針對未來航空航天任務(wù)對大功率空間電源的迫切需求,開展了國內(nèi)首次高溫惰性氣體法拉第型磁流體發(fā)電機(jī)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采用電弧加熱器作為模擬熱源,以氬氣作為工質(zhì),添加銫作為電離種子以提高工質(zhì)電導(dǎo)率,成功實(shí)現(xiàn)了對法拉第型磁流體發(fā)電機(jī)的原理性驗(yàn)證,在1T磁場環(huán)境的試驗(yàn)條件下取得了最高194 W的發(fā)電功率,功率密度為866kW/m³。根據(jù)試驗(yàn)條件對發(fā)電過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,分析結(jié)果表明:發(fā)電機(jī)輸出性能受電極壓降和工質(zhì)速度的影響較大,需要在后續(xù)研究中改進(jìn)發(fā)電機(jī)工藝以降低電極壓降,并對加速噴管重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。 

【文章來源】：航空學(xué)報(bào). 2020,41(11)北大核心EICSCD

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圖３法拉第型磁流體發(fā)電試驗(yàn)Ｆｉｇ．３ＦａｒａｄａｙｔｙｐｅＭＨＤｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ

／ｍ３。在壁面附近，由于工質(zhì)速度較低，靜溫較高，銫原子電離顯著，其分布明顯高于主流氣體。由于霍爾參數(shù)β∝Ｂ／ｐ，結(jié)合靜壓的分布（圖１２（ａ））可以看出，在壓力較大的區(qū)域霍爾參數(shù)較低，壓力較小的區(qū)域霍爾參數(shù)較高，如圖１７所示。電極間的霍爾參數(shù)在４．４～５．１之間，接近沙哈方程求解結(jié)果４．５８４。圖１４氣體電導(dǎo)率分布Ｆｉｇ．１４Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｇａｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ圖１５電子溫度分布Ｆｉｇ．１５Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ圖１６銫離子濃度分布Ｆｉｇ．１６ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＣｓｉｏｎｓｎｕｍｂｅｒｄｅｎｓｉｔｙ圖１７霍爾參數(shù)分布Ｆｉｇ．１７ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＨａｌｌｐａｒａｍｅｔｅｒ４結(jié)論１）開發(fā)了一套小功率法拉第型磁流體發(fā)電試驗(yàn)裝置，在１Ｔ磁場強(qiáng)度下，實(shí)現(xiàn)了１９４Ｗ的功率輸出，功率密度８６６ｋＷ／ｍ３，初步驗(yàn)證了高溫氣體磁流體發(fā)電的可行性。２）由開路電壓測量試驗(yàn)和未加磁場情況下的流場分析表明：受發(fā)電通道入口前端激波的影響，試驗(yàn)中工質(zhì)未達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)。３）結(jié)合電導(dǎo)率測量試驗(yàn)和三維仿真分析結(jié)

統(tǒng)采用的熱源方式，加熱速度約４０℃／ｈ［８］。為兼顧試驗(yàn)的時(shí)間成本和熱源品質(zhì)，本試驗(yàn)在研究過程中采用了電弧加熱器作為熱源。電弧加熱器可瞬間加熱氣體至２０００～６０００Ｋ，總壓維持至０．５ＭＰａ，同時(shí)具備較長持續(xù)時(shí)間，可以滿足對發(fā)電過程研究的需要。為便于進(jìn)行原理性驗(yàn)證，磁流體發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)為連續(xù)電極型。發(fā)電通道由耐高溫絕緣陶瓷制成，截面為等截面矩形，尺寸為１６ｍｍ×６４ｍｍ。發(fā)電機(jī)運(yùn)行中氣流方向、磁場方向和感應(yīng)電流的方向如圖１所示。發(fā)電通道側(cè)壁布置鎢銅合金電極。圖中，Ｕ為氣流方向，Ｂ為磁場方向。發(fā)電通道的輸出功率與工質(zhì)電導(dǎo)率、速度、磁場強(qiáng)度、發(fā)電通道體積等密切相關(guān)。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)功率為６２８Ｗ，發(fā)電通道中心磁場強(qiáng)度為１Ｔ，采用永磁體方案。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表１所示。圖１法拉第型磁流體發(fā)電機(jī)示意圖Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＦａｒａｄａｙｔｙｐｅＭＨＤｇｅｎｅｒａｔｏｒ表１ＭＨＤ發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Ｔａｂｌｅ１ＤｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＭＨＤｇｅｎｅｒａｔｏｒ參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值磁極距／ｍｍ１４工質(zhì)Ａｒ電極距／ｍｍ６４電離種子Ｃｓ入口總溫／Ｋ４０００種子濃度１０－４～１０－３入口總壓／ＭＰａ０．５電導(dǎo)率／（Ｓ·ｍ－１）１０入口速度／（ｍ·ｓ－１）１４００流量／（ｋｇ·ｓ－１）０．３３磁場強(qiáng)度／Ｔ１輸出功率／Ｗ６２８

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]磁流體動力學(xué)在航空工程中的應(yīng)用與展望[J]. 李益文,張百靈,李應(yīng)紅,肖良華,王宇天,何國強(qiáng).  力學(xué)進(jìn)展. 2017(00)



本文編號：3091784