СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА Российский патент 2000 года по МПК F01B29/10 F03C5/00 F04F1/16 

Изобретение относится к машиностроению, конкретнее к технологическим процессам, способам и устройствам, использующим физический эффект электрогидравлического удара, открытый Л.А. Юткиным, конкретнее к способам преобразования энергии этого удара в механическую энергию.

Известны и уже применяются в технике способы преобразования энергии электрогидравлического удара в механическую энергию рабочего органа, применяемые в промышленности, например, для дробления и измельчения материалов, штамповки металла и пластмасс, для очистки отливок, в сельскохозяйственной технике, для нитрирования и азотирования воды и др. (аналоги - из кн. Юткина Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности, -Л., Машиностроение, 1986 г.).

Весьма перспективно применение данного эффекта в способах электромеханического преобразования энергии в электродвигателях нового поколения - в электрогидравлических двигателях.

Известен способ преобразования энергии электрогидравлического удара в механическую энергию вращения ротора специального электрогидравлического двигателя (а.с. СССР N 1733710).

Сущность изобретения-аналога состоит в преобразовании механической энергии возвратно-поступательного движения рабочего органа, приводимого в движение энергией электрогидравлического взрыва в рабочей камере путем преобразования механической энергии возвратно-поступательного движения подпружиненного поршня со штоком, закрепленным вместе с рабочей камерой на роторе во вращение ротора посредством циклического тангенциального отталкивания ротора от статора, конкретнее посредством подвижного штока, жестко соединенного с поршнем, от внутренней ребристой поверхности статора. Недостаток аналога состоит в крайне низкой надежности работы коллекторного узла коммутации данного двигателя при переключении им электрических высоковольтных потенциалов необходимых для нормальной работы электрогидравлических камер. Другой существенный недостаток данного аналога состоит в способе преобразования возвратно-поступательного движения поршня под действием электрогидравлического удара во вращение ротора в связи с высокими динамическими нагрузками при вращении рабочей камеры, закрепленной на роторе и крайне малым объемом этой камеры, размещаемой в зазоре между ротором и внутренней ребристой поверхностью статора. Такой способ, описанный в аналоге весьма ненадежен и не позволит обеспечить высокие мощность и крутящий момент данного двигателя.

Более близким и базовым техническим решением является способ преобразования энергии электрогидравлического удара в механическую энергию движения рабочего органа путем осуществления внутри объема жидкости, заключенной в рабочей камере, высоковольтных электрических разрядов, образования вокруг зоны разряда сверхвысоких гидравлических давлений, под воздействием которых размещенный подвижно в рабочей камере рабочий орган совершает полезную механическую работу (кн. Л. А. Юткина, Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. -Л., Машиностроение, 1986 г., с. 140).

Недостатком способа-прототипа является отсутствие управляемости рабочего органа по частоте и мощности, ограничение его сферы применения только на возвратно-поступательные перемещения рабочего органа.

Предложен новый способ преобразования энергии электрогидравлического удара в механическую энергию путем осуществления внутри объема жидкости, заключенной в рабочей камере, высоковольтных электрических разрядов с образованием вокруг зоны разряда сверхвысоких гидравлических давлений, под воздействием которых размещенный в рабочей камере рабочий орган совершает полезную механическую работу, отличающийся тем, что регулируют частоту перемещения рабочего органа (поршня) изменением частоты и мощности высоковольтных электрических разрядов, причем синхронизируют момент возникновения электрического разряда в жидкости с положением рабочего органа.

Развитие способа состоит в том, что осуществляют симметричное возвратно-поступательное механическое движение свободно-ходового поршня путем поочередных электрогидравлических ударов через жидкость по обе рабочие стороны поршня.

Развитие способа состоит в том, что преобразуют энергию электрогидравлического удара жидкости в рабочей камере непосредственно во вращательное движение рабочего органа, размещенного в этой же рабочей камере, например осуществляют вращение турбины путем поочередных электрогидравлических ударов жидкости на лопатки турбины, причем регулируют ее скорость путем изменения частоты следования и мощности высоковольтных электрических разрядов.

Развитие способа состоит в том, что его используют для перекачки жидкости, например воды, с одновременным насыщением ее азотными и нитратными удобрениями, для чего в момент электрогидравлического удара открывают выпускной клапан и закрывают впускной клапан рабочей камеры, а после окончания этого удара, изменяют положение данных клапанов на противоположное, причем регулируют расход перекачиваемой жидкости и производительность насоса изменением частоты и мощности высоковольтных электрических разрядов.

Развитие способа состоит в том, что повышают качество преобразования энергии электрогидравлического удара в механическую энергию возвратно-поступательного движения рабочего органа, конкретнее плавность и длину хода рабочего органа (поршня) путем чередования электрогидравлических ударов по обеим сторонам свободно-ходового поршня в двухполостной рабочей камере и перепусканием жидкости через специальный патрубок с клапанами из полости с большим давлением в полость камеры с меньшим давлением.

Сущность изобретения состоит в создании направленного регулируемого давления жидкости вследствие ЭГЭ на рабочее тело и регулировании силы и скорости движения рабочего тела путем изменения частоты и электрической мощности высоковольтных электрических импульсов, обеспечивающих регулируемый по мощности и частоте электрический разряд, и как следствие регулируемое гидравлическое давление жидкости в рабочей камере.

Способ пояснен на примере простых устройств преобразования энергии электрогидравлического удара во вращательное движение инерциоида (фиг. 1) и в возвратно-поступательное движение поршня (фиг.2).

Простейшее устройство для реализации способа (фиг. 1) содержит прочный стальной корпус 1, массивный поршень 2 с шатуном 2-1, массивным инерциоидом 2-2, который фрикционно соединяют напрямую или через вариатор скорости (не показан) с колесами 2-3 транспортного средства, например автомобиля.

Внутренняя полость рабочей камеры 3 полностью заполнена несжимаемой жидкостью, например водой. В нее ввинчены прочные электроизоляторы 4 с коаксиальными коррозионно-стойкими электродами 5 на глубину, достаточную для возникновения между ними мощного высоковольтного электрического разряда (ЭР) после включения силового ключа 6 и разряда накопителя электроэнергии высоковольтного конденсатора С, предварительно заряженного от высоковольтного источника электроэнергии 7. Отметим, что для повышения эффективности электрогидравлического удара на поршень 2, электроды 4 размещены поперек оси вращения поршня 2.

Развитие способа и устройства для реализации возвратно-поступательного движения свободно-ходового поршня показано на примере простого устройства (фиг.2), которое состоит из двухполостной рабочей камеры в виде прочного цилиндрического корпуса 1, с вставленным в него массивным свободно-ходовым поршнем 2, имеющем по концам механическое упрочнение 3 с симметричными по концам поршня 2 выступами 3-1, высоковольтные электроды 4,5, имеющие по концам плоские коррозионно-стойкие контакты 4-1,2 и 5-1,2, причем электроды 4,5 герметично запрессованы в электроизоляторы 6,7, которые герметично ввернуты в корпус 1. Поршень 2 разделяет внутреннее пространство камеры 1 на две рабочие камеры 8-1 и 8-2, заполненные несжимаемой жидкостью, например водой. Устройство дополнено переливным патрубком 9, соединяющим полости камер 8-1,2, с клапанами 9-1,2 и управляемым по частоте и амплитуде высоковольтным преобразователем 10, подключенным по цепи управления к системе управления 10-1, по силовому выходу к электродам 4,5 и корпусу 1, а по силовому входу к источнику электроэнергии 11, например к бортовой аккумуляторной батарее. Для повышения импульсной мощности электрического разряда внутри камер 8-1,2 параллельно силовым выходам преобразователя 10 подключены высоковольтные конденсаторы С 1,2. На фиг. 1,2 имеются также буквенные обозначения: ЭР- электрический высоковольтный разряд; ГПП-газопаровая полость. Н1,2 - ход поршня в обе стороны. Стрелки в блоке 9 показывают направление перекачки жидкости в процессе электрогидравлического удара в полости 8-1.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Вначале электрически заряжают высоковольтный конденсатор C от источника электроэнергии 7. Затем подключают высоковольтные потенциалы конденсатора С силовым полупроводниковым ключом 6 к электродам 5, углубленным рабочими концами в жидкость внутри рабочей полости 3.

В результате электрического пробоя жидкости возникает мощный электрический разряд (ЭР) в плоскости, перпендикулярной оси поршня 2, сопровождающийся образованием мощной ударной волны на поршень 2 и образования коллапсирующей газопаровой полости (ГПП). Воздействие ударной волны на поршень 2 приводит его в поступательное движение, которое через шатун 2-1 и массивный инерциоид 2-2 преобразуется в кинетическую механическую энергию вращения инерциоида 2-2 и через фрикционное соединение вращение рабочего колеса 2-3.

После окончания импульсного электрического разряда в полости 3, ключ 6 отключают от электрода 5 и повторно заряжают конденсатор С и возвращают поршень 2 в исходное положение. Время зарядки-разрядки конденсатора c на порядок меньше времени хода поршня 2, поэтому реально возможно обеспечение частоты работы поршня от нескольких герц до сотен герц.

Возвращение поршня 2 в исходное состояние обусловлено двумя причинами - "схлопыванием" разряженной газопаровой полости ГПП, образованной в результате ЭР и инерционным вращением инерциоида 2-2. После завершения полного цикла возврата поршня 2 в исходное положение вновь замыкают ключ 6 и вновь осуществляют электрический разряд (ЭР) в камере 3, который повторно приводит ко второму электрогидравлическому удару и повторному движению поршня 2. Процесс циклически повторяют, причем регулируют частоту хода поршня силой этого удара на поршень и частотой электрических разрядов.

Данное устройство может быть использовано как нетрадиционный движитель для транспортных средств, вообще без топлива и при минимальной емкости аккумуляторной батареи. Устройство может быть использовано и как эффективный электрогидравлический насос для перекачки жидкости, например воды, в этом случае в камере 3 размещают впускной и выпускной клапаны в корпусе 1 по обеим сторонам поршня с учетом длины его рабочего хода (для упрощения чертежа на фиг. 1 клапаны не показаны).

Естественно, в режиме насоса рассматриваемые в качестве примеров устройства фиг. 1, 2 работоспособны лишь при наличии впускного и выпускного клапанов.

Синхронизацию моментов подачи ЭР с положением поршня и клапанов осуществляет ключ 6 по информации их датчиков положения (для упрощения чертежа на фиг. 1 датчики не показаны). По существу, в режиме насоса это устройство представляет собой гибрид насоса с установкой по изготовлению минеральных удобрений (азотного и нитратного растворов при сохранении нитратов в норме), поскольку уже известно и экспериментально доказано, что в результате обработки воды электрогидравлическим ударом в ней повышается количество азота(ионов аммиака), и нитритов в десятки раз), т.е. такая установка становится весьма полезным устройством для полива растений (о свойствах обработанной таким образом воды см. кн. Гольцовой Л.И. "ЭГЭ-новое в сельском хозяйстве", М., 1987 г.).

Рассмотрим теперь особенности реализации способа на примере работы устройства для преобразования энергии электрогидравлического удара в возвратно-поступательное движение свободно-ходового поршня (фиг.2). Данное устройство имеет ряд существенных отличий от простейшего устройства (фиг.1), а именно:
1) устройство имеет две рабочие камеры 8-1 и 8-2, заполненные водой, и свободно-ходовой поршень 2;
2) устройство дополнено переливным патрубком 9 с клапанами 9-1 и 9-2;
3) устройство дополнено двумя накопителями электроэнергии и двухканальным высоковольтным управляемым преобразователем напряжения 10.

В результате, данное устройство позволяет осуществить в несколько раз более длинный рабочий ход поршня 2 в обе стороны, в отличие от предыдущего устройства. Сущность работы данного устройства в целом аналогична предыдущему устройству и состоит в чередовании электрогидравлических ударов в камерах 8-1 и 8-2 при электрическом разряде в этих камерах энергии предварительно заряженных конденсаторов С 1.2. Однако введение в конструкцию устройства переливного патрубка с клапанами удлиняет рабочий ход поршня 2, поскольку в момент электрогидравлического удара в камере 8-1 клапан 9-2 открыт, а клапан 9-1 закрыт и поэтому ударная волна жидкости в момент электрогидравлического удара, передаваемая через поршень 2 на жидкость из камеры 8-1 в камеру 8-2 выдавливает часть жидкости из камеры 8-2 через клапан 9-2 в разряженную газопаровую полость (ГПП) в камере 8-1, путем ее эжекции через клапана 9-1,2 в разряженную полость ГПП, что приведет к дополнительному повышению давление на поршень 2 в камере 8-1, что приводит к ликвидации ГПП, значит и обратного "схлопывания" ГПП, а следовательно, к увеличению рабочего длины (Н1,2) и плавности хода поршня 2 в обе стороны. Преобразование возвратно-поступательного движения поршня 2 во вращательное движение инерциоида и рабочего колеса (не показаны на фиг.2) может быть осуществлено по аналогии с устройством (фиг. 1), описанном выше. Отметим, что регулирование частоты хода поршня и его силы, мощности регулируют как и в предыдущем устройстве изменением частоты и силы тока высоковольтных электрических разрядов в камерах 8-1,2 по цепи управления 10-1 преобразователя частоты 10.

Таким образом, предложен новый способ преобразования энергии электрогидравлического удара в механическую энергию направленного движения рабочего тела, например поршня или жидкости, который обладает новизной и существенными отличиями от прототипа, обеспечивающими ему новые полезные свойства (управляемость механической энергии по частоте, скорости и мощности перемещения рабочего органа, возможность использования способа для перекачивания жидкостей, обеспечение более плавного движения рабочего органа).

Изобретение относится к машиностроению, конкретнее к технологическим процессам, способам и устройствам, основанным на использовании электрогидравлического эффекта. Способ заключается в осуществлении внутри объема жидкости, в рабочей камере, высоковольтных электрических разрядов с образованием вокруг зоны разряда гидравлических давлений, воздействующих на размещенный в рабочей камере рабочий орган, при этом регулируют частоту перемещения рабочего органа (поршня) изменением частоты и мощности высоковольтных электрических разрядов, а момент возникновения электрического разряда в жидкости синхронизируют с положением рабочего органа. Причем осуществляют симметричное возвратно-поступательное движение поршня путем поочередных электрогидравлических ударов через жидкость по обе рабочие его стороны. Энергию электрогидравлического удара жидкости в рабочей камере преобразуют непосредственно во вращательное движение рабочего органа, например турбины, путем поочередных электрогидравлических ударов жидкости на лопатки. Изобретение обеспечивает расширение области применения. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ преобразования энергии электрогидравлического удара в механическую энергию путем осуществления внутри объема жидкости, заключенной в рабочей камере, высоковольтных электрических разрядов с образованием вокруг зоны разряда гидравлических давлений, под воздействием которых размещенный в рабочей камере рабочий орган совершает полезную механическую работу, отличающийся тем, что регулируют частоту перемещения рабочего органа (поршня) изменением частоты и мощности высоковольтных электрических разрядов, причем синхронизируют момент возникновения электрического разряда в жидкости с положением рабочего органа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют симметричное возвратно-поступательное механическое движение свободно-ходового поршня путем поочередных электрогидравлических ударов через жидкость по обе рабочие стороны поршня. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразуют энергию электрогидравлического удара жидкости в рабочей камере непосредственно во вращательное движение рабочего органа, например, осуществляют вращение турбины путем поочередных электрогидравлических ударов жидкости на лопатки турбины, причем регулируют ее скорость путем изменения частоты следования и мощности высоковольтных электрических разрядов. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что его используют для перекачки жидкости, например воды, для чего в момент электрогидравлического удара открывают выпускной клапан и закрывают впускной клапан рабочей камеры, выпуская под давлением воду из камеры, а после окончания этого удара изменяют положение данных клапанов на противоположное, причем регулируют расход перекачиваемой жидкости и производительность насоса изменением частоты и мощности высоковольтных электрических разрядов. 5. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что повышают качество преобразования энергии электрогидравлического удара в механическую энергию возвратно-поступательного движения рабочего органа, конкретнее плавность и длину хода рабочего органа (поршня) путем чередования электрогидравлических ударов по обеим сторонам свободно-ходового поршня в двухполостной рабочей камере и перепусканием жидкости через переливной патрубок с клапанами из полости с большим давлением в полость камеры с меньшим давлением.