Пароэлектрический генератор Советский патент 1936 года по МПК H02N3/00 

Предлагаемое изобретение касается устройства паро-электрического генератора, действие которого основано на переносе паром электрических зарядов с сетки на стенки сосуда, т. е. в таком генераторе кинетическая энергия движущейся струи непосредственно преобразовывается в энергию электрического тока. Происходит это следующим образом. Полученный .обычным способом в котле пар выпускается в сопло, где он расширяется настолько, что превращается в дисперсную среду (туман, движущуюся с больщой скоростью и имеющую поэтому определенную кинетическую энергию. Превращение пара в дисперсную среду производится в пространстве, где всегда поддерживается определенная концентрация ионов.

Поэтому каждая капелька образовавшегося тумана будет нести определенный электрический заряд.

Если этот объемно заряженный туман воспринимать на поверхность электрически, изолированного охлаждаемого металлического сосуда (холодильника), то потенциал этого сосуда - холодильника начнет возрастать. Если к холодильнику приключить полезную нагрузку, то через последнюю будет протекать постоянный ток, а потенциал холодильника будет все время сохранять какое-то определенное значение. Так

как заряженный холодильник будет создавать вокруг себя электрическое поле, то капельки, несущие заряды, подлетая к холодильнику, будут тормозиться. При этом торможении кинетическая энергия быстро движущегося тумана должна превращаться в электрическую энергию.

В качестве рабочего тела в пароэлектрическом генераторе, иовидимому целесообразнее всего применить ртуть. Возможно также применение паров других легко кипящих металлов, как например, калия или натрия.

Водяной пар или пар какого-либо другого сложного тела в указанном генераторе, повидимому, нельзя будет применить, так как при ионизации такой пар будет разлагаться и сможет вступать в химическое взаимодействие с материалом сопла холодильника и т. д.

На чертеже фиг. 1, 2, 3, 4 и 6 изображают возможные формы выполнения предлагаемого генератора; фиг. 5-соответствующие кривые токов и напряжений.

При выполнении генератора, согласно фиг. 1, в котле/Спроисходит испарение ртути. По трубе Г ртутный пар попадает в сопло С. По дороге пар может пройти через пароперегреватель М.

Внутри сопла С помещаются два электрода Л к F, между которыми возбуждается дуговой разряд. Электрод, служащий катодом дуги, может буть или жидким (ртутный) или накаливаемым от специальной батареи Ба , как это изображено на фиг, 1. Можно также применить катод, накаливаемый ионной бомбардировкой и т. д.

Между анодом А и катодом F включен источник постоянного тока Б. Сопротивление 2 ограничивает ток дуги. Перед выходом сопла помещен решетчатый электрод (сетка) G.

От источника постоянного тока Б на электрод (сетку) G подается отрицательное напряжение. Для ограничения тока в цепь сетки G включено сопротивление /,.

Буквой X на фиг. 1 обозначен холодильник. В трубку Oi подается охлаждающая жидкость (вода или масло), через трубку Og последняя отводится. По трубке В уходит из холодильника сконденсировавшаяся в холодильнике ртуть. При помощи насоса (не показанного на чертеже) сконденсировавшаяся ртуть поступает обратно в котел через трубку /7. Если котел и паропровод сделаны из электропроводного материала и их желательно заземлить, то между холодильником X и паропроводом 7 делается изолирующая вставка U. Такая же изолирующая вставка должна быть сделана в ртутеотводящей трубке Б (при этом, понятно, надо принять меры, чтобы по этой изолирующей вставке ртуть не текла сплошной струей).

На фиг. 2 приведена упрощенная электрическая схема паро-электрического генератора. А и F-электроды, между которыми горит дуга, G-решетчатый электрод, вытягивающий положительные ионы, С-паропроводящее сопло, X-холодильник.

Полезная нагрузка генератора приключается к зажимам Z между холодильником и электродом А.

После вышеизложенного принцип действия генератора, изображенного на фиг. 1, вполне очевиден. Адиабатически расширившийся и переохладившийся в сопле С пар попадает в зону между соплом и решетчатым электродом G. Вблизи электрода О всегда существует значительная концентрация положительных ионов, так как потенциал электрода G отрицательный и к нему диффундируют ионы из дуги, горящей между электродами А к F. Попав в ионизированную среду, переохлажденный пар конденсируется совершенно аналогично тому, как конденсируется пар в камере Вильсона. Каждый ион становится центром конденсации. Поэтому каждая капелька образовавшегося тумана будет нести положительный заряд.

Необходимо также заметить, что ионизировать пространство между экранирующим электродом и соплом можно не только при помощи дугового разряда, но действуя любым другим ионизирующим агентом.

Можно, например, осветить эту зону рентгеновскими или ультра-фиолетовыми лучами.

Возможно, что для облегчения конденсации ртутного пара будет целесообразно добавлять в струю ртутного пара мелко распыленную при помощи специальной форсунки ртуть.

Конструкция электрода G имеет весьма важное значение для правильного функционирования генератора.

Электрод G должен прежде всего иметь возможно большую проницаемость, так как те капельки ртути, которые коснутся его поверхности, нейтрализуют свой положительный заряд и приобретают отрицательный заряд. Это будет снижать к. п. д. генератора.

Вместе с тем этот электрод должен иметь малую электрическую проницаемость, так как в противном случае поле холодильника будет проникать в пространство вблизи электродов дутнА и F. Тогда к холодильнику пойдут электроны и генератор окажется замкнутым накоротко (внутреннее короткое).

Чтобы получить электрод G, обладающий достаточным электрическим экранирующим действием, может оказаться целесообразным сделать электрод G в виде достаточно глубоких сот и расположить одну за другой несколько редких сеток (аналогично тому, как это делают в экра:нированных радиолампах, когда желательно иметь малый ток экранной сетки при большом коэфициенте усиления и т. д.). Возможно также, что целесообразно будет сообщить разным сеткам различные потенциалы.

Пролетев сквозь электрод G, заряженные капельки попадают, в электрическое поле холодильника .Y. Это поле тормозит движение капелек и для того, чтобы дойти до холодильника, они должны затратить значительную часть своей кинетической энергии, приобретенной при адиабатическом расширении в сопле.

Эта часть энергии и превращается в электрическую энергию, отдаваемую нагрузке. На поверхность холодильника капельки попадают с какой-то остаточной скоростью. Остаток энергии капелек выделяется в виде тепла, которое уносится охлаждающей жидкостью. Эта часть энергии является тепловыми потерями.

Если замкнуть холодильник накоротко с электродом Л, то тормозящее электрическое поле холодильника пропадет, капельки будут попадать на поверхность холодильника, имея полную скорость, и вся кинетическая энергия пара перейдет в бесполезное тепло.

Для того, чтобы возможно ббльщая часть кинетической энергии расширившегося пара превратилась в электрическую энергию, необходимо, чтобы между начальной скоростью капелек, их зарядом, массой и потенциалом холодильника существовало определенное теоретически устанавливаемое соотношение.

При помощи предлагаемого генератора может быть получен не только однофазный или многофазный переменный ток, но и ток повышенной частоты (несколько тысяч герц).

На фиг. 3 изобран{ена одна из возможных форм выполнения пароэлектрического генератора переменного тока. По трубе П к специальному крану Ф поступает (из не показанного на чертеже котла) ртутный пар. Кран Ф приводится во вращение синхронным двигателем М и распределяет пар между тремя соплами 1, 2 5з. Таким образом, через каждое из сопел пар течет одну треть всего времени.

В каждом сопле имеются электроды, между которыми поддерживается дуговой разряд: в сопле S -электроды Р и J.1, в сопле 2 - электроды F и А и т. д. Перед выходом каждого сопла

помещается решетчатый экранирующий электрод (сетка) GI, Сз и Gg.

Напряжение на электроды А, F к G подается от двух источников постоянного тока BI и 5,.

Выходящий из сопел пар попадает в холодильники yY, Х и Х-, сконденсировавшаяся ртуть отводится из холодильников обратно в котел по трубкам fij, В-, и 5зХолодильники Х, X-i и Х изолированы друг от друга и от паропроводящих сопел изолирующими вставками U,

(Л и /Уд.

Каждый из холодильников соединен с одной фазой трансформатора Г. Нулевая точка первичной обмотки этого трансформатора через индуктивное сопротивление L приключена к соединенным параллельно электродам А Л и Лд.

На фиг. 4 изображен другой вариант предлагаемого генератора переменного тока. В этом генераторе имеется один общий сосуд (холодильник) X, в который вделаны изолированные друг от друга и от паропровода (вставками U) сопла Sj, 5g и Sg. В каждом сопле имеются электроды, между которыми горит дуга. Для упрощения на фиг. 4 показаны только аноды Л, Л2 и Лд. Катоды дугового разряда не показаны. Между анодами и экранирующими электродами (сетками) Gj, Gj и Сз включены изолированные друг от друга источники постоянного тока 1, 2 и БЗ.

Отдельные фазы первичной обмотки трансформатора присоединены к анодам AI, AZ и Лд. Нулевая точка первичной обмотки через индуктивное сопротивление L приключена к сосуду-холодильнику X.

На фиг. 5 приведены кривые токов и напряжений для какого-то режима работы паро-электрического генератора переменного тока. На чертеже цифрами I, II и III обозначены соответственно напряжения фаз трансформатора Т (предполагается, что генератор приключен к сети, в которой уже имеется напряжение переменного тока). Буквами / с индексами I, II и III обозначены токи в первичной обмотке трансформатора; Е и /р - напряжение и ток в одной из вторичных (присоединенных к питаемой сети переменного тока) обмоток; о-угол

сдвига фаз между током и напряжением в питаемой сети.

Как и в предыдущих случаях, конденсируясь в пространстве между соплом S и электродом G, ртутный пар превращается в туман, отдельные капельки которого несут положительные заряды. Садясь на поверхность сосудахолодильника, эти капельки отдают последнему свой заряд. Если расстояние от электрода (сетки) G до стенки холодильника велико, то капельки, вследствие различных столкновений, могут затормозиться и потерять свою кинетическую энергию, не дойдя до стенки холодильника. Чтобы избегнуть этого, в конструкции, изображенной на фиг. 4, применены сетки DI, D и Dg, электрически соединенные с холодильником и расположенные в непосредственной близости от электрода G. Между электродами G и D приложено полное рабочее напряжение пароэлектрического генератора.

Поэтому, пролетев интервал между электродами G н D, капельки полностью отдают свою кинетическую энергию. После того, как капельки пролетели сетку D, они уже никуда не могут отклониться и неизбежно попадают на холодильник.

Кроме того, придав сетке D соответствующую форму (так, чтобы электрическое поле вблизи электрода G было более равномерно), можно значительно повысить напряжение, при котором будет наступать пробой внутри генератора между электродом G и холодильником, и этим повысить напряжение, отдаваемое паро-электрическим генератором. Опыт постройки высоковольтных ртутных выпрямителей и газотронов говорит за то, что с помощью электрического генератора можно будет получить напряжение порядка 50 kV.

Для получения более высоких напряжений следует применить последовательное (каскадное) включение предлагаемых генераторов,

В каждое из сопел пар подается отдельными импульсами, длительность

которых равна - части периода переменного тока (т - число фаз генератора и, следовательно, число сопел). Поэтому

напряжение на каждом из холодильников имеет вид прямоугольных импульсов.

В отрезки времени, когда в какоелибо сопло пар не поступает, напряжение на холодильнике этого сопла отрицательно.

Для того, чтобы к холодильнику в это время не диффундировали ионы, можно сообщать электроду G слегка положительное напряжение в те отрезки времени, когда в сопло не подается пар.

Можно также поместить между электродами О и сетками D вспомогательные решетчатые электроды, на которые и подавать переменное напряжение соответствующей частоты и фазы.

Можно, наконец, питать переменным током дугу, горящую между электродами А и F таким образом, чтобы в то время, когда пар в сопло не подается, на анод также не подавалось бы положительное напряжение. Благодаря этому во время отрицательных полупериодов в сопле будет отсутствовать ионизация и уменьшится опасность пробоя между холодильником и электродами F, А и G.

Кроме того, при питании дуги переменным током уменьшается расход энергии на возбуждение, так как в каждом

из сопел дуга горит только - всего времени (это должно повысить к. п. д. генератора).

Паро-электрический генератор переменного тока, изображенный на фиг. 3 и 4, обладает весьма ценным свойством: он может питать нагрузку, имеющую любой сдвиг фаз, безразлично, опережающий или отстающий. Момент начала прохождения тока и момент прекращения протекания тока через каждую из фаз первичной обмотки трансформатора определяется только впуском и прерыванием пара в соответствующем сопле. Поэтому импульс тока в каждой фазе трансформатора может занимать любое положение относительно кривой напряжения этой фазы.

Фиг. 5, например, изображает режим, когда генератор питает нагрузку с отстающим углом фаз (иидуктивную нагрузку).

При этом ток начинает проходить через каждую фазу в момент, когда ее

напряжение более отрицательно, чем напряжение предшествовавшей фазы, через которую перед этим протекал ток.

В инвертере, работающем на тиратронах, такой режим был бы совершенно невсзможен.

В те моменты времени, когда напряжение работающей фазы пароэлектрического генератора выше, чем напряжение, развиваемое соответствующим соплом, ток течет за счет запасенной в индуктивном сопротивлении L энергии.

Когда же напряжение работающей фазы ниже, чем напряжение сопла, дроссель L запасает энергию.

Для правильного функционирования генератора необходимо только, чтобы среднее арифметическое кривой напряжения каждой фазы за время работы соответствующего сопла было равно напряжению, развиваемому этим соплом.

На фиг. 6 показан паро-электрический генератор, способный давать электрические колебания повышенной частоты. Между электродом А и холодильником X включается колебательный контур, состоящий из индуктивности L и емкости С.

Как только потенциал холодильникастановится положительнее, чем потенциал электрода А, потенциал электрода G становится отрицательнее, чем потенциал электрода А. Благодаря этому, к электроду G диффундируют положительные ионы, которые затем уносятся к сосуду-холодильнику X, вследствие чего положительный потенциал последнего возрастает. При этом возрастает и отрицательный потенциал электрода G, увеличивается диффузия положительных ионов к последнему. Потенциал сосуда холодильника при этом еще больше возрастает. Потенциал холодильника будет наростать до тех пор, пока дальнейшее увеличение отрицательного потенциала электрода G перестает вызывать увеличение конвекционного тока.

Последняя же величина зависит, главным образом, от интенсивности паровой струи.

Тогда потенциал холодильника начнет падать и потенциал электрода G примет положительное значение. Поэтому ионы перестанут диффундировать к электроду G. Превращение пара в дисперсную среду в пространстве вблизи электрода G уменьшится, а образовавшиеся капельки тумана не будут нести положительных зарядов.

После того, как потенцал холодильника пройдет через наинизшее значение, он начнет снова нарастать.

При- этом потенциал электрода G станет отрицательным, что вызовет новое увеличение положительного конвекционного тока на холодильник X, потенциал последнего начнет нарастать и т. д.

К. п. д. такого генератора с самовозбуждением, в котором струя пара не прерывается, будет хуже, чем к. п. д. вышеописанных генераторов с прерыванием струи пара (фиг. 3 и 4), так как в те отрезки времени, когда напряжение электрода G положительно и конвекционный ток к холодильнику не идет, вся кинетическая энергия пара превращается в тепло.

В этом отношении паро-электрический генератор с самовозбуждением несколько напоминает генератор с электронной лампой, когда последний работает в режиме колебаний первого рода (в этом случае наивысший возможный к. п. д. электронного генератора будет 50%).

Предмет изобретения.

1.Паро - электрический генератор, действие которого основано на переносе паром зарядов, отличающийся тем, что для сообщения струе пара зарядов зона выхода из сопла поддерживается ионизированной, в каковой зоне помещена отрицательно заряженная сетка G, предназначенная для концентрирования положительных ионов, переносимых струей пара на стенки сосуда, служащего положительным полюсом генератора.

2.Форма выполнения генератора по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения воздействия электрического поля стенок сосуда на ионизированную зону и вместе с тем получения малой нейтрализации зарядов на сетке, применены несколько редких сеток, расположенных одна за другой и имеющих одинаковые или разные потенциалы.

3.Форма выполнения генератора по пп. 1 и 2, отличающаяся применением

форсунки для добавления в выходящую из сопла струю пара жидкости в распыленном виде.

4.Форма выполнения генератора по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве пара применены пары ртути или другого легко кипящего металла (калия или натрия).

5.Форма выполнения генератора по п. 1, отличающаяся тем, что для ионизации зоны между расположенным в сопле С отрицательным электродом А сеткой G применен вспомогательный накаливаемый электрод F, между которым и электродом А поддерживается дуга.

6.Форма выполнения генератора по п. 1, отличающаяся тем, что для ионизации зовы между электродом А и сеткой G применено освещение указанной зоны ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами.

7.Форма выполнения генератора по пп. 1 и 5, отличающаяся тем, что, с целью получения ряда импульсов прямого тока с определенным сдвигом между ними во времени, применены несколько сосудов, пар в которые подается поочередно от одного источника при помощи вращающегося паропереключателя.

8.Форма выполнения генератора по п. 7, отличающаяся тем, что, с целью преобразования сдвинутых во времени импульсов прямого тока в трехфазный переменный ток, цепи трех отдельных сосудов, пар в которые подается поочередно от вращающегося переключателя, соединены в звезду и приключены к первичной обмотке трехфазного трансформатора, нулевая точка которой через реактивное сопротивление присоединена к общей точке указанных цепей.

9.Форма выполнения генератора по п. 8, отличающаяся тем, что все три сопла и связанные с ними электроды установлены в одном сосуде, к которому присоединена нулевая точка первичной обмотки трансформатора, в то время, как ее концы приключены к соответствующим электродам А-, А, Лз генератора.

10.Форма выполнения генератора по пп. 8 и 9, отличающаяся тем, что сила тока, питающего вспомогательную дугу, ионизирующую рабочую зону, периодически изменяется с частотой преобразованного тока.

П. Форма выполнения генератора по ип. 8 и 9, отличающаяся применением добавочных сеток, потенциал которых периодически меняется с частотой переменного тока.

12.Форма выполнения генератора по п. 1, отличающаяся тем, что между сосудом генератора и электродом А включен колебательный контур, с которым при помощи гальванической, индуктивной или емкостной связи соединена сетка генератора.

13.Форма выполнения генератора по пп. 7 и 10, отличающаяся тем, что непосредственно за основной сеткой по пути пара помещена сетка D, электрически соединенная с сосудом генератора.

к авторскому свидетельству Г. И. Бабата и Р. П. Жежерина ,ь 48753

г -. а S ®

- f

r7

6,:

Фиг 2.

к авторскому свидетельству Г. И. Вабата и Р. П. Жежерина № 48753

Фиг 5.