磁流体发电通道结构设计

磁流体发电通道结构设计

王雪梅董斌

王雪梅董斌潍坊科技学院261000

摘要在燃烧室热力状态确定的情况下,经过计算分析选用等马赫数来设计发电通道的结构，讨论了发电通道入口参数的选择。借助数学模型建立磁流体发电通道,利用磁流体发电通道一维程序进行分析计算,设计了磁流体（MHD）发电通道的实体模型，用ANSYS有限元软件对其进行给定边界条件下的仿真计算，并对计算结果进行分析，验证了设计模型的正确性和可行性，采用分段逼近的方法拟合出分段法拉第直线型通道，为进一步优化设计奠定基础。

关键词磁流体发电参数模型结构设计

磁流体发电机是一种高效的发电机设备，其主要的组成部分有燃烧室、发电通道、加速喷管、磁体，还有一些配套的辅助设备，像电极、扩压器、各种绝缘设备和冷却装置等。其工作的基本原理就是由等离子体发生器产生离子体，这些离子体具有高速、高压和高温的特点，在进入发电通道之前，要经加速喷管进一步加速。在发电通道中，等离子在上下壁上强大的外加磁场在作用下，形成电压降。而导线则是从电极上接出，然后再接上负极，这样就可以形成回路，通过这样一个回路当中就产生了连续的或是脉冲的电流。本文主要介绍了磁流体发电的参数分析及结构设计。

1.实体模型设计

在选用类型的时候采用连续电极法拉第型，运行速度选用超音速，并且要求在轴向的方向延伸出一个适当的扩张角。与分段法法拉第通道相比，虽然这种通道的工作性能相对比较差，但是它一般比较适用于较高功率的微波装置，并且能够为其提供电源，另一方面采用这种方法比较方便。为了加强绝缘性能，一般采用加强的玻璃钢来制作电极的背面和通道的外壳。绝缘壁则采用条形的铜块制做而成，内衬的绝缘壁则采用电绝缘的陶瓷组件。而四壁则用螺栓进行联接，再结合面上要用硅橡胶进行密封。

2.通道入口压力及马赫数的选择

通道入口参数当中的参数比较多，一般取压力值和马赫数为最重要的参数,因此怎么样确定压力和马赫数就是通道设计的关键所在。为了满足输出的功率是一定的要求,应尽可能的减小通道的体积,这样可以减少制备磁体的费用。一般来讲,在燃烧室内,如果燃料已经确定,那么温度的升高是由压力的增加所确定的，但是压力的增加,因为电导率受压力的影响较大的缘故，又使气体的电导率呈下降的趋势。所以选择的压力不应该太大，这样就可以达到比较高的电导率,同时我们可以通过选择燃料种类和提高氧化剂的温度来得到较高的燃烧温度。一方面通道入口的压力是由燃烧室内具有一定压力的气体以一定的膨胀比通过喷管获得的,膨胀比越大,电导率越低,

氧化剂压缩而得到的压力是用来提供燃烧室的压力的,所以说压力如果增大,就会导致压缩机的功率损耗的增加,进而使整个循环的效率降低；同时还会使膨胀比有所增加,马赫数增加,压力减小,电导率逐渐下降。因为通道出口压力一般希望在0.8×105Pa左右，所以说如果压力太低,通道的焓取出率就会很低,这样无疑是设计的效果是不佳的，同时还应该减小通道的长度,以此来保证下游循环的有效的运行，同时又应该要满足出口压力的要求,以便于下游循环的顺利进行，因为一旦通道入口压力太低,这样就不利于下游循环的运行,进行这样的优化设计就可以使仍具有较高电导率的等离子体的能量充分地转化为电能。

3.通道的结构设计及分析

3.1通道的结构设计

在进行结构设计是，主要采用的设计的原理有等马赫数(等Ma)、等速度(等V)和减马赫数(减Ma)、减速度(减V)等，如果按上述的原理进行就需要取通道截面为正方形。各种方案下通道的高度或宽度(H)随通道长度(L)都有变化。在原始数据中，燃料采用的是混合气体，混合气体则是由尾气煤气化后得到的;质量流量为658kg/s;总热输入为4000MW,磁体为超导磁体,磁场强度为6.0T,负载系数K=0.75,入口压力为p=8.28×105Pa,温度为T=3062K;添加剂为50%的K2CO3水溶液,电离种子钾占总流量的1.5%。

因为在出口处压力的变化会减少的原因，通道的尾部高度变化很慢,曲线趋近于水平,从图中各曲线就可以看出。可以证明在设计发电通道时，利用减马赫数和减速度来设计并不是最好方案，因为在很多情况下的焓取出率的差别并不是很大,但是通道长度却变化很大,通过比较等速度和等马赫数曲线,我们卡伊看出等速度曲线斜率增加得较快,同时在加工时由于工艺条件的限制,一般来说是很难拟合程相同的曲线的。基于上述原因应该选择等马赫数来设计发电通道,同时要对等马赫数计算出来的型线进行分段逼近的方法，这就考虑了在实际制作过程当中因为加工工艺不方便所带来的不必要的麻烦。同时可以按分段法重新设计拉第直线型通道结构，同时重新计算发电通道的运行性能，这样可以使通道利用效果达到最佳。根据上述原因，实验区通道有效段长度为11.9m,通道入口和出口的截面积和温度分别为0.9195m2和2.5735m2,3062K和1531.1K,发电通道焓取出率达到20.8%。

3.2通道的结构分析

从实验的结果可以看出通道的热场和结构是相互耦合的，因此在考虑通道的高温作用时，必须要对通道应力进行分析，从而才可以确定通道的强度能不能满足设计的要求。根据通道的实际工作状况可以确定边界条件，整个通道的自由度为0，因为在通道的进口和出口端都有约束条件。所以在对通道进行热分析的时候，就可以利用ANSYS软件中有关的热场和结构的耦合功能分析进行应力分析。加载对通道内壁面施加压力载荷，加载的荷载可以根据热分析的结果，从输出的文件当中读取。也就是说将热应力得值作为力载荷值。而对于结构分析来说，材料属性只需设置弹性模量和泊松比。在加载实验完成后，可以根据需要运用求解器进行求解，完成后可以直接输出实验的求解结果。

4.结束语

在分析发电通道模型的参数的时候需要考虑两个方面的问题,一方面需要考虑怎么样可以使发电通道的长度金尽量的小，这样可以减少制备磁体所需要的费用，但是必须要在保证一定的功率输出的条件下；另一方面为了提高整个系统的热效率就需要考虑提高焓取出率,.本文主要讨论了发电通道在入口处相关压力参数的选择问题,并且对以前的程序进行了部分的改动,文章主要采用的方法是分段逼近的方法，用这种方法来拟合出分段法拉第直线型通道达到的效果比较的好，值得相关工程技术人员借鉴。

参考文献

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