Экспериментальное исследование Т-слоя в модели дискового МГД-генератора на аргоне и парах натрия тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РГ6 ОД

на правах рукописи Поздняков Георгий Алексеевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ Т-СЛОЯ В МОДЕЛИ ДИСКОВОГО МГД-ГЕНЕРАТОРА НА АРГОНЕ И ПАРАХ НАТРИЯ

(01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск 1997

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО РАН.

Научные руководители:

чл.-корр. РАН, профессор Фомин В.М.

к. ф.-м. н. Фомичёв В.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Яковлев В.И., кандидат физико-математических наук Керкис А.Ю.

Ведущая организация : Институт высоких температур РАН.

Защита состоится " " }(_ 1997 г. в !^ час. на за-

седатш диссертационного совета К 003.22.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН по адресу:

630090, г. Новосибирск, 90, ул. Институтская 4/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики СО РАН.

Автореферат разослан "_"_ 1997 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Д-ф.-м. н. ^У^Со^г^Р^- ви- Корнилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Использование МГДГ, рабочим телом в которых является плазма - одно из перспективных направлений развития энергетики. За последние три десятилетия во многих развитых странах достигнуты определённые успехи в исследовании процессов в модельных МГДГ на плазме благородных газов и плазме продуктов сгорания органического топлива. Имеются серийные модели импульсных МГДГ на твёрдом ракетном топливе типа "ПАМИР" (разработанные в ИАЭ им И.В. Курчатова), применявшиеся в геофизическом эксперименте. В ИВТАН исследовались МГДГ на продуктах сгорания органических топлив различной мощности. На основе исследований, проведённых на установке У-25 мощностью 25 МВт, была сделана попытка построить опытно-промьппленный блок с МГДГ на Рязанской ГРЭС, который должен был работать на природном газе и, в перспективе, на угле. Однако стало ясно, что параметры потока однородной равновесной плазмы, которая может быть получена с помощью существующих и перспективных тепловых источников, не вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к рабочему телу МГДГ- необходимо повысить эффективную электропроводность рабочего газа.

Известно два направления решения этой проблемы - применение в МГДГ неравновесной плазмы или неоднородного по проводимости потока с использованием явления Т-слоя.

Целью настоящей работы было исследование модели дискового МГДГ с Т-слоем и, в частности :

а) получение Т-слоя в режиме энергосъёма в модели МГДГ;

б) исследование возможности снижения температуры торможения потока за счёт использования плазмы щелочного металла в качестве рабочего тела в МГДГ с Т-слоем закрытого типа.

Научная новизна и практическая ценность

•Впервые получено устойчивое спонтанное развитие Т - слоя в потоках плазм аргона и натрия в модели кондукционного дискового МГДГ. Показано, что:

а.) возможна реализация режима течения с Т-слоем в МГДГ с отбором электрической мощности во внешнюю цепь;

б.) возможно спонтанное развитие Т-слоёв в потоке с пониженной температурой торможения;

•Показано, что вогнутая форма поверхности электродного узла обеспечивает улучшение электрического контакта Т-слоя с электродами, что проявляется в увеличении доли тока, протекающего через нагрузку, по сравнению с плоскими электродами.

•Впервые получен Т-слой в потоке паров натрия в модели дискового МГДГ, в результате чего предложено в МГДГ закрытого цикла использовать пары щелочного металла качестве рабочего тела.

• Разработан электроэрозионный источник плазмы щелочного металла, который может быть использован для генерации потока плазмы щелочного металла с расходом порядка 1кг/с.

Полученные результаты позволяют предложить новый тип МГДГ закрытого цикла - дисковый кондукционный с Т-слоем на парах щелочных металлов, который может быть применён в малой энергетике.

Достоверность полученных результатов обоснована детальным анализом погрешностей применявшихся методик и их сравнением с результатами других исследователей.

На защиту выносятся:

•Результаты исследования модели кондукционного дискового МГДГ с Т-слоем на плазме аргона;

• Результаты исследования модели кондукционного дискового МГДГ на парах натрия;

• Импульсный электроэрозионный источник плазмы натрия с расходом 1 кг/с.

Апробапия работы. Основные результаты работы докладывались на семинарах ИТПМ, на VII Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Алма-Ата, 1977), на VII Международной конференции по МГД-преобразованшо энергии (Москва, 1983), на IX Международной конференции по МГД-преобразованию энергии (Tsucuba, 1986).

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и рисунков общим объёмом 168 страниц, из них 82- рисунков. Список литературы из 41 наименования приведён в конце диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении даётся оценка состояния проблемы МГД-преобразования энергии на момент постановки задачи. Показана небходамость экспериментального исследования Т- слоя в генераторном режиме и снижения температуры торможения потока.

В первой главе приведен обзор литературы, в которой описаны основные результаты, полученные при изучении явления Т-слоя. На примерах численного решения задач нестационарной магнитной гидродинамики описаны характерные особенности явления Т-слоя. Приведены основные результаты экспериментальных исследований этого явления в дисковом МГД-канале, описанных в литературе. Отмечено, что к моменту постановки целей диссертационной работы не было исследований Т-слоя в режиме энергосъёма, то есть оставался открытым вопрос об осуществимости режима течения с Т-слоем в канале МГДГ. Опираясь на имевшиеся данные

формулируются цели диссертационной работы - осуществить и исследовать режим работы с Т-слоем в модели кондукционного дискового МГДГ на плазме благородного газа и парах натрия.

Во второй главе описаны экспериментальная установка и методики исследований. Поставленные задачи решались на импульсной модели дискового МГД- генератора с однородным магнитным полем.

Установка (фиг. 1) состояла из импульсного источника плазмы (1), дискового канала (2) и электромагнита (3). Конструкция источника имела две модификации в зависимости от типа рабочего тела. Общими элементами являлись электромагнит и МГД-канал. В экспериментах с плазмой благородных газов источником служила электроразрядная ударная труба с внутренним диаметром канала 56 мм. "Ускоритель был запигган от батареи конденсаторов. Пробка ударно нагретого газа имела длину порядка 30 см, время истечения в МГД-канал порядка 100 мкс.

Для проведения экспериментов на плазме щелочного металла был разработан и изготовлен специальный источник, крепившийся вместо ударной трубы. Основные требования, предъявлявшиеся к этому источнику, были следующими: температура газа на входе в канал То> 2000 К, давление Ро~ 1 +5 бар, время действия порядка 10'3 с. Производительность источника должна была быть не менее 1кг/с ( по натрию) для обеспечения расчетного режима течения в МГД- канале при заданной площади критического сечения, равной 35 см2. Тепловая мощность, необходимая для образования такого количества паров Иа из твёрдого состояния, имеет порядок \У«10 МВт. Кроме достаточной тепловой мощности источника нужно было обеспечить достаточную площадь поверхности, с которой происходит испарение металла. Массовый расход с поверхности испарения СИсп может быть вычислен по формуле Ленгмюра:

Для обеспечения расчётного течения в нашем случае площадь испарения должна была быть не менее 20 см2.

С учётом приведённых выше условий был разработан импульсный электродуговой источник плазмы, основанный на использовании явления электроэрозии электродов. На фиг. 2 он показан в разрезе. Корпус источника выполнен из оргстекла и имеет форму цилиндрического стакана с внутренним диаметром 90 мм. В его дне имеется 8 гнёзд для установки эродирующих электродов. Центральное гнездо 1 (под анод) имеет диаметр 24 мм, вокруг него по окружности диаметром 80 мм расположено семь гнёзд (для установки катодов) диаметром 14 ми: каждое (2). Электроды составные, состоят из эродирующей части (а) и медных токоподводящих контактов (б). На кромке стакана устанавливался дополнительный анод (3), также состоявший из эродирующей натриевой части и медного кольца, служившего токоподводом. Эродирующая часть, выполненная в виде кольца, служила одновременно вакуумным уплотнением. Стакан помещался внутри соленоида (6) , предназначенного для улучшения равномерности эрозии электродов посредством вращения дуги в его магнитном поле. Выходное сечение источника могло перекрываться диафрагмой (4), которая закреплялась в диафрагменном узле (5). Диафрагма опиралась на крестообразный нож (8). Внутренняя цилиндрическая поверхность источника была футерована стеклотекстолитом толщиной 0,5 мм (7).

Схема электрического питания источника плазмы состоит из ёмкостного накопителя С, игнитронного разрядника типа ИРТ-6, семи балластных сопротивлений и двух индуктивностей, задающих время разряда. Накопитель, собранный из конденсаторов типа К41И7, имел ёмкость 2600 мкФ с рабочим напряжением 5 кВ. Эффективное время действия источника порядка Ю"3 секунды.

Расход натрия измерялся в серии из 10 пусков по разнице массы начальной зарядки и массы оставшегося металла. В среднем за

один пуск уносилось около 1 г натрия; таким образом, источник обеспечивал необходимый расход рабочего тела.

Особенностью электроэрозионного источника является то, что температура потока плазмы сильно осциллирует. Это проявляется в колебаниях яркости свечения плазмы. Ниже будет показано, что из этих температурных неоднородностей могут развиваться Т-слои.

Для улучшения однородности потока при исследованиях с инициированием Т-слоя в источнике устанавливалась диафрагма из лавсановой плёнки толщиной 0,03 мм. Момент разрушения диафрагмы относительно начала разряда т фиксировался с помощью частотомера. Характерное значение т ~1,3±0,15 мс.

Инициирование Т-слоя производилось электрическим разрядом между кольцевым анодом и инициирующим электродом (9), устанавливавшимся по оси источника между этим анодом и диа-фрагменным узлом, как показано на фиг. 2. Электрическая схема системы инициирования включала в себя батарею из двух импульсных конденсаторов типа ИС-0,25-100, заполняемого азотом разрядника с устройством поджига и регулируемого источника высокого напряжения. Максимальное напряжение зарядки конденсаторов было 40 кВ. Величина энергии, рассеивавшейся в плазме, была определена по изменению добротности разрядного контура при разряде через плазму и на медную закоротку, помещавшуюся в разрядном промежутке. По измеренным значениям получено, что в разрядном промежутке (в плазме) рассеивается около ЮОДж.

МГД-канал 2 (фиг. 1), образован двумя оргстеклянными дисками толщиной 60 мм и диаметром 340 мм. Диски устанавливались на расстоянии 20 мм друг от друга и крепились к вакуумному ресиверу, охватывавшему канал. Один из дисков (2а)- сменный. В опытах с плазмой благородных газов использовалось два сменных диска - один был выполнен заодно с электродной вставкой, другой допускал смену электродных узлов. На фиг. 3 показана схема течения плазмы в канале. Т-слой, возникающий во фронте

потока, выделен. Стрелками обозначены направления течения ( V), тока (I) и магнитного поля ( В). Электродная вставка показана в виде прямого клина, литерами А и К обозначены анод и катод соответственно. Эскизы использовавшихся электродных узлов приведены на фиг. 4. Узлы а) и в) имели сплошные электроды, б) и г) -разделенные на 14 секций. Электроды в) и г) имели вогнутые поверхности с радиусом кривизны 340 мм.

В экспериментах использовались следующие методы исследования параметров потока плазмы:

1) Скоростная киносъёмка камерой ЖЛВ-2, по которой качественно оценивались картина взаимодействия плазмы с магнитным полем и приэлектродные процессы.

2) Регистрация фоторазвёрток камерой СФР, по которым качественно определялось наличие в потоке Т-слоя и измерялась зависимость скорости возмущения от его координаты.

3) Измерение распределения тока в плазме и интегрального тока в плазме и, в некоторых случаях через нагрузку,- специально разработанными миниатюрными поясами Роговского.

4) Измерение зависимости напряжений от величины омической нагрузки для каждой секции ( случае секционированных электродов ) проводились с помощью гальванически развязанных осциллографов или многоканальной системы "СПЕКТР", имевшей в своём составе достаточное количество АЦП.

5) Измерение деформации магнитного поля проводилось с помощью миниатюрных магнитных зовдов.

6) Измерение давления за фронтом потока в экспериментах с плазмой аргона с помощью специально изготовленными пьезодат-чиками.

7) Предложенный автором метод определения плотности частиц и температуры по синхронным измерениям коэффициента поглощения излучения на длине волны ?.= 10,6 мкм и давления в потоке плазмы аргона.

В качестве источника зондирующего излучения использовался СО2 лазер ЛГ-23, работавший в одномодовом режиме, приёмником служило фотосопротивление типа "СВОД". Для уменьшения влияния рефракции излучения на градиентах плотности плазмы использована система двух конфокальных зеркал, фокусы которых располагались внутри канала.

8) Определение плотностей частиц и температуры вблизи критического сечения канала с помощью двухдлинноволновой интерферометрии.

Длины волн зондирующего излучения выбирались равными Х=442 нм (С<1 лазер ЛГ-62 ) и >.=623 нм (Не-Ие лазер ЛГ-52 ). Выбор длин волн зондирующего излучения Хзонд определялся из условия достаточной чувствительности к нейтральным атомам и свободным электронам. Кроме этого условия учитывалось то обстоятельство, что, как показала регистрация спектра излучения плазмы, полуширина резонансного дублета (Хл> =590 нм) имеет значительную величину и существенно увеличивается с ростом напряжённости магнитного поля Н (от ДЯ^Знм при Н=0 и ДЯ^70 нм при Н=6400 Э ). Поэтому для однозначной интерпретации интерферо-грамм необходимо выполнение условия |>.зонд -Алэ| »3 нм при Н=0.

С учётом вклада наиболее сильных линий сдвиг фаз составил величины:

Афб328=Ь-(1,82-10'17 N0-2,84-Ю-18 ) Аф441б=Ь(3,78-10 '7 N0+1,98-10-18 № ), где Дф£328 - сдвиг фазы дня Х50нд=632,8нм, Дср441б - для Я.3оВД =441,6 нм, N0 и Ые соответственно плотности атомов и электронов.

Обработка полученных интерферограмм проводилась с помощью микроденситографа ИФО-451. По полученным значениям сдвигов фаз вычислялись плотности электронов и атомов, а затем по этим величинам в предположении существования ЛТР - давление и температура.

В третьей главе приведены результаты исследования модели МГД-генератора на плазме аргона. С помощью скоростной киносъёмки качественно сравниваются процессы в потоке плазмы аргона и гелия при обтекании модели электродной вставки. Показано, что поток плазмы гелия неустойчив при всех исследовавшихся начальных условиях, что проявляется в несимметричности течения. Т-слой в потоке плазмы гелия не возникает при тех условиях, когда он наблюдался в МГД-канале без вставки.

Иная картина нами получена в экспериментах с аргоном- поток плазмы аргона устойчив. Приведены фоторазвёртки картины течения, результаты измерений распределения давления, плотности тока и деформации магнитного поля в канале, зависимости скорости от радиуса. Из сравнения полученных данных с известными характерными свойствами течения с Т-слоем показано, что в потоке плазмы аргона при Н>3200Э и начальном давлении Р=2мм.рт.ст. спонтанно развивается Т-слой при установленной в канале электродной вставке в режиме энергосъёма.

Исследования проводились с использованием четырёх различных электродных вставок - по две с плоскими и вогнутыми поверхностями, со сплошными и секционированными электродами.

Качественное сравнение приэлектродных процессов, проведённое с помощью киносъёмки, показало, что в случае сплошных электродов наблюдался контакт токового слоя с электродами в одной точке, в то время как для секционированных электродов электрический контакт наблюдался на отрезке, превышающем ширину токового слоя. Кроме этого, в первом случае контакт неподвижен и находился вблизи передней кромки электрода, что способствовало замыканию тока через плазму, находившуюся в центре канала. При секционированных электродах место контакта перемещалось вместе с Т-слоем и удалялось от центра канала, что препятствовало замыканию тока через плазму.

Для увеличения эффективности токосъёма было предложено сделать поверхности вставок вогнутыми с радиусом кривизны таким, чтобы осуществлялся режим маховского отражения сверхзвукового потока. При этом у поверхности вставки возникает область ударно нагретого газа и проводимость приповерхностного слоя увеличивается, что приводит к улучшению электрического контакта. Киносъёмка течения показала, что в этом случае наблюдались яркосветящиеся области вблизи поверхностей вставок на протяжении всего канала в отличие от случая плоских электродов, когда горячие области занимали небольшие области у электродов. Измерения токов в плазме и через нагрузку показали увеличение доли тока, протекавшего через нагрузку до 97% по сравнению со случаем плоских электродов (65% ).

Для электродной вставки с профилированными секционированными электродами получена нагрузочная характеристака модели генератора, по которой оценена проводимость а плазмы в Т-слое (си 150 Ом-'см-1 ) . Вычислено значение Rem к 0,7, которое согласуется с теоретическим для развитого Т-слоя.

В четвёртой главе приведены результаты исследования модели МГДГ на парах натрия. На основе анализа физических свойств щелочных металлов показано, что наиболее перспективными рабочими телами для применения в МГД-генераторе являются натрий и калий. В результате сравнения процессов инициирования Т-слоя в потоке плазм натрия и калия, полученного с помощью численного расчёта, в качестве рабочего тела был выбран натрий.

Исследование параметров плазмы, генерируемой источником, показало, что температура плазмы испытывает сильные колебания около значения 5000 К.

Опыты проводились с электродной вставкой с вогнутыми поверхностями и секционированными электродами. Сравнение фоторазвёрток, полученных при напряжённости магнитного поля более

4800Э, с фоторазвёртками, полученными в опытах с плазмой аргона, позволило предположить, что из областей с повышенной температурой развиваются Т-слои. За один пуск могло наблюдаться по нескольку слоёв, двигавшихся с интервалом около 50 мкс.

Измерения зависимости их скорости и токов, протекавших через нагрузку при различной её величине, подтвердило спонтанное развитие Т-слоёв в потоке плазмы натрия. На фиг. 5 показана зависимость полного тока в нагрузке от времени, когда через канал проходит токовый слой. Видно, что амплитуда тока при этом возрастает в 3 раза. Из ВАХ генератора, приведённой на фиг. 6, была оценена проводимость ст «30 Ом-'-см-1, что при скорости 4-Ю3 м/с приводит к значению Rem «0,3. Вне токового слоя Rem на порядок меньше. Величина магнитного числа Рейнольдса для токового слоя несколько ниже, чем в случае плазмы аргона, но соответствует пороговому значению возникновения Т-слоя.

Для исследования инициированных Т-слоев необходимо было снизить температуру потока и улучшить его однородность. Для этого на выходе источника устанавливалась лавсановая диафрагма толщиной ЗОмкм. В этом случае пары натрия задерживались в источнике на 1,2-5-1,4 мс, при этом давление достигало значения 4,5 бар. Фоторазвёртки течения показали, что скорость потока уменьшилась, взаимодействие потока с магнитным полем не наблюдалось.

Через 300 мкс после разрушения диафрагмы электрическим разрядом производилось инициирование температурного возмущения. Фоторазвёртки течения показали, что процесс взаимодействия области, занятой возмущением, качественно похож на тот, что наблюдался нами в опытах с аргоновой плазмы при Н=1600Э. Яркость свечения возмущения при его движении вдоль канала падала, скорость движения возмущения оставалась практически постоянной. Это свидетельствует о том, что здесь реализовывались пред-пороговые условия возникновения Т-слоя.

Измерения тока в нагрузке показали, что амплитуда тока в момент прохождения возмущения в канале возрастает более чем на порядок по сравнению с однородным потоком. На фиг. 7 приведены ВАХдля области возмущеши (1) и остального потока (2). Проводимость плазмы в возмущении составила порядок а «3 Ом '-см1, вне его ст «0,1 Ом-1-см-1. Магнитное число Рейнольдса имело порядок 1(И, что значительно ниже необходимого для развития Т-слоя. Делается вывод, что для исследования инициированного Т-слоя необходимо было увеличить напряжённость магнитного поля не менее, чем в два раза, что для имевшейся установки было сделать невозможно.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы:

•Впервые получено устойчивое спонтанное развитие Т - слоя в потоках плазм аргона и натрия в модели кондукционного дискового МГДГ. Показано, что:

1) возможна реализация режима течения с Т-слоем в МГДГ с отбором электрической мощности во внешнюю цепь;

2) возможно спонтанное развитие Т-слоёв в потоке с пониженной температурой торможения;

• Сравнение нагрузочных характеристик модели МГДГ с четырьмя вариантами конструкции электродных вставок показало, что наилучшими характеристиками обладает электродная вставка с вогнутыми поверхностями и секционированными электродами. Такая форма поверхностей вставки обеспечивает улучшение электрического контакта Т-слоя с электродами, что проявляется в увеличении доли тока,-протекающего через нагрузку, по сравнению с плоскими электродами;

• Разработан электроэрозионный источник плазмы щелочного металла, который может быть использован для генерации потока плазмы щелочного металла с расходом порядка 1кг/с;

•На основании приведённых результатов можно сделать вывод о перспективности дальнейших исследований МГДГ с Т-слоем на плазме щелочного металла.

Основные результаты опубликованы в следующих работах.

1. Грнднев Н.П., Кациельсои С.С., Керкис А.Ю., Поздняков Г.А., Пузырёв Л.П.,

Фомнчёв В.П. Экспериментальные и теоретические исследования процессов взаимодействия плазмы с магнитным полем в импульсном МГД-генераторе с дисковым каналом //Вопросы магнитной гидродинамики.-Новосибирск, 1979. С.3-71.

2. Яненко H.H., Кяцнельссн С.С., Керкис А.Ю., Поздняков Г.А., Фонят В.М.,Фоми-

чсв В.П. Искусственное инициирование Т-слоя в потоке плазмы, взаимодействующем с магнитным полем // ЧММСС. - 1978. -Т.9, № 5.

3. Грнднев Н.П., Кшщельсон С.С., Поздняков Г.А., Фом1ш В.М., Фомнчёв В.П., Янен-

ко H.H. Дисковый МГД-генератор с неоднородным по проводимости потоком // Труды 8 Международной конференции по МГД-преобразованию энергии. - М., 1983. T.4.

4. Поздняков Г.А., Фомнчёв В.П. Определение плотности электронов н температуры

плазмы по измерениям поглощения лазерного излучения Х= 10,6 мкм и давления // Материалы VII Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы. -Алма-Ата, 1977. - T.III. - С.39-42.

5. Керкис А.Ю., Поздняков Г.А., Фомнчёп В.П. Некоторые методы экспериментально-

го исследования МГД- течений в импульсных электроразрядных установках // Вопросы магнитной гидродинамики. - Новосибирск, 1979. - С.170-202.

б. Gridnev N.P., Katsnelson S.S., Pozdniakor G.A., Fomfehev V.P. Rezults of study on disk MHD channel with radial flow// Proc. of IX International Conference on MHD Electrical Power Generation. - Tsucuba, 1986.

фиг. 1

фиг. 4

I. leo A

/

/

J

V'

фиг. S

фнг. б

фиг. 7