脈沖功率技術(shù)(MHD發(fā)電機(jī)技術(shù))

1、磁流體MHD發(fā)電機(jī)1磁流體MHD發(fā)電機(jī)MHD發(fā)電原理基于導(dǎo)電流體產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)。典型的MHD發(fā)電機(jī)由燃燒室、發(fā)電通道、電極對(duì)、磁體和導(dǎo)電流體組成。在燃燒室內(nèi)放置諸如煤氣、油、天然氣、火藥、火箭推進(jìn)劑或炸藥等化學(xué)燃料，燃燒產(chǎn)生3000k或更高溫度的氣體，氣體以極高的速度通過(guò)由耐高溫材料制成的發(fā)電通道。2磁流體MHD發(fā)電機(jī)高溫氣體中一部分原子電離成電子和正離子，但仍是低溫等離子體，導(dǎo)電性較差，低于銅、鋁等金屬材料。需要在這種高溫氣體中摻入少量容易電離的“種子”，例如鉀和銫，促進(jìn)氣體的電離，提高氣體的導(dǎo)電率。導(dǎo)電氣體在發(fā)電通道上以速度V垂直于磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)B運(yùn)動(dòng)，由于氣體中的正、負(fù)離子受洛倫茲力作用

2、，它們?cè)诖怪庇贐和V所在平面反向運(yùn)動(dòng)，結(jié)果在通道兩側(cè)的接收電極間出現(xiàn)電勢(shì)差。3磁流體MHD發(fā)電機(jī)在兩個(gè)電極外接負(fù)載，負(fù)載便獲得功率。如果導(dǎo)電氣流脈沖地通過(guò)通道，例如中斷燃料注入或向弱導(dǎo)電氣體間斷地填加種子，負(fù)載將可以得到電脈沖。脈沖長(zhǎng)度取決于導(dǎo)電氣體流過(guò)發(fā)電通道的時(shí)間。4MHD發(fā)電機(jī)歷史1910就出現(xiàn)了磁流體發(fā)電的專(zhuān)利。1940年，西屋電氣公司制造了大型霍爾型試驗(yàn)MHD發(fā)電機(jī)，對(duì)電離機(jī)制不甚了解，沒(méi)有成為實(shí)用的設(shè)備。二戰(zhàn)后，受控?zé)岷司圩冾I(lǐng)域的研究進(jìn)展，包括等離子體物理在內(nèi)的磁流體力學(xué)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了MHD發(fā)電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。1959年，美國(guó)的Avco公司制成了11.5kW的實(shí)驗(yàn)磁流體發(fā)電機(jī)，

3、在MHD發(fā)電史上具有劃時(shí)代的意義。之后，蘇、英、法、日等國(guó)相繼開(kāi)始了研究。5MHD發(fā)電機(jī)歷史小體積、高功率、短持續(xù)時(shí)間的脈沖MHD發(fā)電機(jī)的研究工作在60年代始于美國(guó)空軍，主要想研制一種機(jī)載的高功率MHD裝置，使用固體炸藥作燃料，或用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)激勵(lì)MHD發(fā)電機(jī)。1967年，美國(guó)完成了脈沖發(fā)電機(jī)的理論工作，并建成一臺(tái)供超音速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)用的霍爾型MHD發(fā)電機(jī)。6MHD發(fā)電機(jī)歷史1967年以后，蘇聯(lián)和日本繼續(xù)對(duì)MHD發(fā)電機(jī)進(jìn)行了深入的研究工作。蘇聯(lián)把超導(dǎo)磁鐵用于炸藥激勵(lì)的脈沖MHD發(fā)電機(jī)中；用核能激勵(lì)脈沖MHD發(fā)電機(jī)。日本率先將超導(dǎo)體用于磁流體發(fā)電研究，已建成儲(chǔ)能70MJ、重50T的超導(dǎo)磁鐵。為避免常

4、規(guī)導(dǎo)體激磁繞組的損耗和提高效率，采用超導(dǎo)體勢(shì)在必行。7MHD發(fā)電機(jī)種類(lèi)磁流體發(fā)電最根本的原理是導(dǎo)電的流體高速切割磁場(chǎng)。根據(jù)工作性質(zhì)，可分直流工作和脈沖工作兩種。根據(jù)工作流體，可分為液態(tài)金屬和等離子體。根據(jù)不同電離方式，有平衡電離和非平衡電離。根據(jù)所用能源，可分為化學(xué)燃料和核燃料，也有少量太陽(yáng)能MHD發(fā)電機(jī)。8MHD發(fā)電機(jī)種類(lèi)根據(jù)用途來(lái)分，可分為民用和脈沖功率等特種用途。根據(jù)通道形式，可分為直線型和曲線型。根據(jù)激磁方式，可分為自激和他激MHD發(fā)電機(jī)。根據(jù)工作流體循環(huán)方式，可分為簡(jiǎn)單或聯(lián)合的開(kāi)式循環(huán)及簡(jiǎn)單或聯(lián)合的閉式循環(huán)兩種。9MHD發(fā)電機(jī)種類(lèi)10MHD發(fā)電機(jī)特點(diǎn)具有較高的效率。使用化學(xué)燃料時(shí)，發(fā)

5、電機(jī)本身效率可達(dá)20%-30%，系統(tǒng)總效率在10%以上；使用核燃料時(shí)，有更高的效率。無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件。MHD發(fā)電機(jī)是靜止的機(jī)械。直接啟動(dòng)快。工作流體充滿發(fā)電通道的時(shí)間即是發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，工作流體常達(dá)1000m/s的速度，所以毫秒量級(jí)的時(shí)間即可啟動(dòng)起來(lái)。11MHD發(fā)電機(jī)特點(diǎn)不需要中間儲(chǔ)能元件，可由發(fā)電機(jī)直接向負(fù)載傳遞能量。不用大功率開(kāi)關(guān)。對(duì)高功率脈沖電源來(lái)講非常有優(yōu)勢(shì)。由于使用化學(xué)能或核能，不存在中間儲(chǔ)能器和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，所以脈沖MHD發(fā)電機(jī)體積小，工作可靠和成本低。和其它高功率脈沖電源相比，它能提供秒級(jí)的、大能量的脈沖。12MHD發(fā)電機(jī)特點(diǎn)脈沖MHD發(fā)電機(jī)可作為托卡馬克和仿星器等熱核聚變裝置、大型超音

6、速風(fēng)洞、大型高能加速器的高功率脈沖電源。適合天基和機(jī)載應(yīng)用。在大功率激光器、粒子束武器、微波武器、電磁發(fā)射和高功率應(yīng)急通訊等領(lǐng)域受到重視。13MHD發(fā)電機(jī)特點(diǎn) 四個(gè)品質(zhì)因數(shù)衡量脈沖MHD發(fā)電機(jī)的性能。比燃料耗量Q-單位輸出功率的燃料流量速率；比重量密度WD-單位輸出功率的固定裝置重量；比體積密度VD-單位輸出功率的裝置體積；比能量輸出e-單位重量產(chǎn)生的能量。14MHD發(fā)電機(jī)特點(diǎn)我們希望Q、WD、VD小，e大。若MHD發(fā)電機(jī)工作時(shí)間為t，則為了獲得最大的e值，對(duì)于短脈沖持續(xù)時(shí)間和大Q值時(shí)，WD必須小。15MHD發(fā)電機(jī)特點(diǎn) 大功率、緊湊的和能可靠工作的脈沖MHD發(fā)電機(jī)，應(yīng)當(dāng)：燃料、氧化劑、種子、磁

7、場(chǎng)和流速必須有最佳優(yōu)化組合；使發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)排列最佳化，以便用適當(dāng)?shù)碾妷汉统掷m(xù)時(shí)間就可以供出所需的功率；根據(jù)陸基還天基、單脈沖還是連續(xù)脈沖、使用空氣供氧還是氧化劑、是自激還是它激等工作方式，使體積和重量最佳化。16MHD發(fā)電機(jī)磁體MHD發(fā)電機(jī)的輸出功率與通道體積和磁感應(yīng)強(qiáng)度平方成正比。盡可能大的通道體積內(nèi)獲得更高強(qiáng)度的均勻磁場(chǎng)，并且還要求激磁系統(tǒng)成本低、重量輕和消耗的功率少。MHD所有的磁體線圈有常規(guī)導(dǎo)體線圈和超導(dǎo)體線圈兩大類(lèi)。超導(dǎo)磁體不損耗勵(lì)磁功率且能獲得更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，特別受到重視。直線型發(fā)電通道的MHD發(fā)電機(jī)所用的磁體線圈通常是馬鞍形線圈。1718化學(xué)燃料的脈沖MHD發(fā)電機(jī)脈沖MHD發(fā)電機(jī)不

8、能使用通常的化石燃料（煤、天然氣等），而應(yīng)使用火箭推進(jìn)劑和高級(jí)炸藥等特種化學(xué)燃料，或使用核燃料。19火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機(jī)把火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室和MHD發(fā)電機(jī)的發(fā)電通道聯(lián)合起來(lái)，便可建成緊湊、簡(jiǎn)單、成本低而功率大的脈沖電源。這種MHD發(fā)電機(jī)主要包括相當(dāng)燃燒室的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)通道、廢氣排管和自激磁鐵等。20火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機(jī)21火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機(jī)在正式工作開(kāi)始以前，通過(guò)開(kāi)關(guān)S2的的一次閉合，電池組給磁鐵提供一次小電流（相當(dāng)于普通自激發(fā)電機(jī)的剩磁）。磁鐵的較低磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)電機(jī)，導(dǎo)電氣體通過(guò)通道而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，向磁鐵提供大電流，而大電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)再激勵(lì)發(fā)電機(jī)，完成所謂的自激過(guò)程。

9、22火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機(jī)當(dāng)磁鐵儲(chǔ)存了發(fā)電機(jī)最大能量（設(shè)計(jì)電流）后，切斷種子的供應(yīng)，于是發(fā)電通道電極間的阻抗突然變大，在磁鐵線圈上引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)整流器對(duì)負(fù)載RL脈沖放電。在負(fù)載不需要能量時(shí)，將開(kāi)關(guān)S1閉合，從而短路掉負(fù)載。通過(guò)向燃燒室脈沖地引入和斷掉種子，可以得到重復(fù)脈沖。由于燃燒產(chǎn)生氣體的導(dǎo)電率僅為加種子情況的1%，所以用引入和切斷種子來(lái)控制脈沖是可行的。23火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機(jī)24火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機(jī)典型的火箭燃料在氧中燃燒的溫度為3000-3500k，壓力為5Mpa，這種MHD發(fā)電機(jī)可以把燃?xì)鉄崮艿?0%-30%轉(zhuǎn)變成電能。如果具有更高的火焰溫度和低比熱的氰，其效率

10、更高。25火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機(jī) 與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合的MHD發(fā)電機(jī)的脈沖工作范圍為圖中空白部分，工作時(shí)間從幾微秒到幾天。因此，這種發(fā)電機(jī)既能在故障情況或者尖峰過(guò)負(fù)荷時(shí)作工業(yè)電站的輔助裝置，又能代替慢電容器組和蓄電池等短時(shí)間放電。26爆炸等離子體MHD發(fā)電機(jī)用炸藥爆炸激勵(lì)的脈沖MHD發(fā)電機(jī)是最有前途的裝置之一。因?yàn)檫@種發(fā)電機(jī)具有很高的儲(chǔ)能密度，能以非常小的體積提供所需的大能量脈沖；它的脈沖持續(xù)時(shí)間短，可達(dá)幾至幾十微秒，產(chǎn)生的功率較大。27爆炸等離子體MHD發(fā)電機(jī) 在一個(gè)炸藥驅(qū)動(dòng)的脈沖MHD發(fā)電機(jī)中，加有鈉和銫種子的高級(jí)炸藥在燃燒室內(nèi)爆炸，產(chǎn)生高焓的等離子體，此等離子體朝向通道膨脹，具有大約10

11、0s/m的電導(dǎo)率，并以5-10km/s的速度進(jìn)入通道，快速切割磁場(chǎng)B，在電極間產(chǎn)生脈沖電壓，把電流引到外負(fù)載上。28爆炸等離子體MHD發(fā)電機(jī)29爆炸等離子體MHD發(fā)電機(jī)等離子體通過(guò)通道運(yùn)動(dòng)時(shí)其速度和電導(dǎo)率應(yīng)無(wú)明顯變化；爆炸室應(yīng)當(dāng)允許使用大橫向尺寸的發(fā)電通道而不顯著地改變電離氣體的性質(zhì)；爆炸源應(yīng)當(dāng)使發(fā)電機(jī)通道剩余氣體能在環(huán)境壓力下工作；應(yīng)盡可能使能量轉(zhuǎn)換效率最高，以便炸藥裝藥當(dāng)量、通道壁的機(jī)械壓力和熱載荷最??；負(fù)載能量與通道磁能之比應(yīng)當(dāng)盡可能大。30脈沖等離子體MHD發(fā)電機(jī)脈沖等離子體MHD發(fā)電機(jī)是最近發(fā)展起來(lái)的另一種有前途的脈沖MHD發(fā)電機(jī)。它不是用炸藥爆炸產(chǎn)物來(lái)產(chǎn)生等離子體的，而是用炸藥爆轟

12、波對(duì)預(yù)置的氣體做功來(lái)產(chǎn)生高電導(dǎo)率的等離子體。31脈沖等離子體MHD發(fā)電機(jī)32脈沖等離子體MHD發(fā)電機(jī)它是一個(gè)特殊的藥筒，在居中的環(huán)形腔體內(nèi)充滿工作氣體，用鋼隔膜密封。把軍用炸藥鑄入中心和外環(huán)腔體內(nèi)，一個(gè)波整形器和一個(gè)雷管置于藥筒尾端。當(dāng)炸藥被引爆后，爆轟波在藥筒內(nèi)傳播。適當(dāng)?shù)难b藥結(jié)構(gòu)及合理地布置波整形器，能使爆轟波的波前同時(shí)沿內(nèi)圓柱和外環(huán)形腔均勻地向前推進(jìn)。很高的爆炸壓力把工作氣體腔的環(huán)形腔體壓垮并形成一動(dòng)態(tài)密封。33脈沖等離子體MHD發(fā)電機(jī)密封處以炸藥爆速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生具有強(qiáng)大壓力的沖擊波。工作氣體被爆轟波加速，同時(shí)被激發(fā)而形成高速（20km/s）和高電導(dǎo)率（30ks/m）的等離子體，試驗(yàn)證明，

13、炸藥能量的25%-50%可被轉(zhuǎn)換到等離子體中去。以炸藥爆速運(yùn)動(dòng)的等離子體匯聚到腔的端部，此時(shí)圓柱炸藥驅(qū)動(dòng)鋁活塞進(jìn)一步激勵(lì)這些個(gè)等離子體，鋁活塞繼續(xù)壓垮并把等離子體驅(qū)動(dòng)到MHD發(fā)電機(jī)的發(fā)電通道中去發(fā)電。34脈沖等離子體MHD發(fā)電機(jī)脈沖等離子體發(fā)電機(jī)的等離子體密度極大，速度極高（10-30km/s）和電導(dǎo)率高（15-30ks/m）。脈沖MHD發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、輸出功率大（1010W）和每個(gè)脈沖輸出兆焦耳以上能量。而且可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)脈沖。35脈沖等離子體MHD發(fā)電機(jī)36脈沖等離子體MHD發(fā)電機(jī)若采用快速大帆船自動(dòng)裝載機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)每秒100個(gè)脈沖，與火炮發(fā)射速率相當(dāng)。目前已在1.05*1010W峰值功率時(shí)測(cè)得電流為5.5MA，電壓2kV和脈寬1us。脈沖MHD發(fā)電機(jī)對(duì)脈沖功率的發(fā)展，特別是軍事應(yīng)用方面，有很重要的意義。37置磁炸藥MHD發(fā)電機(jī) 前述提到的MHD發(fā)電機(jī)均需一個(gè)外磁體向發(fā)電通道提供磁場(chǎng)，在他激的情況下尚需要另外的激磁電源，這將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)比功率密度的降低和成本的升高。雖然使用超導(dǎo)磁體能避免這個(gè)缺點(diǎn)，但目前還未實(shí)現(xiàn)常溫