§ 8.16. МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Магнитогидродинамические машины (МГД-машины) основаны на взаимодействии электропроводящего жидкостного или газообразного потока с магнитным полем. Главным достоинством таких машин является отсутствие движущихся механических частей и сравнительная простота преобразования энергии.

В простейшей магнитогидродинамической машине (рис. 8.83); электропроводящий газ или жидкость 5 пропускают через рабочий канал, у которого в верхней и нижней стенках смонтированы токопроводящие электроды 1 и 4. Боковые стенки 3 канала выполнены из непроводящего материала. В канале с помощью катушек 2 создается поперечное магнитное поле с индукцией В. При перемещении в этом поле токопроводящих газа или жидкости со скоростью v между электродами 1 и 4 возникает ЭДС Е = Blv, аналогичная той, которая создается в обмотке якоря электромеханического генератора при движении ее

Рис. 8.83. Принципиальная схема магнитогидродинами-ческой машины

проводников в поперечном магнитном поле. Если к электродам подключена нагрузка, то через нее начинает проходить ток и машина работает в генераторном режиме. Если на электроды 1 и 4 подают напряжение от внешнего источника электрической энергии, то в электропроводящей среде, заполняющей рабочий канал, проходит ток. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем, создает электромагнитную силу, которая перемещает вдоль оси канала находящиеся в нем газ или жидкость. Следовательно, такая машина работает насосом (в двигательном режиме). Таким образом, в МГД-машине происходит преобразование энергии, пропускаемого через рабочий канал потока газа или жидкости в электрическую энергию, или наоборот.

В отличие от обычных электрических машин в рабочем канале МГД-машины может проявляться эффект Холла, заключающийся в том, что вектор плотности тока, возникающего в электропроводящем газе, поворачивается на некоторый угол относительно вектора электрической напряженности. Это приводит к существенному уменьшению эффективности машины, так как часть тока замыкается через электроды в виде петель. Для устранения этого явления применяют секционированные электроды, которые состоят из отдельных изолированных друг от друга секций (рис. 8.83,б). Каждая пара противоположно расположенных секций подключена к отдельной нагрузке. В таком канале ток, обусловленный эффектом Холла, перпендикулярный вектору электрической напряженности, проходить не может, так как его цепь разорвана благодаря секционированию электродов.

Рис. 8.84. Устройство магнитогидродинамической машины: 1 — рабочий канал; 2 — электромагниты; 3 — электропроводящий газ или жидкость; 4 — компенсационная шина; 5 — токоотводящая шина; 6 — электроды

В рассматриваемых машинах возникает реакция якоря, которая создает неоднородность магнитного поля, значительно большую, чем в обычных электрических машинах. Для ослабления размагничивающего действия реакции якоря между полюсами и рабочим каналом устанавливают специальную компенсационную шину (рис. 8. 84), включенную в цепь тока последовательно с рабочим каналом. Через эту шину проходит ток в противоположном направлении, вследствие чего ее действие на магнитное поле подобно действию компенсационной обмотки обычной электрической машины.

Мощность магнитогидродинамической машины пропорциональна произведению
σ2B2v2, где σ — удельная проводимость пропускаемой через канал электропроводящей среды и v— скорость ее перемещения. Поэтому при использовании МГД-генератора, работающего на продуктах сгорания природного топлива (угля, нефти, газа) необходимо, чтобы они имели высокую температуру около 3000 — 3500 К и их электропроводность была увеличена благодаря применению щелочных добавок (0,1 — 1 % по массе). Однако и в этом случае их удельная проводимость при давлениях несколько атмосфер составляет 1 - 50 См/м, т. е. во много раз меньше, чем у меди. Поэтому для увеличения индуцируемой ЭДС требуется пропускать проводящий газ через рабочий канал с высокой скоростью (1000—2000 м/с), значительно большей, чем скорость перемещения проводников в электромеханических преобразователях энергии, и увеличивать индукцию магнитного поля в канале путем применения сверхпроводниковых и криопроводниковых магнитных систем. Использование в МГД-генераторах обычных магнитных систем со стальными магнитопроводами нерационально, так как генераторы получаются громоздкими.

При температуре менее 2000 К продукты сгорания со щелочными добавками становятся практически непроводящими и не могут использоваться в МГД-генераторе. Эти продукты уносят значительную неиспользованную энергию, вследствие чего КПД такого генератора составляет всего 10 — 20%. Для повышения энергетической эффективности МГД-генератора выходящие из него продукты сгорания подают в обычную энергетическую установку (котел — турбина — генератор), в которой используется остаточная тепловая энергия этих продуктов. КПД такой комбинированной установки может достигать 50 %, т. е. выше, чем КПД современных тепловых электростанций. В настоящее время ведутся научно-исследовательские и опытно- конструкторские работы по повышению надежности и долговечности МГД-генератора.

Для перекачки жидких металлов в металлургии и атомной энергетике применяют электромагнитные (кондукционные) насосы, основанные на магнитогидродинамическом принципе. В таком насосе в рабочий канал подают жидкий металл (расплавленные литий, натрий, калий и др.), а электроды подключают к источнику постоянного тока. Возникающая электромагнитная сила, т. е. создаваемый насосом напор, пропорциональна произведению индукции на ток, пропускаемый через электроды. Поэтому для питания этих насосов следует применять источники с низким напряжением и большими токами. Основное достоинство таких насосов — отсутствие дви-жущихся частей, что позволяет полностью герметизировать гидравлический тракт.