Содержание
Магнитогидродинамический генератор
Поняв важность электричества, люди стали пытаться добыть его любым способом. После создания первого электродвигателя и электрического генератора всего за несколько десятков лет был произведён ряд прототипов генераторов, работающих за счёт различных видов энергии. На сегодняшний день самым практичным, с точки зрения КПД, является генератор, действующий на энергии сгорающего дизельного топлива, однако альтернативные устройства всё же получили распространение и применяются достаточно широко.
Идея, заложенная во все электрические генераторы, заключается в явлении электромагнитной индукции. Это значит, что для получения электричества необходимо создать активное электромагнитное поле, приведя в действие систему электромагнитов и индукционных катушек. Достигается это путём вращения этой системы в силовом поле, а способы, которыми производится вращение, могут быть разными. В самых первых устройствах вал с катушками вращался вручную, что было крайне нерационально. Позднее начали использовать энергию расширяющегося газа (на основе парового двигателя), сгорающего топлива (по принципу двигателя внутреннего сгорания), движущейся воды, ветра и т.д.
В магнитогидродинамическом генераторе (или МГД-генераторе) отсутствует система вращающихся катушек, что избавляет его от энергетических потерь. Вместо этого в качестве рабочего тела используются электропроводящая жидкость или газ, энергия которого преобразуется непосредственно в электрическую. Название этому устройству дало явление магнитной гидродинамики, предполагающей движение жидкости в магнитном поле.
Проходя через силовые линии магнитного поля, жидкость (или газ, плазма, жидкий металл), являющаяся в то же время проводником, вызывает его колебание, в результате чего и образуются заряженные частицы, устремляющиеся к электродам. Между электродами возникает электрический ток.
В современных МГД-генераторах в качестве рабочего тела всё чаще используется плазма.
Главным достоинством магнитогидродинамического генератора является отсутствие подвижных узлов и деталей, в результате чего сокращаются потери из-за трения. КПД такого устройства может превышать 65%, что является высоким показателем для генераторов. Кроме того, такие генераторы развивают мощность до 2 ГВт, а количество вредных для окружающей среды веществ сводится к минимуму.
Из недостатков можно выделить высокую стоимость устройства (за счёт строгих требований к материалам электродов и рабочего механизма), а также незначительные выбросы вредных продуктов сгорания.
МГД-генераторы применяются на тепловых, атомных и термоядерных электростанциях в качестве основного и резервного источника электричества, в космической технике и т.д. В промышленности такой тип устройств распространения не получил, но ведутся эксперименты по упрощению рабочего процесса.
Возврат к списку
Контакты
Email: [email protected]
Телефон: +7 495 545-45-80
Бесплатно по РФ: 8 800 500-40-99
Политика конфиденциальности
Наши адреса
Офис / Cклад / Юридический /
Почтовый адрес:
Московская область, Ивантеевка, ул.Трудовая, д.3
Офис/Переговорная:
Москва, Ракетный бул. 16, БЦ “Алексеевская башня”
Вся информация, размещенная на сайте, носит информационный характер и не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) ГК РФ. Все материалы на сайте являются интеллектуальной собственностью ООО «ГенМастер», согласно ст.1225, ст.1228, ст.1229 части 4 ГК РФ
Прямоточный импульсный МГД-двигатель
Библиографическая ссылка на статью:
Подвысоцкий В.В. Прямоточный импульсный МГД-двигатель // Современная техника и технологии. 2012. № 4 [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2012/04/510 (дата обращения: 13.09.2022).
В предыдущей статье http://n-t.
Удельная тяга двигателей некоторых двигателей нового типа, прямо пропорциональна скорости полета космического аппарата относительно встречного потока вещества http://kuasar.narod.ru/ideas/eol/index.htm. Таким образом, удельную тягу можно увеличить либо за счет разгона космического аппарата, либо за счет ускорения встречного потока вещества.
Прежде всего, рассмотрим формирование потоков плазмы путем взрыва непосредственно перед космическим аппаратом (в случае, когда скорость космического аппарата превышает скорость движения продуктов взрыва). При этом разгон космического аппарата может осуществляться при помощи нового прямоточного импульсного МГД-двигателя (который является еще одним представителем типа реактивных двигателей работающих на кинетической энергии встречных потоков вещества). Предлагаемый прямоточный импульсный МГД-двигатель состоит из следующих основных частей: массозаборника, сквозной трубы, МГД-генератора, МГД- движителя, реактивного сопла.
Прямоточный импульсный МГД-двигатель работает следующим образом. При приближении к взрывному устройству по специальному сигналу происходит взрыв. Одна часть продуктов взрыва движется в сторону космического аппарата. Другая часть продуктов взрыва движется в противоположном направлении. После захвата продуктов взрыва массозаборником, внутри двигателя формируются потоки плазмы (причем скорость плазмы в конце двигателя, значительно больше, чем скорость плазмы в начале двигателя). Быстрый поток (в конце двигателя) тормозится при помощи МГД-генератора. Медленный поток (в начале двигателя) ускоряется при помощи МГД-движителя. Вырабатываемый МГД-генератором электрический ток приводит в действие МГД-движитель. Как будет показано ниже, за счет приведения скорости всей плазмы внутри двигателя к одинаковому значению, двигатель создает тяговый импульс, позволяющий осуществить разгон космического аппарата без дополнительных затрат реактивной массы.
На рис.1 изображен момент подлета космического аппарата к взрывному устройству.
Рисунок 1
1 – взрывное устройство.
2 – массозаборник.
3 – МГД-движитель.
4 – сквозная труба.
5 – МГД-генератор.
6 – реактивное сопло.
На рис. 2 изображено расположение потоков плазмы внутри двигателя (в момент включения МГД-генератора и МГД-движителя). В результате захвата продуктов взрыва внутри двигателя формируются два потока плазмы. Медленный поток (7) обозначен короткими стрелками. Быстрый поток (8) обозначен длинными стрелками. Быстрый поток (8) проходит через канал МГД-генератора, вырабатывая электрический ток. Полученный электрический ток приводит в действие МГД-движитель. Медленный поток (7) проходит через канал МГД-движителя. Скорость всей плазмы приводится к одинаковому значению.
Рисунок 2
7 – медленный поток плазмы (короткие стрелки)
8 – быстрый поток плазмы (длинные стрелки)
На рис. 3 изображено расположение потоков плазмы, приведенных к одинаковой скорости, после завершения рабочего импульса МГД-двигателя.
Рисунок 3
9, 10 – потоки плазмы, приведенные к одинаковой скорости, после завершения работы МГД-двигателя (стрелки средней длины)
Сделаем приближенный расчет величины полученного тягового импульса. Скорость космического аппарата равна V. Масса продуктов взрыва равна m. Скорость расширения продуктов взрыва равна u. Поток плазмы (7) имеет скорость V – u. Поток плазмы (8) имеет скорость V + u. Эти два потока плазмы имеют примерно равную массу, а их скорость нужно привести к одинаковому значению, приведенной скорости u’
V + u > u’ > V – u (1)
Поток плазмы (8) теряет часть кинетической энергии ΔE’
ΔE’ = m[(V + u)² — u’²]/4 (2)
Поток плазмы (7) получает часть кинетической энергии ΔE”
ΔE” = m[u’² — (V — u)²]/4 (3)
Коэффициент полезного действия прямоточного импульсного МГД-двигателя k равен
k = ΔE”/ΔE’ (4)
Используя (2, 3, 4) запишем
u’²(1 + k) = k(V + u)² + (V – u)² (5)
Скорость потока плазмы (7) увеличилась на величину u’ – (V – u).
Δp = m[u’ — (V — u) — (V + u) + u’ ]/2 (6)
Перепишем (6) в виде
Δp = m[u’ — V] (7)
Используя (7) запишем выражение для эффективной скорости истечения u(эф.)
u(эф.) = u’ – V (6)
Важным показателем эффективности работы реактивных двигателей является удельная тяга (отношение создаваемой тяги к расходу рабочего тела). В нашем случае, массовым расходом рабочего тела можно считать расход массы взрывных устройств. С учетом этого, удельная тяга P(уд.) запишется в виде
P(уд.) = u(эф.)/(9,81 м/с²) (8)
Предположим, скорость космического аппарата V = 60 км/с, скорость расширения продуктов взрыва u = 50 км/с. КПД прямоточного импульсного МГД-двигателя k = 0,8. Используя (5) получаем значение приведенной скорости u’
u’ = 73,7 км/с
Используя (6, 8) получим значение удельной тяги P(уд.
P(уд.) = 1400 с
Скорость движения продуктов взрыва мы приняли равной 50 км/с (что соответствует удельной теплоте взрыва 1250 МДж/кг). Предположим, космический аппарат разгоняется ракетным двигателем, работающим на ядерном топливе с аналогичной удельной теплотой сгорания 1250 МДж/кг. При КПД k = 0,8 удельная тяга такого ядерного двигателя составит 4560 с. Согласно формуле Циолковского, при разгоне от 0 км/с до 60 км/с, из первоначальных 1 кг массы, остается всего 0,26 кг массы. С учетом этого, дальнейший разгон космического аппарата до скорости выше 60 км/с ядерным ракетным двигателем, эквивалентен применению прямоточного импульсного МГД-двигателя с удельной тягой 1185 с (4560 с * 0,26 кг/1 кг). Расчетная удельная тяга МГД-двигателя составляет 1400 с, следовательно, его применение в данном случае представляется более выгодным.
Согласно (5, 8) предельное значение удельной тяги в рассматриваемом режиме разгона, достигается в случае V → u. При скорости движения продуктов взрыва u = 50 км/с и КПД прямоточного импульсного МГД-двигателя k = 0.
P(уд.) = 2040 с
Таким образом, можно сделать следующие выводы. Формирование встречных потоков плазмы в космическом пространстве, может осуществляться при помощи химических, ядерных или термоядерных взрывных устройств. При скорости космического аппарата, превышающей скорость движения продуктов взрыва (V > u), необходимо производить взрывы непосредственно перед космическим аппаратом. Полученные потоки плазмы, используются для разгона, при помощи прямоточного импульсного МГД-двигателя. Применение прямоточного импульсного МГД-двигателя, в этих условиях, является одним из наиболее выгодных и эффективных вариантов разгона космического аппарата.
Далее коротко остановимся на работе прямоточного импульсного МГД-двигателя при полете космического аппарата со скоростью, которая меньше скорости движения продуктов взрыва. В этом случае, взрыв непосредственно перед космическим аппаратом приводит к значительным потерям плазмы.
Все статьи автора «valik395»
MHD I: Демонстрация магнитогидродинамического движения за минуту
Помните бесшумный гусеничный ход из фильма «Охота за Красным Октябрем»? Гусеничный ход представлял собой вымышленную магнитогидродинамическую двигательную установку.
Удивительно, но рабочий пример этой футуристической приводной системы довольно легко построить. Предполагая, что у вас есть под рукой материалы, вы можете построить его примерно за минуту. Вам понадобится сильный магнит, два куска толстой медной проволоки, небольшая мисочка с теплой водой, соль и перец и обычная батарейка.
[Это первая из трех статей о создании простых магнитогидродинамических (МГД) двигательных установок.]
Готовы построить такую? Приступим:
Ингредиенты: соль и перец, небольшая мисочка, в которую мы будем наливать воду, два куска толстого медного провода, батарейка (почти любого типа) и сильный магнит.Использование толстый медный провод здесь, потому что тонкий провод будет очень горячим и обожжет ваши пальцы. Лучшим типом магнита для использования является неодимовый дисковый магнит, но подойдет практически любой сильный магнит.
Налейте в тарелку немного воды и добавьте немного соли и перца. Идеальная глубина воды около 1/4″, но это не критично (на фото примерно полдюйма). Перемешивайте воду, чтобы перец не весь всплывал на поверхность. Установите тарелку с водой на магнит.
Почему соль и перец? Движение МГД основано на проведении тока через воду. Обычно вода — плохой проводник, но соленая вода — отличный проводник. Добавление последней капли перца делает его таким, что вы можете см. при движении воды. =)
Согните провода, как показано, так, чтобы, когда вы держите провода у батареи, концы находились на расстоянии пары сантиметров друг от друга. Не позволяйте двум проводам соприкасаться!
Вставьте концы проводов в воду. В идеале поместите один провод в центр и один по краю. Предполагая, что ваша батарея не разряжена, вода начнет двигаться между двумя проводами. Если вы перевернете магнит вверх дном или измените направление тока, он изменит направление движения воды.
Важный совет по технике безопасности: вы имеете дело с электричеством и соленой водой; используйте здравый смысл. Небольшие количества потенциально ядовитых и/или взрывоопасных газов могут выделяться из воды; не пытайтесь масштабировать это, если вы действительно не знаете, что делаете. Кроме того, у медных проводов могут быть заостренные концы, а магниты могут защемить вас.
Короткометражный фильм (43 с), демонстрирующий эту магнитогидродинамическую двигательную установку (альтернативная ссылка на YouTube здесь.):
Хорошо, а как это работает?
В прошлом месяце мы показали, как сделать униполярный двигатель, самый старый и простой тип электродвигателя. В примере двигателя, который мы сделали, магнит, висящий на винте, раскручивается до высокой скорости.
Конечно, скажете вы, но как это работает? Давайте на минутку вернемся назад и сначала посмотрим, как работает (жесткий) механический униполярный двигатель. Для конкретики мы будем использовать пример мотора, о котором мы писали ранее.
Простой «жесткий» униполярный двигатель. Электрический ток течет в направлении, указанном фиолетовыми стрелками: от нижнего конца батареи, вниз по винту, через магнит, вверх по проводу и обратно к верхней части батареи. (Кстати, я сделал эти рисунки в POV-Ray. Когда-нибудь я выложу оставшуюся часть моего туториала в сеть.)
Увеличив магнит, мы теперь проиллюстрируем линии магнитного поля (синие), торчащие сквозь магнит. Магнитное поле над магнитом по существу направлено вверх. Опять же, направление тока указано фиолетовыми стрелками. Горизонтальная текущая стрелка является важной. Электрические заряды, движущиеся через магнит, испытывают силу Лоренца, сила которой определяется углом между ориентацией магнитного поля и направлением тока; сила наибольшая, если их 90 градусов друг от друга. Направление результирующей силы перпендикулярно этим двум направлениям. Для токов, протекающих в винте и проводе, силы минимальны, поскольку направление тока параллельно направлению магнитного поля.
(вертикальной) ориентации магнитного поля, действует значительная сила. Таким образом, в третьем направлении создается сила (зеленая стрелка), которая приводит к вращению магнита.
В магнитогидродинамическом двигателе мы помещаем контейнер с проводящей соленой водой непосредственно над магнитом. Ситуация практически такая же, как и на предыдущей иллюстрации; единственная значительная сила возникает там, где электрический ток течет горизонтально, т. е. в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Поскольку ток теперь течет через воду, а не через магнит, результирующая сила Лоренца приложена к воде, а не к магниту. И действительно, вода начинает кружиться.
Эта запись была размещена в Проекты EMSL, Наука и помечена mhd, наука. Добавьте постоянную ссылку в закладки.
100-узловая суперлодка, которой никогда не было
Popular Mechanics
В выпуске за август 1990 г.
Огромная фигура проносится под потоками полярных льдов и исчезает бесшумно, как живое существо, но гораздо быстрее. Одетый в сталь и движущийся со скоростью более 100 миль в час, он оставляет за собой только туманный след из пузырей. Нет больших винтов или турбин, взбивающих воду. На самом деле, нет никаких признаков какой-либо двигательной установки. Вместо этого огромный подводный грузовой корабль толкает сквозь глубины невидимая сила, создаваемая водой, протекающей по трубам, заключенным в спонсоны по бокам подводной лодки.
Как бы футуристично это ни звучало, сила, приводящая в действие этот корабль, на самом деле настолько проста, что ее преподают на уроках естествознания в средней школе.
Теперь в лабораториях Японии и США системы, известные как магнитогидродинамические (МГД) приводы, применяют правило левой руки в небольших моделях и экспериментальных контурах потока. Ходят слухи, что военные годами занимались исследованиями в области МГД, и до такой степени, что МГД-привод сыграл ключевую роль в фильме «Охота за Красным Октябрем», снятом при беспрецедентном сотрудничестве с ВМС США и основанном на тщательно проработанном романе Тома Клэнси.
Японские суперкорабли
Popular Mechanics
Хотя эта концепция была впервые выдвинута в патенте 1961 года американским ученым У.
А этим летом планируют запустить 150-тонный, 9Морское судно длиной 0,000 тонн под названием «Ямато-1».
Хотя ожидается, что эта ранняя конструкция будет способна развивать скорость всего 8 узлов и иметь относительно низкую эффективность, МГД может преуспеть в обеих этих областях. «Нам не нужно беспокоиться о кавитации гребных винтов с системой МГД. Поэтому ограничений по скорости нет», — говорит доктор Майкл Петрик, курирующий исследования МГД в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.
Японцы предсказывают, что суда MHD однажды смогут добраться из Иокогамы в Сан-Франциско за три дня.
Прогресс в этой области значительно ускорился благодаря усовершенствованию сверхпроводящих материалов, из которых можно делать катушки электромагнитов. И качественный скачок в доступности не за горами, если будет найден способ использовать новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы на основе оксида меди иттрия и бария, которые можно было бы охлаждать жидким азотом вместо дорогого и сложного в обращении жидкого гелия.
Блоки питания
Аргоннский сверхпроводящий диполь (справа) пересекает линии магнитного потока и электрического тока для создания тяги (слева).
Hank Iken / Argonne National Labs
По мере того, как становятся доступными более компактные, мощные и эффективные магниты, задача смещается в сторону их интеграции в полноценную силовую установку, включающую криостаты для поддержания магнитов при сверхпроводящих температурах и источник питания для питания магнитов и заряжать электроды, пропускающие ток через морскую воду.
Самый простой способ — установить мощный сверхпроводящий магнит, направленный прямо вниз через днище корабля. Ток от электродов на корпусе взаимодействует с магнитным полем в окружающей его открытой воде. Несмотря на простоту и эффективность, такое устройство могло бы вызвать огромные магнитные возмущения, которые могли бы помешать морской жизни и другому судоходству.
Таким образом, JAFSA использует более сложный подход. Yamato-1 будет приводиться в движение двумя реактивными блоками, подвешенными вдоль днища корабля. Каждый контейнер будет содержать шесть цилиндрических сверхпроводящих дипольных магнитов, расположенных кольцом вокруг центральной опоры. Вода всасывается через переднюю часть капсулы и продвигается по электрически заряженным каналам, проходящим через центр каждого магнита, а затем выбрасывается через заднюю часть. Изменение направления движения так же просто, как изменение направления тока в воздуховодах.
Big American Magnet
«Японцы используют магниты меньшего размера, но объединяют их в кластеры, как в старые времена группированных ракет», — говорит д-р Петрик. Напротив, усилия в Аргонне сосредоточены на самом большом сверхпроводящем дипольном магните в мире. Магнит весом около 200 тонн, изначально созданный для экспериментов по выработке электроэнергии, слишком велик для использования на море. поля с прицелом на тот день, когда такие поля будут доступны от меньших магнитов. «Наша программа дает возможность обойти японцев в масштабе и силе магнитного поля экспериментов по МГД», — говорит д-р Петрик.
Актер Шон Коннери в роли капитана Марко Рамиуса на афере Красного Октября.
Paramount Pictures//Getty Images
«Задействуйте гусеницу», — говорит Шон Коннери, играя седого ветерана советского корпуса подводных лодок, капитана «Красного Октября». При этом сверхсекретная советская ракетная подлодка исчезает с гидроакустических мониторов американской ударной подлодки «Даллас», которая следует за ней в нескольких корабельных дистанциях позади.
![]()
Гусеница представляет собой приводную систему МГД, идущую по центру корпуса «Красного Октября», и, как и большинство захватывающих технологий в фильме, эта идея имеет хоть какое-то реальное основание.
Но действительно ли подводную лодку с МГД невозможно обнаружить? Короткий ответ: наверное, нет.
Капитан Джеймс Х. Паттон-младший, командир подводной лодки ВМС США в отставке, который работал техническим консультантом во время создания фильма «Красный Октябрь», говорит, что считает MHD интригующей, но чреватой проблемами с военной точки зрения. Хотя система МГД-привода действительно может быть очень тихой и, таким образом, может мешать работе пассивных гидроакустических систем, таких как те, что установлены на борту американских ударных подводных лодок, огромные магниты будут создавать поля рассеяния, которые будет относительно легко уловить. Кроме того, электрический ток, проходящий через морскую воду, электролизует ее, оставляя след из пузырьков газа, особенно хлора.
![]()
Тем не менее, военно-морской флот будет с интересом следить за исследованиями МГД. «Любая уважающая себя военно-морская лаборатория изучала это, — говорит Паттон. — Люди держат руку на пульсе». усилия по созданию полного прототипа двигательной установки Вместо этого они помещают магнит в водяную петлю диаметром 4 фута и 60 футов x 25 футов, что-то вроде водного динамометра, который позволит им тщательно изучить работу магнита в океане. похожих условиях, не выходя из лаборатории
Эпоха реактивных двигателей
Если эти эксперименты окажутся плодотворными, доктор Петрик видит на горизонте множество применений МГД-систем. Они уже используются в качестве насосных систем для жидкометаллических теплоносителей, используемых в некоторых ядерных реакторах. Более захватывающим, конечно, является потенциал технологии в области судоходства. Преимущество заключается не только в высокой скорости и высокой эффективности, но и в том, что отсутствие движущихся частей также снижает потребность в техническом обслуживании.

Добавить комментарий