МГД-ГЕНЕРАТОРЫ И УСТРОЙСТВА
МГД-машины обратимы, т.е. могут работать как в насосном, так и в генераторном режиме. Генераторный режим работы МГД-машин с жидкометаллическим рабочим телом представляет интерес с точки зрения использования их в схемах прямого преобразования тепловой энергии в электрическую [104].
Тепловые схемы систем энергетики, использующих жидкий металл в качестве рабочего тела, отличаются в ряде случаев высоким уровнем температуры в цикле: 900—1000 °С и выше в горячей точке и 500— 600 °С и выше в холодной точке. Условие высокой рабочей температуры жидкометаллических машин сочетается с необходимостью обеспечения надежности, большого ресурса, малой массы и высокого КПД. Попытка реализации перечисленных выше условий в одной машине индукционного типа потребовала разработки высокотемпературной конструкции и создания для нее соответствующих активных и электроизоляционных материалов. Изготовлены жидкометаллические машины АМГ-5, прошедшие стендовые испытания с жидким калием и натрием при температурах до 550 °С [110]. Машины испытывали как в режиме насоса, так и в режиме генератора. В режиме генератора машина АМГ-5 преобразовывала энергию давления жидкого металла в электроэнергию и могла работать на жидком калии в режиме самовозбуждения при температуре рабочего тела и элементов конструкции 550- 600 °С (в том числе для обмотки и магнитопровода).
Номинальные расчетные параметры в этом режиме: срабатываемый перепад давления - 5,4 МПа, линейное напряжение - 400 В, частота — 78 Гц, емкость — 390 мкФ, КПД — 40%. Высокий перепад давления и сравнительно низкий расход по массе обусловили выбор винтового канала. Замкнутая магнитная система образована двумя шихтованными магнитопроводами, между которыми располагался винтовой канал. В закрытых пазах внешнего магнитопровода уложена трехфазная обмотка, создающая в рабочем зазоре вращающееся магнитное поле. Генератор помещали в герметичный кожух, заполненный аргоном при давлении 105 Па. Электрические выводы осуществляли через высокотемпературные гермовводы — спаи керамики с металлом.
В качестве электроизоляционных материалов выбраны: фосфат магния (для изоляции жести), компаунд АФ-5 (для упрочнения винтового канала и лобовых частей обмотки), провод ПОЖ и стеклослюдинит ГСКВ (для витковой изоляции), стекломиканит и слюдопласт на кремнийорганических лаках (для корпусной изоляции), пропиточные составы: органосиликатный ВН-58НТ и СПВ-6.
С целью проверки принципа самовозбуждения и возможности устойчивой работы в этом режиме, определение стойкости тонкостенного канала в потоке калия, механической прочности конструкции в целом при температурных расширениях, а также совместимости материалов в среде аргона при температурах 550-600 °С были проведены ограниченные стендовые испытания такой машины. Общее время работы машины составило 152 ч, из них около 20 ч машина работала при номинальной температуре 550 °С и 130 ч - при температурах 300-475 °С. Максимальный перепад давления в машине, ограниченный контуром, не превышал 1,8 МПа при давлении на входе 2,5 МПа, что ниже номинального (5,4 МПа при давлении на входе 6,4 МПа). Поэтому наибольшая полезная мощность в режиме самовозбуждения составляла 500 Вт при КПД 18%. Пересчет на номинальное давление показал, что с учетом реальных потерь в машине может быть достигнута мощность 3,7 кВт при КПД 30%: В отдельных опытах скорость течения жидкого металла в канале соответствовала номинальной, равной 22 м/с, и даже превышала ее, достигая 25 м/с.
Разборка машины после испытания показала, что наружная изоляция винтового канала (стекломиканит) сохранилась, но стала черного цвета, что свидетельствовало о науглероживании материала; изоляция жести (фосфата магния) осталась неповрежденной; увеличилась хрупкость меди. Выявили, что хрупкость меди наступает при 600 °С, это объясняли наличием в инертной среде (в отсутствие отсоса) продуктов деструкции изоляции, их проникновением в межкристаллическую решетку меди и ее частичным разрушением. Выявили также, что термическая обработка обмотки в воздушной среде при 450 и 600 °С приводит к удалению продуктов деструкции изоляции и исключает хрупкость меди.
Наиболее интенсивные режимы были достигнуты на другой такой же машине, которая отличалась от первой наличием трехплоскостной обмотки и термообработанной изоляции. На такой машине в насосном режиме получены максимальные перепады давлений до 4,2 МПа, КПД 30% при расходе 0,62-10-3 м3/с и температуре машины и калия 300°С и соответственно 3,5 МПа; 23%; 0,55-10-3 м3/с при 500 °С. Полученные значения КПД превышают аналогичный показатель для подобных машин такой же мощности. Общее время работы этой машины в диапазоне температур 300—500 °С составило 302 ч с сохранением ее работоспособности [110].
При экспериментальных исследованиях некоторых типов жидкометаллических генераторов постоянного и переменного токов был достигнут КПД канала до 40% при выходной электрической мощности 2 кВт в генераторе постоянного тока и полный КПД 23,5% при мощности 2,7 кВт в генераторе переменного тока. Расчеты показали, что при выходной мощности в несколько сотен киловатт можно достичь полного КПД 50-60%.
Электроизоляционные материалы с высокой нагревостойкосгью применяли в конструкциях некоторых МГД-расходомеров для квазиста- ционарных и нестационарных потоков жидких металлов и электропроводящих сред с ионной проводимостью. Для измерения расхода проводящих сред был создан кондукционный расходомер РЭМ-74 с контролируемой градуировочной характеристикой [106]. Этот расходомер эксплуатировался в установках, где температура рабочего тела достигала 1000 °С. Диапазон измерения расхода составлял 0-2 л/с, причем максимальная погрешность при измерении не превышала ±3%. Прибор может найти широкое применение не только для измерения и регулирования расхода жидкометаллических сред в металлургии и ядерной энергетике, но и для сред с ионной проводимостью, особенно для агрессивных жидкостей в химической и других отраслях промышленности.
Приборы БИР-3 и БИР-5, разработанные для контуров ДУ-40 со щелочными металлами, давали возможность контролировать расход в пределах 0-10 л/с при температурах до 500 °С. Погрешность показаний расходомеров не превышала ±3%.
Рзработанные приборы работают на контурах с жидкометаллическим теплоносителем и на стендах регулирования специальных двигателей. Они найдут применение в различных отраслях промышленности для контроля и регулирования нестационарных потоков.
Кроме описанного МГД-оборудования разработаны высокотемпературные МГД-устройства для перекачивания непроводящих жидкостей, для принудительного нагнетания или торможения потока жидкого металла в разнообразных установках литейного производства. В последнее время наметился значительный прогресс в области создания и использования высоконагревостойких лотковых систем. Например, разработана технологическая схема выдачи алюминиевого сплава непосредственно из печи.
МГД-дроссели успешно применялись для регулирования истечения жидкого металла из промежуточных емкостей. Они не могли полностью остановить течение жидкого металла, но позволили в довольно широких пределах регулировать скорость потока, что вполне достаточно для многих практических задач, например для регулирования подачи металла в кристаллизатор. Дроссели состоят из индуктора постоянного магнитного поля и канала и имеют различное конструктивное исполнение. МГД-дроссели имеют существенные преимущества перед известной механической регулирующей арматурой: высокую стабильность характеристик и быстродействие; возможность плавного дистанционно-прецизионного регулирования расхода; в 10—20 раз меньший коэффициент гидравлического сопротивления, чем у механического вентиля.
МГД-дроссели предназначены для регулирования расходов от тысячных долей до десятков тысяч кубических метров в час. Представляют значительный интерес также МГД-устройсгва для перемешивания жидких металлов в процессе плавки [106].
Все описанные выше высокотемпературные МГД-устройсгва не могли быть созданы без обмоточных проводов и электроизоляционных материалов, способных длительней надежно работать при высоких температурах.
