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    電弧加熱高溫磁流體發(fā)電地面試驗(yàn)研究

    2019-11-07 10:52:30歐東斌楊國銘朱安文劉飛標(biāo)劉保林
    實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 2019年5期
    關(guān)鍵詞:磁流體盤式工質(zhì)

    歐東斌, 曾 徽,*, 楊國銘, 朱安文, 劉飛標(biāo), 王 鑄, 彭 燕, 劉保林

    (1. 中國航天空氣動力技術(shù)研究院 電弧等離子應(yīng)用裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100074; 2. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094; 3. 中國科學(xué)院 電工研究所, 北京 100190)

    0 引 言

    未來的星際探測活動中,探測器將在太空中飛行數(shù)年甚至數(shù)十年,對大功率電源的需求越來越迫切,開展新型空間發(fā)電技術(shù)的研究十分必要。對于千瓦甚至兆瓦量級的空間電源設(shè)計(jì)方案,國外大多采用基于核動力的磁流體(MHD)發(fā)電技術(shù),因其發(fā)電效率較高和系統(tǒng)質(zhì)量/功率比例較小等優(yōu)點(diǎn),獲得了大量

    研究成果。高溫MHD發(fā)電的概念最早由意大利的研究人員提出,他們首先提出了基于核反應(yīng)堆的兆瓦量級磁流體發(fā)電機(jī)的基本思路[1]。 基于深空探測電推進(jìn)系統(tǒng)大功率電源的需求,NASA于2011年提出了基于高溫氣冷反應(yīng)堆和磁流體發(fā)電的空間核電源技術(shù)[2]。

    對于MHD發(fā)電的空間核電源技術(shù),地面磁流體發(fā)電試驗(yàn)是驗(yàn)證空間高效核能磁流體發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵。Ellson等在1968年進(jìn)行了基于惰性氣體介質(zhì)的MHD發(fā)電試驗(yàn)研究[3]。 NASA 路易斯航天中心的研究人員發(fā)展了一套MHD發(fā)電地面試驗(yàn)設(shè)備,MHD發(fā)電通道使用28對電極,采用非平衡電離技術(shù)提高試驗(yàn)工質(zhì)電導(dǎo)率,磁流體發(fā)電功率達(dá)到2.2 kW。 美國AFAPL和Avoco-Everett公司采用火箭發(fā)動機(jī)和飛行器發(fā)動機(jī)驅(qū)動的方式,進(jìn)行了百千瓦量級MHD發(fā)電地面原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)工作[4]。此外,美國提出并發(fā)展了空間脈沖式的MHD發(fā)電地面驗(yàn)證試驗(yàn)裝置,利用惰性氣體氦氣(He)為工質(zhì),同時(shí)注入鋰/鉀種子提高高溫氣體電導(dǎo)率的方式,進(jìn)行了MHD發(fā)電地面試驗(yàn)[5]。

    日本在MHD發(fā)電技術(shù)及空間應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的研究工作。東京工業(yè)大學(xué)的Okuno等對空間核動力磁流體發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了深入探討,給出了磁流體發(fā)電機(jī)詳細(xì)的理論分析和數(shù)值仿真結(jié)果,并分別設(shè)計(jì)了2套基于惰性介質(zhì)的盤式MHD發(fā)電機(jī)和直通式發(fā)電機(jī)[6-7]。 基于這2種類型的磁流體發(fā)電機(jī),先后建立了激波管MHD發(fā)電地面試驗(yàn)裝置、Fuji-1渦輪MHD發(fā)電地面試驗(yàn)裝置和CLEF-CCMHD發(fā)電地面試驗(yàn)裝置,進(jìn)行了關(guān)于磁流體發(fā)電原理驗(yàn)證的地面試驗(yàn)[8-14]。

    空間核電源磁流體發(fā)電利用核反應(yīng)堆裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),產(chǎn)生熱能并將試驗(yàn)工質(zhì)加熱至高溫狀態(tài)。國際上普遍采用電弧加熱的方式開展空間磁流體發(fā)電技術(shù)的地面試驗(yàn)驗(yàn)證[2]。電弧加熱器利用陽極和陰極之間放電擊穿試驗(yàn)工質(zhì),產(chǎn)生熱電弧對試驗(yàn)工質(zhì)加熱,所獲得的高溫氣流處于熱力學(xué)平衡狀態(tài),與核能加熱高溫發(fā)電工質(zhì)的氣流狀態(tài)類似,可以有效模擬空間核電源磁流體發(fā)電機(jī)的入口熱參數(shù)。基于電弧加熱方式,本文開展了磁流體發(fā)電的原理驗(yàn)證和地面試驗(yàn)裝置集成試驗(yàn)研究,利用中國航天空氣動力技術(shù)研究院的長分段電弧加熱器,結(jié)合直通式磁流體發(fā)電機(jī)和盤式磁流體發(fā)電機(jī),分別建立了一套電弧加熱磁流體發(fā)電地面試驗(yàn)裝置,并開展相關(guān)試驗(yàn)研究?;谥蓖ㄊ組HD發(fā)電機(jī)進(jìn)行了小功率磁流體發(fā)電試驗(yàn),驗(yàn)證了磁流體發(fā)電技術(shù)的可行性和可靠性;基于盤式MHD發(fā)電機(jī),進(jìn)行了大功率MHD發(fā)電地面試驗(yàn),為磁流體發(fā)電技術(shù)發(fā)展及空間應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

    1 MHD發(fā)電原理

    磁流體發(fā)電是將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的新型發(fā)電方式,基本原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律,所不同的是用導(dǎo)電流體代替固體導(dǎo)體。導(dǎo)電流體以一定速度通過與流動方向垂直的磁場,切割磁力線而產(chǎn)生感生電動勢,從而產(chǎn)生電能,其基本原理如圖1所示。磁流體發(fā)電機(jī)的輸出功率可以用公式(1)表示:

    P=CK(1-K)σu2B2

    (1)

    其中C為系數(shù),K為負(fù)載電阻,σ為電導(dǎo)率,u為氣流運(yùn)動速度,B為磁場強(qiáng)度。對于磁流體發(fā)電,國內(nèi)外一般采用高溫惰性氣體作為試驗(yàn)工質(zhì),氬氣(Ar)或氦氣為主要選擇。從公式(1)可以看出,為獲得較高的磁流體發(fā)電輸出功率,高溫惰性介質(zhì)應(yīng)該具有高電導(dǎo)率、高速度,同時(shí)磁流體發(fā)電機(jī)應(yīng)該具有較高的磁場強(qiáng)度。

    (a) 直通式MHD發(fā)電機(jī)

    (b) 盤式MHD發(fā)電機(jī)

    對于實(shí)際高溫氣體磁流體發(fā)電系統(tǒng),試驗(yàn)工質(zhì)需要滿足一定的電子數(shù)密度(>1019m-3)。試驗(yàn)工質(zhì)進(jìn)行充分電離,獲得一定電導(dǎo)率的導(dǎo)電工質(zhì),是實(shí)現(xiàn)磁流體發(fā)電的關(guān)鍵。目前提高電離度的方式主要有:(1)通過高溫?zé)犭婋x的方式電離惰性氣體。為了獲得足夠高的電子數(shù)密度,氣流溫度要求非常高,達(dá)到幾千甚至上萬K;(2)非平衡電離。此方法又可以分為2種:一種是通過外部高能脈沖在極短時(shí)間內(nèi)向試驗(yàn)介質(zhì)注入能量,提高電子數(shù)密度;另一種是在試驗(yàn)介質(zhì)中添加活性堿金屬,作為種子注入高溫氣流中,提高氣流的電導(dǎo)率。圖2給出了磁流體發(fā)電典型狀態(tài)下,惰性氣體氬氣和氦氣在添加/不添加堿金屬種子情況下電子數(shù)密度ne與電子溫度Te的關(guān)系。在不添加種子的情況下,氣流要達(dá)到足夠高的電子數(shù)密度,氬氣和氦氣的溫度至少需要6000 K,這對試驗(yàn)裝置提出了很高的要求,不利于MHD發(fā)電系統(tǒng)的工程應(yīng)用。采用銫(Cs)種子注入的方式可以有效降低磁流體發(fā)電實(shí)驗(yàn)的入口溫度:在入口溫度2000 K的條件下仍能保證氣體電子數(shù)密度高于1019m-3,極大降低了磁流體發(fā)電技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證和后續(xù)實(shí)際空間應(yīng)用的難度。因此,目前的磁流體發(fā)電試驗(yàn)基本采用“惰性氣體+活性堿金屬種子注入”的方式開展相關(guān)的研究工作。依據(jù)圖2中的結(jié)果,本研究采用氬氣作為試驗(yàn)發(fā)電工質(zhì),并利用注入銫種子的方法提高試驗(yàn)工質(zhì)電導(dǎo)率,開展相關(guān)的磁流體發(fā)電地面試驗(yàn)工作。

    目前主流的磁流體發(fā)電方式主要采用2種形式:直通式磁流體發(fā)電機(jī)和盤式磁流體發(fā)電機(jī)。直通式磁流體發(fā)電機(jī)的通道為矩形直線型結(jié)構(gòu),高溫導(dǎo)電工質(zhì)直接流過發(fā)電通道,在垂直于流動方向和磁場方向產(chǎn)生電場,通過布置在不同位置的多對電極輸出電能。直通式MHD發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)簡單,原理也比較清楚,效率較高;難點(diǎn)在于涉及電極分段問題,所使用的鞍型超導(dǎo)磁體制造工藝較為復(fù)雜。盤式MHD發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理基于霍爾效應(yīng)[15],此類發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)裝置擁有目前最高的發(fā)電效率。相比于直通式MHD發(fā)電機(jī),相同距離下盤式MHD發(fā)電機(jī)的電壓更高,意味著更高的電能輸出能力。同時(shí),盤式MHD發(fā)電機(jī)使用簡單的環(huán)形電極,電壓壓降小,其相對簡潔的結(jié)構(gòu)布局使得對應(yīng)的磁體系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單,利于超導(dǎo)磁體的小型化設(shè)計(jì)??紤]發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、技術(shù)難度、閉環(huán)使用等因素,盤式MHD發(fā)電機(jī)在實(shí)際空間應(yīng)用方面更具優(yōu)勢。故本文進(jìn)行了兩階段的磁流體發(fā)電試驗(yàn):利用直通式MHD發(fā)電機(jī)進(jìn)行了小功率磁流體發(fā)電可行性和可靠性的原理驗(yàn)證試驗(yàn);在此基礎(chǔ)上,開展盤式MHD發(fā)電機(jī)的正式試驗(yàn),進(jìn)行大功率磁流體發(fā)電的試驗(yàn)研究。

    圖2 電子數(shù)密度隨電子溫度的變化[14]

    2 MHD發(fā)電試驗(yàn)

    磁流體發(fā)電試驗(yàn)在中國航天空氣動力技術(shù)研究院高溫氣體動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。為了滿足MHD發(fā)電系統(tǒng)的入口溫度參數(shù),提高氣流焓值,試驗(yàn)采用長分段電弧加熱器。該型加熱器是在管狀電弧加熱器和疊片式電弧加熱器的基礎(chǔ)上,結(jié)合了二者結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn),加入了分段吹氣技術(shù)而發(fā)展起來的,是一種中焓的電弧加熱器,相比于管式電弧加熱器可以獲得更高的溫度和焓值。

    2.1 直通式磁流體發(fā)電試驗(yàn)

    圖3給出了基于電弧加熱的直通式磁流體發(fā)電系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置的示意圖。該試驗(yàn)裝置主要組成部分包括:電弧加熱器、銫種子注入裝置、混合室、加速噴管、光學(xué)測量片和MHD發(fā)電機(jī)等。電弧加熱器將冷態(tài)下的氬氣工質(zhì)加熱至高溫狀態(tài),電弧加熱器下游接混合室,混合室內(nèi)通過注入冷氣流與上游熱氣充分混合,從而調(diào)節(jié)氣流溫度并穩(wěn)定壓力。本試驗(yàn)中,銫注入裝置在一側(cè)接入混合室,該裝置由一條銫種子供給管路和一條吹除管路組成。由于銫是活性堿金屬,與空氣接觸容易被氧化,故試驗(yàn)前利用氬氣吹除整個(gè)管路中的氣體介質(zhì),并使用惰性氣體隔絕銫種子與空氣的接觸。試驗(yàn)時(shí),銫經(jīng)過預(yù)熱形成銫蒸氣,利用上游高壓載氣驅(qū)動,并使用流量調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)銫供給流量。銫蒸氣在載氣的作用下注入混合室,與主氣流進(jìn)行混合,從而獲得高電導(dǎo)率的導(dǎo)電工質(zhì)。導(dǎo)電工質(zhì)氣體通過收縮-擴(kuò)展噴管,經(jīng)噴管加速形成超聲速氣流,提供MHD發(fā)電試驗(yàn)所需的入口溫度、壓力和速度等參數(shù)。噴管設(shè)計(jì)為喉道51.5 mm×14.0 mm,出口為64.0 mm×14.0 mm,設(shè)計(jì)名義馬赫數(shù)為1.56(比熱比γ=1.29)。

    圖3 直通式MHD發(fā)電系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置示意圖

    Fig.3Schematicdiagramofground-basedexperimentsforlinearMHDpowergenerationsystem

    直通式MHD發(fā)電機(jī)主要有2部分:直通式發(fā)電通道和永磁體。直通式發(fā)電通道結(jié)構(gòu)較為簡單,從入口到出口為矩形等直段,發(fā)電通道橫截面尺寸為64 mm×14 mm, 通道長度250 mm??紤]發(fā)電通道的耐高溫、絕緣特性要求,電極采用鎢銅合金,絕緣材料采用氮化硼,在發(fā)電通道內(nèi)側(cè)壁布置電極。永磁體環(huán)繞在發(fā)電通道四周,并提供垂直于發(fā)電通道氣流流向的磁場,磁場強(qiáng)度為1 T。直通式MHD發(fā)電試驗(yàn)中電弧加熱器和MHD發(fā)電試驗(yàn)參數(shù)見表1。

    表1 直通式MHD發(fā)電試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Operation parameters for linear MHD ground-based tests

    為了監(jiān)測MHD發(fā)電試驗(yàn)過程中高溫、高電導(dǎo)率氣流的參數(shù)和銫注入情況,設(shè)計(jì)了2套光學(xué)測量片:一套安裝在加速噴管和MHD發(fā)電通道之間,用于監(jiān)測發(fā)電通道入口的氣流參數(shù);一套安裝在MHD發(fā)電通道出口,用于監(jiān)測發(fā)電通道出口的氣流參數(shù)。采用發(fā)射光譜測量技術(shù),監(jiān)測銫原子在可見波段的譜線,從而獲得對高溫氣流參數(shù)的定性、定量認(rèn)識。

    2.2 盤式磁流體發(fā)電試驗(yàn)

    盤式磁流體發(fā)電地面試驗(yàn)裝置示意圖如圖4所示。區(qū)別于直通式MHD發(fā)電試驗(yàn),盤式MHD裝置的混合室之后沒有連接收縮-擴(kuò)展噴管,混合室直接與盤式發(fā)電機(jī)連接,利用盤式發(fā)電機(jī)入口的環(huán)形流道作為喉道,在發(fā)電通道內(nèi)形成超聲速氣流。為了監(jiān)測盤式發(fā)電機(jī)的氣流參數(shù),在發(fā)電通道入口和出口各安裝一套測量片,分別測量發(fā)電通道入口和出口的溫度、壓力等參數(shù)。本研究基于電弧加熱器提供的壓力、溫度和速度條件開展發(fā)電試驗(yàn),盤式發(fā)電機(jī)超導(dǎo)磁體的磁場強(qiáng)度為7 T,發(fā)電試驗(yàn)的具體試驗(yàn)參數(shù)見表2。

    圖4 盤式MHD發(fā)電系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置示意圖

    Fig.4Schematicdiagramofground-basedexperimentsfordiskMHDpowergenerationsystem

    表2 盤式MHD發(fā)電試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Operation parameters for disk MHD ground-based tests

    為保證盤式發(fā)電機(jī)發(fā)電通道內(nèi)建立穩(wěn)定的超聲速流場,盤式發(fā)電機(jī)出口需要滿足低于30 kPa的負(fù)壓環(huán)境,因此在盤式發(fā)電機(jī)后安裝氣流引射裝置。實(shí)際的盤式磁流體發(fā)電機(jī)地面試驗(yàn)裝置見圖5。

    圖5 盤式MHD發(fā)電試驗(yàn)設(shè)備照片

    3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

    (a) 燈陣未亮

    (b) 燈陣點(diǎn)亮

    Fig.6ComparisonofpowergenerationONandOFFforlinearMHDgenerator

    圖7(a)給出了800~1000 nm波長范圍內(nèi)的光譜圖,可以明顯看到銫原子2條孤立的譜線,圖7(b)給出了銫原子2條譜線的光譜強(qiáng)度隨時(shí)間變化的結(jié)果。從圖中可以看到,電弧啟動階段,銫原子譜線強(qiáng)度有1個(gè)尖峰,其產(chǎn)生的原因在于:電弧加熱器運(yùn)行分為引弧階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段,在引弧階段,少量氬氣進(jìn)入電弧加熱器,并被瞬間擊穿,啟動電弧加熱器。此段時(shí)間內(nèi)引弧氬氣的質(zhì)量流量(100g/s量級)低于穩(wěn)定運(yùn)行階段氬氣質(zhì)量流量(10~102g/s量級)1~2個(gè)數(shù)量級,氣流溫度要高于穩(wěn)定運(yùn)行階段的氣流溫度,電弧加熱器內(nèi)殘余的銫在高溫作用下光譜強(qiáng)度增加;在穩(wěn)定運(yùn)行階段,氬氣主氣流進(jìn)入電弧加熱器,建立穩(wěn)定的流場,氬氣質(zhì)量流量增加,此時(shí)流場溫度低于引弧瞬間的氣流溫度,流場內(nèi)殘余銫的光譜強(qiáng)度出現(xiàn)明顯回落,直至銫種子注入裝置重新注入銫至電弧加熱器。電弧加熱器穩(wěn)定運(yùn)行后,銫原子譜線強(qiáng)度有一個(gè)明顯的時(shí)間延遲,延遲時(shí)間在1 s左右,顯示銫注入落后于電弧加熱器的啟動。銫種子重新注入后,其原子譜線強(qiáng)度迅速增加,并在一個(gè)較高信噪比的區(qū)間波動變化。基于Boltzmann畫圖法,圖7(c)給出了基于銫原子譜線強(qiáng)度獲得的電子溫度,整個(gè)試驗(yàn)過程中電子溫度的波動較大,其原因在于銫種子注入的不穩(wěn)定,引起高溫試驗(yàn)介質(zhì)電導(dǎo)率的變化和不均勻。

    (a) 波長分辨光譜圖

    (b) 銫原子譜線強(qiáng)度

    (c) 電子溫度

    圖8給出了一組工況下直通式MHD發(fā)電機(jī)輸出功率的結(jié)果,發(fā)電功率在百瓦量級,最大輸出功率達(dá)到196 W。從發(fā)電功率的變化曲線可以看到,輸出功率存在一定的波動,可能是由于銫注入不穩(wěn)定,導(dǎo)致高溫惰性氣體電導(dǎo)率發(fā)生變化,從而引起發(fā)電功率的波動,這為后續(xù)試驗(yàn)的開展提出了改進(jìn)和優(yōu)化的方向,可以通過多頻次、短時(shí)間脈沖注入種子的方式提高銫注入的穩(wěn)定性,提升高溫氣流電導(dǎo)率隨時(shí)間變化的均勻性。

    圖9給出了盤式MHD發(fā)電的試驗(yàn)結(jié)果,在磁場強(qiáng)度7 T、總溫2200 K,總壓0.39 MPa的試驗(yàn)條件下,盤式發(fā)電機(jī)的最大輸出功率達(dá)到了10.5 kW。從公式(1)可知,負(fù)載電阻的大小影響發(fā)電功率,圖9(b)給出了磁場強(qiáng)度7 T下,發(fā)電功率隨不同負(fù)載電阻的變化。磁流體發(fā)電機(jī)在負(fù)載電阻0.5 Ω時(shí)獲得最大輸出功率,隨著負(fù)載電阻的增加,盤式發(fā)電機(jī)的輸出功率迅速下降,在2.5 Ω負(fù)載電阻時(shí),發(fā)電功率僅有0.3 kW。發(fā)電功率實(shí)測值隨負(fù)載電阻的變化規(guī)律并不完全遵循公式(1)中的函數(shù)關(guān)系,這是由于實(shí)際試驗(yàn)過程中,難以完全控制銫種子注入的穩(wěn)定性和一致性,發(fā)電工質(zhì)的電子數(shù)密度無法保持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)量級,從而引起電導(dǎo)率的變化,多次試驗(yàn)中電導(dǎo)率的差異引起的發(fā)電功率的波動。值得注意的是,在保持發(fā)電機(jī)入口溫度、壓力參數(shù)和磁場強(qiáng)度不變的情況下,改變銫種子注入的方式會引起輸出發(fā)電功率的波動,說明銫種子注入的方式引起了高溫氣流電導(dǎo)率的變化,銫注入的不穩(wěn)定性限制了盤式發(fā)電機(jī)輸出功率的提高。分析銫注入不穩(wěn)定的原因,可以概況為:(1)銫注入裝置注入的不穩(wěn)定性。銫種子要經(jīng)預(yù)熱+高壓載氣驅(qū)動,通過細(xì)長的管路注入混合室,銫種子流量是通過上游的流量計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié),下游銫蒸汽注入混合室的過程是否均勻、穩(wěn)定難以保證;(2) 銫與主氣流混合的不穩(wěn)定性。銫注入的質(zhì)量流量在0.2~0.5 g/s,遠(yuǎn)低于氬氣工質(zhì)的流量(300 g/s),銫與高速氣流之間難以保證充分、均勻的混合,從而引起空間方向電導(dǎo)率的變化,同時(shí),試驗(yàn)介質(zhì)在盤式發(fā)電機(jī)內(nèi)加速,發(fā)電通道內(nèi)存在溫度、速度梯度,可能引起氣流方向銫濃度的變化,從而引起氣體電子數(shù)密度的變化。

    圖8 直通式MHD發(fā)電機(jī)輸出功率

    Fig.8TemporalresolvedresultsofoutputpowerforlinearMHDpowergenerator

    (a) 單個(gè)工況

    (b) 輸出發(fā)電功率與負(fù)載電阻的關(guān)系

    Fig.9TemporalresolvedresultsofoutputpowerfordiskMHDpowergenerator

    4 結(jié) 論

    本文利用電弧加熱方式初步開展了磁流體發(fā)電地面試驗(yàn)研究,通過長分段電弧加熱器提供磁流體發(fā)電機(jī)的入口熱參數(shù),進(jìn)行了直通式磁流體發(fā)電和盤式磁流體發(fā)電的地面試驗(yàn),得到如下結(jié)論:

    (1) 發(fā)展了一套直通式小功率磁流體發(fā)電地面試驗(yàn)裝置,在1 T磁場強(qiáng)度下,直通式磁流體發(fā)電機(jī)的最大輸出功率達(dá)到196 W,初步的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了磁流體發(fā)電的可行性,提高了對直通式磁流體發(fā)電機(jī)特性的認(rèn)識。

    (2) 發(fā)展了一套盤式大功率磁流體發(fā)電地面試驗(yàn)裝置,在磁場強(qiáng)度7 T、負(fù)載0.5 Ω試驗(yàn)條件下,盤式磁流體發(fā)電機(jī)的最大輸出功率達(dá)到10.5 kW,初步實(shí)現(xiàn)了大功率磁流體發(fā)電技術(shù)的突破。

    (3) 基于發(fā)射光譜非接觸式測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對發(fā)電過程高溫氣流參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,測量得到了銫種子的原子譜線及其光譜強(qiáng)度隨時(shí)間的變化,并獲得了高溫導(dǎo)電介質(zhì)電子溫度隨時(shí)間的變化,為定量、定性判斷種子注入均勻性和氣流電導(dǎo)率的變化提供了有效測試手段。

    (4) 基于發(fā)射光譜測量結(jié)果和磁流體發(fā)電機(jī)實(shí)際功率輸出結(jié)果發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)過程中發(fā)電工質(zhì)電導(dǎo)率的波動較大,可能的原因是銫種子注入的不穩(wěn)定引起了發(fā)電工質(zhì)電子數(shù)密度的變化。

    后續(xù)的研究工作將通過優(yōu)化種子注入穩(wěn)定性、提高試驗(yàn)工質(zhì)電導(dǎo)率、優(yōu)化發(fā)電通道設(shè)計(jì)等方式,提升大功率磁流體發(fā)電機(jī)的輸出性能,開展相關(guān)試驗(yàn)裝置地面集成試驗(yàn)研究及實(shí)際空間應(yīng)用。

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