ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F03C2/00 F03C5/00 

Изобретение относится к энергомашиностроению.

Известен электрогидравлический двигатель, содержащий частично заполненный жидкостью корпус, в полости которого с возможностью взаимодействия между собой закреплены электроды, подключенные к генератору импульсов, и установленный на валу лопастной ротор [1]
Недостатки этого двигателя: сложность конструкции, низкий КПД из-за значительных гидравлических потерь.

Наиболее близким к изобретению является электрогидравлический двигатель, содержащий цилиндрический корпус, по меньшей мере два ротора, расположенных на одном валу, разрядную камеру, заполненную рабочей текучей средой, и электроды, соединенные с источником импульсного напряжения и расположенные между роторами [2]
Недостатками этого двигателя являются сложная конструкция и невозможность обеспечения в полной мере реверса вала двигателя. Кроме того, при искровых разрядах в воде за счет ее разложения в корпусе накапливаются газы, ухудшающие работу двигателя из-за отсутствия технических средств отвода газов из корпуса.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей путем увеличения отбора мощности на валу двигателя и снижения загрязнения окружающей среды.

Это достигается за счет усовершенствования конструкции как системы подачи рабочей среды в разрядную камеру, так и самой камеры, взаимного расположения роторов и электродов, а также наличием смесительной камеры и упругого компенсатора.

На фиг.1 схематично изображен электрогидравлический двигатель, вид сбоку; на фиг.2 тот же двигатель в плане; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.5 разрез В-В на фиг.3; на фиг.6 разрез Г-Г на фиг. 3; на фиг.7 разрез Д-Д на фиг.2; на фиг.8 электрогидравлическая схема двигателя.

Электрогидравлический двигатель содержит корпус 1, закрепленный на опорах 2, размещенные в нем два ротора 3, 4, расположенные на одном валу 5, разрядную камеру 6 с электродами 7, соединенными с источником 8 импульсного напряжения, заполненную рабочей текучей средой, взаимодействующей с лопатками 9, 10 роторов 3, 4, развернутых в разные стороны, источник 11 рабочей текучей среды и регулятор 12 подачи рабочей текучей среды в разрядную камеру 6. Корпус 1 состоит из зеркально расположенных цилиндрических частей 13, 14, имеющих патрубки 15, 16, фланцы 17, 18 и крышки 19, 20. На патрубках 15, 16 посредством шлицевых соединений закреплены стенки 21, 22 из проводящего материала, выполненные в виде колец. Между стенками 21, 22 установлен центрально расположенный электроизолятор 23 с радиальными каналами 24 для подключения электродов 7 к источнику 8 импульсного напряжения. В цилиндрических частях 13, 14 выполнены полости 25, 26 для размещения роторов 3, 4, жестко закрепленных на валу 5. Вал может быть выполнен полым для охлаждения. Осевое перемещение вала 5 ограничено, например, кольцами 27. В патрубках 15, 16 установлены уплотнительные элементы известной конструкции, а в крышках 19, 20 подшипники качения и уплотнительные элементы, исключающие утечки рабочей текучей среды в атмосферу. Фланцы 17, 18 цилиндрических частей 13, 14 предназначены для соединения цилиндрических частей посредством болтовых соединений.

Роторы 3, 4 выполнены в виде цилиндрических тел вращения, на наружной поверхности которых закреплены лопатки 9, 10. Лопатки 9, 10 известной конструкции могут быть выполнены, например, косыми, развернутыми рабочими поверхностями в сторону торцовых сторон роторов 3, 4, винтообразными, при этом между концами лопаток и внутренними поверхностями цилиндрических частей 13, 14 выполнены технологические зазоры. В каждом роторе 3, 4 и в стенках цилиндрических частей 13, 14 параллельно оси выполнены каналы 28, 29 для циркуляции потоков рабочей текучей среды.

Разрядная камера 6 выполнена в виде цилиндрических каналов 30, размещенных в стенках 21, 22 корпуса, одни концы которых сопряжены со сферическими полостями, выполненными в электроизоляторе 23, а другие концы снабжены соплами 31 известной конструкции, выполненными в цилиндрических частях 13, 14. Электроизолятор 23 изготовлен из высокопрочной и жаростойкой керамики. Сопла 31 размещены на уровне рабочих поверхностей лопаток 9, 10 роторов 3, 4. В каждом цилиндрическом канала 30 установлен осевой электрод 7, задний конец которого вмонтирован в электроизолятор 23. Электроды 7 установлены параллельно оси вала 5. Расстояния между электродами 7 и внутренними поверхностями цилиндрических каналов 30 образуют рабочие искровые промежутки для осуществления высоковольтных искровых разрядов в рабочей текучей среде. В каждой проводящей стенке 21, 22 выполняется не менее трех цилиндрических каналов 30, разнесенных на 120^о от одного канала до другого по длине окружности, а максимальное количество цилиндрических каналов 30 определяется заданной мощностью, развиваемой на валу 5 двигателя. На осевой электрод 7 подается положительный потенциал от источника 8 импульсного напряжения, а стенки цилиндрических каналов 30 подключаются к отрицательному потенциалу источника 8 при использовании двигателя в стационарных установках. При использовании электрогидравлического двигателя в транспортных средствах стенки 21, 22 корпуса подключаются к его массе.

Источник 8 импульсного напряжения состоит из электрогенератора 32 переменного тока, устанавливаемого, например, на одном конце вала 5 или сети переменного тока, высоковольтного трансформатора 33, в первичной цепи которого включен резистор R, выпрямителя 34, искрового разрядника 35, разрядного конденсатора 36. Искровой разрядник 35 с формирующим промежутком выполнен управляемым посредством пускового блока 37. Искровой разрядник 35 выполнен, например, в виде двух основных электродов, один из которых может перемещаться для регулирования формирующего промежутка, и пускового электрода, расположенного между основными электродами искрового разрядника. Пусковой электрод предназначен для образования искрового разряда в формирующем промежутке по управляющим импульсам пускового блока 37. Пусковой блок подключен к блоку 38 управления с органами управления. Искровой разрядник 35 подключен к электродам 7 через приводной распределитель 39 импульсного напряжения, причем распределение импульсного напряжения к электродам 7 осуществляется в соответствии с заданным алгоритмом. Частота повторения импульсов напряжения на выходе искрового разрядника 35 может быть равной частоте питающей сети.

Для транспортных средств источник 8 импульсного напряжения может быть выполнен аналогично известной системе зажигания с усовершенствованием катушки зажигания с выходным напряжением порядка 30-50 кВ, а вместо известных свечей используется предлагаемая разрядная камера 6.

Источник 11 рабочей текучей среды выполнен, например, в виде известных сосудов высокого давления, заполняемых под давлением газообразными водородом и кислородом, при этом усилие пружин обратных клапанов 40 не должно превышать минимально возможного давления газа в источнике 11 рабочей текучей среды.

Регулятор 12 подачи рабочей текучей среды в разрядную камеру 6 выполнен в виде размещенных в корпусе 4 двух цилиндрических колес 42, 43 с возможностью встречного вращения посредством редуктора 44, частично установленных в смесительной камере 45, сообщенной посредством трубопроводов 46, 47, распределительных камер 48, 49, обратных клапанов 40 с каналами 30 разрядной камеры 6. В каждом цилиндрическом колесе 42, 43 выполнен по меньшей мере один радиальный калиброванный канал 50, сообщенный с его кольцевой периферийной проточкой 51, взаимодействующей с торцом вертикально расположенной трубки 52, причем другой конец трубки 52 соединен с упругим компенсатором 53, выполненным в виде сильфона. Упругие компенсаторы 53 посредством трубопроводов 54, 55 сообщены с источником 11 рабочей текучей среды. Привод регулятора 12 выполнен в виде двигателя 56 постоянного тока, выходной вал которого одним концом соединен с редуктором 44, а другим концом через электроизолятор (не показан) с распределителем 39 импульсного напряжения. За распределителем импульсного напряжения установлен автоматический коммутатор выбора режимов работы разрядной камеры 6, подключенный к блоку 38 управления. Распределитель 39 и автоматический коммутатор размещены в одном электроизоляционном корпусе. Настройка регулятора 12 подачи рабочей текучей среды осуществляется таким образом, чтобы импульсная подача рабочей текучей среды опережала высоковольтные искровые разряды в рабочих искровых промежутках разрядной камеры 6. Интенсивность подачи рабочей текучей среды в разрядную камеру 6 регулируется изменением оборотов двигателя 56 постоянного тока. Блок 38 управления выполнен из известных электронных и полупроводниковых элементов.

Электрогидравлический двигатель работает следующим образом.

В исходном состоянии электрогидравлический двигатель отключен от источника электропитания и рабочей текучей среды. Для приведения в действие электрогидравлического двигателя включается, например, сеть переменного тока. Энергия сети переменного тока подводится к блоку 38 управления и к трансформатору 33, после чего с блока управления подают управляющие сигналы в автоматический коммутатор для переключения электродов 7 разрядной камеры 6 на параллельное включение и в пусковой блок 37, который формирует управляющие импульсы для поджига искрового разрядника 35. Затем включают регулятор 12 подачи рабочей текучей среды в разрядную камеру 6 с минимальным расходом, для чего устанавливают максимально возможные обороты двигателя 56 постоянного тока. Вследствие этого в смесительную камеру 45 из радиальных калиброванных каналов 50 цилиндрических колес 42, 43 нагнетается под давлением минимально возможный расход газообразных водорода и кислорода, например, с объемным соотношением 1: 1, так как проходные сечения калиброванных каналов 50 одинаковы. Газы в смесительной камере 45 смешиваются и расширяются, вследствие этого газы текут через распределительные камеры 48, 49 в обратные клапаны 40, в которых, преодолевая сопротивление пружин, поступают в цилиндрические каналы 30 разрядной камеры 6. В соответствии с заданным алгоритмом управления поджигается искровой разрядник 35, в котором возникает искровой разряд. При этом разрядный конденсатор 36, создающий импульсы высокого напряжения, разряжается. Разрядный ток конденсатора 36 течет через распределитель 39, автоматический коммутатор в разрядную камеру 6. Между электродами 7 и стенками цилиндрических каналов 30 разрядной камеры 6 возникают высокочастотные искровые разряды в рабочей текучей среде смеси газообразных водорода и кислорода. Мгновенно смесь превращается в плазму с высокой или сверхвысокой температурой, вследствие этого возникают импульсы высокого или сверхвысокого давления. При повышении давления в каналах 30 обратные клапаны 40 закрываются, а при понижении давления вновь открываются под воздействием давления рабочей текучей среды. Плазма, отражаясь от сферических поверхностей цилиндрических каналов 30, истекает через сопла 31 с высокой кинетической энергией в направлении лопаток 9, 10 роторов 3, 4, последние приводятся во вращение за счет превращения кинетической энергии плазмы во вращательное движение роторов 3, 4. С вала 5 электрогидравлического двигателя осуществляется отбор мощности.

При высоковольтном искровом разряде в среде водорода и кислорода при снижении температуры и давления возникают пары чистой воды, часть которых совместно со смесью водорода и кислорода, истекающей до искрового разряда, подсасывается через каналы 29 в сопла 31 для последующего окисления, а другая часть возвращается, отражаясь от крышек 19, 20 через каналы 28 роторов 3, 4 в направлении разрядной камеры 6. Пары чистой воды превращаются в воду, которая под воздействием центробежных сил отбрасывается к внутренним стенкам цилиндрических частей 13, 14 корпуса 1. В полостях 25, 26 возникает винтообразная циркуляция потоков паров воды и газов под воздействием плазмы, истекающей из сопл 31.

Следует отметить, что для данной конструкции электрогидравлического двигателя за каждый оборот распределителя 39 импульсного напряжения осуществляются шесть высоковольтных искровых разрядов в каждом цилиндрическом канале 30 разрядной камеры 6 и одна минимально возможная подача рабочей текучей среды при повороте выходов радиальных калиброванных каналов 50 на 120^о, при этом подача рабочей текучей среды осуществляется с опережением по фазе на 50-60^о относительно первой характерной точки включения распределителя 39 импульсного напряжения. Высоковольтные искровые разряды осуществляются циклически через каждые 60^о.

Для увеличения (снижения) оборотов роторов 3, 4 электрогидравлического двигателя увеличивают (уменьшают) расход рабочей текучей среды за счет снижения (увеличения) оборотов двигателя 56 постоянного тока. При снижении (увеличении) оборотов двигателя 56 за каждый его оборот увеличивается (уменьшается) время подачи рабочей текучей среды. С увеличением (уменьшением) времени подачи рабочей текучей среды при прочих равных условиях увеличивается (уменьшается) расход рабочей текучей среды, а при увеличении (уменьшении) рабочей текучей среды увеличивается (уменьшается) объем плазмы, истекающей из сопл 31, воздействующий на лопатки 9, 10 роторов 3, 4, что приводит к увеличению (уменьшению) оборотов выходного вала 5 электрогидравлического двигателя. Регулирование оборотов выходного вала 5 осуществляется посредством, например, датчика оборотов (не показан), связанного через блок 38 управления с двигателем 56 переменного тока.

Для изменения мощности, например ее увеличения, на валу 5 электрогидравлического двигателя увеличивают давление в цилиндрических каналах 30 разрядной камеры 6. Для этого изменяют длину формирующего промежутка искрового разрядника 35 и изменяют емкость разрядного конденсатора 36 для накопления энергии. С увеличением энергии в разрядном конденсаторе 36 увеличиваются текущие разрядные токи в разрядной камере 6, что влечет увеличение давления в цилиндрических каналах 30 и увеличение кинетической энергии плазмы, воздействующей на лопатки 9, 10 роторов 3, 4, вследствие чего на выходном валу 5 электрогидравлического двигателя увеличивается отбираемая мощность.

При относительно длительной работе электрогидравлического двигателя на смеси газообразных водорода и кислорода в полостях 25 и 26 накапливается чистая вода, а при заполнении водой цилиндрических каналов 30 и обратных клапанов 40 последние автоматически перекрывают поступление газообразной рабочей текучей среды в электрогидравлический двигатель, так как плотность воды много больше плотности смеси водорода и кислорода.

Характеристика изменения давления может контролироваться датчиком давления, установленным, например, в смесительной камере 45 регулятора 12 (датчик давления не показан). Сигнал с датчика давления поступает в блок 38 управления, по управляющим сигналам которого электрогидравлический двигатель переключается на второй режим работы двигателя. Вследствие этого отключаются сосуды высокого давления источника 11 рабочей текучей среды, переключается автоматический коммутатор на последовательное и поочередное включение электродов 7, обращенных свободными концами в полости 25, 26, увеличивается напряжение сети переменного тока.

При высоковольтных искровых разрядах в воде последняя мгновенно испаряется в парогазовую смесь, состоящую из паров воды, газообразных водорода и кислорода. Вода при высокой температуре порядка 10⁴ К разлагается на водород и кислород. Парогазовая смесь, отражаясь от сферических поверхностей цилиндрических каналов 30, истекает через сопла 31 с высоким или сверхвысоким давлением, воздействующим на воду и на лопатки 9, 10 роторов 3, 4, вследствие чего в воде возникают гидравлические ударные волны. Благодаря воздействию давления парогазовой смеси и гидравлических ударных волн увеличиваются частота вращения роторов 3, 4 и отбираемая мощность на валу 5 двигателя. После поглощения большей части кинетической энергии гидравлических ударных волн часть воды, отражаясь от сферических поверхностей крышек 19, 20, направляется в каналы 28 роторов 3, 4, а парогазовая смесь подсасывается в сопла 31 через каналы 29 цилиндрических частей 13, 14 корпуса 1. В полостях 25, 26 корпуса устанавливается винтообразная циркуляция потоков воды и газов водорода и кислорода, которые взаимодействуют в последующих циклах электрогидравлического двигателя.

Для остановки электрогидравлического двигателя с блока 38 управления подают управляющий сигнал на отключение пускового блока 37, а затем отключают сеть переменного тока. После завершения работы из полостей 25 и 26 корпуса 1 сливается вода для последующего использования.

Таким образом, усовершенствованная конструкция электрогидравлического двигателя обеспечивает расширение функциональных возможностей путем увеличения отбора мощности на валу двигателя и снижения загрязнения окружающей среды.

Данный двигатель может быть использован как на транспортных средствах, так и в стационарных установках. Двигатель основан на использовании электрогидравлического эффекта в среде смеси газообразных кислорода и водорода, взятых, например, в объемном соотношении 1:1 (могут быть использованы и другие объемные соотношения кислорода и водорода). Конструкция двигателя проста, например, в сравнении с двигателем внутреннего сгорания на традиционном топливе и удобна в эксплуатации (разборка, сборка, наладка и регулировка двигателя). Электрогидравлический двигатель предложенной конструкции является экологически чистым.

Использование: в энергомашиностроении при проектировании электрогидравлических двигателей. Сущность изобретения двигатель снабжен регулятором подачи рабочей текучей среды, через обратные клапаны сообщенным с разрядной камерой, которая выполнена в виде цилиндрических каналов, размещенных в стенках корпуса, выполненных из проводящего материала и разделяющих полость корпуса на две полости, в каждой из которых размещен ротор, причем одни концы цилиндрических каналов заглушены, а другие концы снабжены соплами, размещенными на уровне рабочих поверхностей лопаток роторов, и в каждом цилиндрическом канале установлен осевой электрод, конец которого вмонтирован в электроизолятор, размещенный между стенками корпуса. Двигатель снабжен смесительной камерой и упругим компенсатором, в стенках корпуса, разделяющих полости, выполнены распределительные камеры, регулятор подачи рабочей текучей среды выполнен в виде двух цилиндрических колес, установленных с возможностью встречного вращения, размещенных частично в смесительной камере, сообщенной с обратными клапанами через распределительные камеры, при этом в каждом цилиндрическом колесе выполнен по меньшей мере один радиальный калиброванный канал, сообщенный с его кольцевой периферийной проточкой и одним концом вертикально расположенной трубки, другой конец которой соединен с упругим компенсатором, сообщенным с источником рабочей среды. 3 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий цилиндрический полый корпус, по крайней мере два ротора с лопатками, размещенные в корпусе и расположенные на одном валу, разрядную камеру, заполненную рабочей текучей средой, взаимодействующей с лопатками роторов и электроды, соединенные с источником импульсного напряжения и расположенные в разрядной камере между роторами с их торцевых сторон, причем лопатки соседних роторов развернуты в разные стороны, отличающийся тем, что он снабжен регулятором подачи рабочей текучей среды, через обратные клапаны сообщенным с разрядной камерой, которая выполнена в виде цилиндрических каналов, размещенных в стенках корпуса, выполненных из проводящего материала и разделяющих его полость на две полости, в каждой из которых размещен ротор, причем одни концы цилиндрических каналов заглушены, а другие снабжены соплами, размещенными на уровне рабочих поверхностей лопаток роторов, и в каждом цилиндрическом канале установлен осевой электрод, конец которого вмонтирован в электроизолятор, размещенный между упомянутыми стенками корпуса. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен смесительной камерой и упругим компенсатором, в стенках корпуса, разделяющих его полости, выполнены распределительные камеры, регулятор подачи рабочей текучей среды выполнен в виде двух цилиндрических колес, установленных с возможностью встречного вращения и размещенных частично в смесительной камере, сообщенной с обратными клапанами через распределительные камеры, при этом в каждом цилиндрическом колесе выполнен по меньшей мере один калиброванный канал, сообщенный с кольцевой проточкой по периферии колеса и с одним концом вертикально расположенной трубки, другой конец которой соединен с компенсатором, подключенным к источнику рабочей текучей среды. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в каждом роторе и в боковых стенках полостей корпуса выполнены каналы, параллельные оси корпуса, причем каналы в стенках своими входами сообщены с полостями корпуса, в которых размещены роторы, а выходами с соплами. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что компенсатор выполнен в виде сильфона.