электрические униполярные машины. ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ

Для съема тока с поверхности вращающегося тела при помощи жидкометаллической среды можно выделить два принципиально отличных способа:

1) среда полностью заполняет кольцевой канал между контактными поверхностями;

2) контакт осуществляется в отдельных местах поверхности по окружности тела за счет истечения под давлением тонких струй жидкости.

Достоинством первого способа является равномерность съема тока по окружности контактного кольца и, как следствие, обеспечение равномерного растекация тока в теле ротора. При небольших плотностях тока в контакте, когда можно отказаться от принудительной циркуляции контактной среды в канале с целью охлаждения, указанный токосъем позволяет создать относительно простые конструкции. Недостатком этого способа являются повышенные потери механического трения жидкости, что затрудняет применение кольцевых контактов в случаях высоких линейных скоростей контактной поверхности и жидкометаллических сред с большой удельной плотностью.

Достоинством второго способа является возможность существенного снижения потерь трения жидкости, однако, в этом случае имеет место неравномерное распределение тока по окружности контактного кольца, а следовательно, и в теле ротора. Неравномерность распределения тока обусловливает дополнительные электрические потери. Для создания струй жидкости необходимо вспомогательное регулируемое устройство. Тем не менее, именно струевой тип контакта должен расширить область применения ртути в униполярных машинах, несмотря на ее большую удельную плотность. Испытания показали [64], что благодаря низким механическим потерям и хорошей охлаждающей способности ртути контакт хорошо сохраняется. Для линейной скорости контактной поверхности 150 м/сек и тока 1 ка оказывается возможным при механических потерях в струе около 750 вт получить электрическое сопротивление контакта менее чем 10^-3 ом.

Остановимся на некоторых принципиальных схемах контактных устройств рассмотренных выше двух типов.

Оригинальная конструкция кольцевого контакта для машины с горизонтальной осью вращения показана на рис. 30 [15].

При вращении внутреннего кольца 3, насаженного на цилиндр 4, ртуть под действием центробежной силы удерживается в рабочем положении 1, что обеспечивает контакт с наружным кольцом 2. При неподвижном внутреннем кольце ртуть сливается по его двум желобам, которые хорошо видны на приведенном рисунке.

Определение оптимального зазора Ак между контактными кольцами из условия получения минимальных механических потерь трения может быть произведено по формуле (в формулу введена коррекция но результатам опыта).

где – D_k - диаметр контактного кольца;

Re - число Рейнольдса (см. раздел V).

На рис. 31 дано устройство, которое отличается тем, что вращающееся токосъемное кольцо ротора расположено с внешней стороны жидкости. Внутреннее кольцо выполнено в виде стакана.

Поперечный разрез кольцевого контактного устройства машины с вертикальной осью вращения приведен на рис. 32, На рисунке видны каналы для подачи и отвода жидкометаллической среды, а также два отверстия в роторе и статоре, которые являются поперечными сечениями каналов водяного охлаждения.

Рис. 30. Поперечный разрез кольцевого токосъемного устройства

Рис, 31. Поперечный разрез токосъемного устройства с внешним вращающимся кольцом

Рис. 32. Поперечный разрез униполярной машины с внешним ротором

Рис. 33. Токосъемные устройства в униполярной машине с вертикальной осью вращения

На рис. 33 и 34 даны две схемы контактного устройства машины с вертикальной осью, В первом случае ротор цилиндрического типа, во втором - колоколообразного.

В конструкции на рис. 34 предполагается соответствующим подбором линейной скорости контактного кольца обеспечить при вращении ротора равновесие центробежной, гравитационной и электромагнитных сил. Под их действием жидкометаллическая щетка будет находиться в фиксированном положении.

Сведения по конструкции и размерам токосъемных устройств со струевым контактом в опубликованной литературе крайне недостаточны - можно найти только два поясняющих эскиза, которые приведены на рис. 35 н 36 [64, 83].

Жидкость под давлением выталкивается из отверстий (или щелей) на движущуюся поверхность, в результате воздушный зазор между токосъемными кольцами в зоне форсунок оказывается хорошо заполненным жидкометаллической средой.

Рис. 34. Поперечный разрез униполярной машины с кольцевыми контактами

Рис. 35. Эскиз струевого токосъемного устройства

Представляет интерес сообщение о характере работы струевого контакта на ток в 1600кА импульсного униполярного генератора Австралийского национального университета [41].

Токосъем осуществляется струями сплава NaK на окружностях диаметрами 1,22 и 3,54 ж. Жидкость имеет высокую скорость истечения. Ток через данную струю проходит всего за 0,001 сек, поэтому она не успевает сильно нагреться. За время импульса в 1 сек, через все форсунки выбрасывается более 1 т жидкого сплава. Если учесть, что скорость вращения ротора равна 900 об/мин, то нетрудно рассчитать линейные скорости диска в зонах контактов - они составляют соответственно 57,4 и 166,5 мкс. При испытании генератора в импульсном режиме струевой контакт удовлетворительно выдержал всплеск тока в 1800кА.

По данным [52, 53], ртутный контакт тоже обладает удовлетворительной стабильностью переходного сопротивления при больших кратковременных перегрузках по току.

Достаточно точное определение механических потерь трения в контактном устройстве желательно как с точки зрения анализа его температурного режима, так и оценки коэффициента полезного действия машины. С теоретических позиций этот вопрос для кольцевого контакта подробно рассмотрен в разделе IV, здесь остановимся только на некоторых результатах экспериментального исследования механических потерь [64],

Эскиз струевого токосъемного устройства

1 - статор; 2 - ротор

Рис. 37. Устройство для определения механических потерь трения жидкости

Рис. 38. Зависимость удельных потерь трения ртути от линейной скорости поверхности и толщины слоя жидкости

На рис. 37 дана схема испытательного устройства. Внутри цилиндрического сосуда / помещено неподвижное цилиндрическое тело 2 так, что между ними образуется зазор А. При вращении сосуда исследуемая контактная среда, которая перед этим была введена в определенном количестве в сосуд, прикрытый крышкой 3, благодаря действию центробежной силы заходит в зазор, как это имеет место в кольцевом зазоре униполярной машины. Потери от трения жидкости находятся после вычитания потерь механического трения устройства, которые предварительно определяются при отсутствии жидкой среды. Вариации подлежат скорость вращения сосуда, диаметр и высота внутреннего тела, тем самым изменяются величина зазора Δ и поверхность покрытия жидкостью цилиндров. Измеренные таким образом механические потери трения для ртути отнесены к единице поверхности контакта и в зависимости от линейной скорости поверхности тела / нанесены на рис. 38. С помощью этих данных можно установить приближенную зависимость следующего вида:

где S -покрытая жидкостью поверхность неподвижного цилиндра;

К-постоянный коэффициент, зависящий от вязкости жидкости.

С увеличением вязкости жидкости коэффициент К возрастет.

Перейдем к рассмотрению электрических потерь в контактном устройстве. Исследования показали, что электрическое сопротивление прохождению тока через контактную зону определяется не столько сопротивлением самой жидкометаллической среды, сколько посторонними слоями, которые образуются на границах соприкосновения жидкости с металлическими поверхностями токосъемных колец. В дальнейшем для обозначения отмеченного контакта будем употреблять термин пограничный контакт. Возникновению этих слоев обусловлено химическим взаимодействием жидкометаллической среды с материалом колец и окружающими газами, а также электролитическими процессами при прохождении тока. В связи с этим протекание электрического тока через контактную зону представляет собой как бы прохождение его через решето, отверстиями которого служат места пробоя пограничных контактных слоев.

Опыты показали, что сопротивление контактной зоны существенно снижается, если поверхность токосъемных колец периодически царапать специальными твердыми щетками, например алмазными или титан-карбидными.

Сильное снижение электрического сопротивления пограничного контакта оказывается возможным за счет соответственно подобранного тонкого покрытия твердой поверхности металлическими слоями.

Так, в случае применения ртути хороший результат дает покрытие никелем, а сверху родием (температура плавления никеля 1453°С, а родия - 700°С) [52, 53]. Правда, при этом могут возникнуть известные трудности в обеспечении целостности нанесенных слоев при работе контакта.

На рис. 39 даны [64] результаты опытных измерений сопротивления контакта между двумя цилиндрическими электродами (диаметром 12 мм); пространство между торцами было заполнено ртутью. Число, поставленное около кривой, показывает процентную влажность воздуха в опытах. Там же отмечен материал покрытия.

Рис. 39. Зависимость электрического сопротивления ртутного контакта от материала покрытия электродов и влажности воздуха

По характеру кривых можно заключить, что уже после нескольких минут на чистой поверхности металла возникает пограничный слой, сопротивление которого быстро растет. Увеличение сопротивления для различных металлов происходит по-разному и в большинстве случаев достигает довольно определенных конечных значений. Хорошей стабильностью сопротивления обладает молибденовое покрытие. Подобно молибдену ведет себя никель, который благодаря небольшому сопротивлению пограничного контакта с ртутью, по-видимому, особенно пригоден для использования в токосъемных устройствах. Удельное электрическое сопротивление чистого никеля - 7,24 10^-8 ом·м.

Ртутно-никелевый контакт допускает относительно высокие плотности тока (порядка 50А/мм²), что позволяет наряду с уменьшением размеров токосъемного устройства существенно снизить механические потери трения жидкости.

В результате прохождения электрического тока через пограничные контактные слои возникают так называемые пограничные напряжения, которые пропорциональны поверхностной плотности проходящего тока и, как было показано, сильно зависят от химических свойств соприкасающихся элементов. Для характеристики величины пограничных напряжений удобно оперировать удельным пограничным напряжением е_к, которое определяется отношением пограничного напряжения при прохождении через контакт тока к соответствующей его поверхностной плотности. Таким образом, размерность е_к будет выражаться в Вм²/А.

Удельное пограничное напряжение определяют экспериментально; соответствующие данные приведены в табл. 6 и 7.

Таблица 6. Удельные пограничные напряжения (е_к) на пару местных контактов (по данным (89)

Таблица 7. Удельные пограничные напряжения (е_к) на один местный контакт (по данным [75])

Из приведенных в таблицах данных следует, что контактное напряжение для меди на три порядка ниже, чем для стали. Поэтому с целью снижения потерь контактные кольца следует выполнять медными. В тех случаях, когда по условию механической прочности медные кольца не могут быть использованы на роторе, контактную поверхность колец необходимо покрыть слоем меди.

В случае использования ртути следует иметь в виду, что хотя она образует нестойкие окиси, но зато соединяется со многими металлами, теряя при этом чистоту и электрические свойства. Выше отмечалась целесообразность покрытия контактной поверхности соответствующими металлами. Кроме того, некоторые авторы считают желательным очистку ртути в циркуляционном контуре.

Обращает внимание расхождение у разных авторов опытных данных по удельным пограничным напряжениям для ртути и сплава NaK (см. табл. 7, 8), Это еще раз подтверждает существенное влияние таких трудно учитываемых факторов, как процесс окисления элементов, состояние поверхностей контактов и т. д. Однако для представляющего в настоящее время наибольший интерес контакта NaK с медью можно констатировать лучше согласующиеся между собой величины.

к оглавлению

Реальная физика Изобретения Никола Тесла FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ

Знаете ли Вы, что, как не тужатся релятивисты, CMB (космическое микроволновое излучение) - прямое доказательство существования эфира, системы абсолютного отсчета в космосе, и, следовательно, опровержение Пуанкаре-эйнштейновского релятивизма, утверждающего, что все ИСО равноправны, а эфира нет. Это фоновое излучение пространства имеет свою абсолютную систему отсчета, а значит никакого релятивизма быть не может. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира