ЭГД-НАГНЕТАТЕЛЬ-НАСОС Российский патент 1996 года по МПК H02N3/00 

Изобретение относится к электрогидродинамическим преобразователям энергии и может быть использовано для перекачивания диэлектрических жидкостей, сжатых газов или смесей газов с дисперсными жидкими или твердыми частицами в криогенной технике, энергетической, химической и газовой промышленности, а также в других отраслях народного хозяйства.

Известен ЭГД насос-нагнеталь [1] содержащий диэлектрический корпус, снабженный впускным и выпускным отверстиями для перекачиваемой среды, два дисковых электрода с отверстиями, расположенные параллельно друг другу по обе стороны диэлектрического диска с отверстиями конической формы, причем первый электрод (ближайший к впускному отверстию) снабжен также заостренными выступами, которые расположены напротив отверстий, выполненных в диэлектрическом диске. Электроды подключены к источнику высокого напряжения, а участки поверхности второго электрода, расположенные напротив отверстий, выполненных в диэлектрическом диске, имеют выпуклую форму.

При подаче на электроды высокого напряжения между ними возникает коронный разряд или разряд, подобный коронному в капельных жидкостях. В результате рабочая среда ионизуется и в межэлектродном пространстве формируется область униполярного пространственного заряда, знак которого соответствует знаку потенциала на первом (эмиттерном) электроде. Под действием приложенного электрического поля и поля пространственного заряда происходит дрейф образовавшегося униполярного пространственного заряда от эмиттерного электрода к коллекторному (второму) электроду. В результате вязкостного взаимодействия заряженных частиц с основной нейтральной массой рабочей среды происходит перемещение ее в направлении к коллектору, при этом потенциальная энергия зарядов переходит в кинетическую энергию потока, которая на выходе из коллектора преобразуется в потенциальную энергию давления.

Недостаток этого устройства заключается в том, что оно характеризуется низкими напорно-расходными характеристиками из-за наличия повышенных местных гидравлических сопротивлений, возникающих при движении жидкости от заостренных выступов к выпускному отверстию через отверстия в диэлектрическом диске и смещенные относительно них отверстия во втором электроде.

Известен также ЭГД-насос-нагнетатель [2] содержащий диэлектрический корпус с выполненным в нем каналом и расположенные в нем последовательно по потоку перекачиваемой среды эмиттерный, вспомогательный и коллекторный электроды, причем эмиттерный электрод выполнен игольчатым и расположен соосно каналу, вспомогательный электрод выполнен в виде кругового кольца, а коллекторный электрод, в виде тела вращения с осевым отверстием. Электроды подключены к источнику высокого напряжения через регулируемый делитель напряжения так, что потенциал вспомогательного электрода можно изменять в широком диапазоне: от потенциала, близкого по величине к потенциалу эмиттера, до потенциала, близкого по величине к потенциалу коллекторного электрода.

В известном устройстве [2] благодаря наличию вспомогательного электрода и резистивного делителя напряжения имеется возможность изменять его напорно расходные характеристики. Действительно, если потенциал вспомогательного электрода незначительно отличается от потенциала эмиттерного электрода, то обеспечивается максимальный напор за счет снижения расхода. С другой стороны, если потенциал вспомогательного электрода незначительно отличается от потенциала коллекторного электрода, то обеспечивается максимальный расход при минимальном напоре.

Недостаток этого устройства заключается в том, что оно характеризуется низкими предельными значениями напорно-расходных параметров. Это обусловлено следующими причинами. Во-первых, используемая в [2] конфигурация электродов приводит к тому, что электрическое поле по поперечному сечению канала сильно неоднородно, а следовательно, устройство характеризуется низким значением пробойного напряжения. Во-вторых, наличие застойных зон, обусловленное формой поверхности коллекторного электрода, обращенной к вспомогательному электроду, приведет (при больших временах релаксации объемного заряда в диэлектрической среде) к существенной экранировке поля коллекторного электрода. Кроме того, коллекторный электрод имеет сложную форму, так как одна его поверхность является формирующим участком для потока рабочей среды, а другая поверхность элементом, формирующим распределение электрического поля между электродами.

Цель изобретения разработка ЭГД-нагнетателя-насоса с такими вспомогательными и коллекторным электродами, конструктивное выполнение которых обеспечило бы равномерное распределение электрического поля по поперечным сечениям канала при одновременном уменьшении гидросопротивления коллекторного электрода потоку рабочей среды, что повысило бы предельные значения напорно-расходных характеристик устройства.

Цель достигается тем, что в ЭГД-нагнетателе, содержащем диэлектрический корпус с выполненным в нем каналом и расположены в канале последовательно по потоку рабочей среды эмиттерный, вспомогательный и коллекторный электроды, подключенные к источнику высокого напряжения, эмиттерный электрод выполнен игольчатым и расположен соосно каналу, а перекрывающий поперечное сечение канала коллекторный электрод выполнен с осевым отверстием, вспомогательный электрод выполнен сетчатым в виде сферического сегмента, диаметр основания которого равен внутреннему диаметру канала, поверхность коллекторного электрода, обращенная к выпуклой стороне вспомогательного электрода, выполнена в форме соосного с каналом эллипсоида вращения, а расстояние от острия эмиттерного электрода до вспомогательного электрода удовлетворяет соотношению:
L (1,25-0,9)R, где L расстояние от острия эмиттерного электрода до вспомогательного электрода в осевом направлении; R радиус кривизны вспомогательного электрода.

Целесообразно, чтобы вспомогательный электрод был выполнен с осевым отверстием.

Выгодно, чтобы вспомогательный электрод был выполнен переменной проницаемости для рабочей среды, при этом величина проницаемости монотонно увеличивалась бы от периферии электрода к его середине.

Кроме того, предпочтительно, чтобы поверхность коллекторного электрода, обращенная к вспомогательному электроду, совместно с участком поверхности канала между коллекторным и вспомогательным электродами была выполнена в форме соосно с каналом эллипсоида вращения.

Такое выполнение вспомогательного и коллекторного электродов ЭГД-нагнетателя-насоса обеспечивает однородное распределение электрического поля по поперечным сечениям канала, а следовательно, повышение предельных значений напорно-расходных характеристик за счет увеличения значения пробойного напряжения, которое определяется в данном случае, в основном, параметрами эмиттерного электрода и диэлектрическими свойствами рабочей среды.

Кроме того, выполнение поверхности коллекторного электрода, обращенной к вспомогательному электроду, в виде эллипсоида вращения позволяет дополнительно уменьшить гидросопротивление обтекаемому электрод потоку рабочей среды.

Дополнительным преимуществом изобретения является возможность изменять напорно-расходные характеристики устройства путем изменения отношения полуосей эллипсоида. Для получения больших предельных значений расхода рабочей среды поверхность коллекторного электрода должна быть вытянута в направлении движения рабочей среды.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1.

ЭГД-нагнетатель-насос содержит диэлектрический корпус 1, канал 2, игольчатый эмиттерный электрод 3, вспомогательный электрод 4 и коллекторный электрод 5. Вспомогательный электрод 4 выполнен сетчатым в виде сферического сегмента, обращенного выпуклой стороной к коллекторному электроду 5, при этом диаметр основания сегмента равен внутреннему диаметру канала. Вспомогательный электрод 4 может быть выполнен с осевым отверстием 6 и переменной проницаемости, величина которой монотонно увеличивается от периферии электрода 4 к его середине. Поверхность 7 коллекторного электрода 5 совместно с участком поверхности 8 канала 2 выполнена в форме соосного с каналом 2 эллипсоида вращения с осевым отверстием 9.

Электроды 3, 4 и 5 подключены к регулируемому источнику 10 высокого напряжения. Выполнение источника 10 высокого напряжения может быть любым из числа известных, например, может быть использована схема источника, описанная в [2]
Расстояние L от острия эмиттерного электрода до вспомогательного электрода должно удовлетворять соотношению L (1,25-0,3)R, где R радиус кривизны вспомогательного электрода 4.

ЭГД-нагнетатель-насос работает следующим образом.

После заполнения канала 2 рабочей средой от источника 10 высокого напряжения на электроды 3, 4 и 5 подаются соответствующие потенциалы (фиг.1). При достижении разности потенциалов на электродах 3, 4 и 5 значений, соответствующих напряжению зажигания коронного разряда, в области между эмиттерным 3 и коллекторным 5 электродами образуется униполярный пространственный заряд со знаком, соответствующим знаку потенциала на эмиттерном электроде 3. Под действием внешнего электрического поля и собственного поля объемный заряд перемещается к внутренней поверхности 7 коллекторного электрода 5, при этом за счет вязкостного взаимодействия заряженных частиц с основной нейтральной массой рабочей среды происходит перемещение ее в направлении к коллекторному электроду 5.

При движении рабочей среды от эмиттерного электрода 3 к коллекторному электроду 5 образуется тороидальный пространственный вихрь. При этом предложенная форма поверхности коллекторного электрода 5 обеспечивает минимальное гидросопротивление за счет увеличения проходного сечения между вихрем и поверхностью коллекторного электрода 5. Ионизованная рабочая среда, контактируя с поверхностью коллекторного электрода 5, рекомбинирует.

Изменение напорно-расходных характеристик ЭГД-нагнетателя-насоса осуществляется изменением величины потенциала вспомогательного электрода 4. Так, если потенциал вспомогательного электрода 4 незначительно отличается от потенциала эмиттерного электрода 3, то устройство обеспечивает максимальное значение напора. В другом крайнем случае, если потенциал вспомогательного электрода 4 незначительно отличается от потенциала коллекторного электрода 5, что тогда обеспечивается максимальное значение расхода за счет уменьшения напора. Таким образом, требуемая напорно-расходная характеристика устройства достигается соответствующим выбором величины потенциала на вспомогательном электроде 4.

Предложенная форма выполнения вспомогательного 4 и коллекторного 5 электродов и их взаимное расположение относительно эмиттерного электрода 4 обеспечивает однородное распределение электрического поля по поперечным сечениям канала 2, т.е. повышает значение пробойного напряжения, а вместе с тем и предельные значения напорно-расходных характеристик.

Наличие осевого отверстия 6 во вспомогательном электроде 4 позволяет существенно снизить величину гидросопротив- ления при обтекании его потоком рабочей среды.

Существенное уменьшение гидросопротивления обеспечивается также за счет выполнения вспомогательного электрода 4 переменной проницаемости, величина которой монотонно увеличивается от периферии электрода к его середине.

Использование: для перекачивания диэлектрических жидкостей, сжатых газов и смесей газов с дисперсными жидкими или твердыми частицами в криогенной технике, в энергетике. Сущность изобретения: эгд-нагнетатель-насос содержит диэлектрический корпус, в канале корпуса установлены эмиттерный, вспомогательный и коллекторный электроды. Игольчатый эмиттерный электрод расположен соосно каналу. Вспомогательный электрод выполнен сетчатым и имеет форму сферического сегмента, основание которого совпадает с внутренним сечением канала. Поверхность коллекторного электрода, обращенная к выпуклой стороне вспомогательного электрода, выполнена в форме эллипсоида вращения, соосного каналу. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ЭГД-нагнетатель-насос, содержащий диэлектрический корпус с выполненным в нем каналом и расположенные в нем последовательно по потоку рабочей среды эмиттерный, вспомогательный и коллекторный электроды, подключенные к источнику высокого напряжения, причем эмиттерный электрод выполнен игольчатым и расположен соосно с каналом, а перекрывающий поперечное сечение канала коллекторный электрод выполнен с осевым отверстием, отличающийся тем, что вспомогательный электрод выполнен сетчатым в виде сферического сегмента, диаметр основания которого равен внутреннему диаметру канала, при этом поверхность коллекторного электрода, обращенная к выпуклой стороне вспомогательного электрода, выполнена в форме соосного с каналом эллипсоида вращения, а расстояние от острия эмиттерного электрода до вспомогательного электрода в осевом направлении удовлетворяет соотношению L (1,25 ^oC 0,9)R, где R радиус кривизны вспомогательного электрода. 2. ЭГД-нагнетатель-насос по п.1, отличающийся тем, что вспомогательный электрод выполнен с осевым отверстием. 3. ЭГД-нагнетатель-насос по п.1, отличающийся тем, что вспомогательный электрод выполнен переменной проницаемости, величина которой монотонно увеличивается от периферии электрода к его середине. 4. ЭГД-нагнетатель-насос по п.1, отличающийся тем, что поверхность коллекторного электрода, обращенная к вспомогательному электроду, совместно с участком поверхности канала между коллекторным и вспомогательным электродами выполнена в форме соосного с каналом эллипсоида вращения.