ПНЕВМОЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F03C4/00 

Изобретение предназначено для преобразования электроэнергии в механическую энергию вращения ротора двигателя, поэтому может быть использовано для электропривода машин и механизмов.

Известны немагнитные электромашины емкостного типа, содержащие пластины статора и ротора, переменная динамическая емкость между которыми позволяет осуществить преобразование электромеханического характера электрической энергии в механическую работу на перемещение заряженных тел-электродов (пластин) или наоборот. Известны электромашины емкостного типа (Бертинов А. И. Специальные электрические машины, М.: Энергоиздат, 1982, с. 318-327; Патент США N 3535941, кл. 310-5, 1971).

Так как удельная объемная энергия электрического поля емкостных электромашин с воздушным зазором или диэлектрическим зазором невелика, то основным недостатком известных емкостных электромашин является их низкая удельная мощность и малые вращающие моменты на валу, что препятствует их широкому распространению на практике.

Прототипом предлагаемого пневмо-электрогидравлического двигателя является гидродвигатель [1] , содержащий корпус, электроды и лопастной ротор, вращаемый жидкостью, под действием электрического разряда электродов, подключенных к источнику импульсного электропитания.

Цель - повышение эффективности и расширение функциональных возможностей двигателей немагнитного типа.

Ротор выполнен двухступенчатым, ступени которого своими полостями соединены с помощью конического сопла, лопасти направлены по касательным к окружности ротора, выполнены в виде обтекаемых гидродинамических тел и направлены в противоположных направлениях относительно лопастей смежной ступени ротора, при этом в полости ступени ротора с вершиной конического сопла размещена пара электроразрядных электродов, соединенная с источником электропитания с помощью формирователя разрядов в виде стержня на держателе пары электроразрядных электродов, включенного в цепь управления тиристора электропитания электроразрядника.

При заполнении корпуса двигателя с двухступенчатым ротором электролитической рабочей жидкостью до уровня выше верхних лопастей ротора между поверхностью электролита и крышкой корпуса образуется слой воздуха под заданным давлением.

При включении электропитания разрядника в полости ротора на нем осуществляется электрический разряд, сопро- вождающийся образованием сферического пузыря, расширяющегося вслед за сферическим фронтом ударной волны, который выталкивает рабочую среду между тангенциальными лопастями в корпус за пределы ротора, сжимая воздух до повышенного давления и сообщая реактивный импульс лопастям первой ступени.

При этом парогазоплазменный пузырь после достижения вершины конического сопла, соединяющего полости ступеней ротора, перекрывает гидравлическое сообщение между полостями, создавая после наступления фазы схлопывания разряда условие проталкивания рабочей среды через сопло из второй ступени ротора в первую. При этом под повышенным давлением рабочей среды в корпусе жидкость нагнетается между лопастями второй ступени внутрь ее, создавая дополнительный реактивный импульс второй ступени.

Так как лопасти ступеней ориентированы в противоположных направлениях, то направления реактивных импульсов совпадают, создавая общий вращающий момент на валу.

Так как при заполнении первой ступени рабочей среды после фазы схлопывания формирователь разрядов снова включает электропитание, то процесс создания вращающего момента на валу повторяется периодически с заданной частотой в течение всего времени электропитания.

На фиг. 1 изображен пневмоэлектрогидравлический двигатель, разрез по оси ротора; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - электросхема питания разрядника двигателя.

Пневмоэлектрогидравлический двигатель состоит из корпуса 1 в виде емкости на основании 2, имеющей патрубок 3 с плотно закрывающейся пробкой 4.

В противоположных торцовых стенках корпуса (емкости) 1 выполнены подшипники 5 скольжения с гидравлическим уплотнением, в которых размещен на валу 6 и пробке 7 ротор из двух лопастных ступеней: рабочая ступень 8 соединена торцом со вспомогательной ступенью 9, например, с помощью заклепочного соединения 10, а полости ступеней 8 и 9 соединены между собой коническим соплом 11 с вершиной конуса в ступени 8.

Лопасти 12 ступеней 8 и 9 имеют профиль обтекаемого гидродинамического тела и ориентированы в ступенях в противоположные направления, т.е. лопасти 12 ступени 8 ориентированы вправо, а лопасти 12 ступени 9 - влево, или наоборот, в зависимости от заданного направления вращения ротора.

Через электроизолирующую пробку 7 выполнены выводы 13 и 14 от электродов электроразрядника 15 и формирователя 16 разрядов, выполненного в виде стержня на пробке 7 на заданном расстоянии от электроразрядника 15.

Материалом всех частей и деталей двигателя, контактирующих с рабочей жидкостью 17 в корпусе 1, выбираются сплавы или полимеры, коррозионно-стойкие к заданному электролиту.

Число лопастей 12 ступеней 8 и 9 выполняется равным и может быть произвольным в зависимости от заданной мощности и рабочих параметров двигателя.

Пневмоэлектрогидравлический двигатель работает следующим образом.

В корпус 1 двигателя заливается рабочая жидкость (электролит) 17 до уровня выше ротора, и электроды разрядника подключаются с помощью коммутационной аппаратуры (не показана) к блоку электропитания (фиг. 4).

При включении электропитания на двигатель при заполненной ступени 8 ротора электрическая цепь управления тиристора Т замыкается через рабочую жидкость (электролит) 17, открывает тиристор и на электродах электроразрядника 15 осуществляется разряд, сопровождающийся образованием сферического фронта ударной волны и внутри него парогазоплазменного пузыря, скорость которого менее скорости распространения фронта ударной волны. В результате электрогидравлического эффекта рабочая среда вытесняется из ступени 8 через щели между лопастями 12, сообщая им реактивный импульс вращения ротора и сжимая воздух над электролитом (жидкостью 17) в корпусе 1 до заданного давления. Одновременно с этим процессом парогазоплазменный пузырь достигает вершины конического сопла 11, перекрывает сообщение между собой ступеней 8 и 9 до наступления фазы схлопывания разряда. После наступления фазы схлопывания разряда давление в парогазоплазменном пузыре падает, открывается сопло 11, из которого под давлением воздуха в корпусе над электролитом (жидкостью 17) истекает рабочая среда из ступени 9 в ступень 8, что приводит к проталкиванию рабочей среды в ступень 9 через щели между ее лопастями 12, сообщая им реактивный импульс вращения.

Так как лопасти 12 ступени 8 ориентированы в противоположном направлении лопастям 12 ступени 9, то при противоположных направлениях потоков через щели между лопастями в ступенях 8 и 9 реактивный импульс сохраняет свое направление, обеспечивая общий вращающий момент лопастей ступеней 8 и 9.

После заполнения ступени 8 рабочей жидкостью (электролитом) 17 цепь управления тиристора снова замыкается с помощью формирователя 16 разрядов, повторяя процесс образования электрогидравлического эффекта с превращением электроэнергии в работу вращательного движения ротора в течение всего периода электропитания двигателя.

Так как электропитание двигателя предотвращает применение гидронасосов, трубопровода высокого давления, гидравлической запорно-регулирующей аппаратуры, то обеспечивается повышение удельной мощности и КПД, т.е. эффективности двигателя. Так как с помощью электрогидравлического эффекта электроэнергия превращается в механическую работу практически полностью, а проводимости электролита позволяют использовать низкие электрические напряжения, это позволяют предотвратить применение крупногабаритных изоляционных устройств, что обеспечивает возможность использования двигателя с улучшенными массово-габаритными показателями практически без ограничения, в том числе и на транспортных средствах.

Эффективность пневмоэлектрогидравлического двигателя определяется его габаритами, величиной рабочего напряжения, которое выбирается по конкретным электрофизическим свойствам рабочего вещества-электролита, применяемого в двигателе. Так, например, двигатель с ротором диаметром ≈0,5 м в корпусе размерами 0,7х0,7х0,7 м³, заполненном, например, раствором медного купороса, при напряжении на клеммах 220 В от источника электропитания мощностью 12 кВт, позволяет развивать момент ≈1000 Нм при скорости вращения около 100 об/мин, что обеспечивает ему КПД ≈80% и позволяет использовать его на транспортных средствах в качестве тягового двигателя.

Использование: для электропривода машин и механизмов. Сущность изобретения: в корпусе, частично заполненном рабочей жидкостью, размещен лопастной ротор и электроды, подключенные к источнику импульсного электропитания. Ротор выполнен двухступенчатым. Ступени соединены между собой коническим соплом. Лопасти выполнены обтекаемого профиля, направлены по касательной и цилиндрической поверхности ротора и ориентированы на ступенях в противоположных направлениях относительно друг друга. Электроды размещены в полости первой ступени и подключены к источнику импульсного электропитания теристорной схемой. Схема содержит формирователь разрядов, выполненный в виде стержня, закрепленного на электроизолирующей пробке - держателе, и электроразрядник. Корпус заполнен электролитом до уровня, превышающего расположение верхних лопастей ротора. 4 ил.

ПНЕВМОЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус, частично заполненный рабочей жидкостью, в котором размещен лопастной ротор и электроды, подключенные к источнику импульсного электропитания, отличающийся тем, что ротор выполнен двухступенчатым, ступени соединены между собой посредством конического сопла, лопасти выполнены обтекаемого профиля, направлены по касательной к цилиндрической поверхности ротора и ориентированы на ступенях в противоположных направлениях одна относительно другой, при этом электроды размещены в полости первой ступени и подключены к источнику импульсного электропитания посредством тиристорной схемы, включающей формирователь разрядов, выполненный в виде стержня, закрепленного на электроизолирующей пробке-держателе, и электроразрядник, а корпус заполнен электролитом до уровня, превышающего расположение верхних лопастей ротора.