УНИПОЛЯРНЫЕ МАШИНЫ С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ КОНТАКТОМ

III. УНИПОЛЯРНЫЕ МАШИНЫ С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ КОНТАКТОМ

Первая униполярная машина с жидкометаллическим (ртутным) контактом была создана в 1908 г. по проекту нашего соотечественника Б. И. Угримова. Продольный разрез машины см. на рис. 15, где схематически показано также токосъемное устройство Р. Во время вращения диска ртуть под действием центробежной силы затекает (вдавливается) в вырезы на его ободе, тем самым осуществляется контакт с четырьмя неподвижными ножами специальной формы. Ртуть в рабочую зону подается по каналам R. Кроме того, имеется система каналов для циркуляции охлаждающей воды. При номинальном напряжении 40В расчетный ток якоря составлял 2000А. Применение жидкометаллического контакта дало возможность выбрать для диска относительно высокую линейную окружную скорость, равную 270 м/сек.

Первые опыты эксплуатации описанного токосъемного устройства с ртутным контактом показали необходимость более углубленного исследования свойств жидкометаллических скользящих контактов. В первую очередь следовало:

1) обеспечить стабильную работу контакта с точки зрения постоянства его электрических свойств. Например, ртуть взаимодействует с металлом контактных колец (процесс амальгамирования), в результате чего со временем сильно ухудшается электропроводность контактной зоны;

2) разработать методику расчета потерь механического трения в жидкометаллическом скользящем контакте, что позволило бы правильно выбрать оптимальные размеры контактной зоны по условию обеспечения минимальных потерь.

Исследования по гидродинамике ртутного контакта впервые были начаты профессором Б. И. Угримовым в 1906 - 1908 гг. Позднее (1951 - 1954 гг.) глубокое исследование в указанном направлении было проведено Ю. Каунасом (СССР). Полученные теоретические результаты им были подтверждены опытными данными, снятыми на лабораторной модели униполярного генератора с ртутным скользящим контактом. Кроме того, Ю. Каунас дал анализ оптимальных геометрических размеров и основных параметров униполярных машин с жидкометаллическим ртутным контактом в зависимости от принятого диаметра ротора [61]. К сожалению, эта важная работа у нас не была доведена до создания промышленных образцов униполярных машин.

За рубежом одной из первых униполярных машин с ртутным скользящим контактом, которая получила практическое применение для питания электромагнитных насосов, был генератор на 10 кВт и ток до 16 кА. Он был создан в Англии по проекту Д. Ватта [89, 90, 91]. Коэффициент полезного действия генератора составил 90%. Интересно отметить, что с целью уменьшения 28 размеров магнитопровод выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью - пермендюра, имеющего индукцию насыщения 2,4 Вб/м.

Рис. 29. Продольный разрез установки для исследования жидкометаллического контакта

В последнее время существенные экспериментальные исследования по униполярным машинам с ртутным контактом проводятся под руководством П. Клауди [64] в Высшей технической школе г. Граца (Австрия). В результате создан униполярный генератор оригинальной конструкции, которая будет рассмотрела ниже. Ведутся интересные разработки так называемого струйного контакта, когда электрический контакт со вращающимся ротором создается с помощью направленных на него струй ртути.

Качественный скачок в развитии униполярных машин связан с применением для контактной жидкости новых сплавов и в первую очередь эвтектического сплава натрия с калием (в дальнейшем указанный сплав будет сокращенно обозначаться NaK). Свойства этого сплава будут рассмотрены ниже, здесь же только отметим, что при хорошей электропроводности он имеет сравнительно низкую для металла удельную плотность (на 15% ниже воды). Это значительно снижает механические потери трения в контактах токосъемных устройств. Сплав NaK обладает высокой теплоемкостью, поэтому может быть одновременно использован как охлаждающий агент, если предусмотреть его циркуляцию в активной зоне токосъемного устройства.

Первое использование NaK для униполярных машин относится к 1952 г., когда А. Барнс предложил униполярный генератор с полностью погруженным в натрий-калиевый сплав ротором [47].

В 1953 г. были впервые опубликованы результаты работы группы румынских инженеров, проведенной в Ясском политехническом институте [39], по использованию скользящего контакта с применением сплава NaK для токосъема. На рис. 29 показан продольный разрез экспериментальной установки. Жидкометаллический сплав подавался в кольцевой зазор между ротором и статором. Исследования проводились в направлении изучения работы контакта при высоких линейных скоростях (порядка 150 м/сек).

Согласно [47], в США уже к 1957 г. униполярные генераторы на большой ток с жидкометаллическим натрий-калиевым контактом были смонтированы на пяти установках. Первоначальные образцы при скорости вращения 3600 об/мин генерировали напряжение 75В и допускали ток в 80кА, однако после улучшений в конструкции токосъемного устройства и изоляции номинальные ток и напряжение были доведены до 120кА при 70В. Другие генераторы имели повышенную скорость вращения 7200 об/мин и обеспечивали напряжение 30В при токе 60кА. Автор проекта отмечает, что величину номинального тока можно еще повысить, однако, по его мнению, более целесообразно остановиться на некоторых оптимальных данных, а более высокие параметры при необходимости получать за счет соответствующего соединения цепей нескольких типовых униполярных генераторов.

В 1962 г. было сообщено [41] об успешном испытании в Австралийском национальном университете униполярного генератора со струйным натрий-калиевым контактом, который выдержал импульс тока в 1800кА. Проект этого генератора был создан еще в 1956 г. [71].

Таким образом, применение в качестве контактной жидкости эвтектического сплава NaK позволило создать целый ряд промышленных униполярных машин для импульсных и стационарных режимов на весьма большие токи. Возможности токосъемных устройств с ртутью еще полностью не использованы, особенно это относится к струйному типу контакта.

к оглавлению

Реальная физика Изобретения Никола Тесла FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира