ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАГНЕТАТЕЛЬ И ЕГО КАНАЛ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК F04F1/16 F04F11/00 

Изобретения относятся к электрогазодинамическим или электрогидродинамическим (ЭГД) преобразователям и могут быть использованы для сжатия, нагнетания или подачи рабочего тела (рабочей среды) - газа, жидкости, двухфазной среды (пар-жидкость, смесь газа с дисперсными твердыми или жидкими частицами или паром) - в холодильной и криогенной технике и энергетике, компрессоростроении и насосостроении.

Простейший электродинамический нагнетатель [1, с. 150] имеет один канал, ограниченный диэлектрическими стенками, внутри которого установлены электрически изолированно друг от друга эмиттерный с заостренной зарядообразовательной частью и коллекторный электроды, между которыми подключен источник высокого напряжения (ИВН).

Такой одноканальный электродинамической нагнетатель, имеющий только одну ступень преобразования электрической энергии в энергию рабочей среды (то есть только одну пару электродов), имеет малую производимую полезную мощность, характеризуемую произведением развиваемого перепада давления P или напора H на массовый m или объемный Q расход рабочего тела (P•Q или H•m). Низок и КПД преобразования, что объясняется, в частности, потерями на перемещение зарядов и увлекаемых ими вследствие вязкостного взаимодействия нейтральных частиц рабочей среды в направлениях, отличных от направления вектора скорости потока, то есть продольной оси канала. Перемещение же зарядов в указанных направлениях обусловлено тем, что силовые линии электрического поля между электродами не имеют преимущественной осевой ориентации.

Поэтому было предложено [2] выполнять нагнетатель из нескольких параллельных каналов для увеличения расхода Q, а каналы - из нескольких последовательных ступеней для увеличения напора H.

Однако установка одинаковых ступеней в параллельно-последовательный ряд приводит к наложению и взаимному негативному влиянию друг на друга электрических полей ступеней соседних каналов. В результате наложения электрических полей ступеней соседних каналов, имеющих в межэлектродных промежутках объемный заряд одного и то же знака, увеличивается "запирающее" действие электрического поля объемного заряда на выход очередных заряженных частиц в зону преобразования. В итоге мощность каждого канала в многоканальной конструкции оказывается ниже, чем в отдельно работающем канале. КПД такого нагнетателя также остается низким, так как причины его снижения не устранены.

Выполнение каналов из нескольких последовательных ступеней также приводит к ухудшению условий работы каждой ступени по сравнению с теми, которые имеют место в одноступенчатой конструкции. Это объясняется, во-первых, причиной, аналогичной описанной выше, то есть взаимным влиянием электрических полей соседних последовательно расположенных ступеней. Во-вторых, вследствие неполной рекомбинации зарядов на коллекторном электроде данной ступени часть из них "проскакивает" в зону действия следующей ступени и препятствует выходу одноименных зарядов, создаваемых зарядообразовательной частью эмиттерного электрода этой следующей ступени. Поскольку "проскакивающие" заряды тормозятся полем эмиттера следующей ступени, вследствие вязкостного взаимодействия с ними нейтральных частиц последние тоже тормозятся, что в итоге снижает среднюю скорость потока и уменьшает КПД.

Обе названные причины обусловливают понижение пробивного напряжения между электродами в канале с последовательными ступенями по сравнению с отдельно работающей ступенью. В многоканальной конструкции отмеченное выше взаимное наложение электрических полей приводит к еще большему понижению пробивного напряжения. Поэтому негативное влияние описанных факторов, снижающих мощность, приходящуюся на каждый канал в многоканальной конструкции, по сравнению с отдельно работающим каналом или мощность, приходящуюся на одну ступень многоступенчатого канала, по сравнению с отдельно работающей ступенью, нельзя компенсировать повышением рабочего напряжения, подводимого от ИВН, это напряжение для предотвращения пробоя, наоборот, приходится уменьшать.

Кроме того, выполнение полностью идентичных ступеней с одинаковыми размерами в многоступенчатом ЭГД-нагнетателе приводит при работе на сжимаемой газовой рабочей среде к постепенному уменьшению скорости потока от ступени к ступени. Это, в свою очередь, приводит к увеличению объемного заряда в рабочих зонах ступеней и возрастанию негативного влияния поля объемного заряда на работу ступеней. Увеличиваются потери мощности ИВН на преодоление поля объемного заряда при выходе очередных зарядов в рабочую зону и потери с утечками зарядов на стенки каналов, что дополнительно снижает КПД ЭГД-нагнетателя.

Известны также попытки улучшить показатели электродинамического нагнетателя путем совершенствования конструкции ступеней, составляющих канал, в частности выполнением эмиттерного электрода многоигольчатым, то есть имеющим несколько зарядообразовательных частей [1, с. 150]. Такое выполнение эмиттерного электрода преследует цель увеличить конвективный электроток, однако этому препятствует взаимное негативное влияние друг на друга электрических полей, создаваемых между каждой иглой и общим коллекторным электродом, а также возрастающее "запирающее" действие объемного заряда, возникающего возле общего коллекторного электрода: оно пропорционально суммарной величине этого заряда, а не доле его, соответствующей отдельной зарядообразовательной части, как в конструкции с эмиттерным электродом, имеющим только одну такую часть.

Для преодоления данного недостатка в конструкции канала электродинамического нагнетателя, описанной в [3], эмиттерный электрод имеет несколько зарядообразовательных частей с заострениями, обращенными в сторону движения потока, а коллекторный электрод - несколько протоков - по числу зарядообразовательных частей эмиттерного электрода.

Это, однако, не исключает негативного влияния объемных зарядов, образующихся на входе каждого из протоков коллекторного электрода, на интенсивность (темп) выхода заряженных частиц в зоны действия как данного, так и соседних протоков.

Описанный в [3] канал электродинамического нагнетателя может содержать несколько последовательных ступеней.

Ему присущи отмеченные выше недостатки, обусловленные взаимным наложением электрических полей соседних ступеней, неполной рекомбинацией с "проскакиванием" зарядов и связанными с этими факторами, уменьшением пробивного напряжения. Такому каналу присущ и отмеченный выше недостаток, проявляющийся при работе на сжимаемой газовой среде, обусловленный постоянством размеров ступеней и уменьшением вследствие этого скорости потока от ступени к ступени.

Описанный в [3] электродинамический нагнетатель имеет параллельные каналы, выполненные в диэлектрическом корпусе. В каждом канале по ходу потока расположены эмиттерные и коллекторные электроды, поочередно подключенные к выводам разной полярности источника высокого напряжения.

С точки зрения негативного влияния соседних каналов друг на друга, не позволяющего получить результат, соответствующий хотя бы сумме результатов от независимо работающих каналов, этому многоканальному нагнетателю присущи все отмеченные выше недостатки.

Предлагаемые изобретения относятся к электродинамическому нагнетателю и двум вариантам выполнения его каналов, которые могут быть использованы также самостоятельно как одноканальные нагнетатели или в составе других нагнетателей, имеющих несколько каналов.

К предлагаемому электродинамическому нагнетателю наиболее близок нагнетатель, описанный в [3].

Изобретением, относящимся к электродинамическому нагнетателю, решается задача получения технического результата, который заключается как в устранении негативных последствий взаимного наложения электрических полей соседних ступеней, принадлежащих разным каналам, так и в создании более благоприятных по сравнению с независимо работающими каналами условий для выхода заряженных частиц в зону ЭГД - преобразования (зону действия), увеличении конвективного электротока благодаря этому, а также благодаря повышению рабочего напряжения, которое становится возможным вследствие повышения пробивного напряжения. Следствием названных видов технического результата является повышение как развиваемой мощности, так и КПД нагнетателя.

К предлагаемым изобретениям, относящимся к вариантам выполнения каналов электродинамического нагнетателя, наиболее близок канал, описанный в [3], в том числе и при выполнении его эмиттерных электродов только с одной зарядообразовательной частью, а коллекторных - только с одним протоком.

Этими изобретениями решается задача получения технического результата, заключающегося в повышении выхода заряженных частиц из зоны действия зарядообразовательных частей эмиттерных электродов, улучшения условий рекомбинации зарядов на коллекторных электродах, что вместе с появляющейся возможностью повысить рабочее напряжение (благодаря повышению пробивного напряжения) способствует увеличению развиваемой мощности и КПД.

Для достижения указанного технического результата в изобретении, относящегося к электродинамическому нагнетателю, электродинамический нагнетатель имеет, как и известный, выполненные в диэлектрическом корпусе каналы, в которых расположены по ходу потока поочередно подключенные к разноименным полюсам источника высокого напряжения электроды, имеющие зарядообразовательные части с заострениями, обращенными в сторону движения потока, и электроды, выполненные с протоками, имеющими расположенные по ходу потока сужающуюся и расширяющуюся части. Стенки протоков симметричны относительно заострений зарядообразовательных частей электродов.

В отличие от известного, в предлагаемом электродинамическом нагнетателе электроды разных каналов, имеющие одинаковые по ходу потока порядковые номера, в ближайших друг к другу каналах подключены к разноименным полюсам одного и того же или разных источников высокого напряжения.

Благодаря такому подключению электродов соседних каналов обеспечивается взаимная нейтрализация влияния электрических полей объемных зарядов, возникающих в ближайших друг к другу рабочих зонах соседних каналов.

Электродинамический нагнетатель может иметь, в частности, каналы, выполненные в соответствии с первым вариантом изобретения, относящегося к каналу. В этом случае все электроды, имеющие протоки, являются коллекторными и снабжены расположенными в протоках деионизаторами-элементами с проводящей поверхностью, симметричными в продольном и поперечном сечениях, размещенными симметрично относительно стенок протоков в их сужающейся и расширяющейся частях и электрически соединенными с ними. При этом передние по ходу потока точки поверхности деионизаторов (то есть точки, первыми встречающие набегающий поток) находятся между входными и наиболее узкими сечениями протоков. В частном случае каналы электродинамического нагнетателя могут иметь только одну ступень, содержащую эмиттерный и коллекторный электроды.

Предпочтительным является выполнение предлагаемого электродинамического нагнетателя с использованием в нем каналов, выполненных в соответствии со вторым вариантом изобретения, относящегося к каналу. В этом случае каждый электрод одновременно является эмиттерным по отношению к следующему за ним по ходу потока электроду и коллекторным по отношению к предшествующему ему электроду, для чего эмиттерные электроды снабжены протоками по числу зарядообразовательных частей, выполненными и расположенными относительно стенок канала так же, как протоки следующих за ними коллекторных электродов, а коллекторные электроды снабжены зарядообразовательными частями по числу протоков. Кроме того, все электроды снабжены деионизаторами - элементами с проводящей поверхностью, симметричными в продольном и поперечном сечениях, размещенными симметрично относительно стенок протоков в их сужающейся и расширяющейся частях и электрически соединенными с ними, причем передние по ходу потока точки поверхности деионизаторов находятся между входными и наиболее узкими сечениями протоков, а зарядообразовательные части всех электродов установлены на деионизаторах со стороны, обращенной к следующему по ходу потока электроду.

При любом выполнении каналов электродинамического нагнетателя наилучшая взаимная нейтрализация влияния электрических полей объемных зарядов рабочих зон соседних каналов достигается при расположении электродов разных каналов, имеющих по ходу потока одинаковые порядковые номера, без взаимного смещения в продольном направлении или со смещением, меньшим расстояния между входными сечениями следующих друг за другом по ходу потока электродов одного и того же канала.

Если электродинамический нагнетатель предназначен для работы на сжимаемой газовой среде, то предпочтительно выполнение как каналов в промежутках между электродами, так и протоков в электродах сужающимися от ступени к ступени. Это позволяет избежать уменьшения скорости потока от ступени к ступени и его негативных последствий - увеличения объемного заряда в рабочей зоне, увеличения потерь мощности ИВН на преодоление поля объемного заряда при выходе очередных зарядов в рабочую зону и так далее, благодаря чему в конечном итоге повышается КПД по сравнению с выполнением канала в целом и протоков в электродах с постоянным сечением.

Для уменьшения гидравлического сопротивления при высоких скоростях потока и повышения КПД, а также для обеспечения возможности достижения околозвуковых и сверхзвуковых скоростей движения рабочей среды в протоках электродов закон изменения по длине протока площади проходного поперечного сечения между его стенками и поверхностью деионизатора одинаков с законом изменения поперечного сечения в сопле Лаваля, длина которого равна длине протока.

Электродинамический нагнетатель может быть выполнен из состыкованных друг с другом расположенных параллельно или последовательно по ходу потока модулей, каждый из которых содержит один или несколько каналов, имеющих одну или более ступеней.

Этим обеспечивается возможность создания электродинамического нагнетателя с требуемыми в конкретных случаях показателями из унифицированных элементов.

Для достижения указанного технического результата в изобретении, относящемся к каналу электродинамического нагнетателя, в первом из предлагаемых вариантов канал электродинамического нагнетателя, как и известный, выполнен в диэлектрическом корпусе и имеет по меньшей мере одну пару расположенных по ходу потока электродов, поочередно подключенных к разноименным полюсам источника высокого напряжения. При этом электроды, подключенные к одному из полюсов источника высокого напряжения, являются эмиттерными и имеют зарядообразовательные части с заострениями, обращенными в сторону движения потока, а электроды, подключенные к другому полюсу источника высокого напряжения, являющиеся коллекторными, выполнены с протоками, имеющими расположенные по ходу потока сужающуюся и расширяющуюся части. Стенки протоков симметричны относительно заострений зарядообразовательных частей предшествующих эмиттерных электродов.

Предлагаемый канал электродинамического нагнетателя по первому варианту изобретения отличается от известного тем, что коллекторные электроды снабжены деионизаторами - элементами с проводящей поверхностью, симметричными в продольном и поперечном сечениях, размещенными симметрично относительно стенок протоков в их сужающейся и расширяющейся частях и электрически соединенными с ними, причем передние точки поверхности деионизаторов находятся между входными и наиболее узкими сечениями протоков.

В частном случае выполнения канала электродинамического нагнетателя по первому варианту изобретения канал имеет форму тела вращения, зарядообразовательная часть эмиттерных электродов выполнена в виде иглы, расположенной по оси канала, коллекторные электроды имеют один проток и один деионизатор, выполненные в виде тел вращения с осью симметрии, совпадающей с осью канала.

В другом частном случае выполнения канала по первому варианту изобретения эмиттерные электроды выполнены в виде решетки, расположенной перпендикулярно к оси канала, в узлах которой установлены зарядообразовательные части в виде игл, а коллекторные электроды выполнены в виде решетки протоков, имеющих форму тел вращения, соосных с соответствующими зарядообразовательными частями предшествующего по ходу потока эмиттерного электрода, причем деионизатор, также имеющий форму тела вращения, находится в каждом протоке на его оси.

В следующем частном случае выполнение канала электродинамического нагнетателя по первому варианту изобретения эмиттерные электроды имеют зарядообразовательные части в виде равноотстоящих параллельных друг другу и оси канала лезвий, протоки коллекторных электродов выполнены в виде соответствующего числа линейных щелей, а деионизаторы - в виде расположенных в щелях симметрично между их стенками пластин.

В еще одном частном случае выполнения канала электродинамического нагнетателя по первому варианту изобретения эмиттерные электроды имеют зарядообразовательные части в виде соосных друг с другом и каналом тонкостенных (то есть имеющих стенки, толщина которых весьма мала по сравнению с диаметром) цилиндров, протоки коллекторных электродов выполнены в виде круговых щелей, а деионизаторы - в виде расположенных в этих щелях симметрично между их стенками пустотелых цилиндров.

В изобретении по второму предлагаемому варианту канал электродинамического нагнетателя, как и известный, выполнен в диэлектрическом корпусе и имеет расположенные по ходу потока и поочередно подключенные к разноименным полюсам источника высокого напряжения электроды, содержащие зарядообразовательные части с заострениями, обращенными в сторону движения потока, и электроды, в которых выполнены протоки, имеющие расположенные по ходу потока сужающуюся и расширяющуюся части, расположенные за зарядообразовательными частями предшествующих электродов. Стенки протоков симметричны относительно заострений этих зарядообразовательных частей.

В отличие от известного, в предлагаемом канале электродинамического нагнетателя по второму варианту изобретения электроды, имеющие зарядообразовательные части, снабжены протоками по числу таких частей, выполненными и расположенными относительно стенок канала так же, как протоки следующих по ходу потока электродов; электроды, имеющие протоки, снабжены зарядообразовательными частями по числу протоков. Кроме того, все электроды снабжены деионизаторами-элементами с проводящей поверхностью, симметричными в продольном и поперечном сечениях, размещенными симметрично относительно стенок протоков в их сужающейся и расширяющейся частях и электрически соединенными с ними. При этом передние по ходу потока точки поверхности деионизаторов находятся между входными и наиболее узкими сечениями протоков, а зарядообразовательные части всех электродов установлены на деионизаторах со стороны, обращенной к следующему по ходу потока электроду.

В частном случае выполнения канала электродинамического нагнетателя по второму варианту изобретения канал имеет форму тела вращения, каждый электрод имеет один проток, который, как и размещенный в нем деионизатор, выполнен в виде тела вращения с осью симметрии, совпадающей с осью канала, а зарядообразовательная часть выполнена в виде иглы, расположенной по оси канала.

Возможно также выполнение канала электродинамического нагнетателя по второму варианту изобретения с электродами, имеющими вид решетки протоков с размещенными в них деионизаторами, на которых установлены зарядообразовательные части. Кроме того, электроды могут быть выполнены с протоками в виде линейных либо круговых щелей и размещением в этих щелях деионизаторов, на которых установлены зарядообразовательные части соответственно в виде лезвий либо тонкостенных цилиндров.

Канал электродинамического нагнетателя по второму варианту изобретения может быть выполнен также из расположенных параллельно прямолинейных участков, соединенных друг с другом изогнутыми участками таким образом, чтобы обеспечить возможность движения потока в любых двух ближайших друг к другу прямолинейных участках в противоположных направлениях. При этом электроды расположены только в прямолинейных участках и образуют группы, содержащие по одному электроду из каждого прямолинейного участка, протоки которых расположены без взаимного смещения в продольном направлении или со смещением, меньшим расстояния между входными сечениями следующих друг за другом по ходу потока электродов одного и того же прямолинейного участка. Все электроды одной и той же группы подключены к одному и тому же полюсу источника высокого напряжения (а электроды двух любых соседних групп - к разноименным полюсам, что обусловлено подключением к разноименным полюсам любых двух соседних электродов в каждом прямолинейном участке).

Такое выполнение канала может оказаться целесообразным не только с точки зрения удобства компоновки, но и благодаря происходящей при его работе взаимной компоновки, но и благодаря происходящей при его работе взаимной нейтрализации влияния электрических полей объемных зарядов, возникающих в ближайших друг к другу рабочих зонах соседних параллельных участков. Предпочтительно выполнение канала в данном частном случае без упомянутого взаимного смещения протоков электродов. При этом каждая из названных групп электродов может быть выполнена в виде одного блока.

В обоих вариантах выполнения изобретения, относящегося к каналу электродинамического нагнетателя, заострения зарядообразовательных частей могут находиться на срезе или внутри протоков, следующих по ходу потока электродов. Этим достигается уменьшение взаимовлияния полей объемных зарядов, создаваемых разными зарядообразовательными частями.

Если канал электродинамического нагнетателя предназначен для работы на сжимаемой газовой среде, то в обоих предлагаемых вариантах предпочтительно выполнение канала в промежутках между электродами и протоков в электродах сужающимися от ступени к ступени. Это, как уже отмечено при описании одного из частных случаев выполнения многоканального нагнетателя, позволяет избежать уменьшения скорости потока от ступени к ступени и его негативных последствий - увеличения объемного заряда в рабочей зоне, увеличения потерь мощности ИВН на преодоление поля объемного заряда при выходе очередных зарядов в рабочую зону и так далее. Благодаря этому повышается КПД по сравнению с выполнением канала и протоков в электродах с неизменным по длине канала сечением.

В обоих предлагаемых вариантах изобретения, относящегося к каналу электродинамического нагнетателя, протоки в электродах и размещенные в них деионизаторы могут быть выполнены таким образом, что закон изменения по длине протока площади проходного поперечного сечения между его стенками и поверхностью деионизатора одинаков с законом изменения поперечного сечения в сопле Лаваля, длина которого равна длине протока.

На фиг. 1 показан в продольном разрезе трехканальный электродинамический нагнетатель, каждый из каналов которого выполнен известным образом.

На фиг. 2 показан в продольном разрезе трехканальный электродинамический нагнетатель, каналы которого выполнены в соответствии со вторым из двух предлагаемых вариантов изобретения, относящегося к каналу.

На фиг. 3 и 4 показаны в поперечном разрезе электродинамические нагнетатели, собранные из одноканальных модулей, соответственно, квадратной и 6-гранной формы.

Фиг. 5 иллюстрирует частный случай выполнения предлагаемого канала электродинамического нагнетателя по первому варианту изобретения, имеющего форму тела вращения, с эмиттерными электродами, обладающими одной зарядообразовательной частью в виде иглы, и коллекторными электродами, имеющими один проток с расположенным в нем деионизатором.

На фиг. 6 показан в продольном разрезе канал электродинамического нагнетателя по первому варианту изобретения в частном случае, соответствующем выполнению зарядообразовательных частей эмиттерного электрода в виде игл, установленных в узлах решетки, и коллекторного электрода с решеткой протоков, в которых размещены деионизаторы.

На фиг. 7 и 8 показаны, соответственно, тот же канал в поперечном разрезе и продольный разрез зоны коллекторного электрода в более крупном, чем на фиг. 6, масштабе.

На фиг. 9 изображен продольный разрез канала электродинамического нагнетателя по первому варианту изобретения с зарядообразовательными частями эмиттерных электродов в виде лезвий и протоками коллекторных электродов в виде линейных щелей, в которых установлены деионизаторы.

На фиг. 10 тот же канал показан в поперечном разрезе, а на фиг. 11 изображено продольное сечение канала плоскостью, проходящей через зарядообразовательную часть и деионизатор.

На фиг. 12 изображен продольный разрез канала электродинамического нагнетателя по первому варианту изобретения при выполнении зарядообразовательных частей эмиттерных электродов в виде соосных тонкостенных цилиндров, а протоков коллекторных электродов - в виде круговых щелей с размещенными в них деионизаторами.

На фиг. 13 показан вид того же канала в поперечном разрезе со стороны входа эмиттерного электрода, а на фиг. 14 - со стороны выхода. Фиг. 15 иллюстрирует выполнение канала электродинамического нагнетателя по второму варианту изобретения в случае, когда канал, протоки электродов и деионизаторы имеют форму тел вращения.

На фиг. 16 показан в продольном разрезе канал электродинамического нагнетателя с конструкцией электродов, соответствующей второму варианту изобретения, при выполнении его из 4 параллельных участков, соединенных последовательно с помощью изогнутых участков.

На фиг. 17 показано поперечное сечение такого канала при расположении параллельных участков не в один, а в несколько "слоев", с иллюстрацией требуемых направлений потока в участках.

Показанный на фиг. 1 электродинамический нагнетатель имеет каналы 1 круглого, прямоугольного или иного сечения с диэлектрическими стенками 2, в которых находятся последовательные ступени преобразования. Каждая ступень (на фиг. 1 показаны 3 ступени в каждом из трех каналов) содержит два электрода: эмиттерный 3 с зарядообразовательной частью 4 и коллекторный 5 с протоком 6, имеющим стенки 7. Проток имеет расположенные друг за другом по ходу потока (на фиг. 1 - слева направо) сужающуюся и расширяющуюся части. Зарядообразовательная часть 4 эмиттерного электрода 3 имеет заострение, обращенное по ходу потока (на фиг. 1 - направо), то есть в сторону следующего (коллекторного) электрода, и электрически соединена с остальной поверхностью эмиттерного электрода, прилегающей к стенкам канала. Проток 6 коллекторного электрода 5 имеет стенки 7, симметричные относительно заострения зарядообразовательной части 4 эмиттерного электрода 3. В разрезе, показанном на фиг. 1, зарядообразовательная часть 4 имеет ось симметрии (при канале в виде тела вращения) или плоскость симметрии (при прямоугольном канале), совпадающую, соответственно, с осью или плоскостью симметрии канала, а любой точке 8 стенки 7 протока 6 на верхней половине разреза соответствует расположенная в том же поперечном сечении точка 9 на нижней половине разреза, находящаяся на таком же расстоянии от заострения 10 зарядообразовательной части эмиттерного электрода.

Электроды могут иметь и более сложные формы выполнения, например, эмиттерные - с несколькими зарядообразовательными частями, а коллекторные - с соответствующим числом протоков, в том числе и с размещением в них деионизаторов, согласно описываемым ниже частным случаям осуществления первого варианта изобретения, относящегося к каналу электродинамического нагнетателя.

В каждом канале электроды поочередно подключены к противоположным полюсам источника высокого напряжения, то есть эмиттерные электроды - к одному полюсу, а коллекторные - к другому. При этом электроды, имеющие одинаковые по ходу потока порядковые номера, в любых двух ближайших друг к другу каналах подключены к разноименным полюсам источника высокого напряжения. На фиг. 1 такими каналами являются (попарно) верхний и средний, средний и нижний. Поэтому в нижнем канале все эмиттерные электроды подключены к положительному полюсу источника 11.1 высокого напряжения, коллекторные - к отрицательному полюсу того же источника, а в среднем канале, наоборот, эмиттерные электроды подключены к отрицательному полюсу, а коллекторные - к положительному полюсу источника 11.1. Электроды верхнего канала подключены аналогично электродам нижнего: эмиттерные - к положительному полюсу источника 11.2 высокого напряжения, а коллекторные - к отрицательному полюсу этого источника. Возможно также подключение электродов всех каналов к одному и тому же источнику или, наоборот, электродов каждого канала к собственному источнику, электродов разных ступеней к разным источникам, и т.п. - в зависимости от мощности имеющихся в расположении источников и других обстоятельств.

Каналы 1 выполняются с постоянным поперечным сечением, если нагнетатель предназначен для работы с жидкой рабочей средой, или суживающимися от ступени к ступени, если нагнетатель предназначен для работы со сжимаемой газовой средой.

Электродинамический нагнетатель работает следующим образом.

Рабочие каналы 1 с диэлектрическими стенками 2 заполняются диэлектрической (слабопроводящей) рабочей средой (телом), в качестве которой могут быть использованы газ, жидкость, смесь газа с дисперсными твердыми или жидкими частицами или паром, а также среды в двухфазном состоянии: пар-жидкость-влажный пар.

Между эмиттерными 3 и коллекторными 5 электродами от источников высокого напряжения подается напряжение. При напряжении выше начального напряжения разряда в зонах между зарядообразовательными частями 4 эмиттерных электродов 3 и стенками 7 потоков 6 коллекторных электродов 5 образуется униполярный объемный заряд 12 с полярностью в зависимости от подключения электродов: в верхнем и нижнем каналах - положительный, в среднем канале - отрицательный.

Образовавшийся возле всех зарядообразовательных частей униполярный объемный заряд под действием сил электрического поля начинает двигаться вдоль силовых линий к стенкам протоков 6 коллекторных электродов 5 во всех каналах. В результате вязкостного взаимодействия между заряженными частицами - ионами и нейтральными молекулами вся рабочая среда приходит в движение в этой зоне в направлении движения зарядов и вдоль осей каналов.

При этом, чем больше образуется объемного заряда возле зарядообразовательных частей, тем больше вязкостное взаимодействие зарядов с нейтральными молекулами и тем выше развивается скорость и напор рабочей среды на выходе коллекторных электродов.

При достижении заряженными частицами-ионами поверхностей 7 протоков 6 коллекторных электродов 5 заряды рекомбинируют, и нейтральная рабочая среда далее направляется в последующие ступени или рабочую линию.

В результате процессов образования униполярного объемного заряда возле зарядообразовательных частей эмиттерных электродов, движения заряженных частиц-ионов и их вязкостного взаимодействия с нейтральными молекулами рабочей среды в зоне ЭГД-преобразования, нейтрализации (рекомбинации) зарядов на поверхностях коллекторных электродов затрачиваемая электрическая энергия от источника высокого напряжения, характеризуемая произведением образуемого конвективного электротока и напряжения ИВН, преобразуется частично или полностью, в зависимости от КПД перечисленных процессов ЭГД-преобразования, в кинетическую и потенциальную энергии потока, характеризуемые развиваемым перепадом давления P (напором H) и объемным Q (массовым m) расходом рабочей среды. Давление P_k и температура T_k на выходе из ЭГД-преобразователя повышаются и становятся больше по величине, чем давление P₀ и температура T₀ на входе.

Для достижения заданных значений P_k и T_k устанавливают необходимое число последовательных ступеней; для достижения требуемого расхода Q - необходимое число каналов и/или выполняют их, как уже было отмечено, с эмиттерными электродами, имеющими несколько зарядообразовательных частей, а коллекторными - соответствующее число протоков, в том числе с размещением в последних деионизаторов согласно первому варианту заявляемого изобретения, относящегося к каналу электродинамического нагнетателя.

Для поддержания эффективной работы всех последовательно установленных ступеней при работе на газе (или паре) необходимо, чтобы оптимальная средняя скорость потока во всех ступенях была примерно одинаковой. С этой целью канал и протоки в электродах выполняются от ступени к ступени суживающимися.

Как отмечалось выше при описании известного многоканального электродинамического нагнетателя, электрические поля возникающих объемных зарядов препятствуют образованию новых зарядов и выходу их в зону преобразования, причем этот эффект усиливается вследствие взаимного наложения полей объемных зарядов соседних каналов. В нагнетателе по фиг. 1, наоборот, происходит взаимное ослабление влияния полей объемных зарядов соседних каналов, поскольку знаки этих зарядов противоположны. Взаимное ослабление (а не суммирование, как в известном многоканальном нагнетателе) приводит к тому, что негативное влияние объемного заряда на выход новых заряженных частиц в описываемом нагнетателе уменьшается даже по сравнению с тем, которое имеет место в отдельно работающем канале. Благодаря взаимной нейтрализации электрических полей наличие соседнего канала не только не приводит к понижению пробивного напряжения в данном канале, но даже, наоборот, повышает его. Это дает возможность повысить рабочее напряжение, дополнительно увеличив конвективный электроток и мощность нагнетателя.

Эффект взаимной нейтрализации максимален при изображенном на фиг. 1 взаимном расположении электродов разных каналов, при котором электроды, имеющие одинаковые по ходу потока порядковые номера, расположены без взаимного смещения в продольном направлении и образуют показанные на фиг. 1 параллельные вертикальные ряды. Этот эффект проявляется достаточно сильно и при наличии взаимного смещения электродов разных каналов вдоль их осей, если оно не превышает расстояния между входными сечениями соседних эмиттерного и коллекторного электродов одного и того же канала. Однако он сохраняется и при большем смещении благодаря тому, что объемные заряды в ближайших друг к другу каналах, в отличие от известного нагнетателя, имеют противоположные знаки.

При выполнении каналов в соответствии с описываемым ниже первым вариантом заявляемого изобретения, относящегося к отдельному каналу электродинамического нагнетателя, проявляется как рассмотренный технический результат, так и все виды технического результата, обеспечиваемого изобретением по этому варианту в каждом канале.

Наиболее предпочтительным является выполнение электродинамического нагнетателя, базирующееся на выполнении каждого из каналов в соответствии со вторым вариантом заявляемого изобретения, относящегося к отдельному каналу. В этом нагнетателе все электроды выполняют одновременно функцию эмиттерного и коллекторного и имеют одинаковую конструкцию. На фиг. 2, иллюстрирующей такое выполнение нагнетателя, упомянутые электроды обозначены позицией 13. Они имеют протоки 6, аналогичные протокам описанных выше коллекторных электродов нагнетателя по фиг. 1. В протоках 6 установлены деионизаторы 14-элементы с проводящей поверхностью, электрически соединенные со стенками 7 протоков 6. На деионизаторах 14 установлены зарядообразовательные части 4, аналогичные зарядообразовательным частям описанных выше эмиттерных электродов. Прочие обозначения на фиг. 2 совпадают с обозначениями на фиг. 1.

Как и в нагнетателе по фиг. 1, в нагнетателе, показанном на фиг. 2, электроды в каждом канале поочередно подключены к противоположным полюсам источника высокого напряжения (на фиг. 1, однако, чередовалось подключение к разным полюсам ИВН электродов разной конструкции, а на фиг. 2 все электроды, как отмечено выше, имеют одинаковое конструктивное выполнение). При этом электроды, имеющие одинаковые порядковые номера, в любых двух ближайших друг к другу каналах подключены к разноименным полюсам источника высокого напряжения. На фиг. 2, как и на фиг. 1, такими каналами являются (попарно) верхний и средний, средний и нижний. Поэтому в нижнем и верхнем каналах все нечетные (при счете слева направо, т.е. по ходу потока) электроды подключены к положительному полюсу источника, все четные электроды - к отрицательному, а в среднем канале - наоборот. На фиг. 2 показано подключение всех электродов всех каналов к одному и тому же источнику высокого напряжения 11. Возможно также подключение электродов каждого канала к собственному источнику, группы каналов к одному источнику, а остальных - к другому (другим), в частности, подключение, аналогичное показанному на фиг. 1.

При указанном подключении электродов обеспечивается показанное на фиг. 2 чередование знаков возникающих объемных зарядов 12 как вдоль каждого канала, так и от одного канала к другому в одном и том же поперечном сечении нагнетателя.

Электродинамическому нагнетателю в рассматриваемом наиболее предпочтительном частном случае его выполнения присущи как уже отмечавшиеся особенности и достоинства, обусловленные взаимной нейтрализацией электрических полей разнополярных объемных зарядов 12, возникающих в соседних каналах благодаря описанному подключению электродов к источнику высокого напряжения 11, так и все виды технического результата, проявляющиеся в канале, выполненном в соответствии со вторым вариантом изобретения, относящегося к отдельному каналу электродинамического нагнетателя.

Отмеченный эффект взаимной нейтрализации электрических полей объемных зарядов рабочих зон ближайших друг к другу каналов при выполнении их по любому из вариантов изобретения, относящегося к отдельному каналу, проявляется в наибольшей степени при соблюдении тех же условий, что и в случае выполнения каждого из каналов известным образом, как показано на фиг. 1. Эти условия состоят в расположении электродов разных каналов, имеющих одинаковые порядковые номера по ходу потока, без взаимного смещения в продольном направлении либо со смещением, меньшим расстояния между входными сечениями следующих друг за другом электродов одной и той же ступени. На фиг. 2 показано расположение электродов, обеспечивающее наилучшие условия взаимной нейтрализации в случае выполнения каналов по второму варианту изобретения, относящегося к отдельному каналу.

Каждый канал нагнетателя может иметь не несколько, как показано на фиг. 1 и фиг. 2, а только одну ступень преобразования, с достижением указанного эффекта благодаря противоположной полярности объемных зарядов в соседних каналах. При этом возможно выполнение таких одноступенчатых каналов и в соответствии со вторым вариантом изобретения, относящегося к каналу. В этом случае зарядообразовательные части вторых электродов в каждом канале не участвуют в работе, однако реализуются преимущества, обеспечиваемые унификацией конструктивных элементов.

Особенности работы многоканального электродинамического нагнетателя, использующего в своем составе каналы по предлагаемым вариантам изобретения, относящегося к отдельному каналу, будут ясны после рассмотрения этих вариантов.

Во всех случаях выполнения электродинамического нагнетателя для уменьшения гидравлического сопротивления на участках, где скорость потока наиболее велика, которыми являются электроды с выполненными в них протоками, профиль продольного сечения протоков должен иметь профиль сопла Лаваля. Если в протоках установлены деионизаторы, то профиль продольного сечения протоков зависит от формы деионизатора в продольном сечении и выбирается таким образом, чтобы площадь свободного поперечного сечения между стенками протока и поверхностью ионизатора (т.е. площадь проходного сечения, через которое фактически перемещается поток рабочей среды) изменялась вдоль протока по тому же закону, что и площадь проходного поперечного сечения в сопле Лаваля равной длины. Такой профиль окажется оптимальным в том же смысле, что и профиль сопла Лаваля, внутри которого нет тел, препятствующих движению рабочей среды.

При любом выполнении каналов электродинамический нагнетатель может быть изготовлен как в общем для всех каналов корпусе, так и из модулей, в каждом из которых выполнены один или несколько каналов. Модули могут стыковаться как в продольном направлении - для наращивания числа последовательных ступеней, так и в поперечном - для наращивания числа параллельных каналов. При последовательном соединении могут использоваться модули с неодинаковым поперечным сечением уменьшающимся от модуля к модулю и внутри модуля, если изготавливаемый нагнетатель предназначен для работы на сжимаемой газовой среде.

Модульное исполнение позволяет собрать электродинамический нагнетатель с требуемыми показателями из унифицированных элементов. На фиг. 3 и фиг. 4 схематически показаны поперечные сечения нагнетателя, собранного из модулей квадратной и шестигранной формы. Одновременно эти фигуры иллюстрируют принцип чередования полярностей при подключении к источнику высокого напряжения электродов разных каналов, имеющих одинаковые по ходу потока порядковые номера, при "пространственном" (а не "плоском", как на фиг. 1 и 2) расположении каналов. Во всех случаях должно быть соблюдено уже сформулированное условие - имеющие одинаковые по ходу потока порядковые номера электроды ближайших друг к другу каналов подключены к разноименным полюсам источника высокого напряжения. При сборке нагнетателя из шестигранных модулей для выполнения этого условия рабочие каналы заполняют не все поперечное сечение нагнетателя; полностью заштрихованные шестиугольники 15 на фиг. 4 означают либо ничем не заполненные части поперечного сечения, либо части, заполненные "сплошными" (не имеющими каналов) диэлектрическими модулями той же формы и размеров, что и модули с каналами.

Канал электродинамического нагнетателя по первому из предлагаемых вариантов изобретения, относящегося к отдельному каналу, схематически показанный в продольном разрезе на фиг. 5, имеет одну или несколько ступеней (на фиг. 5 и описываемых ниже фиг. 6, 9 и 12 показаны две ступени) с эмиттерным и коллекторным электродами, аналогичными тем, которые содержатся в каналах уже рассмотренного нагнетателя, изображенного на фиг. 1. Однако коллекторные электроды дополнительно имеют деионизаторы 14, размещенные в протоках 6.

Деионизатор, являющийся частью коллекторного электрода, имеет проводящую поверхность и электрически соединен со стенками 7 протока 6. Деионизатор имеет обтекаемую форму и симметричен как в продольном сечении (на фиг. 5 - относительно продольной оси канала), так и в поперечном сечении, и расположен симметрично относительно стенок протока, в котором он находится, а форма поперечного сечения подобна форме поперечного сечения протока (например, в случае протока, имеющего вид тела вращения, - круговая). При этом имеет место симметрия поверхности деионизатора относительно заострения 10 зарядообразовательной части 4 эмиттерного электрода 3. В разрезе, показанном на фиг. 5, зарядообразовательная часть 4 имеет ось симметрии, совпадающую с осью канала, а любой точке 16 поверхности деионизатора 14 на верхней границе его разреза соответствует расположенная в том же поперечном сечении точка 17 на нижней границе разреза, находящаяся на таком же расстоянии от заострения 10 зарядообразовательной части эмиттерного электрода. Деионизатор 14 размещен в протоке 6 так, что находится и в сужающейся, и в расширяющейся его частях, однако он смещен относительно входного сечения коллекторного электрода в направлении движения потока (на фиг. 5 - вправо).

Работа канала электродинамического нагнетателя, изображенного на фиг. 5, аналогична уже описанной работе каналов нагнетателя, иллюстрируемого фиг. 1; при определенном напряжении на выходе ИВН 11 возле острия зарядообразовательной части 4 эмиттерного электрода 3 образуются униполярно заряженные ионы или частицы, которые под действием сил электрического поля направляются к коллекторному электроду, создавая между электродами конвективный электроток. За счет вязкостного взаимодействия заряженных частиц с нейтральными молекулами рабочей среды, заполняющей канал, рабочая среда начинает движение по направлению к коллекторному электроду. Электрическая энергия, подводимая от ИВН, переходит во внутреннюю и кинетическую энергию рабочей среды. При достижении коллекторного электрода заряженными частицами их заряды рекомбинируют, а нейтральная рабочая среда с давлением выше начального направляется в следующую ступень (от последней ступени - в рабочую линию к потребителю).

Наличие на оси протоков коллекторных электродов в центральной их части дополнительных элементов-деионизаторов с относительно развитой проводящей поверхностью при соблюдении условий равного расстояния от зарядообразовательной части предшествующего эмиттерного электрода до соответствующих симметричных точек (линий) поверхностей протока и деионизатора приводит к повышению плотности силовых линий электрического поля, направленных, в основном, вдоль осей канала и протоков. Это, в свою очередь, приводит к повышению плотности образующегося объемного заряда возле зарядообразовательных частей эмиттерных электродов и конвективного электротока, а также к повышению эффективности процесса ЭГД-преобразования и его КПД. С другой стороны это приводит к более полной рекомбинации зарядов на поверхностях протока и деионизатора и устранению проскока зарядов в следующую зону с предотвращением торможения ими потока рабочего тела. Как следствие, это приводит к повышению развиваемой мощности потока рабочей среды и КПД процесса ЭГД-преобразования.

При выполнении канала 1 на фиг. 5 круглого сечения эмиттерный 3 и коллекторный 5 электроды, зарядообразовательная часть 4 эмиттерного электрода, стенки 7 протока 6 коллекторного электрода и деионизатор 14 имеют форму тел вращения вокруг оси, совпадающей с продольной осью канала 1. При выполнении канала 1 прямоугольным осевая линия, показанная на фиг. 5, соответствует плоскости симметрии канала, а эмиттерный 3 и коллекторный 5 электроды, зарядообразовательная часть 4, стенки 7 протока 6, деионизатор 14 являются телами, симметричными относительно той же плоскости, что и канал 1.

Для увеличения конвективного электрода эмиттерные электроды канала по рассматриваемому первому варианту изобретения выполняют с несколькими зарядообразовательными частями. В этом случае коллекторные электроды выполняют с соответствующим количеством протоков со стенками, симметричными относительно заострений тех зарядообразовательных частей, которые расположены перед ними. Деионизаторы размещают в каждом из протоков с выполнением условий симметрии их поверхности относительно заострений зарядообразовательных частей предшествующего эмиттерного электрода и стенок протока.

Фиг. 6-8 иллюстрируют случай, когда эмиттерный электрод 3 выполнен в виде перпендикулярной оси канала решетки, в узлах которой установлены зарядообразовательные части 4 игольчатой формы. На фиг. 6 показан продольный разрез канала с двумя ступенями. Коллекторный электрод 5 выполнен в виде решетки протоков 6, каждый из которых расположен (по ходу потока) за соответствующей зарядообразовательной частью 4 эмиттерного электрода 3. В протоках симметрично между их стенками установлены деионизаторы 14. На фиг. 7 показан вид канала со стороны входа; на фиг. 8 - фрагмент продольного разреза в увеличенном масштабе. В рассматриваемом случае канал может иметь круглое, прямоугольное или иное поперечное сечение. Фиг. 7 соответствует круглому поперечному сечению канала.

Решетка протоков может представлять собой, например, установленную в канале перегородку со сквозными отверстиями - протоками, имеющими в продольном сечении профиль, показанный на фиг. 6 и 8 (позиция (6)), т.е. сначала сужающимися, а затем расширяющимися по ходу потока. Указанная перегородка может быть выполнена как из проводящего, так и из диэлектрического материала. В последнем случае поверхности протоков имеют проводящие покрытия, которые электрически соединены друг с другом.

Предпочтительным является такое взаимное расположение эмиттерного и коллекторного электродов, когда острия зарядообразовательных частей находятся на срезе (т.е. во входном сечении) или внутри протоков коллекторного электрода. Первый случай показан на фиг. 6, второй - на фиг. 8. Последняя иллюстрирует также равноудаленность симметрично расположенных точек стенок 7 протоков 6 и поверхностей деионизаторов 14 от острия 10 зарядообразовательной части 4.

Так как острия 10 зарядообразовательных частей 4 расположены на срезе или внутри протоков 6, то электрические поля между остриями зарядообразовательных частей эмиттера и поверхностями протоков 7 коллекторного электрода и деионизаторами 14 частично или полностью экранированы друг от друга проводящими стенками протоков. В результате возле всех зарядообразовательных частей 4 эмиттерного электрода образуются примерно одинаковые электрические поля и одинаковое количество униполярного объемного заряда одного знака независимо друг от друга. А по причине равного удаления точек 10 на остриях зарядообразовательных частей эмиттера от симметричных точек на поверхностях стенок 7 протоков коллекторного электрода и деионизатора 14 в рабочей зоне ЭГД-преобразования образуются осесимметричные электрические поля, силовые линии которых направлены, в основном, вдоль осей протоков коллекторного электрода. Это, в свою очередь, обеспечивает, с одной стороны, образование максимального количества объемного заряда возле всех зарядообразовательных частей эмиттерного электрода, а следовательно, и максимальный конвективный электроток, с другой стороны, максимальное значение КПД процесса ЭГЛ-преобразования (выше уже отмечалось в качестве одной из причин снижения КПД в известных каналах отклонение направления силовых линий электрического поля от осевого).

Фиг. 9-11 иллюстрируют случай, когда канал 1 имеет прямоугольное сечение, а эмиттерный электрод 3 содержит набор параллельных продольной оси и стенкам канала (и друг другу) зарядообразовательных частей в виде лезвий, заостренных со стороны, обращенной к следующему по ходу потока коллекторному электроду. Зарядообразовательные части-лезвия размещены на равных расстояниях друг от друга. Им соответствуют протоки 6 в виде линейных щелей в коллекторном электроде. Стенки 7 щелей симметричны в продольном сечении относительно заострения зарядообразовательной части. Симметрично между стенками 7 расположены деионизаторы 14 в виде пластин.

Заостренные кромки 10 лезвий зарядообразовательных частей 4 эмиттерных электродов 3 наиболее целесообразно располагать на срезе (т.е. во входном сечении) протоков 6 коллекторного электрода 5 (как показано на фиг. 9) или внутри протоков 6, т.е. между входным сечением протока 6 и деионизатором 14 (как показано на фиг. 11). При этом, как и в описанном выше частном случае выполнения канала и его электродов, обеспечивается экранирование друг от друга соседних зон преобразования.

Фиг. 12-14 иллюстрируют частный случай выполнения канала, в котором он имеет круглое поперечное сечение, при этом эмиттерный электрод 3 содержит набор соосных с каналом и друг с другом тонкостенных (т.е. с толщиной стенок, по крайней мере, в 5-10 раз меньшей диаметра) цилиндров 4, являющихся зарядообразовательными частями. Кромки цилиндров, обращенные в сторону движения потока, заострены. Коллекторный электрод имеет протоки 6 по числу упомянутых цилиндров в виде круговых щелей. В любом поперечном сечении протока точки его стенок, находящиеся на одном и том же радиусе, равноудалены от заостренной кромки соответствующего цилиндра. Такое же условие выполняется и для расположенных на одном и том же радиусе точек поперечного сечения деионизатора, который находится в протоке и имеет вид пустотелого цилиндра. При соблюдении указанных условий, обеспечивающих симметрию расположения деионизатора относительно стенок протока и их обоих относительно заострения цилиндра зарядообразовательной части, силовые линии электрического поля имеют преимущественно осевую ориентацию. Это, как уже отмечалось выше, применительно к другим частным случаям выполнения канала, способствует повышению КПД нагнетателя, так как позволяет избежать перемещения зарядов по направлениям, отличающимся от направления вектора скорости потока.

Так же, как и в уже рассмотренных случаях, целесообразно располагать заостренные кромки зарядообразовательных частей эмиттерного электрода на срезе или внутри протоков коллекторного электрода (на фиг. 12 показан первый из двух названных случаев).

Роль деионизаторов во всех описанных частных случаях выполнения канала уже была разъяснена при описании работы канала, выполнение которого иллюстрируется фиг. 5. Аналогично, с учетом уже рассмотренных особенностей, работает и канал во всех частных случаях его выполнения, предлагающих наличие нескольких зарядообразовательных частей у эмиттерных электродов и нескольких протоков у коллекторных.

При выполнении канала по рассматриваемому первому варианту изобретения только с одной ступенью в нем возможно использование в качестве эмиттерного и коллекторного унифицированных электродов, выполненных так же, как электроды в описываемом ниже втором варианте изобретения. При этом деионизатор (деионизаторы) первого по ходу потока (т.е. эмиттерного) электрода выполняют роль только средств крепления зарядообразовательной части (частей), а зарядообразовательная часть (части) второго электрода не используются. Несмотря на имеющую место избыточность использование таких электродов обеспечивает очевидные преимущества, обусловленные унификацией.

В частных случаях выполнения канала с деионизаторами и конструктивными элементами, образующими стенки протоков, имеющими форму соосных друг с другом тел вращения, крепление их к прилегающей к диэлектрическим стенкам части электрода и друг к другу может быть осуществлено, например, с помощью расположенных радиально тонких стержней или ребер, не создающих заметного сопротивления движению потока (на чертежах не показаны). Аналогично может быть осуществлено крепление зарядообразовательных частей эмиттерных электродов, в том числе и при выполнении их в виде игл, а также крепление деионизаторов, размещенных в протоках, образующих решетку. Иглы зарядообразовательных частей в этом случае, как уже отмечалось, крепятся на узлах решетки эмиттерного электрода.

В случаях, когда протоки выполнены в виде линейных щелей, элементы, образующие их стенки, а также пластины деионизаторов и лезвия зарядообразовательных частей эмиттерных электродов могут быть закреплены непосредственно в диэлектрических стенках канала, аналогично показанному на разрезе, изображенном на фиг. 11.

Во всех описанных и других частных случаях осуществления первого варианта изобретения, относящегося к каналу электродинамического нагнетателя, когда скорости рабочей среды в протоках коллекторных электродов могут быть настолько велики, что это приведет к существенным потерям на преодоление гидравлического сопротивления, для минимизации таких потерь площадь проходного поперечного сечения протока (т.е. между его стенками и поверхностью деионизатора) должна изменяться по длине протока по такому же закону, как и площадь поперечного сечения сопла Лаваля равной длины.

В канале по первому варианту изобретения, предназначенном для работы на сжимаемой газовой среде, поперечное сечение канала в целом и протоков в электродах выполняют уменьшающимся от ступени к ступени по ходу потока. Это обеспечивает достижение технического результата, уже описанного при рассмотрении многоканального электродинамического нагнетателя.

Выполнение канала электродинамического нагнетателя по второму варианту изобретения (на основе которого построен многоканальный нагнетатель по фиг. 2) иллюстрируется фиг. 15. В этом варианте, как и в первом, канал 1 выполнен в диэлектрическом корпусе 2. Однако все электроды 13, расположенные последовательно по ходу потока, имеют одинаковую конструкцию. Они сходны с коллекторными электродами по рассмотренному выше первому варианту изобретения и имеют проток 6 с проводящими стенками 7, на оси которого расположен деионизатор 14, имеющий проводящую поверхность, электрически соединенную со стенками 7. Деионизатор 14 несет заостренную зарядообразовательную часть 4, установленную на нем со стороны, обращенной к следующему по ходу потока электроду. При этом должны быть выполнены такие же, как и в первом варианте изобретения, условия взаимного расположения зарядообразовательной части 4, стенок 7 протока и деионизатора, обеспечивающие симметрию стенок и поверхности деионизатора относительно друг друга и заострений 10 зарядообразовательных частей.

Канал 1 в поперечном сечении может быть, как и канал по фиг. 5 для первого варианта изобретения, например, круглым или прямоугольным. В первом случае, т. е. когда канал имеет вид тела вращения, электроды также могут иметь вид тел вращения и обладать осевой симметрией. Во втором случае электроды обладают в продольном сечении, показанном на фиг. 15, симметрией относительно плоскости, проходящей через осевую линию канала параллельно его верхней и нижней стенкам.

Электроды могут быть выполнены и с несколькими протоками, в каждом из которых размещен деионизатор, несущий зарядообразовательную часть. Протоки, как и в изобретении по первому варианту, могут образовывать решетку, быть выполнены в виде линейных или круговых щелей, а зарядообразовательные части - иметь вид, соответствующий этим случаям выполнения изобретения по первому варианту: игл, лезвий, тонкостенных цилиндров с заостренной кромкой, но установленных, в отличие от первого варианта изобретения, на деионизаторах.

Сами деионизаторы в соответствующих частных случаях могут иметь вид тел вращения, соосных с протоками, в которых они установлены (когда электрод имеет решетку протоков); вид пластин, размещенных симметрично между стенками протоков - линейных щелей; вид пустотелых цилиндров, размещенных симметрично между стенками протоков - круговых щелей. Крепление конструктивных элементов электродов может быть осуществлено аналогично описанному выше при рассмотрении первого варианта изобретения, относящегося к отдельному каналу нагнетателя.

Как и в изобретении по первому варианту, для лучшего взаимного экранирования электрических полей объемных зарядов, создаваемых разными зарядообразовательными частями электрода, имеющего несколько таких частей, их заострения целесообразно располагать на срезе или внутри соответствующего протока следующего по ходу потока электрода, т.е. аналогично тому, как показано на фиг. 6, 8; 9, 11 и 12.

При этом сохраняется такой же, как и в первом варианте, принцип подключения электродов к источнику высокого напряжения 11, т.е. следующие друг за другом по ходу потока электроды подключены поочередно к разным его полюсам. Однако, если в первом варианте изобретения к разным полюсам источника высокого напряжения подключены электроды разной конструкции, выполняющие разные функции, то в рассматриваемом втором варианте указанное чередование имеет место для электродов одинаковой конструкции.

Поэтому при работе канала электродинамического нагнетателя по второму варианту изобретения каждый электрод 13 одновременно выполняет функции эмиттерного по отношению к следующему за ним по ходу потока электроду и коллекторного по отношению к предшествующему электроду, причем возле зарядообразовательных частей следующих друг за другом электродов возникают униполярные объемные заряды 12 противоположных знаков.

Каналу электродинамического нагнетателя по второму варианту изобретения присущи все виды технического результата, достигаемого в первом варианте благодаря наличию деионизаторов и описанным особенностям выполнения электродов в частных случаях осуществления изобретения. Однако указанное чередование знаков возникающих объемных зарядов обеспечивает специфический результат, а именно уменьшает потери мощности, связанные с выходом очередных зарядов в рабочую зону, и снижает запирающее действие полей объемных зарядов. При наложении полей объемного заряда одного знака на поле объемного заряда соседней ступени другого знака они компенсируют друг друга. В результате существенно увеличивается выход зарядов в рабочие зоны, и соответственно возрастают и конвективные электротоки. При этом пробивное напряжение между ступенями не уменьшается, как в случае одноименных зарядов, а напротив, возрастает. С увеличением скорости потока в ступенях этот положительный эффект усиливается.

Из изложенного следует, что при использовании в изобретении, относящемся к многоканальному электродинамическому нагнетателю, каналов по рассматриваемому второму варианту одновременно действуют два благоприятных фактора - взаимная компенсация полей объемных зарядов не только соседних каналов, но и соседних ступеней одного и того же канала.

Поскольку каждый электрод 13 канала по второму варианту изобретения участвует в работе сразу двух ступеней преобразования энергии, данному варианту присущ еще один вид технического результата, который, заключается в возможности уменьшить длину канала при том же количестве ступеней или увеличить количество ступеней без увеличения длины канала, что создает предпосылки для улучшения компоновочных показателей конструкций, использующих изобретение по второму варианту.

Если канал, выполненный в соответствии со вторым вариантом изобретения, имеет только одну ступень, то в нем, очевидно, отсутствуют такие составляющие технического результата, как взаимная нейтрализация полей объемных зарядов соседних ступеней и уменьшение длины канала. Деионизатор (деионизаторы) первого электрода и зарядообразовательная часть (части) второго электрода не участвуют в работе (в этом отношении одноступенчатый канал не отличается от многоступенчатого, в котором упомянутые элементы первого и последнего электродов тоже не участвуют в работе). В этом случае, однако, сохраняется технический результат, одинаковый с изобретением по первому варианту, обусловленный наличием деионизатора (деионизаторов) во втором электроде, а также реализуется преимущество, обусловленное использованием унифицированных элементов - электродов, имеющих одинаковую конструкцию.

К описываемому изобретению по второму варианту относится все сказанное выше применительно к изобретению по первому варианту о возможности выполнения канала и протоков в электродах суживающимися от ступени к ступени, изменении площади проходного сечения в протоках электрода по такому же закону, как и в сопле Лаваля, и ситуациях, когда это целесообразно.

Канал электродинамического нагнетателя по второму варианту изобретения может быть выполнен также в форме, изображенной на фиг. 16, т.е. содержащим параллельные прямолинейные участки, соединенные изогнутыми участками таким образом, чтобы направления движения потока в ближайших друг к другу параллельных участках были противоположны. При этом электроды размещены в параллельных прямолинейных участках таким образом, что образуют группы, содержащие по одному электроду из каждого такого участка, протоки которых расположены без взаимного смещения в продольном направлении, и электроды каждой группы подключены к одному и тому же полюсу. Поскольку в канале на прямолинейном его участке электроды поочередно подключены к разным полюсам источника высокого напряжения, такое же чередование имеет место и для указанных групп (на фиг. 16 этим группам соответствуют вертикальные параллельные ряды электродов 13). Благодаря отмеченной особенности электроды каждой из групп конструктивно могут быть объединены в один блок, что показано на фиг. 16 одинаковым направлением штриховки для каждого блока электродов 13.

Из показанного на фиг. 16 распределения знаков образующегося объемного заряда видно, что противоположны знаки зарядов как соседних ступеней одного и того же участка, так и знаки ступеней ближайших друг к другу параллельных участков.

Благодаря этому в данном частном случае выполнения изобретения по второму варианту проявляется дополнительный эффект, присущий электродинамическому нагнетателю по фиг. 1 и 2.

Этот эффект сохраняется и при наличии взаимного смещения в продольном направлении протоков электродов, входящих в упомянутые группы. Он остается достаточно ощутимым, если смещение меньше расстояния между входными сечениями соседних электродов одного и того же прямолинейного участка. Однако при наличии смещения не только снижается количественная мера этого эффекта, но и может быть затруднена компоновка электродов каждой группы в единый конструктивный блок.

Кроме расположения параллельных участков, показанного на фиг. 16, когда их продольные оси расположены в одной плоскости, возможно и "пространственное" расположение параллельных участков при соблюдении сформулированного выше условия: направления движения потока в ближайших друг к другу участках должны быть противоположны. Фиг. 17 показывает, как это условие может быть выполнено, с использованием крестика и точки для обозначения противоположных направлений движения потока в поперечных сечениях параллельных участков. Сплошными стрелками показаны переходы из одного параллельного участка в другой со стороны, ближайшей к наблюдателю, а пунктирными - со стороны, наиболее удаленной от наблюдателя. Электроды "пространственного" канала также могут быть выполнены в виде блоков, аналогичных показанным на фиг. 16 блокам электродов 13.

Из рассматриваемых каналов, содержащих параллельные прямолинейные и изогнутые участки, может быть собран и многоканальный электродинамический нагнетатель. В частности, он может быть собран из каналов, показанных на фиг. 16, каждый из которых будет составлять один из "слоев" многоканального нагнетателя, который, в свою очередь, будет "пространственным". При этом в соответствии с одним из признаков изобретения, относящегося к электродинамическому нагнетателю, в соседних "слоях", т.е. каналах, выполненных аналогично показанному на фиг. 16, ближайшие друг к другу группы электродов 13 должны быть подключены к противоположным полюсам источника высокого напряжения.

В зависимости от технологических процессов, протекающих в соответствующих энергетических, холодильных и криогенных установках малой и средней производительности, предложенная конструкция ЭГД-нагнетателя при установке необходимого количества ступеней и каналов, в том числе выполненных в соответствии с предлагаемыми изобретениями, относящимися к каналу, позволяет проводить процессы сжатия и подачи рабочего тела до необходимого давления P_k и расхода Q с КПД не ниже традиционных механических компрессоров, нагнетателей и насосов, но со всеми преимуществами отсутствия движущихся и вращающихся частей, что обеспечивает им более высокий ресурс, надежность, герметичность и бесшумность работы установок.

Использование: в машиностроении при проектировании электродинамических нагнетателей. Сущность изобретения: в корпусе из диэлектрического материала выполнено несколько каналов, в которых по ходу потока расположены электроды, поочередно подключенные к разноименным полюсам источника высокого напряжения и выполняющие одновременно функции эмиттера и коллектора, либо могут иметь соответственно указанному чередованию разную конструкцию для выполнения этих функций порознь. Имеющие одинаковые по ходу потока порядковые номера электроды ближайших друг к другу каналов подключены к разноименным полюсам источника. В канале по одному из вариантов в протоках электродов симметрично относительно стенок размещены электрически соединенные с ними деионизаторы с зарядообразовательными частями. В другом варианте зарядообразовательные части имеются у эмиттера. Причем каждый канал может иметь только одну ступень, содержащую два разнополярных электрода. 3 с. и 19 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Электродинамический нагнетатель, содержащий несколько выполненных в диэлектрическом корпусе каналов, в которых расположены по ходу потока поочередно подключенные к разноименным полюсам источника высокого напряжения электроды, имеющие зарядообразовательные части с заострениями, обращенными в сторону движения потока, и электроды, в которых выполнены протоки со стенками, симметричными относительно заострений зарядообразовательных частей предшествующих электродов, имеющие расположенные по ходу потока сужающуюся и расширяющуюся части, отличающийся тем, что электроды разных каналов, имеющие одинаковые по ходу потока порядковые номера, в ближайших друг к другу каналах подключены к разноименным полюсам одного и того же или разных источников высокого напряжения. 2. Нагнетатель по п.1, отличающийся тем, что электроды, имеющие протоки, снабжены расположенными в протоках деионизаторами - элементами с проводящей поверхностью, симметричными в продольном и поперечном сечениях, размещенными симметрично относительно стенок протоков в их сужающейся и расширяющейся частях и электрически соединенными с ними, причем передние по ходу потока точки поверхности деионизаторов находятся между входными и наиболее узкими сечениями протоков. 3. Нагнетатель по п.1, отличающийся тем, что электроды, имеющие зарядообразовательные части, снабжены протоками по числу зарядообразовательных частей, выполненными и расположенными относительно стенок канала так же, как протоки следующих за ними электродов, которые, в свою очередь, снабжены зарядообразовательными частями по числу протоков, все электроды снабжены деионизаторами - элементами с проводящей поверхностью, симметричными в продольном и поперечном сечениях, размещенными симметрично относительно стенок протоков в их сужающейся и расширяющейся частях и электрически соединенными с ними, причем передние по ходу потока точки поверхности деионизаторов находятся между входными и наиболее узкими сечениями протоков, а зарядообразовательные части всех электродов установлены на деионизаторах со стороны, обращенной к следующему по ходу потока электроду. 4. Нагнетатель по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что электроды разных каналов, имеющие одинаковые по ходу потока порядковые номера, расположены без взаимного смещения в продольном направлении или со смещением, меньшим расстояния между входными сечениями следующих друг за другом по ходу потока электродов одного и того же канала. 5. Нагнетатель по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что в последовательных ступенях, образуемых парами расположенных друг за другом по ходу потока электродов, каналы в промежутках между электродами и между ступенями и протоки в электродах выполнены с уменьшающимся от ступени к ступени поперечным сечением. 6. Нагнетатель по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что закон изменения площади проходного поперечного сечения протоков его электродов по длине протока одинаков с законом изменения площади проходного поперечного сечения в сопле Лаваля такой же длины. 7. Нагнетатель по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что он выполнен из состыкованных друг за другом расположенных параллельно или последовательно модулей, каждый из которых содержит один или несколько каналов, имеющих одну или более ступеней. 8. Канал электродинамического нагнетателя, выполненный в диэлектрическом корпусе и содержащий по меньшей мере одну пару расположенных по ходу потока электродов, поочередно подключенных к разноименным полюсам источника высокого напряжения, причем первые по ходу потока электроды каждой пары, являющиеся эмиттерными, имеют зарядообразовательные части с заострениями, обращенными в сторону движения потока, а вторые по ходу потока электроды каждой пары, являющиеся коллекторными, выполнены с протоками, имеющими расположенные по ходу потока сужающуюся и расширяющуюся части, причем стенки протоков симметричны относительно заострений зарядообразовательных частей предшествующих эмиттерных электродов, отличающийся тем, что коллекторные электроды снабжены деионизаторами - элементами с проводящей поверхностью, симметричными в продольном и поперечном сечениях, размещенными симметрично относительно стенок протоков в их сужающейся и расширяющейся частях и электрически соединенными с ними, причем передние по ходу потока точки поверхности деионизаторов находятся между входными и наиболее узкими сечениями протоков. 9. Канал по п.8, отличающийся тем, что он имеет форму тела вращения, зарядообразовательная часть эмиттерных электродов выполнена в виде иглы, расположенной по оси канала, коллекторные электроды имеют один проток и один деионизатор, выполненные в виде тел вращения с осью симметрии, совпадающей с осью канала. 10. Канал по п.8, отличающийся тем, что эмиттерные электроды выполнены в виде решетки, расположенной перпендикулярно к оси канала, в узлах которой установлены зарядообразовательные части в виде игл, коллекторные электроды выполнены в виде решетки протоков, имеющих форму тел вращения, соосных с соответствующими зарядообразовательными частями предшествующего по ходу потока эмиттерного электрода, причем деионизатор, имеющий форму тела вращения, находится в каждом протоке на его оси. 11. Канал по п.8, отличающийся тем, что зарядообразовательные части эмиттерных электродов выполнены в виде нескольких равноотстоящих параллельных друг другу и оси канала лезвий, протоки коллекторных электродов - в виде соответствующего числа линейных щелей, а деионизаторы - в виде расположенных в щелях симметрично между их стенками пластин. 12. Канал по п.8, отличающийся тем, что зарядообразовательные части эмиттерных электродов выполнены в виде нескольких соосных друг с другом и каналом тонкостенных цилиндров, протоки коллекторных электродов выполнены в виде соответствующего числа круговых щелей, а деионизатор - в виде расположенных в этих щелях симметрично между их стенками пустотелых цилиндров. 13. Канал электродинамического нагнетателя, выполненный в диэлектрическом корпусе и имеющий расположенные по ходу потока и поочередно подключенные к разноименным полюсам источника высокого напряжения электроды, содержащие зарядообразовательные части с заострениями, обращенными в сторону движения потока, и электроды, в которых выполнены протоки, имеющие расположенные по ходу потока сужающуюся и расширяющуюся части, расположенные за зарядообразовательными частями предшествующих электродов, причем стенки протоков симметричны относительно заострений этих зарядообразовательных частей, отличающийся тем, что электроды, имеющие зарядообразовательные части, снабжены протоками по числу таких частей, выполненными и расположенными относительно стенок канала так же, как протоки следующих по ходу потока электродов, а электроды, имеющие протоки, снабжены зарядообразовательными частями по числу протоков, кроме того, все электроды снабжены деионизаторами - элементами с проводящей поверхностью, симметричными в продольном и поперечном сечениях, размещенными симметрично относительно стенок протоков в их сужающейся и расширяющейся частях, причем передние по ходу потока точки поверхности деионизаторов находятся между входными и наиболее узкими сечениями протоков, а зарядообразовательные части всех электродов установлены на деионизаторах со стороны, обращенной к следующему по ходу потока электроду. 14. Канал по п.13, отличающийся тем, что он имеет форму тела вращения, каждый электрод имеет один проток, причем проток и размещенный в нем деионизатор также имеют форму тел вращения, соосных с каналом, а зарядообразовательная часть, установленная на деионизаторе, выполнена в виде соосной с каналом иглы. 15. Канал по п.13, отличающийся тем, что его электроды выполнены в виде решетки протоков, имеющих форму тел вращения с осями, параллельными продольной оси канала, размещенные в протоках деионизаторы имеют форму соосных с ними тел вращения, а зарядообразовательные части выполнены в виде установленных на деионизаторах соосно с ними и протоками игл. 16. Канал по п.13, отличающийся тем, что его электроды выполнены с протоками, имеющими вид линейных щелей, размещенные в протоках деионизаторы имеют форму пластин, симметричных относительно стенок щелей, а зарядообразовательные части выполнены в виде установленных на пластинах лезвий. 17. Канал по п.13, отличающийся тем, что он имеет форму тела вращения, его электроды выполнены с протоками, имеющими вид соосных с каналом круговых щелей, размещенные в протоках деионизаторы имеют форму соосных с ними пустотелых цилиндров, а установленные на деионизаторах зарядообразовательные части выполнены в виде тонкостенных цилиндров. 18. Канал по любому из пп.13 - 17, отличающийся тем, что он имеет расположенные параллельно прямолинейные участки, соединенные друг с другом изогнутыми участками таким образом, чтобы обеспечить возможность движения потока в любых двух ближайших друг к другу прямолинейных участках в противоположных направлениях, при этом электроды размещены в прямолинейных участках и образуют группы, содержащие по одному электроду из каждого прямолинейного участка, протоки которых расположены без взаимного смещения в продольном направлении или со смещением, меньшим расстояния между входными сечениями соседних электродов одного и того же прямолинейного участка, причем все электроды одной и той же группы подключены к одному и тому же полюсу источника высокого напряжения. 19. Канал по п.18, отличающийся тем, что совокупность электродов одной и той же группы конструктивно выполнена в виде одного блока и их протоки не имеют взаимного смещения в продольном направлении. 20. Канал по любому из пп.8 - 19, отличающийся тем, что в нем заострения зарядообразовательных частей всех или некоторых электродов, имеющих такие части, находятся на срезе или внутри протоков следующих по ходу потока электродов. 21. Канал по любому из пп.8 - 20, отличающийся тем, что в последовательных ступенях, образуемых парами расположенных друг за другом по ходу потока электродов, канал в промежутках между электродами и между ступенями и протоки в электродах выполнены с уменьшающимся от ступени к ступени поперечным сечением. 22. Канал по любому из пп.8 - 21, отличающийся тем, что закон изменения площади проходного поперечного сечения протоков его электродов по длине протока одинаков с законом изменения площади проходного поперечного сечения в сопле Лаваля такой же длины.