МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР, МГД-ге н ер а тор, энергетическая установка, в к-рой энергия рабочего тела (жидкой или газообразной электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется непосредственно в электрич. энергию. Название "М. г." связано с тем, что движение таких сред описывается магнитной гидродинамикой, Прямое (непосредственное) преобразование энергии составляет гл. особенность М. г-, отличающую его от генераторов электромашинных. Так же, как и в последних, процесс генерирования электрич. тока в М. г. основан на явлении индукции электромагнитной, т. е. на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля; отличие М. г. в том, что в нём проводником является само рабочее тело, в к-ром при движении поперёк магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. Рабочими телами М. г. могут служить электролиты, жидкие металлы и ионизованные газы (плазма). В типичном для М. г. случае, когда рабочим телом служит газообразный проводник - плазма, носителями зарядов являются в основном свободные электроны и положит, ионы, отклоняющиеся в магнитном поле от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля. В сильных магнитных полях или разреженном газе заряженные частицы успевают между соударениями сместиться (в плоскости, перпендикулярной магнитному полю); такое направленное смещение заряженных частиц в М. г. приводит к тому, что появляется дополнительное электрич. поле, т. н. поле Холла (см. Холла эффект), направленное параллельно потоку газа. Термин "М. г.", первоначально обозначавший устройства, в к-рых рабочим телом являлась электропроводная жидкость, в дальнейшем стал применяться также для обозначения всех устройств подобного типа, в т. ч. использующих в качестве рабочего тела электропроводный газ.

Идея возможной замены твёрдого проводника жидким была выдвинута англ, физиком М. Фарадеем. Однако его попытка экспериментально подтвердить эту идею в 1832 окончилась неудачей, и лишь в 1851 англ, учёный Волластон практически подтвердил предположение М. Фарадея, измерив эдс, индуцированную приливными течениями в Ла-Манше, Отсутствие необходимых знаний по элект-рофизич. свойствам газообразных и жидких тел долго тормозило работы по практическому использованию идеи Фарадея В дальнейшем исследования развивались по двум оси" направлениям; использование эффекта индуцирования эдс для измерения скорости движущейся среды (напр., в электромагнитных расходомерах) и генерирование электрич. энергии. Первые патенты по использованию метода МГД-преобразования энергии были выданы в 1907-10, однако упоминающиеся в них способы и средства как ионизации, так и получения необходимых электрофизич. свойств рабочего тела были неприемлемы. Практич. реализация МГД-преобразования энергии оказалась возможной только в кон. 50-х гг., после разработки теории магнитной гидродинамики и физики плазмы и исследований в области физики высоких температур, благодаря главным образом успехам ракетной техники и созданию к этому времени жаропрочных материалов.

Первый экспериментальный М. г. мощностью 11,5 квт, в к-ром осуществлялось достаточно сильное взаимодействие между ионизированным газом и магнитным полем, был построен в 1959 в США. Источником рабочего тела - плазмы с температурой 3000 К - служил плазмотрон, работавший на аргоне с присадкой щелочного металла для повышения степени ионизации газа. На этом М. г. был продемонстрирован эффект Холла, В 1960 в США был построен лабораторный М. г. на продуктах сгорания с присадкой щелочного металла. К середине 60-х гг. мощность М. г, на продуктах сгорания удалось повести до 32 Мвт ("Марк-V", США).

В СССР усилия специалистов были направлены гл. обр, на создание комплексных энергетич. установок с М. г. В 1962-65 была проведены теоретич. и экспериментальные исследования, созданы лабораторные установки. Результаты исследований и накопленный инж. опыт позволили в 1965 ввести в действие комплексную модельную энергетич. установку "У-02", включавшую осн. элементы ТЭС с М. г. и работавшую на природном топливе. На "У-02" были получены экспериментальные данные, сушественно расширившие представление о возможностях практич. использования МГД-установок. Несколько позднее было начато проектирование опытно-пром. МГД-установки "У-25", к-рое проводилось одновременно с исследоват. работами на "У-02". Успешный пуск первой в СССР опытно-пром. энергетич. установки с М. г., имеющим расчётную мощность 20-25 Мвт, состоялся в 1971.

М. г. состоит из канала, по к-рому движется рабочее тело (обычно плазма), электромагнитной системы для создания магнитного поля и устройств для отвода электроэнергии (электродов) с включённой нагрузкой (рис. 1).

Рис. 1, Простейшая схема установки с МГД-гене-ратором: 1-обмотка электромагнита; 2-камера сгорания; 3 - присадка; 4 - воздух; 5 - топливо; 6 -сопло; 7 - электроды с последовательно включённой нагрузкой; 8 - выход продуктов сгорания.

Системы с М. г. могут работать по открытому и замкнутому циклам. В первом случае продукты сгорания являются рабочим телом, а использованные газы после удаления из них присадки щелочных металлов (вводимой в рабочее тело для увеличения электропроводности) выбрасываются в атмосферу. В М.г, замкнутого цикла тепловая энергия, полученная при сжигании топлива, передаётся в теплообменнике рабочему телу, к-рое затем, пройдя М, г., возвращается, замыкая цикл, через компрессор или насос. Источниками тепла могут служить реактивные двигатели, ядерные реакторы, теплообменные устройства. Рабочим телом в М. г, могут быть продукты сгорания ископаемых топлив и инертные газы с присадками щелочных металлов (или их солей); пары щелочных металлов; двухфазные смеси паров и жидких щелочных металлов; жидкие металлы и электролиты. Но если жидкие металлы и электролиты являются природными проводниками, то для того чтобы газ стал электропроводным, его необходимо ионизовать до определённой степени, что осуществляется главным образом нагреванием до температур, достаточных для начала термической ионизации (большинство газов ионизуется только при температуре около 10 000 К). Необходимая степень ионизации при меньших температурах достигается обогащением газа парами щелочных металлов; при введении в продукты сгорания щелочных металлов (напр., К, Cs, Na) или их солей газы становятся проводниками уже при 2200-2700 К.

В М. г. с жидким рабочим телом генерирование электроэнергии идёт только за счёт преобразования части кинетич. или потенциальной энергии потока электропроводной жидкости практически при постоянной темп-ре. В М. г. с газовым рабочим телом принципиально возможны три режима: с сохранением темп-ры и уменьшением кинетич. энергии; с сохранением кинетич. энергии и уменьшением темп-ры; со снижением и темп-ры и кинетич. энергии.

По способу отвода электроэнергии М. г. разделяют на кондукционные и индукционные. В кондукционных М г. в рабочем теле, протекающем через поперечное магнитное поле, возникает электрич. ток, к-рый через съёмные электроды, вмонтированные в боковые стенки канала, замыкается на внешнюю цепь. В зависимости от изменения магнитного поля или скорости движения рабочего тела такой М. г. может генерировать постоянный, как правило, или пульсирующий ток. В индукционных М. г. (по аналогии с обычными электромашинными генераторами) электроды отсутствуют. Такие установки генерируют только переменный ток и требуют создания бегущего вдоль канала магнитного поля. Возможны различные формы каналов: линейная - общая для кондукционных и индукционных М. г.; дисковая и коаксиальная холловекая - в конАукционных; радиальная - в индукционных М. г. По системам соединений электродов различают: фарадеевский генератор со сплошными или секционированными электродами (рис. 2, а), холловский генератор (рис. 2, б), в к-ром расположенные друг против друга электроды короткозамкнуты, а напряжение снимается вдоль канала за счёт наличия поля Холла, и сериесный генератор с диагональным соединением электродов (рис. 2, в). Секционирование самым направить носители зарядов перпендикулярно оси канала на электроды и в нагрузку; чем значительнее эффект Холла, тем на большее число секций необходимо разделить электроды, причём каждая пара электродов должна иметь свою нагрузку, что весьма усложняет конструкцию установки. Применение схемы холловского М. г. наиболее выгодно при больших магнитных полях. За счёт наличия продольного электрического поля в холловском и М. г. с диагональным соединением электродов можно получить значительное напряжение на выходе генератора. Наибольшее распространение в 70-х гг. получили кондукционные линейные М. г. на продуктах сгорания ископаемых топлив с присадками щелочных металлов, работающие по открытому циклу.

Рис. 2. Схемы соединения электродов в МГД-генераторах: а. - линейный фарадеевский генератор с секционированными электродами; б - линейный холловский генератор; в - сериесный генератор с диагональным соединением электродов.

Мощность М. г. пропорциональна проводимости рабочего тела, квадрату его скорости и квадрату напряжённости магнитного поля. Для газообразного рабочего тела в диапазоне темп-р 2000-3000 К проводимость пропорциональна темп-ре в 11-13-й степени и обратно пропорциональна корню квадратному из давления. Скорости потока в М. г. могут быть в широком диапазоне - от дозвуковых до сверхзвуковых. Индукция магнитного поля определяется конструкцией магнитов и ограничивается значениями около 2 тл для магнитов со сталью и до 6- 8 тл для сверхпроводящих магнитных систем.

Осн. преимущество М. г.- отсутствие в нём движущихся узлов или деталей, непосредственно участвующих в преобразовании тепловой энергии в электрическую. Это позволяет существенно увеличить начальную темп-ру рабочего тела и, следовательно, кпд электростанции. Если после М. г. поставить обычный турбоагрегат, то общий макс, кпд такой энергетич. установки достигнет 50-60%.

Отличит, особенностью М. г. является также возможность получения больших мощностей в одном агрегате - 500- 1000 Мет и сочетания их с паросиловыми блоками такой же мощности. Существуют три осн. направления возможного пром. применения М. г.: 1) ТЭС с М. г. (рис. 3) на продуктах сгорания топлива (открытый цикл); эти установки наиболее просты по своему принципу и имеют ближайшую перспективу пром. применения; 2) атомные электростанции с М. г. на инертном газе, нагреваемом в ядерном реакторе (закрытый цикл); перспективность этого направления зависит от развития ядерных реакторов с темп-рой рабочего тела св. 2000 К; 3) циклы с М. г. на жидком металле, к-рые весьма перспективны для атомной энергетики и для спец. энергетич. установок сравнительно небольшой мощности, однако существующие на 1972 проработки этих циклов не позволяют судить определённо об их использовании в пром. энергетике.

Рис. 3. Схема энергетической установки с МГД-генератором, работающей по открытому циклу: 1 - камера сгорания; 2 - теплообменник; 3 - канал МГД-генератора; 4 - обмотки электромагнита; 5 - парогенератор; 6- паровая турбина; 7 - электрический генератор; 8 - конденсатор; 9 - конденсатный насос.

Созданная в СССР опытно-пром. установка "У-25" - прототип ТЭС с М. г. Она работает на продуктах сгорания природного газа с добавкой К₂СО₃ в качестве ионизирующейся присадки, позволяющей при относительно невысоких темп-pax (около 3000 К) сделать продукты сгорания электропроводными. "У-25" имеет два контура: первичный, разомкнутый, в к-ром преобразование тепла продуктов сгорания в электрическую энергию происходит в М. г., и вторичный, замкнутый- паросиловой контур, использующий тепло продуктов сгорания вне канала М. г.

Установка работает по следующей тепловой схеме. ATM. воздух, обогащённый кислородом, сжимается в компрессоре и подаётся в воздухоподогреватели, откуда воздушно-кислородная смесь, нагретая до нужной темп-ры, направляется в камеру сгорания. Перед камерой сгорания в воздушный поток впрыскивается водный раствор легкоионизирующейся присадки. Ионизированные продукты сгорания разгоняются в сопле и поступают в канал М. г. Канал М. г. размещён в рабочем зазоре магнитной системы с индукцией 2 тл. Из канала М. г. продукты сгорания поступают в парогенератор и отдают своё тепло паросиловому циклу, затем при темп-ре 420-450 К они направляются в систему удаления присадки и после очистки выбрасываются в атмосферу. Электрическое оборудование "У-25" состоит из М. г. и инверторной установки, собранной на ртутных игнитронах. Устойчивость совместной работы М. г. и многоэлементной инверторной установки обеспечивается системой автоматического регулирования. "У-25" обеспечена телеметрической системой управления и контроля. Полученные экспериментальные данные обрабатываются ЭВМ.

Энергетич. установки с М. г. могут применяться также как резервные или аварийные источники энергии в энергосистемах, для космич. техники (бортовые системы питания), в качестве источников питания различных устройств, требующих больших мощностей на короткие промежутки времени (напр., для питания электроподогревателей аэродинамич. труб и т. п.).

К нач. 70-х гг работы по проблеме МГД-метода преобразования энергии вышли за рамки научного поиска и создания небольших лабораторных исследоват. установок и вступили в стадию строительства опытно-пром. электростанций. Накоплен обширный фактич. материал по результатам научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ в области М. г. Для обмена информацией, анализа состояния и оценки перспектив развития М. г. было проведено неск. международных симпозиумов и нац. конференций; в 1966 была основана Международная группа связи по вопросам МГД-метода преобразования энергии, куда вошли представители Австралии, Австрии, Англии, Бельгии, Италии, Нидерландов, ПНР, СССР, США, Франции, ФРГ, ЧССР, Швейцарии и Швеции.

Лит.: Фаворский О. Н., Установки для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, М., 1965; Роза Р., Магнитогидродинамическое преобразование энергии, пер. с англ., М., 1970; Магнитогидродинамический метод получения электроэнергии. [Сб. ст.], М., 1971. В. А. Прокудин.