一种以高速液态金属为发电工质的脉冲磁流体发电机的制作方法

本发明涉及一种以高速液态金属为发电工质的脉冲磁流体发电机。

背景技术：

磁流体发电机是二十世纪五十年代开始研究的一种新型发电方式，其原理和普通发电机原理相同，都是运动导体切割磁力线产生感生电动势和感生电流。

磁流体发电机主要有两种形式，高温等离子气体磁流体发电机和液态金属磁流体发电机(Liquid metal MHD简称LMMHD)。

高温等离子气体磁流体发电机以石油、煤、天然气等为热源的，将高温电离的导电气体作为工质来发电，由于其热源温度通常在3000K左右，它和蒸汽联合循环的发电效率可达50％～60％。

美国US2016172954A1公开的磁流体发电机系统复杂，包括磁流体发电机、燃烧室、燃气轮机和冷却系统等，在产生等离子体的过程中也损耗了大量能量，热流体循环系统和分离器等辅助系统，增加了整个发电系统的损失，使系统造价高昂，结构复杂，并且不能够用于产生高功率(MW级、GW级)的脉冲电能(μs级、ms级)。此外，在高温等离子体磁流体发电机系统中，发电工质的电导率远小于金属物质的电导率(10⁶S/m级)，大大影响了功率密度和效率。所以高温等离子气体磁流体发电机的功率密度偏低、造价高、在可移动性和轻便性方面缺乏竞争力。

美国专利5473205提出了一种可根据汽车功率要求而改变排量的往复式液态金属磁流体汽车发动机，开始了往复式LMMHD发电机的研究。LMMHD发电机是采用外力直接驱动单相液态金属，在穿过磁体工作气隙的发电通道内流动，切割磁力线，产生电能。由于采用直接驱动和单相液态金属发电工质，相比高温气体工质，LMMHD发电机的结构简单、导电率高、比热大、热源温度要求不高等优点。在变排量汽车发动机、分布式供电系统、海洋波浪能发电等领域具有广阔的应用前景。

中国CN103199670B公开一种液态金属磁流体发电机，其主要是通过液压系统推动液态金属流动切割磁力线产生电能，但是其发电机结构是往复液压循环结构，外力推动所能产生的液态金属速度远小于km/s级，其所能产生的电能远小于MW级，并且其采用液压往复系统和较慢速度，使其无法产生脉冲电能。同时，其通道结构为矩形，通道和电极之间没有绝缘层，说明通道材料为非金属，通道承压能力远小于圆形金属通道。

所以，LMMHD发电机具有液态金属高速驱动及轻便性等难题，并且LMMHD发电机具有低电压(约1V级)、大电流(kA级)的缺点，液态金属电导率高，但液态金属速度低，感生电动势低，电能质量很低，实际应用较为困难。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种以km/s级高速液态金属作为发电工质的脉冲磁流体发电机。

本发明主要由磁流体发电通道、环形磁体、一对内嵌式电极、发电工质、一对内嵌式绝缘层和绝缘套管组成。磁流体发电通道为通道入口为喇叭口，喇叭口逐渐缩小连接等直径的圆管至通道出口，磁流体发电通道材质为不锈钢。内嵌式电极同轴紧内嵌在磁流体发电通道与磁场方向平行的通道壁上，内嵌式电极的电极柱伸出环形磁体，在磁流体发电通道的出口端，用于引出电能。内嵌式镂空绝缘层同轴紧内嵌在磁流体发电通道与磁场方向平行的通道壁上，内嵌式镂空绝缘层起到一对内嵌式电极与磁流体发电通道之间的电气绝缘和密封作用。环形磁体包裹在磁流体发电通道的外周，磁流体发电通道穿过环形磁体的磁孔。绝缘套管套在磁流体发电通道和环形磁体之间，绝缘套管起到一对内嵌式电极和磁流体发电通道与环形磁体之间的电气绝缘作用。发电工质为异型加工呈锥型金属薄片，在通道入口法兰内，紧贴磁流体发电通道喇叭状入口内壁。磁流体发电通道入口处装有法兰，该法兰与外部驱动装置相连接，如炸药室或驱动室。环形磁体为两极磁体，产生与发电工质流动方向相垂直的磁场。发电工质采用紫铜，常温下为固态，熔化状态下电导率为5.7×10⁷S/m，化学稳定性好，熔点较低，易在高温高压下形成液态金属射流。

所述的一对内嵌式电极内嵌在内嵌式镂空绝缘层上，使磁流体发电机可以使用不锈钢，内嵌式镂空绝缘层起到内嵌电极和不锈钢的电气绝缘和通道密封作用，从而提高了通道承压能力。同时发电工质采用了异型加工呈锥型的铜薄片，厚度为3mm，铜在受热后易熔化并具有高延展性，在高温高压下锥形铜薄片易熔化形成高速金属射流，进行发电。所以本发明的磁流体发电机使用金属通道，高电导率的金属作为发电工质，熔化状态下电导率为10⁷S/m级，在外部驱动装置驱动下，如炸药，发电工质速度可达km/s级，通过对发电通道的长度和发电工质的速度进行匹配，该新型磁流体发电机输出电压高，远大于1V级，输出功率可达MW级或GW级，输出脉宽可达μs级或ms级。解决了高温等离子气体磁流体发电机的功率密度偏低、系统结构复杂、造价高和难以产生脉冲电能等缺点。同时，解决了液态金属磁流体发电机的无法使用金属通道、液态金属高速驱动、输出功率低、电压低(约1V级)、电能质量低和难以产生脉冲电能的缺点。因此本发明的脉冲磁流体发电机的输出功率密度大、电能质量高、脉冲宽、结构简单紧凑、体积较小，可作为电磁弹射和电磁推进的脉冲功率电源使用。

本发明工作原理和工作过程如下：

当外部驱动装置热量熔化位于磁流体发电通道入口端的发电工质形成液态金属，并驱动液态金属形成高速射流，从而使发电工质高速通过磁流体发电通道，发电工质在有磁场的磁流体发电通道内切割磁力线，从而产生高功率脉冲电能，通过一对内嵌式电极的电极柱导出，发电工质在磁流体发电通道出口端喷出。

附图说明

图1为本发明液态金属脉冲磁流体发电机结构示意图，图中：1磁流体发电通道、1-1磁流体发电通道入口法兰、2内嵌式镂空绝缘层、3一对内嵌式电极、3-1电极柱、4绝缘套管、5环形磁体、6发电工质；

图2为本发明液态金属脉冲磁流体发电机通道图，图中：1磁流体发电通道、2内嵌式镂空绝缘层、3一对内嵌式电极、4绝缘套管、5环形磁体。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明液态金属脉冲磁流体发电机结构示意图。如图1所示，液态金属磁流体发电机主要由磁流体发电通道1，环形磁体5，一对内嵌式电极3，发电工质6，内嵌式镂空绝缘层2，以及绝缘套管4组成。磁流体发电通道入口处装有法兰1-1，法兰1-1与外部驱动装置相连接；发电工质6采用锥型铜薄片，紧贴磁流体发电通道喇叭状入口1内壁；内嵌式镂空绝缘层2和一对内嵌式电极3同轴内嵌在磁流体发电通道1与磁场方向平行的通道壁上，一对内嵌式电极内嵌在内嵌式镂空绝缘层上；环形磁体5包裹在磁流体发电通道1的外周，磁流体发电通道1穿过环形磁体5的磁孔；绝缘套管4套在磁流体发电通道1和环形磁体5之间的缝隙内；一对内嵌式电极3的电极柱3-1伸出环形磁体5。

图2所示为本发明液态金属脉冲磁流体发电机通道。内嵌式镂空绝缘层2和一对内嵌式电极3同轴紧内嵌在磁流体发电通道1与磁场方向平行的通道壁上；绝缘套管4套在磁流体发电通道1和环形磁体5之间的缝隙内。

当外部驱动装置热量熔化位于磁流体发电通道1入口的发电工质6形成液态金属，并驱动液态金属形成高速射流，从而使发电工质6高速通过磁流体发电通道1，发电工质6在环形磁体5产生磁场的磁流体发电通道1内切割磁力线，从而产生高功率电能，通过一对内嵌式电极3的电极柱3-1导出，发电工质6在磁流体发电通道1出口端喷出。

本发明液态金属脉冲磁流体发电机通道长为300mm，磁流体发电通道内径25mm，内嵌电极长度为150mm，发电工质的速度为5000m/s，发电工质为紫铜，熔化状态下电导率为5.7×10⁷S/m，磁场强度1T的条件下，输出功率约为MW级，输出脉宽约为30μs。