к проточной части канала, входит в зацепление с одним из соседних электродов. Силовая часть боковых стенок выполнена плоской, а электроизоляционная часть боковых стенок свободно установлена между плоской поверхностью силовой части и боковой поверхностью электродов и панелями электродных стенок. На внутреннюю поверхность силовой части боковых стенок нанесены теплостойкое электроизоляционное покрытие, а на боковых поверхностях электродов, прилегающих к электроизоляционной части боковых стенок в области стыка с панелями, выполнены полости для заполнения их теплостойкими электроизоляционным наполнителем, причем зацепление между электродами и межэлектродными изоляторами выполнено в виде паза в изоляторе и соответствующего выступа на электроде. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к энергетическим установкам, в которых осуществляется прямое преобразование электрической энергии в кинетическую, и может быть использовано в гиперскоростных аэродинамических трубах с магнитогазодинамическим (МГД) ускорителем при моделировании условий полета летательных аппаратов с большими скоростями V=4 - 8 км/с на высотах Н 40 120 км. Условия работы канала МГД-ускорителя характеризуется высоким уровнем тепловых потоков с большими и резкими его изменениями на фоне протекания значительных токов при больших градиентах электрического потенциала. Кроме того, стенки канала подвергаются воздействию сверхзвукового высокоскоростного потока воздуха, насыщенного присадкой щелочного металла с высокой физической скоростью. Так, например, при типичном режиме работы ускорителя аэродинамической трубы с МГД-ускорением потока воздуха (СМГДУ) тепловой поток в элементы конструкции канала изменяется за время τ 0,03 0,04 с от 0,5 МВт/м² до 20 МВт/м², средняя плотность тока составляет j_ср примерно 80 А/см², средняя напряженность электрического поля Е приблизительно 200 В/см, а скорость потока достигает 6 7 км/с. Все это осложняется относительно небольшими размерами канала МГД-ускорителя (поперечное сечение канала составляет порядка несколько квадратных сантиметров). Приведенное свидетельствует о своеобразии условий в канале МГД-ускорителя в отличие от условий в каналах подобных устройств, например, МГД-генераторов. Опыт создания конструктивных решений для обеспечения указанных условий весьма ограничен. Поэтому проблема создания канала МГД-ускорителя, обладающего высокой надежностью в работе и удобством в эксплуатации, является очень актуальной. Известен канал МГД-ускорителя, содержащий анодную и катодную электродные стенки, включающие медные, охлаждаемые водой электроды, межэлектродные изоляторы, боковые изоляционные стенки (В-стенки), выполненные из медных пластин со специальными каналами для охлаждения, имеющие напыление на всей поверхности слоя окиси бериллия толщиной 0,5 мм, и боковые силовые стенки, выполненные из конструкционного электроизоляционного материала. К силовым стенкам примыкают полюса магнита. В качестве межэлектродных изоляторов используется слой окиси бериллия, напыляемый на поверхности, включая и часть его огневой поверхности. Недостатком такого канала МГД-ускорителя является низкая надежность межэлектродной изоляции и слабая электрическая прочность В-стенок. Из-за этого имеет место нестабильность характеристик при ускорении, довольно узкий диапазон рабочих параметров канала. Кроме того, в этом случае оказывается неэффективным формирование расчетного распределения магнитной индукции в рабочей зоне, особенно на ее краях. Известен канал МГД-генератора, образованный двумя электродными и двумя боковыми стенками. Электродные стенки состоят из перемежающихся электродов и межэлектродных изоляторов, боковые состоят из силовых частей, являющихся продолжениями полюсных башмаков электромагнита и выполненных из магнитной стали, и выполненных из немагнитной стали монтажных панелей, приваренных к силовым частям. На обращенную к каналу сторону каждого полюсного башмака в углубление между монтажными панелями нанесен, например, путем наплавки электроизоляционный слой. Между электродными стенками и монтажными панелями находится слой огнеупорной шпатлевки (клея), который после высыхания является изолятором. Электроды крепятся к монтажным панелям с помощью изолированных винтов. В электродных и полюсных башмаках имеются каналы для охлаждающей жидкости. Однако этот канал МГД-генератора при его использовании в качестве канала МГД-ускорителя аэродинамической трубы имеет низкие эксплуатационные качества. У него слишком узкий диапазон рабочих характеристик (практически ограничен диапазоном рабочих характеристик генератора), низкая электрическая прочность, большая чувствительность к тепловым ударам, значительные трудности монтажных работ при изготовлении и ремонте. Имеются также значительные затруднения в обеспечении аэродинамически гладкого контура проточной части. Целью изобретения является повышение надежности и ремонтопригодности МГД-канала при использовании его в качестве канала МГД-ускорителя аэродинамической трубы. Поставленная цель достигается тем, что электродные стенки дополнительно содержат электроизоляционные панели с пазом, в котором размещены электроды, прикрепленные к панели при помощи резьбовых стержней, являющихся токоподводами, межэлектродные изоляторы выполнены составными из двух частей, одна из которых помещена в пазе панели, а другая, обращенная к каналу, входит в зацепление с одним из соседних электродов, силовая часть боковых стенок выполнена плоской, а электроизоляционная часть боковых стенок свободно установлена между плоской поверхностью силовой части, боковой поверхностью электродов и панелями электродных стенок. При этом на внутреннюю поверхность силовой части боковых стенок нанесено теплостойкое электроизоляционное покрытие, а на боковых поверхностях электродов, прилегающих к изоляционной части боковых стенок в области стыка с панелями, выполнены полости для заполнения их теплостойким электроизоляционным наполнителем. Зацепление между электродами и межэлектродными изоляторами выполнено в виде паза в изоляторе и соответствующего выступа на электроде. На фиг. 1 представлен общий вид МГД-канала; на фиг.2 поперечный разрез МГД-канала; на фиг.3 продольный разрез фрагмента электродной стенки МГД-канала. МГД-канал содеpжит две боковые стенки 1 (фиг.1) и две электродные стенки, выполненные в виде электроизоляционных панелей 2 с пазом, в котором расположены часть каждого электрода 3 и межэлектродного изолятора 4. Каждый электрод крепится к электроизоляционной панели токовводом 5 (фиг.2). Боковые стенки состоят из силовых частей 6, являющихся продолжением полюсов магнита, и изоляционных частей 7. Межэлектродные изоляторы 4 состоят из двух частей, одна часть 8 из которых (фиг. 3) размещена в пазе электроизоляционной панели, а другая часть 9 зацепляется выступом 10 на смежном электроде 3, причем паз и выступ ориентированы по нормали к боковым стенкам канала, а посадки для сметных элементов выбраны из условия возможности замены части 9 каждого межэлектродного изолятора без нарушения целостности конструкции электродной стенки. На плоские поверхности силовых частей боковых стенок нанесено теплостойкое электроизоляционное покрытие 1, например, с помощью плазменного напыления. На боковых поверхностях электродов в области стыка электроизоляционных панелей 2 с электроизоляционной частью 8 электродных стенок выполнены пазы 12, заполненные теплостойким электроизоляционным материалом. Электроизоляционная часть 8 выполнена из материала панели 2, а часть 9 из термостойкой электроизоляционной керамики, например из алюмонитрида бора АБН. Конструкция МГД-канала в целом удерживается с помощью силовой части боковых стенок 1 (фиг.1), состоящей из трех соединенных меду собой сваркой элементов, силовой части 6 (фиг. 2) трапециевидной формы, выполненной из магнитного материала, и двух крайних элементов 13 из немагнитного материала, причем силовой части 6 примыкают к полюсам магнита, т.е. являются своеобразными полюсными башмаками. Внутренняя поверхность силовой части боковых стенок выполнена плоской. Электроизоляционная часть 7 боковых стенок выполнена в виде пластин из термостойкой электроизоляционной керамики, например алюмонитрида бора АБН, свободно устанавливаемых между плоской поверхностью силовой части 6 боковых стенок, боковой поверхностью электродов 3 и межэлектродных изоляторов 4 и панелями 2 электродных стенок. Посадка для электроизоляционных частей 7 выбрана из следующих условий: предотвращение от тепловых нагрузок, надежность фиксации и в то же время исключение индивидуальной подгонки. Неизбежные стыки керамических пластин по длине канала расположены в зонах межэлектродных изоляторов электродных стенок. Канал МГД-ускорителя работает следующим образом. Сверхзвуковой (М-2) электропроводный поток газа (воздух при статической температуре приблизительно 2500 3000 K с присадкой щелочного металла) поступает в канал МГД-ускорителя, где в сокращенных электрическом и магнитных полях происходит увеличение его скорости до заданной величины. Магнитное поле создается электромагнитом, между полюсами которого и расположен МГД-канал. Протекание тока поперек проточной части МГД-канала перпендикулярно магнитному полю обеспечивается приложением напряжения к электродам, 3, подсоединенных попарно к независимым источникам постоянного тока. Взаимодействие тока и магнитного поля порождает силу, направленную вдоль оси проточной части МГД-канала. Под действием этой силы и происходит увеличение скорости потока, повышаются и его параметры торможения. Повышение параметров торможения потока и наличие токов существенно увеличивают интенсивность теплообмена. Протекание тока в магнитном поле сопровождается вследствие эффекта Холла возникновением в потоке газа электрического поля вдоль потока, при этом разность потенциалов на длине рабочего участка может существенно превышать напряжение, приложенное к электродам. Кроме того, вследствие эффекта Холла происходит концентрация токов вблизи кромок электродов со стороны межэлектродных изоляторов 4, причем на катодах у кромки, расположенной против набегающего потока, а на анодах у противоположной кромки. МГД-канал при использовании его в качестве канала МГД-ускорителя аэродинамической трубы работает циклически. Время выхода на рабочий режим не превышает нескольких сотых долей секунды. Естественно, что формирование различных явлений, сопутствующих процессу ускорения, происходит по крайней мере не медленнее. Из приведенного следует, что элементы конструкции канала МГД-ускорителя, особенно стенки проточной части, подвержены периодическим резким и интенсивным тепловым ударам и находятся под воздействием интенсивных импульсных электрических полей, которые распространяются в том числе и на стыки элементов друг с другом. Все это происходит на фоне концентрации токов у кромок электродов, интенсивность которой, в силу особенностей взаимодействия потока и напряжения Холла в ускорителе, существенно выше, чем в генераторе. Указанные особенности работы ускорителя создают проблемы не только по обеспечению электрической прочности конструкции, но также и в обеспечении неизменности заданного профиля проточной части. Последнее в случае МГД-ускорителя аэродинамических труб имеет принципиальное значение. Вместе с изменением скорости изменяются и другие параметры потока (плотность, температура и т.п.). В частности, происходит увеличение числа М и поток становится практически гиперзвуковым. Такой поток весьма чувствителен к каким-либо неровностям на контуре проточной части. Возникающие на них скачки уплотнения не только увеличивают гидравлическое сопротивление, но также исключают поле скоростей, что для аэродинамических установок почти всегда является недопустимым. Повышенная электропроводность газа в зоне скачков только усугубляет положение. Термические напряжения и концентрация токов у кромок электродов являются существенными факторами в создании этих неблагоприятных условий. В результате может быть растрескивание изоляторов, образование на них сколов, эрозия межэлектродных изоляторов и т.п. Неизбежное осаждение присадки на стенках, как правило, неравномерное, ведет к усилению указанных явлений. Электрическая прочность канала в целом при этом резко снижается. Поэтому в процессе эксплуатации канала МГД-ускорителя оказывается необходимым периодически восстанавливать как электрическую прочность конструкции, так и необходимые параметры контура проточной части. Размещение электродов 3 на электроизоляционных панелях 2 без жесткого соединения электродов друг с другом, свободная установка части 8 межэлектродного изолятора 4 и электроизоляционной части 7 боковых стенок 1 и исключение концентраторов напряженности электрического поля на силовой части 6 боковых стенок повышают, по сравнению с прототипом, стойкость к термическим ударам и электрическую прочность конструкции. Расположение электродов 3 в пазе электроизоляционной панели 2, выполнение межэлектродного изолятора 4 из двух частей 8 и 9 и способ установки части 9 изолятора обеспечивают его периодическую замену без индивидуальной подгонки и нарушения целостности всей электродной стенки. Уменьшается также расход дорогостоящего керамического материала. Отсутствие жесткой связи (разъемность) силовой части 6 изоляционной части 7 боковой стенки 1 позволяет достаточно просто производить восстановление электросопротивления и допустимой шероховатости поверхности изоляционной части боковой стенки, а также ее замену. Нанесение на внутреннюю поверхность силовой части 6 боковых стенок теплостойкого электроизоляционного покрытия 11 и выполнение полости 12 на боковых поверхностях электродов 3 в области стыка электроизоляционных панелей 2 с электроизоляционной частью 7 боковых стенок для заполнения ее теплостойким электроизоляционным наполнителем повышает электрическую прочность канала. Применение покрытия 11 способствует также повышению стойкости к тепловым ударам электроизоляционной части боковых стенок. Выполнение внутренней поверхности силовой части 6 боковых стенок плоской позволяет на всей площади образовать покрытие оптимальной толщины с точки зрения адгезии, электрической прочности и качества его поверхности (минимальная шероховатость, плоскостность и т.п.). Последнее имеет немаловажную роль в обеспечении оптимальности сочленения элементов канала в целом. Выполнение зацепления между электродами 3 и частями 9 межэлектродных изоляторов в виде паза в изоляторе и соответствующего выступа 10 в электроде облегчает их изготовление. Таким образом, предложенная конструкция МГД-канала обеспечивает, по сравнению с прототипом, повышение эксплуатационных качеств при использовании его в схеме аэродинамической трубы с МГД-ускорением потока газа путем повышения электрической прочности и стойкости к тепловым ударам и облегчения изготовления и ремонта за счет более оптимальной конструкции его элементов и более эффективной взаимосвязи их друг с другом. 1

Формула изобретения

1. Магнитогазодинамический канал, содержащий две боковые стенки, состоящие из силовых частей, являющихся продолжением полюсов магнита, и изоляционных частей, и расположенные между боковыми стенками две электродные стенки, состоящие из ряда электродов и межэлектродных изоляторов, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и ремонтопригодности при использовании МГД-канала в качестве канала МГД-ускорителя аэродинамической трубы, электродные стенки выполнены в виде электроизоляционных панелей с пазом, в котором расположены часть каждого электрода, прикрепленного к панели при помощи токоввода, и часть каждого межэлектродного изолятора, причем последний входит в зацепление с одним из соседних электродов, а силовая часть боковых стенок со стороны, обращенной к рабочему объему канала, выполнена плоской, электроизоляционная часть боковых стенок размещена между плоской поверхностью силовой части боковой стенки, электроизоляционными панелями электродных стенок и боковыми поверхностями электродов и межэлектродных изоляторов. 2. МГД-канал по п. 1, отличающийся тем, что каждый из межэлектродных изоляторов выполнен из двух отдельных частей, одна из которых размещена в пазе панели, а другая, обращенная к проточной части канала, зацеплена со смежным электродом, причем зацепление между ними выполнено в виде ориентированных по нормали к боковым стенкам канала паза в электроде и выступа на межэлектродном изоляторе. 3. МГД-канал по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, на плоские поверхности силовых частей боковых стенок нанесено теплостойкое электроизоляционное покрытие, а на боковых поверхностях электродов в области стыка электроизоляционных частей боковых стенок с электроизоляционными панелями выполнены пазы, заполненные теплостойким электроизоляционным материалом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 29.04.2003

Номер и год публикации бюллетеня: 16-2004

Извещение опубликовано: 10.06.2004        

---