Физико-технические основы магнитогидродинамического преобразования энергии

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 
 
 
 
 
В. П. Панченко  
 
 
 
Физико-технические основы 
магнитогидродинамического 
преобразования энергии  
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

УДК 621.31:621.36:533.9:537.84  
ББК 31.16 
П16 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/101/book1039.html 
Факультет «Энергомашиностроение» 
Кафедра «Плазменные энергетические установки» 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве учебного пособия 
Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, профессор В. А. Битюрин, 
канд. техн. наук, доцент Н. Л. Щёголев 
П16 
 
Панченко, В. П. 
Физико-технические основы магнитогидродинамического преобразования энергии : учебное пособие / В. П. Панченко. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 78, [2] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4140-2  
Изложен принцип действия магнитогидродинамических (МГД) преобразователей энергии, приведены классификация, типовые схемы, показаны конструкции и 
общие виды МГД-преобразователей энергии, перечислены их особенности, преимущества и недостатки. Основное внимание уделено МГД-генераторам, преобразующим тепловую и (или) кинетическую энергию в электрическую. Описаны основные элементы (узлы), процессы, происходящие в МГД-преобразователях, их 
критерии и масштабы, дано определение их интегральных, локальных и удельных 
характеристик. Приведены инженерные методы и формулы для расчета состава и 
электрофизических свойств рабочих тел МГД-генераторов, закономерности и особенности протекания тока в скрещенных электрических и магнитных полях, электрические схемы каналов МГД-преобразователей. Описаны течения электропроводных сред в МГД-каналах и методы их расчета, характерные неустойчивости 
низкотемпературной плазмы. Представлены характеристики резистивных и сверхпроводящих магнитных систем для МГД-преобразователей, особенности конструкций МГД-каналов, изоляционные и электродные материалы огневых стенок каналов плазменных МГД-генераторов, технический облик крупномасштабных МГДгенераторов и опытных энергетических установок на их основе.  
Для студентов старших курсов и аспирантов, начинающих изучение технической 
магнитной гидродинамики и МГД-преобразователей энергии. 
УДК 621.31:621.36:533.9:537.84  
ББК 31.16 
 
 
 
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4140-2  
 
    МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 
 
2

Предисловие 
В начале 60-х годов XX в. в энергетике и двигателестроении 
возникло новое и перспективное направление — прямое (непосредственное) магнитогидродинамическое (МГД) преобразование тепловой энергии в электрическую и обратно. Во многих странах были 
развернуты работы по созданию МГД-преобразователей различного 
назначения. Был выполнен большой объем исследований, создано 
множество экспериментальных МГД-генераторов и их основных 
узлов, введены в строй крупномасштабные опытные и опытнопромышленные установки, проведены методические и опытные работы с применением МГД-установок. 
Принцип действия МГД-преобразователей энергии основывается на законе электромагнитной индукции М. Фарадея. Первые 
патенты на такие преобразователи получены около 100 лет назад. 
В простейшем представлении МГД-генератор электрической энергии является комплексным теплоэлектрическим устройством, которое выполняет функции преобразователя тепловой и (или) кинетической энергии рабочего тела (аналог тепловой машины) и 
электрогенератора. При этом электропроводящее рабочее тело является одновременно термодинамическим рабочим телом (кроме 
жидкости) и проводником электрического тока, движущимся в 
магнитном поле. Следовательно, преобразование тепловой энергии 
в электрическую происходит непосредственно, минуя (в отличие 
от традиционных способов) стадию преобразования в механическую энергию движущихся масс (узлов). Генерация электроэнергии происходит в каждом элементарном объеме рабочего тела, дистанционно и практически без силового взаимодействия со 
стенками устройства, а ток отводится с электродов или обмотки 
статора генератора в нагрузку (сеть). 
Техническая реализация МГД-способа преобразования энергии стала возможной только благодаря новым результатам, полу 
3

ченным в смежных областях науки и техники. Так, благодаря  
добавке небольшого (1 % и меньше) количества атомов легкоионизируемых щелочных металлов (Cs, K) удалось при достижимых в результате сжигания химических топлив температурах 
(2500…3500 K) получить значения концентрации электронов и 
электропроводности газообразных рабочих тел, достаточные для 
эффективного преобразования энергии в технически реализуемых магнитных полях.  
Перспективность использования МГД-установок в стационарной энергетике в качестве высокотемпературной надстройки к 
стандартному циклу Ренкина в паровых электростанциях (ожидаемое повышение КПД цикла с 40 до 55…60 %), а также в качестве 
мощных (в том числе автономных) источников электропитания 
импульсного и кратковременного действия привела к быстрому 
развитию всех аспектов МГД-преобразования энергии. 
Процессы, протекающие в МГД-преобразователях, и их характеристики являются предметом изучения в технической (прикладной) магнитной гидрогазодинамике, которая базируется на 
законах гидрогазодинамики, электродинамики, теплофизики, физики и химии плазмы, материаловедении. Исследование разнородных процессов позволяет установить их взаимозависимость, 
определить условия и параметры, обеспечивающие эффективную 
работу основных узлов и МГД-преобразователя в целом, а также 
разработать методы расчета различного уровня, оптимальные 
циклы и схемы, конструкции и высокотемпературные электродные и электроизоляционные материалы, которые обеспечивают 
функционирование МГД-преобразователей в экстремальных для 
современной техники условиях.  
Объемное и дистанционное силовое и энергетическое взаимодействие плазменного потока с магнитным полем делают перспективным использование МГД-преобразования энергии в магнитоаэродинамике (управление структурой гиперзвукового течения, 
уменьшение лобового сопротивления аэрокосмического аппарата, 
управление структурой и устойчивостью динамического и теплового пограничных слоев, управление положением и интенсивностью ударных волн и др.), в комбинированных реактивных и ракетных МГД-двигателях, в авиационных и космических бортовых 
мощных источниках электроэнергии. 
 
4

Благодаря разработке и внедрению в производство МГДгенераторов на твердом (пороховом) плазмообразующем топливе в 
1970–1980-е годы в Советском Союзе были созданы и нашли практическое применение автономные импульсные МГД-установки 
мультимегаваттной мощности с характеристиками и функциональными возможностями, недоступными для других источников 
электрической энергии. 
Дальнейшее развитие МГД-преобразователей и перспективы 
их применения зависят от их конкурентоспособности и функциональных возможностей, которые будут расширяться по мере развития плазменных, электромагнитных и высокотемпературных 
технологий, в то время как характеристики традиционных энергетических и двигательных установок будут приближаться к своим 
предельным значениям. 
В данном учебном пособии изложены физико-технические основы МГД-преобразования энергии, дано качественное описание 
основных процессов и закономерности их протекания, характерные значения величин, определяющих характеристики МГДпреобразователей, основные циклы, схемы, конструкции и применяемые высокотемпературные материалы, а также современное 
состояние и области перспективного использования. 
Для лучшего усвоения излагаемый материал иллюстрируется 
многочисленными схемами, рисунками, эскизами и фотографиями 
реальных МГД-преобразователей. Приведенная информация соответствует современному состоянию исследований в области технической магнитной гидродинамики. 
 
 
 
5

 
1. Принцип действия и определение  
МГД-преобразователей. Особенности,  
преимущества и недостатки 
Работа магнитогидродинамических (МГД) преобразователей 
энергии, к которым относятся МГД-генераторы электрической 
энергии, МГД-ускорители плазменных сред, МГД-насосы, компрессоры и дроссели, основана на принципах магнитной гидродинамики. Перечисленные выше преобразователи энергии являются 
объектами новой наукоемкой техники. Их исследования и техническая реализация начались примерно 50 лет назад.  
МГД-преобразователь является электроэнергетическим (или 
электротермодинамическим) устройством, в котором в соответствии 
с закономерностями магнитной гидродинамики происходит прямое 
преобразование тепловой и (или) кинетической энергии электропроводящей среды (рабочего тела) в электрическую энергию постоянного (или переменного) тока (МГД-генератор) или наоборот 
(МГД-ускоритель, МГД-компрессор, насос, дроссель). К настоящему времени наиболее полно исследованы МГД-генераторы и жидкометаллические МГД-насосы и дроссели, техническая реализация 
которых доведена до опытно-промышленного производства. 
Принцип действия МГД-генератора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея. В кондукционном МГДгенераторе (рис. 1) при движении среды, обладающей электропроводностью σ, См/м, со скоростью v, м/c, вдоль оси канала прямоугольного сечения в магнитном поле, вектор индукции B, Тл, которого направлен вдоль оси Oz, в каждой ее точке возникает 
локальная ЭДС (индуцированное поле) v × B, В/м, а на электродах, 
расположенных на расстоянии h друг от друга, ЭДС E = vBh. При 
подключении электродов МГД-генератора к нагрузке (внешней 
 
6

сети) в электропроводящей среде (обычно — низкотемпературная 
плазма) потечет ток плотностью j, А/м2, а в цепи — полный ток Iэ 
≈ jaL, где a — ширина электродов в канале в направлении B; L — 
их длина (см. рис. 1). Между электродами — анодом с потенциалом ϕа и катодом с потенциалом ϕк — возникает разность потенциалов Vэ = ϕа – ϕк, а в плазме — электрическое поле напряженностью E ≈ Vэ/h, В/м, ориентированное против индуцированного 
поля v × B. Плотность тока в плазме определяется обобщенным 
законом Ома j + j × β = σ(E + v × B) (β — параметр Холла для 
электронов, см. ниже) с эффективным (или действующим) полем 
напряженностью E* = E + v × B. 
 
v
.
B
B
v
 
 
Рис. 1. Схема кондукционного МГД-генератора:  
1 — источник рабочего тела; 2 — сопло; 3 — МГДканал; 4 — электромагнит; 5 — электроды; 6 — 
диффузор; 7 — сопротивление нагрузки 
 
В кондукционных МГД-генераторах генерируемый в потоке 
плазмы ток поступает на токосъемные электроды и далее в нагрузку (сеть). Фарадеевским канал МГД-генератора называется потому, что ток на электроды течет по направлению индуцированной 
по закону Фарадея ЭДС (по оси Оy). 
При протекании тока в магнитном поле в плазме возникает 
электромагнитная сила (пондеромоторная сила, сила Ампера) 
плотностью f = j × B, Н/м3, направленная в МГД-генераторе против ее течения, а в МГД-усилителе — по ее течению. Плотность 
работы по преодолению электромагнитной силы, совершаемой 
плазмой в единицу времени, A = [j × B]·v, Вт/м3. Ее основная часть 
передается в виде полезной электрической мощности плотностью 
 
7

Nуд = j·E, Вт/м3, во внешнюю нагрузку (сеть), а другая часть диссипирует в плазме в тепловую энергию плотностью qдж = j2/σ, 
Вт/м3 (эту величину часто называют удельным джоулевым тепловыделением). При h ~ a ~ 1 м, длине канала 7 м (число калибров 
κ = L/h = 7), σ ≈ 20 См/м, v ≈ 1000 м/с, B ≈ 3 Тл достигаются следующие параметры (при коэффициенте электрической нагрузки k 
= 0,7 (см. ниже): ЭДС  E ≈ 3 кВ, напряжение на электродах 
Vэ ≈ 2,1 кВ, ток Iэ ≈ 140 кА, электрическая мощность Nэ ≈ 300 МВт. 
Для холловских МГД-генераторов (см. ниже) напряжение увеличивается примерно в βκ раз. 
Ток в плазме индуцирует вторичное магнитное поле с индукцией Bi ≈ Rm B, где Rm = μ0σvL — магнитное число Рейнольдса. В 
случае 
плазменных 
МГД-генераторов 
обычно 
Rm < 1 
(σ ≤ 50 См/м, v ≈ 103 м/с, L ≈ 1 м). В этом приближении, которое 
называется гальваническим, или безындукционным, индукцией 
магнитного поля Bi можно пренебречь по сравнению с индукцией 
внешнего поля B. 
В индукционных МГД-генераторах при взаимодействии потока электропроводной среды с переменным во времени внешним 
магнитным полем, бегущим (синусоидальным) по направлению 
потока со скоростью, меньшей скорости потока, в среде индуцируются вихревые электрические поля, приводящие к появлению в 
плазме замкнутых токов. Возбуждаемые этими токами вторичные 
переменные магнитные поля индуктивно связаны с внешними 
(статорными) обмотками и при магнитном числе Рейнольдса 
R
1
m ≫ эффективно возбуждают в них переменный электрический ток, который передается во внешнюю сеть. Выполнение 
условия R
1
m ≫ достигается при использовании жидких металлов или высокотемпературной плазмы с электропроводностью, 
превышающей 104 См/м. В связи с этим при использовании низкотемпературной плазмы в качестве рабочего тела эффективным 
является применение МГД-генератора кондукционного типа. 
Таким образом, высокотемпературный газ в МГД-генераторе 
выполняет двойную функцию: термодинамического рабочего тела 
и электрического проводника. 
Принципом действия МГД-генератора определяются как необходимые условия обеспечения его работы, так и его струк 
8