脉冲功率技术发电机技术正规版资料

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,脉冲功率技术(jsh)发电机技术(jsh),第一页，共40页。,磁流体MHD发电机,MHD发电原理基于导电流体产生的霍尔效应。,典型的MHD发电机由燃烧室、发电通道、电极对、磁体和导电流体组成。,在燃烧室内放置诸如煤气(miq)、油、天然气、火药、火箭推进剂或炸药等化学燃料，燃烧产生3000k或更高温度的气体，气体以极高的速度通过由耐高温材料制成的发电通道。,第二页，共40页。,磁流体MHD发电机,高温气体中一部分原子电离成电子和正离子，但仍是低温等离子体，导电性较差，低于铜、铝等金属材料。需要在这种高温气体中掺入少量容易电离的“种子”，例如钾和铯，促进气体的电离，提高气体的导电率。,导电气体在发电通道上以速度V垂直于磁体产生的磁场B运动，由于气体中的正、负离子受洛伦兹力作用，它们在垂直于B和V所在平面反向运动，结果在通道两侧(lin c)的接收电极间出现电势差。,第三页，共40页。,磁流体MHD发电机,在两个电极外接负载，负载便获得功率。,如果导电气流脉冲地通过通道，例如中断燃料注入或向弱导电气体(qt)间断地填加种子，负载将可以得到电脉冲。脉冲长度取决于导电气体(qt)流过发电通道的时间。,第四页，共40页。,MHD发电机,1910就出现了磁流体发电的专利。,1940年，西屋电气公司制造了大型霍尔型试验MHD发电机，对电离机制不甚了解，没有成为实用的设备。,二战后，受控热核聚变领域的研究进展，包括等离子体物理在内的磁流体力学的迅速发展，促进(cjn)了MHD发电机的进一步发展。,1959年，的Avco公司制成了的实验磁流体发电机，在MHD发电史上具有划时代的意义。之后，苏、英、法、日等国相继开始了研究。,第五页，共40页。,MHD发电机,小体积、高功率、短持续时间的脉冲MHD发电机的研究工作在60年代(nindi)始于 空军，主要想研制一种机载的高功率MHD装置，使用固体炸药作燃料，或用火箭发动机来激励MHD发电机。,1967年，完成了脉冲发电机的理论工作，并建成一台供超音速风洞实验用的霍尔型MHD发电机。,第六页，共40页。,MHD发电机,1967年以后，苏联和 继续(jx)对MHD发电机进行了深入的研究工作。,苏联把超导磁铁用于炸药激励的脉冲MHD发电机中；用核能激励脉冲MHD发电机。,率先将超导体用于磁流体发电研究，已建成储能70MJ、重50T的超导磁铁。,为避免常规导体激磁绕组的损耗和提高效率，采用超导体势在必行。,第七页，共40页。,MHD发电机种类(zhngli),磁流体发电最根本的原理是导电的流体高速切割磁场。根据工作性质，可分直流工作和脉冲工作两种。,根据工作流体，可分为液态金属和等离子体。,根据不同(b tn)电离方式，有平衡电离和非平衡电离。,根据所用能源，可分为化学燃料和核燃料，也有少量太阳能MHD发电机。,第八页，共40页。,MHD发电机种类(zhngli),根据用途来分，可分为民用和脉冲功率等特种用途。,根据通道形式，可分为直线型和曲线型。,根据激磁方式，可分为自激和他激MHD发电机。,根据工作流体(lit)循环方式，可分为简单或联合的开式循环及简单或联合的闭式循环两种。,第九页，共40页。,MHD发电机种类(zhngli),第十页，共40页。,MHD发电机特点(tdin),具有较高的效率。使用(shyng)化学燃料时，发电机本身效率可达20%-30%，系统总效率在10%以上；使用(shyng)核燃料时，有更高的效率。,无转动部件。MHD发电机是静止的机械。,直接启动快。工作流体充满发电通道的时间即是发电机的启动时间，工作流体常达1000m/s的速度，所以毫秒量级的时间即可启动起来。,第十一页，共40页。,MHD发电机特点(tdin),不需要中间储能元件，可由发电机直接向负载传递(chund)能量。,不用大功率开关。对高功率脉冲电源来讲非常有优势。,由于使用化学能或核能，不存在中间储能器和转换开关，所以脉冲MHD发电机体积小，工作可靠和成本低。,和其它高功率脉冲电源相比，它能提供秒级的、大能量的脉冲。,第十二页，共40页。,MHD发电机特点(tdin),脉冲MHD发电机可作为托卡马克和仿星器等热核聚变装置、大型超音速风洞、大型高能加速器的高功率脉冲电源。,适合天基(tin j)和机载应用。,在大功率激光器、粒子束武器、微波武器、电磁发射和高功率应急通讯等领域受到重视。,第十三页，共40页。,MHD发电机特点(tdin),四个品质因数衡量脉冲MHD发电机的性能(xngnng)。,比燃料耗量Q-单位输出功率的燃料流量速率；,比重量密度WD-单位输出功率的固定装置重量；,比体积密度VD-单位输出功率的装置体积；,比能量输出e-单位重量产生的能量。,第十四页，共40页。,MHD发电机特点(tdin),我们希望Q、WD、VD小，e大。,若MHD发电机工作时间(shjin)为t，则,为了获得最大的e值，对于短脉冲持续时间(shjin)和大Q值时，WD必须小。,第十五页，共40页。,MHD发电机特点(tdin),大功率、紧凑的和能可靠工作的脉冲MHD发电机，应当：,燃料、氧化剂、种子、磁场和流速必须有最佳优化组合；,使发电机结构排列(pili)最佳化，以便用适当的电压和持续时间就可以供出所需的功率；,根据陆基还天基、单脉冲还是连续脉冲、使用空气供氧还是氧化剂、是自激还是它激等工作方式，使体积和重量最佳化。,第十六页，共40页。,MHD发电机磁体(ct),MHD发电机的输出功率与通道体积和磁感应强度平方成正比。,尽可能大的通道体积内获得更高强度的均匀磁场，并且还要求激磁系统成本低、重量轻和消耗的功率少。,MHD所有的磁体线圈有常规导体线圈和超导体线圈两大类。超导磁体不损耗(snho)励磁功率且能获得更高的磁场强度，特别受到重视。,直线型发电通道的MHD发电机所用的磁体线圈通常是马鞍形线圈。,第十七页，共40页。,第十八页，共40页。,化学(huxu)燃料的脉冲MHD发电机,脉冲(michng)MHD发电机不能使用通常的化石燃料（煤、天然气等），而应使用火箭推进剂和高级炸药等特种化学燃料，或使用核燃料。,第十九页，共40页。,火箭(hujin)燃料的脉冲MHD发电机,把火箭发动机的燃烧室和MHD发电机的发电通道联合起来，便可建成紧凑、简单、成本低而功率大的脉冲电源。这种MHD发电机主要包括(boku)相当燃烧室的火箭发动机、发电机通道、废气排管和自激磁铁等。,第二十页，共40页。,火箭燃料(rnlio)的脉冲MHD发电机,第二十一页，共40页。,爆炸(bozh)等离子体MHD发电机,脉冲(michng)等离子体MHD发电机,不需要中间储能元件，可由发电机直接向负载传递(chund)能量。,为避免常规导体激磁绕组的损耗和提高效率，采用超导体势在必行。,MHD发电机是静止的机械。,比能量输出e-单位重量产生的能量。,第二十五页，共40页。,爆炸(bozh)等离子体MHD发电机,根据工作性质，可分直流工作和脉冲工作两种。,脉冲MHD发电机可作为托卡马克和仿星器等热核聚变装置、大型超音速风洞、大型高能加速器的高功率脉冲电源。,爆炸(bozh)等离子体MHD发电机,第二十五页，共40页。,第三十九页，共40页。,火箭(hujin)燃料的脉冲MHD发电机,所谓置磁炸药MHD发电机，不使用外磁铁，而是把永久磁铁微粒均匀分散(fnsn)在炸药中（我们称此时的炸药为置磁炸药）。,和其它高功率脉冲电源相比，它能提供秒级的、大能量的脉冲。,火箭燃料(rnlio)的脉冲MHD发电机,在正式工作(gngzu)开始以前，通过开关S2的的一次闭合，电池组给磁铁提供一次小电流（相当于普通自激发电机的剩磁）。磁铁的较低磁场激励发电机，导电气体通过通道而产生感应电压，向磁铁提供大电流，而大电流产生的磁场再激励发电机，完成所谓的自激过程。,第二十二页，共40页。,火箭燃料(rnlio)的脉冲MHD发电机,当磁铁储存了发电机最大能量（设计电流）后，切断种子的供应，于是发电通道电极间的阻抗突然变大，在磁铁线圈上引起感应电动势，通过整流器对负载RL脉冲(michng)放电。,在负载不需要能量时，将开关S1闭合，从而短路掉负载。通过向燃烧室脉冲(michng)地引入和断掉种子，可以得到重复脉冲(michng)。由于燃烧产生气体的导电率仅为加种子情况的1%，所以用引入和切断种子来控制脉冲(michng)是可行的。,第二十三页，共40页。,火箭(hujin)燃料的脉冲MHD发电机,第二十四页，共40页。,火箭(hujin)燃料的脉冲MHD发电机,典型的火箭燃料在氧中燃烧的温度为3000-3500k，压力为5Mpa，这种MHD发电机可以把燃气热能的20%-30%转变成电能。如果具有更高的火焰温度和低比热(br)的氰，其效率更高。,第二十五页，共40页。,火箭燃料(rnlio)的脉冲MHD发电机,与火箭(hujin)发动机联合的MHD发电机的脉冲工作范围为图中空白部分，工作时间从几微秒到几天。因此，这种发电机既能在故障情况或者尖峰过负荷时作工业电站的辅助装置，又能代替慢电容器组和蓄电池等短时间放电。,第二十六页，共40页。,爆炸(bozh)等离子体MHD发电机,用炸药爆炸激励的脉冲MHD发电机是最有前途的装置之一。因为这种发电机具有很高的储能密度，能以非常小的体积提供所需的大能量脉冲；它的脉冲持续时间短，可达几至几十微秒，产生(chnshng)的功率较大。,第二十七页，共40页。,爆炸(bozh)等离子体MHD发电机,在一个炸药驱动的脉冲MHD发电机中，加有钠和铯种子的高级炸药在燃烧室内爆炸，产生高焓的等离子体，此等离子体朝向通道膨胀，具有大约100s/m的电导率，并以5-10km/s的速度进入通道，快速切割(qig)磁场B，在电极间产生脉冲电压，把电流引到外负载上。,第二十八页，共40页。,爆炸(bozh)等离子体MHD发电机,第二十九页，共40页。,置磁炸药(zhyo)MHD脉冲发电机能克服上述缺点。,大功率、紧凑的和能可靠工作的脉冲MHD发电机，应当：,第三十四页，共40页。,MHD发电原理基于导电流体产生的霍尔效应。,第二十五页，共40页。,爆炸(bozh)等离子体MHD发电机,等离子体通过通道运动时其速度(sd)和电导率应无明显变化；,通过向燃烧室脉冲(michng)地引入和断掉种子，可以得到重复脉冲(michng)。,苏联把超导磁铁用于炸药激励的脉冲MHD发电机中；,爆炸室应当允许使用大横向尺寸的发电通道而不显著地改变电离气体的性质；,不需要中间储能元件，可由发电机直接向负载传递(chund)能量。,MHD发电机特点(tdin),1940年，西屋电气公司制造了大型霍尔型试验MHD发电机，对电离机制不甚了解，没有成为实用的设备。,化学(huxu)燃料的脉冲MHD发电机,在大功率激光器、粒子束武器、微波武器、电磁发射和高功率应急通讯等领域受到重视。,第二十三页，共40页。,爆炸(bozh)等离子体MHD发电机,等离子体通过通道运动时其速度(sd)和电导率应无明显变化；,爆炸室应当允许使用大横向尺寸的发电通道而不显著地改变电离气体的性质；,爆炸源应当使发电机通道剩余气体能在环境压力下工作；,应尽可能使能量转换效率最高，以便炸药装药当量、通道壁的机械压力和热载荷最小；,负载能量与通道磁能之比应当尽可能大。,第三十页，共40页。,脉冲(michng)等离子体MHD发电机,脉冲等离子体MHD发电机是最近发展起来的另一种有前途的