Электромагнитная турбина

Электромагнитная турбина

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к электромагнитным турбинам. В частности, хотя не исключительно, настоящее изобретение относится к электромагнитным турбинам для выработки электроэнергии.

Уровень техники

[0002] Один из основных принципов физики состоит в связи между электричеством и магнетизмом. Эта связь впервые наблюдалась в середине 1800-ых годов, когда было замечено, что электрический ток, проходящий через проводник в форме простого стержня, индуцирует магнитное поле, направленное перпендикулярно к направлению прохождения электрического тока. В результате появления индуцированного магнитного поля каждый из подвижных зарядов, составляющих электрический ток, испытывает воздействие силы. Сила, воздействующая на каждый из подвижных зарядов, вырабатывает воздействующий на проводник крутящий момент, пропорциональный магнитному полю.

[0003] Вышеупомянутые основные взаимодействия между электрическими и магнитными полями представляют собой основные научные принципы, лежащие в основе работы электродвигателей и генераторов. Одна из самых простых форм электрогенератора была впервые продемонстрирована Майклом Фарадеем, использовавшим устройство, теперь называемое диском Фарадея. Устройство Фарадея содержало медный диск, выполнявший поворот между полюсами постоянного магнита. При этом происходит выработка электрического тока, величина которого пропорциональна скорости поворота. Фактически диск Фарадея был первым униполярным электрическим генератором. Однако генератор Фарадея был чрезвычайно неэффективен вследствие электрических противотоков, ограничивающих выходную мощность на токосъемные провода, и эффектов паразитного нагревания медного диска.

[0004] В частности, электродвижущая сила, образуемая между центром и внешним диаметром поворотного диска радиуса R при частоте поворота ω в однородном магнитном поле В, равна

[0005] Это одна из ключевых формул для униполярной генерации, поскольку напряжение, полученное из отдельного каскада или ротора, представляет собой существенный фактор, определяющий эффективность отбора электрического тока от генератора. Для эффективной выработки тока это напряжение должно быть значительно выше внутренних потерь ротора, скользящих контактов и токовых соединительных проводов и/или окончательной нагрузки.

[0006] Вообще говоря, значение интеграла ∫B(r)r.dr представляет собой один из самых полезных факторов при сравнении различных конструкций. Этот интеграл определяет значение в единицах [В/рад/сек], которое может быть легко вычислено для любого распределения поля.

[0007] Несмотря на различные усовершенствования конструкции и материалов со времен демонстрации опытов Фарадея, в течение длительного времени униполярные генераторы обычно полагали чрезвычайно неэффективными. Тем не менее, униполярные генераторы обладают некоторыми уникальными физическими свойствами, делающими их желательными для определенных приложений. Во-первых, лишь униполярные генераторы способны вырабатывать на выходе истинный постоянный ток. Для большинства мультипольных генераторов необходимо выполнять коммутацию или выборочное переключение к обмоткам переменного тока для выработки на выходе постоянного тока. В дополнение к этому униполярные генераторы обычно вырабатывают низкие значения напряжения и большие значения тока.

[0008] Учитывая преимущества униполярного электродвигателя/генераторов, было бы выгодным предложить униполярный генератор с улучшенными характеристиками. Также было бы выгодным предложить униполярный генератор, устраняющий некоторые из вышеупомянутых недостатков известного уровня техники.

Раскрытие изобретения

[0009] В одном варианте реализации настоящее изобретение предлагает генератор, причем указанный генератор содержит:

первый магнитный узел и второй магнитный узел, причем первый и второй магнитные узлы выполнены параллельно для выработки магнитного поля и области с нулевым магнитным полем;

ротор, размещенный между первым и вторым магнитными узлами, причем ротор связан с ведущим валом, проходящим через первый и второй магнитные узлы, и часть ротора размещена в области с нулевым магнитным полем;

первое приспособление для передачи электрического тока, связанное с ротором в области с нулевым полем, и второе приспособление для передачи электрического тока, связанное с валом;

приводное приспособление, прикрепленное к валу,

причем активизация приводного приспособления вызывает поворот ротора в магнитном поле с образованием электрического потенциала между первым и вторым приспособлениями для передачи электрического тока.

[0010] В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения первый и второй магнитные узлы выполнены цилиндрическими. Соответственно, каждый из узлов содержит одну или большее количество катушек из сверхпроводящего материала, содержащихся внутри криогенной оболочки. В случае наличия в узлах множества сверхпроводящих катушек, эти катушки могут быть соединены вместе с образованием соленоида. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения сверхпроводящие проводящие катушки расположены в виде конкретных геометрических конфигураций. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения катушки могут быть расположены концентрически. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения катушки расположены коаксиально. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения одна или большее количество катушек внутри первого и второго магнитных узлов могут иметь противоположную полярность.

[0011] Сверхпроводящие катушки могут быть выполнены из любого подходящего сверхпроводящего провода. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения сверхпроводящий провод представляет собой сверхпроводящий провод из Nb₃Sn. В качестве альтернативы катушки могут быть выполнены из сверхпроводящего провода из NbTi.

[0012] Соответственно, ротор и вал выполнены из подходящего проводящего материала. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения вал и ротор выполнены как одно целое. Ротор может быть выполнен в виде сплошного диска. В качестве альтернативы ротор может быть выполнен в виде традиционной конфигурации спицеобразного колеса с центральной ступицей и одной или большим количеством поперечин, связывающих внешний обод колеса со ступицей. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения ступица ротора выполнена полой, что обеспечивает возможность ввода ведущего вала от приводного приспособления. Ротор может быть выполнен в виде слоистой конструкции, где один или большее количество проводящих слоев механически соединены вместе с образованием ротора. В таких случаях каждый из слоев электрически изолирован от соседних роторов за исключением последовательного соединения, обеспечивающего прохождение электрического тока через ротор при повороте ротора в поле возбуждения.

[0013] Приспособления для передачи электрического тока могут быть выполнены в виде щеток, непосредственно контактирующих с ротором и валом. В наиболее предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения приспособления для передачи электрического тока выполнены в виде жидкометаллических щеток. В таком случае жидкометаллические щетки могут быть выполнены посредством канала, образованного в статоре, окружающем обод ротора, причем обод ротора может быть выполнен с дополнительной канавкой для дополнительного улучшения электрического контакта. Жидкий металл может быть введен в канал в статоре из резервуара под переменным давлением. Газ может также быть введен в канал во время уплотнения для уменьшения отрицательного воздействия влажности и кислорода на жидкий металл.

[0014] Соответственно этому приспособление для передачи электрического тока размещено снаружи относительно первого или второго магнитного узлов. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения приспособление для передачи электрического тока размещено в области, где напряженность магнитного поля ниже 0,2 Тл.

[0015] Соответственно этому приводное приспособление может быть выполнено в виде низкоскоростного привода. В таких случаях получаемый в результате электрический потенциал, выработанный посредством приспособлений для передачи электрического тока, представляет собой потенциал с низким значением напряжения и высоким значением тока. Приводное приспособление может быть высокоскоростным приводом. В таких случаях электрический потенциал, выработанный посредством приспособлений для передачи электрического тока, представляет собой потенциал с высоким значением напряжения и низким значением тока. Приводное приспособление может быть любым подходящим приводным приспособлением, таким как электродвигатель или ветряной электродвигатель, паровая турбина, гидротурбина и т.п.

[0016] В качестве другой особенности настоящего изобретения предложен генератор, содержащий каскад преобразования "постоянный ток - постоянный ток" и содержащий:

первый магнитный узел и второй магнитный узел, причем первый и второй магнитные узлы выполнены параллельно для выработки первичного возбуждающего поля и области с нулевым магнитным полем;

первый ротор, размещенный между первыми и вторым магнитными узлами, причем первый ротор выполнен с возможностью соединения с ведущим валом, и часть ротора размещена в области с нулевым магнитным полем;

электродвигатель, электрически соединенный с первым ротором, причем

электродвигатель размещен между третьим и четвертым магнитными узлами, расположенными параллельно для выработки возбуждающего поля для электродвигателя,

указанные третий и четвертый магнитные узлы вырабатывают множество вторичных областей с нулевым полем и

устройства электрического соединения электродвигателя размещены внутри вторичных областей с нулевым полем;

второй ротор, размещенный между первыми и вторыми магнитными узлами и соседним первым ротором, причем указанный второй ротор механически соединен с электродвигателем, а часть второго ротора размещена в области с нулевым магнитным полем,

приводное приспособление, механически соединенное с первым ротором,

причем активизация приводного приспособления вызывает поворот первого ротора внутри первичного возбуждающего поля с выработкой тока большой величины, проходящего через электродвигатель с выработкой крутящего момента для возбуждения второго ротора внутри первичного поля с выработкой на выходе тока низкой величины.

[0017] В качестве еще одной особенности настоящего изобретения предложен генератор, содержащий каскад преобразования "постоянный ток - постоянный ток" и содержащий:

первый магнитный узел и второй магнитный узел, причем первый и второй магнитные узлы выполнены параллельно для выработки первичного возбуждающего поля и области с нулевым магнитным полем;

первый ротор, выполненный с возможностью соединения с ведущим валом, причем часть ротора размещена в области с нулевым магнитным полем, образованной между первым и вторым магнитными узлами;

электродвигатель, электрически соединенный с первым ротором, причем

электродвигатель размещен между третьим и четвертым магнитными узлами, расположенными параллельно для выработки возбуждающего поля для электродвигателя,

указанные третий и четвертый магнитные узлы вырабатывают множество вторичных областей с нулевым полем и

устройства электрического соединения электродвигателя размещены внутри вторичных областей с нулевым полем;

второй ротор, размещенный рядом с первым ротором, причем указанный второй ротор механически соединен с электродвигателем, а часть второго ротора размещена в области с нулевым магнитным полем, образованной между первым и вторым магнитными узлами;

приводное приспособление, механически соединенное с первым ротором,

причем активизация приводного приспособления вызывает поворот первого ротора внутри первичного возбуждающего поля с выработкой тока большой величины, проходящего через электродвигатель с выработкой крутящего момента для возбуждения второго ротора внутри первичного поля с выработкой на выходе тока низкой величины.

[0018] Соответственно этому первый и второй роторы содержат внутренние и внешние приспособления для передачи электрического тока. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения внутренние приспособления для передачи электрического тока размещены в по меньшей мере одной из вторичных областей нулевого поля, а внешние приспособления для передачи электрического тока размещены в области нулевого поля. Приспособления для передачи электрического тока выполнены в виде жидкометаллических щеток. В таком случае жидкометаллические щетки могут быть выполнены посредством канала, выполненного в статоре, окружающем обод ротора, причем обод ротора может быть выполнен с дополнительной канавкой для дополнительного улучшения электрического контакта. Жидкий металл может быть введен в канал в статоре из резервуара под переменным давлением. Газ может также быть введен в канал для уменьшения отрицательного воздействия влажности и кислорода на жидкий металл.

[0019] Устройства электрического соединения для электродвигателя могут быть выполнены в виде внутреннего и внешнего приспособлений для передачи электрического тока. Соответственно этому внутреннее приспособление для передачи электрического тока размещено в первой области внутри областей со вторичным нулевым полем, а внешняя щетка размещена во второй области внутри областей со вторичным нулевым полем.

[0020] В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения первый, второй, третий и четвертый магнитные узлы обладают цилиндрической конструкцией. Соответственно этому каждый из узлов содержит одну или большее количество катушек из сверхпроводящего материала, содержащихся внутри криогенной оболочки. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения катушки выполнены с возможностью размещения концентрически. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения катушки расположены коаксиально. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения одна или большее количество катушек внутри первого и второго могут иметь противоположную полярность. Сверхпроводящие катушки могут быть выполнены от любого подходящего сверхпроводящего провода. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения сверхпроводящий провод представляет собой сверхпроводящий провод из Nb₃Sn. В качестве альтернативы катушки могут быть выполнены из сверхпроводящего провода из NbTi.

[0021] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения первый, второй, третий и четвертый магнитные узлы выполнены с возможностью размещения с взаимным наложением. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения третий и четвертый магнитные узлы выполнены концентрически относительно первого и второго магнитных узлов.

[0022] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения может иметь место третий ротор. Третий ротор размещен между пятым и шестым магнитными узлами таким образом, что часть третьего ротора размещена в области с нулевым магнитным полем, образованной между пятым и шестым магнитными узлами. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения третий ротор механически присоединен ко второму ротору и электрически изолирован от него.

[0023] Пятый и шестой магнитные узлы могут обладать цилиндрической конструкцией. Соответственно этому пятый и шестой магнитные узлы содержат одну или большее количество катушек из сверхпроводящего материала, содержащихся внутри криогенной оболочки. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения катушки выполнены концентрическими.

[0024] В качестве еще одной особенности настоящего изобретения предложен генератор, содержащий:

первый магнитный узел и второй магнитный узел, причем первый и второй магнитные узлы выполнены параллельно для выработки первичного возбуждающего поля и областей с нулевым магнитным полем;

третий и четвертый магнитные узлы, выполненные параллельно и размещенные концентрически внутри первого и второго магнитных узлов;

ротор, размещенный между магнитными узлами и выполненный с возможностью соединения с ведущим валом;

множество приспособлений для передачи электрического тока, соединенных в дискретных точках вдоль ротора, причем

каждое приспособление для передачи электрического тока размещено внутри области нулевого поля, образованной между магнитными узлами, с ротором, размещенным в области с нулевым полем, и вторым приспособлением для передачи электрического тока, связанным с валом;

приводное приспособление, прикрепленное к валу,

причем активизация приводного приспособления вызывает поворот ротора в магнитном поле с выработкой электрического потенциала между приспособлениями для передачи электрического тока.

[0025] Важное изменение, который может быть использовано в качестве альтернативы или дополнения к вышеупомянутому, состоит в использовании активной экранировки. Цель активной экранировки состоит в уменьшении магнитного поля рассеяния, образованного устройствами. Это обычно уменьшает окружающее устройства пространство, необходимое для безопасной работы или соответствия установленным требованиям. Требуемое пространство обычно представлено линией (в действительности представляющей собой трехмерную поверхность) вокруг устройств, вне которой напряженность магнитного поля ниже 5 Гауссов (линия "5 Гаусс").

[0026] Обычно магнитная экранировка или уменьшение напряженности поля за границей линии "5 Гаусс" достигнуты посредством большого количество стали или другого материала с большим значением магнитной проницаемости. В чувствительных к весу приложениях, использующих сильные магнитные поля, использование большого количества стали представляет собой существенный недостаток. Один способ устранения этого недостатка состоит в использовании питаемых энергией (активных) электромагнитных катушек, размещенных вне первичных электромагнитные катушек, создающих области поля возбуждения и нулевого поля.

[0027] Количество, размер и ориентация внешних магнитных активных катушек экранировки могут быть различными согласно необходимой величине погашения поля, типу и количеству используемого сверхпроводящего провода и внешним ограничениям на размер устройства, подлежащего активному экранированию. Хотя предпочтительные устройства преимущественно используют высокотемпературные и низкотемпературные сверхпроводящие материалы, возможно, могут быть использованы обычные проводящие материалы, такие как медный провод.

[0028] Предпочтительные устройства, обычно, используют или две или четыре дополнительных активных катушек экранировки. В предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения дополнительные активные катушки экранировки размещены коаксиально с предпочтительными главными катушками возбуждения и вторичными катушками создания нулевого поля. Вообще говоря, двухкатушечные устройства активной экранировки обладают несколько более низким полным расходом провода, чем конструкции с четырьмя катушками. Четырехкатушечные конструкции обеспечивают возможность большей свободы при размещении и регулировке катушек и, следовательно, обычно приводят к более эффективной экранировке.

[0029] Ниже приведены основные правила или принципы, используемые в качестве отправной точки для построения систем активной экранировки:

- Для двухкатушечного устройства предпочтительная отправная точка взята в виде пары катушек, диаметр которых в два раза больше диаметра узла главной катушки по средней линии. Расстояние между этими катушками предпочтительно равно радиусу одной из катушек активной экранировки. Это примерно представляет собой расположение катушки Гельмгольца.

- Четырехкатушечные системы экранировки обладают более точным управлением параметрами экранировки, но заключительное оптимальное техническое решение зависит от величины осевого и радиального полей, подлежащих экранировке. Четырехкатушечные конструкции имеют тенденцию требовать больший объем ручной оптимизации на индивидуальной основе. Обычно четырехкатушечное техническое решение требует пары внешних катушек большего диаметра, размещенных на небольшом расстоянии от главного корпуса устройства, и пары внутренних катушек меньшего диаметра, разнесенных на большее расстояние. В большинстве рассмотренных случаев расстояние между внутренними гасящими поле катушками примерно равно радиусу внешних гасящих поле катушек. Предпочтительно, чтобы осевое расстояние между каждой из четырех катушек также было одинаковым.

- Для главных катушек, которые преимущественно представляют собой длинные соленоиды, двухкатушечная система экранировки имеет тенденцию быть оптимальной. По мере изменения отношения сторон основных катушек возбуждения в сторону тонких плоских катушек, четырех-катушечное техническое решение дает все лучшую экранировку.

[0030] Важно отметить, что выше приведены общие принципы и что параметры катушки экранировки обычно должны быть дополнительно отрегулированы для получения оптимального технического решения. Тип провода, плотность тока, ширина и количество витков экранирующей катушки, диаметр и осевых положения наборов катушек могут быть подвергнуты изменению для оптимизации с целью лучшей экранировки, уменьшения стоимости и/или получения более легких устройств.

[0031] Важно отметить, что тип используемого провода и плотность тока для катушек активной экранировки могут быть отрегулированы для оптимизации стоимости, веса и объема устройства активной экранировки. Более высокие значения плотности тока обычно требуют использования более дорогого сверхпроводящего провода, но в то же самое время уменьшают общую массу или объем устройства. Более низкие значения плотности тока обеспечивают возможность использования более дешевого сверхпроводящего провода или более высоких рабочих температур, но за счет увеличенного полного веса устройства.

[0032] Предпочтительный вариант реализации приспособления для эффективной передачи тока в предпочтительных вариантах реализации электромагнитных турбин представляет собой использование эффективных жидкометаллических щеток между поворотными и стационарными частями соответствующих устройств.

[0033] Главный принцип работы этой конкретной особенности настоящего изобретения, а именно, жидкометаллических щеток передачи тока, состоит в том, что происходит передача тока между поворотным элементом в форме язычка и стационарным элементом с канавкой (или наоборот) через проводящую текучую среду или жидкий металл, размещенный между ними и проходящий около стационарного элемента.

[0034] Одна из наиболее существенных модификаций представляет собой изменения способов, посредством которых жидкометаллический материал распределен вокруг щетки и затем предпочтительно собран при простое устройства. Существует возможность выполнения устройства с резервуаром переменного давления, используемым для распределения жидкометаллического материала вокруг щетки, а также сбора жидкого металла вдали от поворотного тела.

[0035] В альтернативном устройстве жидкий металл может быть первоначально введен в узел через вентили текучей среды вокруг внешнего периметра внутреннего и внешнего узлов жидкометаллической щетки. Первоначально и при отсутствии поворота предпочтительно происходит сбор жидкого металла в самой низкой точке узла щетка/ротор, предпочтительно содержащегося в предпочтительных стационарных защитных контейнерах для жидкого металла, включающих сопутствующие уплотнения для текучей среды между стенками защитного контейнера и в выполняющем поворот вале.

[0036] В начале работы жидкий металл обычно постепенно вводят в канавку, созданную внешним кольцом токосъемного устройства, посредством комбинации силы трения и центробежной силы. Во время работы жидкий металл обычно будет однородно распределен по всей окружности ротора, ограниченной между якорем ротора и канавкой стационарного компонента щетки.

[0037] Еще одни дополнительные предпочтительные особенности устройства включают использование керамических подшипников во избежание искажений магнитного поля, вызванных использованием стальных или других основанных на ферритах подшипников, и использование непроводящих точек крепления вала для обеспечения электрической изоляции между валом ротора (который обычно проводит ток) и корпусом устройства.

[0038] Еще одно усовершенствование состоит в установке керамических подшипников на кольцевых уплотнителях с небольшой посадкой с зазором для учета теплового расширения поворотного вала. Без использования этого усовершенствования различные скорости теплового расширения между предпочтительным алюминиевым валом и керамическими подшипниками могут приводить к растрескиванию и поломке подшипников.

[0039] Внешний и внутренний узлы жидкометаллических щеток обладают некоторыми усовершенствованиями, содействующими работе узла и улучшающими характеристики щеток. Секция ротора, образующая проводящий якорь для узла жидкометаллической щетки, может быть прикреплена к поворотному узлу из диска и вала, что обеспечивает возможность использования в конструкции различных материалов. В одном варианте реализации настоящего изобретения узел диска/вала выполнен из алюминия, а якоря ротора выполнены из меди.

[0040] Канавка статора может быть выполнена из двух медных половинок, что обеспечивает возможность сборки над якорем ротора. Предпочтительно, чтобы узел статора с канавкой дополнительно содержал вентили или стоки, обеспечивающие возможность заполнения и стока жидкометаллического материала, а также порты, обеспечивающие возможность установки тепловых и других дополнительных датчиков.

[0041] Форма в поперечном сечении для предпочтительного варианта переносящего электрический ток диска может быть в виде раструба для помощи в сборе жидкометаллического материала при приведении устройства в состояние покоя. Жидкометаллический материал предпочтительно вытекает из предпочтительного варианта внешнего радиального канала с канавкой и может затем быть направлен к внутренним радиальным канавкам сбора посредством раструба на роторе. В конечном счете происходит сбор жидкого металла в самой низкой точке устройства.

[0042] При соединении узла ротора и щетки со сверхпроводящим магнитом ранее описанных конструкций происходит формирование полного электродвигателя или генератора.

[0043] Еще одно ключевое соображение относительно устройств типа электродвигателя или генератора, содержащих жидкометаллические щетки, относится к созданию практических устройств для долгосрочной работы. Обычно присутствие кислорода и/или влажность ухудшает характеристики жидкометаллических материалов. Как следствие, часто желательно размещать узел жидкометаллической щетки в окружающей среде инертного газа (предпочтительно в среде газообразного аргона при давлении немного выше атмосферного). Еще одно усовершенствование состоит в использовании герметизированного защитного контейнера, содержащего уплотнения из ферромагнитной текучей среды между поворотным и стационарным элементами ротора и защитного контейнера.

[0044] Уплотнения из ферромагнитной текучей среды будут предпочтительно достигать газового уплотнения с помощью ферромагнитной текучей среды, удерживаемой между стационарной и выполняющей поворот поверхностями посредством постоянного магнитного поля. Уплотнения из ферромагнитной текучей среды как правило обеспечивают намного более продолжительный срок службы и меньшее трение по сравнению с обычными уплотнениями.

[0045] Защитный контейнер может окружать поворотный диск, поворотный диск и существенную часть узла поворотного вала, или диск, вал и криостат и магнитные катушки.

[0046] Для съема тока с выполняющей поворот поверхности посредством жидкометаллической среды кольцевой канал между твердыми поверхностями контакта обычно полностью заполняют жидким металлом. Преимущества этого способа состоят в однородности съема тока по окружности ротора (и, следовательно, в однородности прохождения электрического тока в роторе) и в достижимых высоких значениях поверхностных скоростей и плотностей тока, которые невозможны или непрактичны при использовании обычных или усовершенствованных твердых щеток. В случаях умеренных значений плотности тока при отсутствии необходимости рециркуляции жидкого металла для охлаждения контакт кольцевого канала, описанный как контакт "якоря и канавки", может быть реализован сравнительно непосредственным образом.

[0047] Для максимизации превосходных электрических свойств контакта важно выбрать оптимальные геометрические свойства ротора и его контактного наконечника (якоря) и статора и его кольцевого канала (канавки). Эти параметры важны, поскольку механические потери от гидродинамического трения существенно зависят от ширины якоря и толщины жидкометаллического зазора. В целом имеет место компромисс между двумя конфликтующими требованиями, направленный на минимизацию электрических и механических потерь. Чем шире наконечник, тем меньше плотность тока, что приводит к меньшему количеству теплоты, выделяемому в контакте, однако, более широкий наконечник существенно увеличивает механические потери из-за трения. Следовательно, необходима оптимизация ширины контактного наконечника для достижения минимальной величины общих потерь в контакте.

[0048] Оптимальная толщина зазора между контактными поверхностями с точки зрения уменьшения механических потерь на трение может быть получена из следующего уравнения:

,

где С представляет собой константу, полученную из теоретического исследования и затем экспериментально исправленную, D_tip равно диаметру контактного наконечника, Re равно гидродинамическому числу Рейнольдса для потока жидкости по круговому каналу, вычисленному на основании диаметра контактного наконечника. При поворотном перемещении величина Re получена из следующей известной формулы:

,

где v представляет собой кинематическую вязкость, а ω равно угловой скорости диска. С точки зрения механических и электрических потерь, чем тоньше слой жидкости, тем меньше электрические потери в активной зоне токосъемного устройства, однако, при слишком тонком слое механические потери внезапно становятся предельно высокими, что требует принятия во внимание гидродинамических характеристик при определении оптимального зазора.

[0049] Достижение оптимальной конструкции жидкометаллического токосъемного устройства включает процесс оптимизации, направленный на удовлетворение многих противоречивых требований для достижения минимальных полных потерь и самых лучших характеристик. Это, в частности, имеет место при работе с токосъемными устройствами класса 100 кА с поверхностными скоростями, превышающими 200 м/с.

[0050] Другой важный вопрос представляет собой контактное сопротивление на границе раздела жидкость - твердое тело, которое обычно может быть равно 2/3 от сопротивления жидкометаллического контакта. Вследствие различных химических и электрохимических процессов, происходящих в активной зоне, происходит формирование различных слоев на твердых поверхностях, что увеличивает сопротивление и, таким образом, ухудшает характеристики и стабильность контакта в течение длительных периодов работы. Существенное уменьшение контактного сопротивления и увеличенная химическая устойчивость могут быть достигнуты посредством надлежащего выбора материала тонкого поверхностного покрытия, нанесенного на твердые поверхности жидкометаллических токосъемных устройств. Например, известно, что покрытия из никеля очень хорошо работают с ртутными контактами, а неизолированная медь хорошо работает со сплавами NaK.

[0051] Ниже приведен список материалов, пригодных для различных частей узла жидкометаллической щетки, что будет составлять часть экспериментальных работ относительно жидкометаллических щеток. В этих экспериментальных работах будет проведен поиск оптимальных комбинаций материалов для различных компонентов с целью минимизации механических, электрических, гидродинамических и других потерь.

Материалы для контактного наконечника и статора:

Медь, алюминий или любые другие проводящие материалы, обладающие подходящей механической прочностью.

Материалы для покрытия:

Никель, хром, родий, кобальт, золото и другие благородные металлы.

Жидкие среды:

Ртуть, галлий, сплав олова-индия-галлия, сплавы калия-натрия, натрий или любые другие проводящие материалы в жидкой форме.

[0052] В дополнение к вышеупомянутым вариантам по выбору материала следует также учитывать влияние степени обработки поверхности на эффективность и характеристики узлов жидкометаллической щетки.

[0053] Вышеприведенные списки показывают типы подлежащих использованию материалов и не представляют собой исчерпывающие списки. Специалисту в данной области техники совершенно понятно, что указанные материалы могут быть заменены другими материалами с похожими электрическими и химическими свойствами или их можно использовать в каждой из вышеупомянутых секций.

[0054] Еще один вариант включает использование материала типа графен в качестве покрытия на частях выполняющих поворот и стационарных узлов, в частности в области жидкометаллических щеток. Графен представляет собой кристаллическую разновидность углерода, где атомы углерода размещены в виде регулярной гексагональной структуры толщиной в один атомарный слой.

[0055] Нанесение графенового покрытия на части электродвигателя/генератора может усиливать механическую структуру, и в то же самое время увеличивать удельную электрическую проводимость и удельную теплопроводность различных частей электродвигателя/генератора. Графен может также уменьшать трение на границе между статическими и перемещаемыми частями и жидкими металлами, например, сплавом калия и натрия, металлом в виде лития, металлом в виде натрия, эвтектическим сплавом олово-индий-галлий, GaInSn (галинстан) и металлом в виде галлия. Электрические свойства также могут быть улучшены на поверхности раздела (твердое тело / жидкий металл). Эти усовершенствования, обусловленные введением в систему графенового покрытия, приводят к уменьшению механических, гидродинамических и электрических потерь, а также к уменьшению веса полного устройства.

[0056] В настоящем описании изобретения ссылка на любой известный уровень техники не представляет собой признание или любую форму подтверждения (и не должна быть использована в этом качестве), что известный уровень техники представляет собой часть обычных общеизвестных сведений.

Краткое описание чертежей

[0057] С целью более четкого понимания и практического использования настоящего изобретения будут выполнены ссылки на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, и на которых:

[0058] На Фигурах 1А, 1В показаны виды в разрезе турбины, предназначенной для использования в качестве генератора, согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

[0059] На Фигурах 2А, 2В показаны виды в разрезе турбины, предназначенной для использования в качестве генератора, согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

[0060] На Фигуре 3 показан вид в разрезе турбины, предназначенной для использования в качестве генератора, согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

[0061] На Фигурах 4А, 4В показаны виды в разрезе турбины, предназначенной для использования в качестве генератора, согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

[0062] На Фигуре 5А показан