專利名稱：磁流體加速器和使用磁流體加速器的磁流體噴氣發(fā)動機的制作方法
現(xiàn)今，大氣層內飛行器的推進系統(tǒng)(包括螺旋槳、渦噴、渦扇等)、地面或水面交通工具的發(fā)動機、空氣壓縮機和各種發(fā)電機組(也包括槳葉式風力發(fā)電機組)的工作部件，不是用槳葉或渦輪、風扇(包括離心式)就是用活塞。這些工作部件旋轉或往復運動時既產(chǎn)生了有用功，也損耗了旋轉流體部分的無用功(對飛行器的推進系統(tǒng)等而言)，以及旋轉或往復運動時各部件產(chǎn)生摩擦、振動和噪音等無用功。再者，受目前制造技術的限制，減速器(除噴氣發(fā)動機外)等傳動部件的效率都無法有較大的提高。
本發(fā)明的目的就是提供一種磁流體加速器，其可以增大通過該磁流體加速器的氣體的速度。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種磁流體噴氣發(fā)動機，其運行效率能大大提高。
為此，本發(fā)明提供一種磁流體加速器，包括用于產(chǎn)生磁場的至少一個磁體，用于為通過磁場的氣體通電從而產(chǎn)生電場的至少兩個電極板和一個使所述至少兩個電極板之間的氣體電離的氣體電離器，所述至少兩個電極板所產(chǎn)生的電場與所述至少一個磁體所產(chǎn)生的磁場之間的角度不等于零度，在所述至少兩個電極板之間連接一個直流電源，用于為該至少兩個電極板供電。
根據(jù)本發(fā)明的磁流體加速器還包括一個負載和一個切換開關，通過所述切換開關的切換操作可以實現(xiàn)將所述直流電源或所述用于做功的負載連接在所述至少兩個電極板之間，從而該磁流體加速器能夠運行在加速器模式和發(fā)電機模式。
本發(fā)明還提供一種磁流體噴氣發(fā)動機，包括一個沖壓噴氣發(fā)動機，位于所述沖壓噴氣發(fā)動機的進氣道中的第一磁流體加速器，所述第一磁流體加速器包括用于產(chǎn)生磁場的至少一個磁體、用于為通過磁場的氣體通電從而產(chǎn)生電場的至少兩個電極板和一個使所述至少兩個電極板之間的氣體電離的氣體電離器，所述至少兩個電極板所產(chǎn)生的電場與所述至少一個磁體所產(chǎn)生的磁場之間的角度不等于零度，在所述至少兩個電極板之間連接為至少兩個電極板供電的一個直流電源，所述第一磁流體加速器的設置使得所述沖壓噴氣發(fā)動機的進氣道中的氣流的行進方向與所述磁流體加速器中的磁場方向和電場方向均垂直，并且與磁場中的帶電粒子所受到的洛倫茲力的方向相同。
根據(jù)本發(fā)明的磁流體噴氣發(fā)動機還包括一個位于所述沖壓噴氣發(fā)動機的尾噴管中的第二磁流體加速器，所述第二磁流體加速器包括用于產(chǎn)生磁場的至少一個磁體、用于積聚電荷從而產(chǎn)生電壓的至少兩個電極板，所述至少兩個電極板之間的垂直連線與所述至少一個磁體所產(chǎn)生的磁場之間的角度不等于零度，在所述至少兩個電極板之間連接至少一個用于做功的負載，所述第二磁流體加速器的設置使得所述沖壓噴氣發(fā)動機的尾噴管中的氣流的行進方向與所述磁流體加速器中的磁場方向和所述至少兩個電極板之間的垂直連線均垂直。
根據(jù)本發(fā)明的磁流體噴氣發(fā)動機，所述第一磁流體加速器還包括一個負載和一個切換開關，通過所述切換開關的切換操作可以買現(xiàn)將所述直流電源或所述負載連接在所述至少兩個電極板之間，從而該第一磁流體加速器能夠運行在加速器模式和發(fā)電機模式。
所述第二磁流體加速器還包括一個直流電源和一個切換開關，通過所述切換開關的切換操作可以實現(xiàn)將所述直流電源或所述負載連接在所述至少兩個電極板之間，從而使該第二磁流體加速器能夠運行在發(fā)電機模式或加速器模式。
由于以發(fā)電機模式運行的磁流體加速器可將由空氣流動成風的速度或動能轉換為電能，供給負載做功，因此，它可成為風力發(fā)電機。
由于磁流體噴氣發(fā)動機以及由其發(fā)展而來的磁流體發(fā)電機組(磁流體發(fā)電機組與磁流體噴氣發(fā)動機的結構基本相同，既磁流體噴氣發(fā)動機本身裝有以發(fā)電機模式工作的第二磁流體加速器)的磁流體加速器是直接利用洛倫茲力作用，而無需各種旋轉或往復運動部件產(chǎn)生的旋轉氣流(對輪機等而言)和機械摩擦，所以，其與現(xiàn)今的各種熱機和發(fā)電機組相比功效比高。
由于磁流體噴氣發(fā)動機以及由其發(fā)展而來的磁流體發(fā)電機組沒有增加旋轉或往復運動部件引起的機械振動和摩擦，并且磁流體噴氣發(fā)動機能有效控制噴氣流的速度，使噴氣流與空氣的沖擊減至最小(這是噴氣式飛行器的主要噪音源)，所以，其噪音非常小，這對于各種水、地面工作平臺，尤其是潛水艇極為重要(指使用磁流體發(fā)電機組)。
由于磁流體噴氣發(fā)動機以及由其發(fā)展而來的磁流體發(fā)電機組整個燃燒區(qū)內部都有強磁場(指磁流體加速器的輻射磁場)，而物質在磁場中燃燒時，燃燒氣體產(chǎn)生得快、火焰旺、發(fā)光較明亮、燃燒更充分，燃燒效率的提高幾乎與磁場強度成正比。所以，其燃燒效率比現(xiàn)今沒有磁場的熱機高。
由于磁流體噴氣發(fā)動機的磁流體加速器是直接利用洛倫茲力作用，而洛倫茲力的大小與通入等離子體電流密度，磁感應強度以及它們之間的夾角的正弦成正比(該處均指以加速器形式工作時)。因此，只要控制它們的大小與方向就能控制磁流體噴氣發(fā)動機空氣的速度與噴氣流的速度和方向，且由于電流的大小與方向對控制的響應幾乎沒有時滯，所以，其可以做到瞬時起動、瞬時停機、瞬時轉向，操縱極方便(這對于戰(zhàn)斗機尤為重要)。
由于磁流體噴氣發(fā)動機的磁流體加速器和沖壓噴氣發(fā)動機均具有增加空氣流的總能量的功能，因此，即使磁流體加速器或沖壓噴氣發(fā)動機發(fā)生故障，磁流體噴氣發(fā)動機也不會完全喪失提供推力的能力，所以，其安全性好、可靠性高。
由于磁流體噴氣發(fā)動機的噴氣流的速度可以控制，所以，其與現(xiàn)今各種噴氣發(fā)動機相比，推進效率高。
以下將結合附圖詳細介紹本發(fā)明的實施例。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的磁流體加速器的一個優(yōu)選實施例的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的磁流體噴氣發(fā)動機的一個優(yōu)選實施例的示意圖；圖3是設置于根據(jù)本發(fā)明的磁流體噴氣發(fā)動機的尾噴管中的磁流體加速器的一個優(yōu)選實施例的示意圖。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的磁流體加速器20主要包括用于產(chǎn)生磁場的磁體21a和21b(N極和S極，為清楚起見，圖中示出兩個磁體)，兩個電極板22a和22b和用于電離空氣流的氣體電離器40(用于產(chǎn)生高溫、高電壓或釋放某種電離劑使在通常情況下不導電的氣體電離，即等離子化的一種裝置)，其中兩個電極板22a和22b所產(chǎn)生的電場的方向與磁體21a和21b所產(chǎn)生的磁場的方向垂直，在兩個電極板22a和22b之間通過一個切換開關K1可以連接一個直流電源(如蓄電池組)B1或者一個負載R1。通過一個氣體電離器向磁場中的氣體中釋放某些電離劑，使全部或部分氣體等離子化。
當切換開關K1切換到直流電源B1一側時，在兩個電極板22a和22b之間形成一個電場。這樣，使處于磁場中的等離子化后的氣體加速向紙面外運動，通過兩個電極板22a和22b以及直流電源B1形成回路。
設磁場的磁感應強度為B，電場的電流密度為J，則根據(jù)“弗萊明左手法則”原理，氣體中的磁場與氣體中的電流之間相互作用而產(chǎn)生洛倫茲力(即電磁力)F。并且，電極板之間等離子體的通過量L越大，該洛倫茲力越大。洛倫茲力的大小，可表示為F=JBLsinα。其中，α為磁場與電場之間的夾角，當α=90°時，氣體中的電場與磁場相互垂直，洛倫茲力F值最大(該式中，不考慮氣體電離器所產(chǎn)生的影響)。洛倫茲力的方向可用“左手法則”判定伸開左手，使大拇指與其余四個手指垂直，且在一個平面內，讓磁力線垂直進入手心、并使四指指向電流方向，拇指所指的方向就是洛托茲力的方向。參見圖1，假如磁場中的磁力線的方向為從磁體21a至21b，由于電場中的電流方向為從電極板22a至22b，則根據(jù)“左手法則”，洛倫茲力的方向為垂直于紙面向外。如果電離后的氣體流穿過電場和磁場的方向為垂直于紙面向外，則該洛倫茲力作用于等離子體，使氣體的穿行速度增大，從而該磁流體加速器以加速器模式工作。
當切換開關K1切換到負載R1一側時，氣體中的等離子體中帶正電和帶負電的運動著的微粒在磁場中會受洛倫茲力的作用而降低速度或動能，這時，電極板(金屬板)上就會集聚電荷、產(chǎn)生電壓，從而通過兩塊電極板22a和22b和負載R1組成的回路形成電流，使負載R1做功。這樣，該磁流體加速器就具有了發(fā)電機的功能。換句話說，當切換開關K1切換到負載R1一側時，該磁流體加速器可作為發(fā)電機運行。
當然，磁體的個數(shù)和布局可以根據(jù)需要進行調整，只要能夠在氣體中產(chǎn)生所需要的磁場即可。例如也可以采用一個帶有N極和S極的磁體，只要該磁體能夠產(chǎn)生所需要的磁感應強度的磁場即可。同理，磁體的個數(shù)也可以為3或者更多。該磁流體加速器中的磁場和電場之間的角度可根據(jù)實際需要而定，優(yōu)選為90度，但是該角度不能為零，否則就不能產(chǎn)生所需要的洛倫茲力。此外，電離后的氣體流的行進方向與磁場和電場的方向之間的角度優(yōu)選為90度，但只要所產(chǎn)生的洛倫茲力的方向與氣體流的行進方向之間的角度為銳角也可以產(chǎn)生能對氣體流加速的洛倫茲力。
圖2示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的磁流體噴氣發(fā)動機的結構。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的磁流體噴氣發(fā)動機主要包括沖壓噴氣發(fā)動機10、位于沖壓噴氣發(fā)動機10的進氣道14中的磁流體加速器20和位于沖壓噴氣發(fā)動機10的尾噴管15中的磁流體加速器30，和用于固定和連接各部件的固定件等。所述磁流體加速器20的設置使得所述沖壓噴氣發(fā)動機10的進氣道14中的氣流的行進方向與所述磁流體加速器20中的磁場方向和電場方向均垂直，并且與磁場中的電離后的微粒所受到的洛倫茲力的方向相同。磁流體加速器30也與磁流體加速器20相似的方式設置于尾噴管15中。
沖壓噴氣發(fā)動機10主要由起降低空氣流速度或動能、增加壓力能作用的擴散形涵道，起維持燃燒和保護其外部設備免受燃燒所造成的傷害作用的燃燒室，將燃料噴入燃燒室的燃料噴嘴和將混合燃氣(空氣與燃料的混合體)點燃的點火器組成。另外，還有一些附件，如抽取燃料的燃料泵和控制燃料流量大小的燃料門閥，以及固定和連接各部件的固定件等。
設置于沖壓噴氣發(fā)動機10的進氣道14中的磁流體加速器20的結構已經(jīng)參照圖1進行了介紹。設置于沖壓噴氣發(fā)動機10的尾噴管中的磁流體加速器30的結構與磁流體加速器20的結構相似，如圖3所示，磁流體加速器30主要包括用于產(chǎn)生磁場的磁體31a(N極)和31b(S極)，兩個電極板32a和32b，其中兩個電極板32a和32b之間的垂直連線與所述至少一個磁體31a和31b所產(chǎn)生的磁場之間的角度不等于零度，在兩個電極板32a和32b之間通過一個切換開關K2可以連接一個直流電源B2或者一個負載R2。所述第二磁流體加速器30的設置使得所述沖壓噴氣發(fā)動機10的尾噴管15中的氣流的行進方向與所述第二磁流體加速器中的磁場方向和所述至少兩個電極板之間的垂直連線均垂直。其中所述沖壓噴氣發(fā)動機進入其尾噴管的燃氣流的至少一部分是等離子體，即該沖壓噴氣發(fā)動機可視為氣體電離器。
下面介紹磁流體噴氣發(fā)動機的工作過程，其中該磁流體噴氣發(fā)動機安裝在一個飛行器上。
在飛行器行進過程中，當空氣流未達到?jīng)_壓噴氣發(fā)動機(最佳)工作進氣速度時，啟動磁流體加速器20，并將其切換到加速器模式。空氣流從進氣道14進入磁流體加速器20的磁場中。由于其氣體電離器40已經(jīng)將磁場中的氣體等離子化，所以在直流電源B的作用下，等離子空氣流與磁場之間相互作用而產(chǎn)生洛倫茲力，洛倫茲力的方向與空氣流的行進方向相同，促使空氣流的噴射速度提高，逐漸達到?jīng)_壓噴氣發(fā)動機所需的工作進氣流速度。而此時位于沖壓噴氣發(fā)動機10的尾噴管中的磁流體加速器30以發(fā)電機模式運行，其產(chǎn)生的電能通過適當?shù)妮旊娋€路供給以加速器模式運行的磁流體加速器20，以代替磁流體加速器20中的直流電源B1。
當空氣流的噴射速度等于沖壓噴氣發(fā)動機的(最佳)工作進氣速度時，磁流體加速器20和30基本不參與沖壓噴氣發(fā)動機的工作，而僅靠空氣流的噴射速度來維持沖壓噴氣發(fā)動機的工作，并由該發(fā)動機產(chǎn)生推力，推動磁流體噴氣發(fā)動機所驅動的飛行器飛行。
當空氣流的噴射速度超過沖壓噴氣發(fā)動機的(最佳)工作進氣速度時，進氣道上的磁流體加速器20切換為以發(fā)電機模式工作。首先，由氣體電離器40將從進氣道口進入磁流體加速器的高速空氣流等離子化后，在磁場中受洛倫茲力作用而在兩個電極板上集聚電荷、產(chǎn)生電流(此電流可以用來供給磁流體加速器的氣體電離器，用于電離空氣等，同時，也用于維持前后磁場和其它電器用電)；并根據(jù)“能量守恒定律”可知，高速空氣流由于發(fā)電而做功，消耗了其功能或降低了其速度。而且，通過控制磁流體加速器20的發(fā)電量的大小能夠控制空氣流的噴射速度的降低量，使其達到?jīng)_壓噴氣發(fā)動機所需的(最佳)進氣速度。磁流體加速器20所產(chǎn)生的電能也可以傳輸給以加速器模式運行的磁流體加速器30，以供磁流體加速器30使用，并使尾噴管中的氣體的噴射速度提高，以維持飛行器高速行進。
當然，如果空氣流速始終未達到或超過該磁流體噴氣發(fā)動機的進氣流速度，也可以使其進氣道14中的磁流體加速器20僅以加速器模式運行，而在其尾噴管1 5中的磁流體加速器30僅以發(fā)電機模式運行，而不需要它們進行模式切換。
當磁流體加速器作為發(fā)電機運行時，應盡量提高等離子空氣流和等離子燃氣流的導電性(如添加堿性電離添加劑)，以提高發(fā)電效率。
飛行器的飛行速度越低，所需磁流體噴氣發(fā)動機的氣流噴射速度越低(以達到較高的推進效率)，磁流體加速器發(fā)電量就越大；而磁流體加速器要維持沖壓噴氣發(fā)動機的工作進氣速度，所需用電量就越大(低于沖壓噴氣發(fā)動機的工作進氣速度時)。飛行器的飛行速度越高，所需的磁流體噴氣發(fā)動機的氣體噴射速度越高(以達到較高的推進效率)，磁流體加速器(以發(fā)電機模式工作)要維持沖壓噴氣發(fā)動機工作進氣速度，就必須把較高的進氣速度(超過沖壓噴氣發(fā)動機的工作進氣速度)調整到到所需的進氣速度，這樣，它的發(fā)電量的大小就會與飛行器飛行速度的高低成正比；而磁流體加速器30(以加速器形式工作)要加速燃氣流噴射速度，以保持或提高飛行器的飛行速度，這樣，它的用電量的大小也會與飛行器飛行速度的高低成正比。由此，就可知通過適當調節(jié)磁流體加速器20和磁流體加速器30的運行模式，可以維持磁流體噴氣發(fā)動機的最佳工作狀態(tài)。
在本發(fā)明的磁流體加速器中，磁體優(yōu)選采用磁感應強度高、性能穩(wěn)定、對溫度適應性強、重量輕的磁體，超導磁體為優(yōu)選磁體。電極板最好由電化學反應弱或沒有，電阻小，強度高和耐高溫、耐腐蝕的材料制成。氣體電離器可以采用高電壓氣體電離器、高溫氣體電離器、紫外線氣體電離器、激光氣體電離器和射線氣體電離器(X射線和放射性射線)等，還有以上兩種或兩種以上工作機理不同的氣體電離器組成的復合氣體電離器。其中，優(yōu)選紫外線氣體電離器和激光氣體電離器，因為它們結構簡單、能量密度大，無有害射線、不產(chǎn)生或產(chǎn)生有害氣體少、對電極板腐蝕小。
磁流體噴氣發(fā)動機適用于做任何大氣層內超音速飛行器的推進器，包括磁流體超燃噴氣發(fā)動機(即沖壓噴氣發(fā)動機為超燃沖壓噴氣發(fā)動機)和磁流體亞燃噴氣發(fā)動機(即沖壓噴氣發(fā)動機為亞燃沖壓噴氣發(fā)動機)以及亞磁流體噴氣發(fā)動機(包括亞磁流體超燃噴氣發(fā)動機和亞磁流體亞燃噴氣發(fā)動機)(指空氣流速未超過沖壓噴氣發(fā)動機的進氣速度的磁流體噴氣發(fā)動機)。
磁流體加速器可以加大氣流速度或動能，因此，它可獨立做為大氣層內飛行器的推進器，也可以做為光體(空氣)壓縮機，代替現(xiàn)有各種氣體壓縮機，但它需要外部電源。
可以將磁流體加速器安裝在火箭發(fā)動機尾噴管上，以加速燃氣流的噴射速度，加大火箭和/或各種太空飛行器的飛行速度(理論上噴氣流可被加速到光速)。
由磁流體噴氣發(fā)動機發(fā)展而來的磁流體發(fā)電機組可并入電網(wǎng)發(fā)電，也可以為地面、水面、水下或空中交通工具、運輸平臺產(chǎn)生驅動它們行駛、航行或飛行的電動推進(驅動)器所需的電能。
權利要求
1．一種磁流體加速器，其特征在于，包括用于產(chǎn)生磁場的至少一個磁體(21a,21b)、至少兩個電極板(22a,22b)和一個使所述至少兩個電極板(22a,22b)之間的電離氣體的氣體電離器，所述至少兩個電極板(22a,22b)所產(chǎn)生的電場與至少一個磁體(21a,21b)所產(chǎn)生的磁場的方向垂直，在所述至少兩個電極板(22a,22b)之間連接一個直流電源(B)。
2．根據(jù)權利要求1所述的磁流體加速器，其特征在于，所述磁流體加速器還包括一個負載(R)和一個切換開關(K1)，通過所述切換開關(K1)的切換操作可以實現(xiàn)將所述直流電源(B)或所述負載(R)連接在所述至少兩個電極板(22a,22b)之間。
3．一種磁流體噴氣發(fā)動機，包括一個沖壓噴氣發(fā)動機(10)，其特征在于，所述磁流體噴氣發(fā)動機還包括位于所述沖壓噴氣發(fā)動機(10)的進氣道中的第一磁流體加速器(20)和位于所述沖壓噴氣發(fā)動機(10)的尾噴管(15)中的第二磁流體加速器(30)，所述第一磁流體加速器(20)包括用于產(chǎn)生磁場的至少一個磁體(21a,21b)、至少兩個電極板(22a,22b)和一個使所述至少兩個電極板(22a,22b)之間的電離氣體的氣體電離器，所述至少兩個電極板(22a,22b)所產(chǎn)生的電場與至少一個磁體(21a,21b)所產(chǎn)生的磁場的方向垂直，在所述至少兩個電極板(22a,22b)之間連接一個直流電源(B1),所述第一磁流體加速器(20)的設置使得所述沖壓噴氣發(fā)動機(10)的進氣道中的氣流的行進方向與所述磁流體加速器(20)中的磁場方向和電場方向均垂直，并且與磁場中的帶電粒子所受到的洛倫茲力的方向相同，所述第二磁流體加速器(30)包括用于產(chǎn)生磁場的至少一個磁體(31a,31b)、用于積聚電荷從而產(chǎn)生電壓的至少兩個電極板(32a,32b)，所述至少兩個電極板(32a,32b)之間的垂直連線與所述至少一個磁體(31a,31b)所產(chǎn)生的磁場之間的角度不等于零度，在所述至少兩個電極板(32a,32b)之間連接至少一個用于做功的負載(R2)，所述第二磁流體加速器(30)的設置使得所述沖壓噴氣發(fā)動機(10)的尾噴管(15)中的氣流的行進方向與所述磁流體加速器中的磁場方向和所述至少兩個電極板之間的垂直連線均垂直。
4．根據(jù)權利要求3所述的磁流體噴氣發(fā)動機，其特征在于，所述第一磁流體加速器(20)還包括一個負載(R1)和一個切換開關(K1)，通過所述切換開關(K1)的切換操作可以實現(xiàn)將所述直流電源(B1)或所述負載(R1)連接在所述至少兩個電極板(22a,22b)之間。
5．根據(jù)權利要求3或4所述的磁流體噴氣發(fā)動機，其特征在于，所述第二磁流體加速器(30)還包括一個直流電源(B2)和一個切換開關(K2)，通過所述切換開關(K2)的切換操作可以實現(xiàn)將所述直流電源(B2)或所述負載(R2)連接在所述至少兩個電極板(32a,32b)之間。
6．根據(jù)權利要求3所述的磁流體噴氣發(fā)動機，其特征在于，所述沖壓噴氣發(fā)動機(10)為亞燃沖壓噴氣發(fā)動機。
7．根據(jù)權利要求3所述的磁流體噴氣發(fā)動機，其特征在于，所述沖壓噴氣發(fā)動機(10)為超燃沖壓噴氣發(fā)動機。
全文摘要
一種磁流體加速器和一種磁流體噴氣發(fā)動機,其中該磁流體加速器包括至少一個磁體,至少兩個電極板和一個使所述至少兩個電極板之間的氣體電離的氣體電離器,在所述至少兩個電極板之間連接一個直流電源。該磁流體噴氣發(fā)動機包括一個沖壓噴氣發(fā)動機,位于所述沖壓噴氣發(fā)動機的進氣道中的第一磁流體加速器和位于所述沖壓噴氣發(fā)動機的尾噴管中的第二磁流體加速器。第一和第二磁流體加速器可根據(jù)需要運行在加速器模式和發(fā)電機模式。
文檔編號F02C7/22GK1299927SQ0110133
公開日2001年6月20日 申請日期2001年1月3日 優(yōu)先權日2001年1月3日
發(fā)明者龔憶軍 申請人:龔憶軍