脈沖功率技術(shù)發(fā)電機技術(shù)

脈沖功率技術(shù)發(fā)電機技術(shù)第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四磁流體MHD發(fā)電機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)電機由燃燒室、發(fā)電通道、電極對、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由耐高溫材料制成的發(fā)電通道。第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四磁流體MHD發(fā)電機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B運動，由于氣體中的正、負離子受洛倫茲力作用，它們在垂直于B和V所在平面反向運動，結(jié)果在通道兩側(cè)的接收電極間出現(xiàn)電勢差。第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四磁流體MHD發(fā)電機在兩個電極外接負載，負載便獲得功率。如果導(dǎo)電氣流脈沖地通過通道，例如中斷燃料注入或向弱導(dǎo)電氣體間斷地填加種子，負載將可以得到電脈沖。脈沖長度取決于導(dǎo)電氣體流過發(fā)電通道的時間。第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MHD發(fā)電機歷史1910就出現(xiàn)了磁流體發(fā)電的專利。1940年，西屋電氣公司制造了大型霍爾型試驗MHD發(fā)電機，對電離機制不甚了解，沒有成為實用的設(shè)備。二戰(zhàn)后，受控熱核聚變領(lǐng)域的研究進展，包括等離子體物理在內(nèi)的磁流體力學(xué)的迅速發(fā)展，促進了MHD發(fā)電機的進一步發(fā)展。1959年，美國的Avco公司制成了11.5kW的實驗磁流體發(fā)電機，在MHD發(fā)電史上具有劃時代的意義。之后，蘇、英、法、日等國相繼開始了研究。第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MHD發(fā)電機歷史小體積、高功率、短持續(xù)時間的脈沖MHD發(fā)電機的研究工作在60年代始于美國空軍，主要想研制一種機載的高功率MHD裝置，使用固體炸藥作燃料，或用火箭發(fā)動機來激勵MHD發(fā)電機。1967年，美國完成了脈沖發(fā)電機的理論工作，并建成一臺供超音速風洞實驗用的霍爾型MHD發(fā)電機。第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MHD發(fā)電機歷史1967年以后，蘇聯(lián)和日本繼續(xù)對MHD發(fā)電機進行了深入的研究工作。蘇聯(lián)把超導(dǎo)磁鐵用于炸藥激勵的脈沖MHD發(fā)電機中；用核能激勵脈沖MHD發(fā)電機。日本率先將超導(dǎo)體用于磁流體發(fā)電研究，已建成儲能70MJ、重50T的超導(dǎo)磁鐵。為避免常規(guī)導(dǎo)體激磁繞組的損耗和提高效率，采用超導(dǎo)體勢在必行。第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MHD發(fā)電機種類磁流體發(fā)電最根本的原理是導(dǎo)電的流體高速切割磁場。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，也有少量太陽能MHD發(fā)電機。第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MHD發(fā)電機種類根據(jù)用途來分，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。根據(jù)工作流體循環(huán)方式，可分為簡單或聯(lián)合的開式循環(huán)及簡單或聯(lián)合的閉式循環(huán)兩種。第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MHD發(fā)電機種類第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MHD發(fā)電機特點具有較高的效率。使用化學(xué)燃料時，發(fā)電機本身效率可達20%-30%，系統(tǒng)總效率在10%以上；使用核燃料時，有更高的效率。無轉(zhuǎn)動部件。MHD發(fā)電機是靜止的機械。直接啟動快。工作流體充滿發(fā)電通道的時間即是發(fā)電機的啟動時間，工作流體常達1000m/s的速度，所以毫秒量級的時間即可啟動起來。第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MHD發(fā)電機特點不需要中間儲能元件，可由發(fā)電機直接向負載傳遞能量。不用大功率開關(guān)。對高功率脈沖電源來講非常有優(yōu)勢。由于使用化學(xué)能或核能，不存在中間儲能器和轉(zhuǎn)換開關(guān)，所以脈沖MHD發(fā)電機體積小，工作可靠和成本低。和其它高功率脈沖電源相比，它能提供秒級的、大能量的脈沖。第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MHD發(fā)電機特點脈沖MHD發(fā)電機可作為托卡馬克和仿星器等熱核聚變裝置、大型超音速風洞、大型高能加速器的高功率脈沖電源。適合天基和機載應(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。第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MHD發(fā)電機特點四個品質(zhì)因數(shù)衡量脈沖MHD發(fā)電機的性能。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。第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MHD發(fā)電機特點我們希望Q、WD、VD小，e大。若MHD發(fā)電機工作時間為t，則為了獲得最大的e值，對于短脈沖持續(xù)時間和大Q值時，WD必須小。第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MHD發(fā)電機特點大功率、緊湊的和能可靠工作的脈沖MHD發(fā)電機，應(yīng)當：燃料、氧化劑、種子、磁場和流速必須有最佳優(yōu)化組合；使發(fā)電機結(jié)構(gòu)排列最佳化，以便用適當?shù)碾妷汉统掷m(xù)時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。第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四MHD發(fā)電機磁體MHD發(fā)電機的輸出功率與通道體積和磁感應(yīng)強度平方成正比。盡可能大的通道體積內(nèi)獲得更高強度的均勻磁場，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。超導(dǎo)磁體不損耗勵磁功率且能獲得更高的磁場強度，特別受到重視。直線型發(fā)電通道的MHD發(fā)電機所用的磁體線圈通常是馬鞍形線圈。第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四化學(xué)燃料的脈沖MHD發(fā)電機脈沖MHD發(fā)電機不能使用通常的化石燃料（煤、天然氣等），而應(yīng)使用火箭推進劑和高級炸藥等特種化學(xué)燃料，或使用核燃料。第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機把火箭發(fā)動機的燃燒室和MHD發(fā)電機的發(fā)電通道聯(lián)合起來，便可建成緊湊、簡單、成本低而功率大的脈沖電源。這種MHD發(fā)電機主要包括相當燃燒室的火箭發(fā)動機、發(fā)電機通道、廢氣排管和自激磁鐵等。第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機在正式工作開始以前，通過開關(guān)S2的的一次閉合，電池組給磁鐵提供一次小電流（相當于普通自激發(fā)電機的剩磁）。磁鐵的較低磁場激勵發(fā)電機，導(dǎo)電氣體通過通道而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，向磁鐵提供大電流，而大電流產(chǎn)生的磁場再激勵發(fā)電機，完成所謂的自激過程。第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機當磁鐵儲存了發(fā)電機最大能量（設(shè)計電流）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)電動勢，通過整流器對負載RL脈沖放電。在負載不需要能量時，將開關(guān)S1閉合，從而短路掉負載。通過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控制脈沖是可行的。第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機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)電機可以把燃氣熱能的20%-30%轉(zhuǎn)變成電能。如果具有更高的火焰溫度和低比熱的氰，其效率更高。第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四火箭燃料的脈沖MHD發(fā)電機與火箭發(fā)動機聯(lián)合的MHD發(fā)電機的脈沖工作范圍為圖中空白部分，工作時間從幾微秒到幾天。因此，這種發(fā)電機既能在故障情況或者尖峰過負荷時作工業(yè)電站的輔助裝置，又能代替慢電容器組和蓄電池等短時間放電。第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四爆炸等離子體MHD發(fā)電機用炸藥爆炸激勵的脈沖MHD發(fā)電機是最有前途的裝置之一。因為這種發(fā)電機具有很高的儲能密度，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)時間短，可達幾至幾十微秒，產(chǎn)生的功率較大。第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四爆炸等離子體MHD發(fā)電機在一個炸藥驅(qū)動的脈沖MHD發(fā)電機中，加有鈉和銫種子的高級炸藥在燃燒室內(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100s/m的電導(dǎo)率，并以5-10km/s的速度進入通道，快速切割磁場B，在電極間產(chǎn)生脈沖電壓，把電流引到外負載上。第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四爆炸等離子體MHD發(fā)電機第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四爆炸等離子體MHD發(fā)電機等離子體通過通道運動時其速度和電導(dǎo)率應(yīng)無明顯變化；爆炸室應(yīng)當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)當使發(fā)電機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，以便炸藥裝藥當量、通道壁的機械壓力和熱載荷最小；負載能量與通道磁能之比應(yīng)當盡可能大。第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四脈沖等離子體MHD發(fā)電機脈沖等離子體MHD發(fā)電機是最近發(fā)展起來的另一種有前途的脈沖MHD發(fā)電機。它不是用炸藥爆炸產(chǎn)物來產(chǎn)生等離子體的，而是用炸藥爆轟波對預(yù)置的氣體做功來產(chǎn)生高電導(dǎo)率的等離子體。第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四脈沖等離子體MHD發(fā)電機第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四脈沖等離子體MHD發(fā)電機它是一個特殊的藥筒，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)，一個波整形器和一個雷管置于藥筒尾端。當炸藥被引爆后，爆轟波在藥筒內(nèi)傳播。適當?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沿內(nèi)圓柱和外環(huán)形腔均勻地向前推進。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態(tài)密封。第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四脈沖等離子體MHD發(fā)電機密封處以炸藥爆速運動，產(chǎn)生具有強大壓力的沖擊波。工作氣體被爆轟波加速，同時被激發(fā)而形成高速（20km/s）和高電導(dǎo)率（30ks/m）的等離子體，試驗證明，炸藥能量的25%-50%可被轉(zhuǎn)換到等離子體中去。以炸藥爆速運動的等離子體匯聚到腔的端部，此時圓柱炸藥驅(qū)動鋁活塞進一步激勵這些個等離子體，鋁活塞繼續(xù)壓垮并把等離子體驅(qū)動到MHD發(fā)電機的發(fā)電通道中去發(fā)電。第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四脈沖等離子體MHD發(fā)電機脈沖等離子體發(fā)電機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)電機結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、輸出功率大（1010W）和每個脈沖輸出兆焦耳以上能量。而且可以實現(xiàn)重復(fù)脈沖。第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四脈沖等離子體MHD發(fā)電機第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四脈沖等離子體MHD發(fā)電機若采用快速大帆船自動裝載機構(gòu)，能實現(xiàn)每秒100個脈沖，與火炮發(fā)射速率相當。目前已在1.05*1010W峰值功率時測得電流為5.5MA，電壓2kV和脈寬1us。脈沖MHD發(fā)電機對脈沖功率的發(fā)展，特別是軍事應(yīng)用方面，有很重要的意義。第37頁，共40頁，2023年，2月20日，星期四置磁炸藥MHD發(fā)電機前述提到的MHD發(fā)電機均需一個外磁體向發(fā)電通道提供磁場，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)磁體能避免這個缺點，但目前還未實現(xiàn)常溫超導(dǎo)。置磁炸藥MHD脈沖發(fā)電機能克服上