發電機組的結構及發展狀況發電機組的結構及發展狀況發電機組脈沖電源是一種正在受到重視的技術，它涉及高功率、短持續時間電能量脈沖的產生和運用。脈沖磁流體發電機作為一種重要脈沖電源，適合于輸出脈沖強電流，在地球物理研究領域開始獲得應用，包括地震預測、地理預報、天然氣勘探、地球地殼構造研究，同時在軍用及空間應用等方面也有廣闊的應用前景，例如作為電磁炮、慣性約束核聚變、自由電子激光器、粒子束武器、電子對抗系統等的電源。在實驗室中，一般通過合適的能量存儲裝置來實現脈沖供電，例如電容器、電感線圈、飛輪等。能量是在低功率量級上用相對長的時間積累，隨后通過負載在短時間內釋放達到高功率。這些裝置需要初始能源來驅動。但是在空間、或是在遙遠的地區，能量只能由太陽能、核能和化學能三種初始能源得到。其中，只有化學能的能量密度能夠達到每千克數十兆焦，具有提供兆瓦級的功率的潛力。另一方面，在太陽能和核能作為初始能源的裝置中，需要極龐大的輔助設備。例如，太陽能的能量密度是較低的，必須要依靠伸展面積很大的能量收集設備，而在核能作為初始能源的裝置中，保護和轉化設備也導致同樣的結果。相比較而言，利用化學能的轉換裝置就具有結構緊湊的長處。這類裝置包括蓄電池、燃料電池、磁流體發電機、以機械能轉換為中間環節的透平驅動的發電機等。其中，在兆瓦級的高功率系統中，脈沖磁流體發電機是最具有優勢的，對于一個功率30兆瓦磁流體發電機來說，系統的比功率可達4 6兆瓦/千克。1運行原理脈沖運行的磁流體發電機組，其工作原理仍然是依籍導電流體在磁場中運行時所發生的電磁感應。一個直管型磁流體發電機組發電通道部分的運行原理示意圖。在燃料和氧化劑的燃燒產物中加入易電離的堿金屬，形成具有一定導電性的等離子體，經由噴管加速，然后進入如圖所示的發電通道。B為外加磁場的磁感應強度。Ey為外電場，它的方向與氣流速度和磁感應矢量積（感應電場）的方向相反。垂直于電場的通道壁具有導電性，而與電場平行的通道壁是絕緣的，有效電流能夠被提取出來為負載提供功率。當有負載時，在發電通道內此電流與磁場相互作用，在等離子體內產生洛倫茲力，方向與等離子體運動方向相反。于是，導電流體的動能被轉換成電能。Ex稱為霍爾電場，它是由導電流體中電荷在磁場作用下運動的二維性質所致，使發電通道的出口處與入口處處于不同的電位，通常稱之為霍爾效應。盡可能維持高霍爾電場，對于實現磁流體發電機的高性能，有著重要的意義。發電通道壁的絕緣不良造成的泄漏電流就是霍爾電場衰減的原因之一，將電極壁沿氣流方向加以分割以及保證絕緣壁足夠的絕緣性能是有效的對策。霍爾電場影響磁流體發電機運行性能的程度取決于霍爾參數，它是電子回旋與電子碰撞頻率的比值。對于磁流體發電機組的運行性能來說，有4個參數是非常重要的：磁感應強度、等離子體速度、等離子體電導率和霍爾參數。磁流體發電機的功率密度為：P w =（ UB）2 k（ k- 1）其中，是與發電機的結構和聯接方式相關系數，是工質電導率， U是工質流速， k是負荷系數。當k = 0. 5時功率密度具有最大值，增大B、U、都會增大功率密度的值。與以工業電站為應用目標的磁流體發電機相比較，脈沖磁流體發電機系統的構成以簡單、緊湊為原則，往往重視技術指標，如電參數和比功率，不以經濟性為最重要的約束條件，在某些特殊的場合甚至不計較能量的轉換效率。此外，因為是脈沖輸出，就不需要逆變裝置。又因為是單端輸出，所以，分段電極法拉第型的發電通道就被排除在外。對于高功率脈沖磁流體發電機，另外兩個重要的參數是相互作用系數和磁雷諾數。相互作用系數定義為：I p = UB 2 L P其中， P是等離子體進口靜壓力， L是發電機通道長度。相互作用系數是洛倫茲力與等離子體的慣性力比值的量度。當它增加時，等離子體的氣體動力學性能將有很大的變化，造成類似于在透平壓縮機和過度膨脹的擴壓器中出現的動態分離和氣流分離等現象。磁雷諾數為：R m = 0 Ul其中，0是真空磁導率， l是特征長度。磁雷諾數是等離子體中由電流感生出的磁場與外加磁場的比值。在通常情況下，磁雷諾數的值是較低的，因此，由等離子體運動引起的外加磁場的非線性變形是可以被忽略的二階小量。除了燃燒之外，等離子體可以通過凝聚相炸藥爆炸獲得。在由爆炸方式驅動的磁流體裝置中，等離子體是以短長度導電柱塞的形式通過發電通道的。脈沖持續時間是受到柱塞通過發電機有效區域時間的限制的，它約等于電極長度與等離子體速度的商。燃燒式脈沖磁流體發電機和爆炸式脈沖磁流體發電機的相關參數的典型數值如下所示。從數值的比較中可以看到，爆炸式裝置運行于高磁雷諾數的情況下，爆炸式脈沖磁流體發電機轉換效率過低；與之相反，燃燒式裝置運行在低的磁雷諾數下和具有較高的效率。脈沖磁流體發電機的磁體系統有他勵和自勵兩種方式。裝置可以做成固定式或移動式。發電通道有整體電極型霍爾型串接型直管通道及盤式通道。脈沖磁流體發電機輸出電壓大致為數百伏到數萬伏，輸出電流大約為數千安培到數萬安培。起動迅速，功率密度大，可達500 600兆瓦/立方米，比能特性高。一般來說，脈沖磁流體發電機的總壽命為幾秒到幾百秒。2脈沖磁流體發電機的發展狀況簡述脈沖磁流體發電機是磁流體發電技術的一個重要應用方向。脈沖磁流體發電機的研究和發展開始于60年代初，用含有電離種子的炸藥爆炸來產生工質等離子體。1963 1965年，研制成功一臺爆炸式脈沖磁流體發電機，在2. 8T的磁場下，它的功率為280兆瓦，輸出脈沖電流為430千安，其發電機尺寸為20 15 78厘米，轉換效率為1. 6%，此功率記錄曾持續了多年。同時，在商業和軍事部門的支持下，還開始了大型燃燒式脈沖磁流體發電機的研究。1964年，美國建成電功率為20兆瓦的霍爾發電機作為風洞電源，這是磁流體發電技術的第一次特殊應用。同時， AVCO公司建成20兆瓦自勵磁磁流體發電機MkV，隨后在1966年運行，第一次證明了自勵磁運行方式的可行性。60年代中期，田納西大學空間研究所研制出以加有輕金屬的火箭燃料燃燒驅動的磁流體發電機，并發現固體燃料較液體燃料有更好的性能，在發電通道內壁形成的沉淀物并未降低發電機的性能，而且作為高溫保護層對發電機是有益的。60年代末，用于軍事用途上的磁流體發電機的興趣開始降溫。但是AVCO公司還是得到了美國空軍的支持，隨著技術的發展，致力于研究更高性能的脈沖磁流體發電機。功率為400千瓦，發電通道長度為0. 7米的發電機研制成功，在磁場強度僅有2. 3T情況下，卻獲得了相當高的功率密度。70年代初，由于技術進步， Hercules公司進行的實驗表明可重復運行的脈沖磁流體發電機是可行的。由燃燒固體火箭燃料驅動的磁流體發電機創下了前所未有14. 5%的最高轉換效率記錄，更為重要的是它在質量流量僅有3. 3千克/秒的條件下，產生的功率的峰值達到2. 4兆瓦。70年代中期，由于受石油禁運和反對核能運動的沖擊，各國都加強了以基本負荷電廠為應用目標的燃煤磁流體發電機的研究。盡管如此，美國關于脈沖發電機的研究并沒有中斷，美國AVCO公司致力于材料和輕重量、主動冷卻、使用液體燃料的高性能發電通道設計的研究，設計出了使用超導磁體和液體燃料的脈沖磁流體發電機，功率為30兆瓦、累積脈沖持續時間達到了一分鐘。70年代中后期，進一步發展了爆炸式磁流體發電機的新概念。通過爆炸實現高壓縮的氬氣使工質等離子體的溫度和壓力升高，使工質電導率達到相當高的值，實驗功率達到了京瓦量級，脈沖持續時間為幾十微妙。同時也開始了對一系列固體火箭燃料驅動的大功率脈沖磁流體發電機的研究。蘇聯也進行了系統的脈沖磁流體發電機的研究。1976年，大功率系統Pamir 1和Pamir 2公布于眾，二者都是由兩個固體火箭燃料驅動的發電通道組成，共用同一個磁體，其中一發電通道的輸出用于常導磁體的激勵，而另外一個通道提供有效輸出功率，運行時，發電通道的功率密度高達500兆瓦/立方米。每個等同的通道產生15兆瓦的功率，持續時間由開始的3秒增加到10秒，這是由其散熱片結構限制的最長時間。Pamir 1是固定式的，而Pamir 2是可移動式的，它的重量約為8. 5噸，用大卡車就可以運載。除了Pamir系列外，還有更大的可移動系統Khibini和Ural.Ural是獨立發電機磁場系統，而Khibini是由共享同一磁體的兩個Ural發電機組成的，輸出總功率約為90兆瓦、脈沖寬度10秒。80年代，脈沖磁流體發電機的研究有了進一步發展，主要有：采用無鐵芯的磁體，以減少系統的重量；通過冷卻主要部件來延長脈沖持續時間；使用效率更高的對角聯接結構的通道；使用金屬粉末燃料；用不同的方式產生工質等離子體。同時，脈沖磁流體發電機經歷了從實驗室驗證階段到研制地球物理研究用的磁流體發電裝置的實用階段的進展。在最近的十幾年中，脈沖磁流體發電機的發展更加深入和更趨向于多面化。Pamir 3是可移動式自勵磁脈沖磁流體發電機，它的最大功率為15兆瓦，由三個發電通道組成，其中兩個通道為負載提供功率，第三個發電通道用于激勵磁體。由固體火箭燃料燃燒產生的工質等離子體的質量流率是16- 26千克/秒，壓力為2 9 5 1M Pa，溫度約為3950K.Pamir 6也是可移動式自勵磁脈沖磁流體發電機，等離子體的質量流率是4 3千克/秒，功率密度100兆瓦/立方米，電功率達到1 4兆瓦，壓力為5 5M Pa，溫度約為3950K.馬赫數為2 8，磁場強度小于1 9T，總脈沖持續時間到達140秒，一共重復運行了27次，每次運行時間4 9秒。日本提出了利用添加鉀的氬氣作為工質等離子體的自勵磁脈沖盤式磁流體發電機的想法，并且作了實驗。工質可以在較低的溫度下電離，從而避免了散熱片結構上的限制和使用整體電極聯接方式引起的電流集中。目前，美國、日本、俄羅斯等國對脈沖磁流體發電機有較為深入的研究，我國磁流體發電的研究開始于60年代末，最初的應用目標是作為固體激光器的電源。80年代末，又針對地球物理勘探的需求，進行了脈沖磁流體發電機的可行性研究，考慮的是直管式發電通道等。一些已經建造的脈沖磁流體發電機如所示。3脈沖磁流體發電機的研究課題脈沖磁流體發電機的研究內容是非常豐富和具有深度的。最重要的方法就是理論分析計算和實驗驗證，不斷的完善和提高研究水平。主要有以下幾各方面。3 1燃料選擇脈沖磁流體發電機的工質的選擇是非常重要的，它直接關系到發電機的效率，運行性能等。燃料的選擇和其成分的組成一直得到重視。發電機燃料多種多樣，組分非常復雜，與基荷磁流體發電機的不同，有較大的選擇余地，但必須滿足燃燒產物熱電性質的要求，同時，燃料供應系統應盡可能簡單并且便于控制。脈沖磁流體發電機的用途不同，對燃料的要求也會有差別，有時，燃料成本也成為考慮的因素。目前使用的燃料價格過分昂貴。各國研究者都在探索比較廉價的燃料，以降低成本，比如使用碳。純碳燃燒能產生較高的溫度和電導率，但是其燃燒速度太低，必須采用專門措施。3 2結構材料發電機重要部件的材料選取同樣是非常重要的，由于脈沖磁流體發電機通常都是熱沉式的，所以材料在高達3000 4000K高溫下的性能對發電機運行影響特別大。脈沖持續時間和重復運行次數很大程度上取決于材料的耐高溫性和散熱性以及散熱裝置的設計。例如，最常用的燃燒室結構為非水冷燒蝕性或熱沉式結構，燃燒室具有金屬外殼，內部裝有多層熱絕緣材料，如玻璃鋼。銅是常用的熱沉材料，在極短的運行時間內，溫度不會升高到它的熔點。噴管喉部要保證其尺寸不變，使氣動參數不變，因此就不能使用燒蝕材料。發電通道一般采用熱沉式結構，一次運行時間約為10秒左右，極限時間不超過1分鐘。運行一段時間必須做例行檢修，或更換部件。涂層冷卻和發汗冷卻是延長發電通道壽命的先進技術。石墨、陶瓷和金屬材料廣泛作為通道的電極材料。3 3磁體系統脈沖磁流體發電機按磁系統有自勵式和他勵式。目前，國外所進行的試驗自勵式較多。對于自勵式脈沖磁流體發電機一般有2 3個發電通道，其中之一用于產生強磁場，另外的用于發電或者只有一個發電通道，它既產生強磁場又同時發電，當然還有其它形式。自勵式結構緊湊，價格較低，便于制成移動式，運行相對穩定。而他勵磁場式就要考慮磁體對系統重量的影響，必須考慮為磁體提供功率的電源。使用空芯常導磁體和超導磁體也是選擇磁體時需要決策的問題。磁體產生的磁場的分布及強度、運行的穩定性、幾何結構、冷卻方式以及重量等都是研究發電機所面臨重要問題，一直得到各國的重視。磁體系統的選取要根據發電機具體情況確定。3 4發電通道磁流體發電機的最重要的部件就是發電通道。目前，用于脈沖磁流體發電機的發電通道大多為直管式通道，例如，自勵脈沖磁流體發電機Pamir系列，甚至還有結構非常簡單的截面為矩形或圓形的激波管，盤式發電通道不是很多。直管通道與盤式通道相比較，它在高電離度的工質和低霍耳參數條件下運行最為合理。由于工質一般為加堿金屬種子的燃料燃燒產物，具有較低的電導率，因而，要保證有效的電輸出，就要求具有較強的磁場，直管通道不得不在較高的霍耳參數下運行。這種條件下，電極壁常常需要細分成許多段，使得通道的結構復雜，同時外加負載的聯接也相對復雜一些。而盤式通道就無此限制，它應用于大的霍爾參數的場合，通過一個成對的電極來提取電功率，外接負載簡單，并且有完全利用了高磁場強度的優點。盤式通道絕緣好，結構簡單，可以耐受高電場，功率密度大，相互作用長度小，結構緊湊，使得它的磁系統大大簡化，成本降低。盤式結構減小了無端部損失，由于不會產生邊界層分離，盤式通道作為脈沖裝置還有無運行限制的優點，但是，盤式通道的進口葉片和擴壓器較直管式的要復雜。可以說盤式和直管式通道各有所長。發電通道材料的選擇、幾何方案、通道的截面形狀和結構、電極的聯接方式、冷卻方式等都受到高度重視。國內外在研究磁流體發電通道的數學模型時有三維方法、二維和準二維方法，但是其計算都較復雜，而一維模型和準一維模型由于其計算比較簡單及有效，因而被較多地采用。在一維數學模型中不計邊界層的影響，并且一般也不計摩擦對動量方程的影響。一維模型的不足之處是無法顯示流動截面上的參數變化，一維模型一般假定流動為定常流動，計算量少，適合工程計算。相比較而言二維、三維模型計算量大，要對定常N S方程進行數值求解。而準一維數學模型計及壁面摩擦和傳熱效應，