ЭЛЕКТРОГИДРОПУЛЬСОР
ELECTRIC HYDRAULIC PULSE LIFT

Предлагаемое изобретение относится к области гидромашиностроения в части возобновляемых источников энергии и может найти применение в системах и установках водоснабжения, орошения, осушки, увеличения напора на микро- и миниГЭС, накопления воды в судовых шлюзах и т.д.
В настоящем изобретении усовершенствуются известные конструкции гидропульсоров, содержащие подвод, направляющий аппарат, турбинное рабочее колесо, напорный отвод, отводящую трубу, а также радиальные и осевую опоры на валу рабочего колеса (см., например, Ф.В. Конради «Гидропульсор» Ташкент 1939 г., а также гидропульсоры по авторским свидетельствам и патентам СССР класса 59 с., 17 №24710, №65722, №18057, №79816 и устройства с использованием электрогидравлического эффекта Юткина, а.с. №62683, №72308,№73453, №792003, №1733710 А, патент РФ №2157893, №2207230 и др.).
Также известна конструкция гидропульсора содержащая подвод, направляющий аппарат с лопатками, образующими центростремительные сливные каналы, с размещенными над этими каналами лопатками, образующими центростремительные напорные каналы, и установленное на валу рабочее колесо с лопастями, образующими сливные и напорные центростремительные каналы гидротурбинной ступени колеса, причем выход сливных каналов выполнен в диффузор отсасывающей трубы, и с размещенными над напорными каналами радиальными лопастями центробежной напорной насосной ступени колеса (см. патент на изобретение №2457367 от 06.07.2010 г.).
Указанная конструкция гидропульсора может быть принята за базовый объект.
Недостатками конструкции указанного базового объекта являются:
1) Недостижимость или неопределенность желаемых выходных параметров гидропульсора (подаваемых напора и расхода), особенно при ограниченной малой высоте подпора водяного столба на входе в гидропульсор, т.к. при этом может не хватать мощности двух центростремительных гидротурбинных ступеней радиально-осевого рабочего колеса для обеспечения надежной работы его центробежной насосной ступени и импульсной подачи жидкости в колесо.
2) Невозможность изменять выходные параметры в одинаковых по конструктивному исполнению форм и размеров гидропульсорах.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, предусматривает устранение указанных недостатков, т.е. обеспечение повышенных выходных параметров и возможности изменения подачи и напора жидкости на выходе гидропульсора.
Решение задачи достигается за счет того, что в гидропульсоре, содержащем подвод, направляющий аппарат с лопатками, образующими центростремительные сливные каналы, размещенными над этими каналами лопатками, образующими центростремительные напорные каналы и установленное на валу рабочее колесо с основными и дополнительными лопастями, образующими сливные и напорные центростремительные каналы гидротурбинной ступени колеса, причем выход сливных каналов выполнен в диффузор отсасывающей трубы, и с размещенными над напорными каналами радиальными лопастями центробежной напорной насосной ступени колеса:
- в подводе, на уровне лопаток направляющего аппарата, образующих центростремительные напорные каналы, по спирали или окружности выполнены системы изолированных электродов с положительной напряженностью электрогидравлического разрядно-импульсного устройства, соединенные вращающимся переключателем с низкооборотным высоковольтным генератором, причем оба они установлены на общем валу гидропульсора, а отрицательные электроды в виде металлических лопастей-ребер выполнены в напорных центростремительных каналах рабочего колеса и соединены с заземлением;
- в лопатках направляющего аппарата, образующих центростремительные напорные каналы, выполнены системы изолированных электродов с положительной напряженностью электрогидравлического разрядно-импульсного устройства, соединенные через аналогичный переключатель с тем же генератором, а в основных лопастях, образующих центростремительные напорные каналы рабочего колеса, выполнены дополнительные аналогичные каналы, в которых также установлены отрицательные электроды в виде металлических лопастей-ребер, соединенных с заземлением.
2
Указанное устройство конструкции электрогидропульсора кроме гидромеханического воздействия на его рабочее колесо использует электрогидравлический эффект (эффект Юткина) - способ прямого преобразования электрической энергии в механическую с высоким КПД посредством осуществления внутри объема жидкости специально сформированных импульсных высоковольтных электрических разрядов в течение короткого времени, вокруг зон образования которых возникают высокие гидравлические давления, способные совершать полезную механическую работу. Микроскопический канал, по которому проходит искровой разряд, имеет очень большую плотность энергии с возможностью ее выделения в заданном направлении. Мгновенно выделяемая мощность достигает колоссальных величин, при этом вода, окружающая искру, оказавшись в зоне мощного выталкивающего действия, быстро разлетается в стороны, создавая в зоне сжатия первый гидравлический удар. Образуется пустота - полость, которая сразу заполняется водой, получается еще один мощный гидравлический удар - кавитационный. Высокие гидравлические давления по мере удаления от разряда быстро уменьшаются (примерно, пропорционально квадрату расстояния от него). Таким образом, электрическая энергия за счет создаваемых электрогидравлическим разрядно-импульсным устройством высоких импульсных гидравлических давлений, обеспечиваемых высоковольтными электрическими импульсами с крутым передним фронтом напряжения, прикладываемых к разрядному промежутку в жидкости, без всяких промежуточных звеньев переходит в механическую энергию. В указанном устройстве предполагается относительно медленный заряд входящих в него накопительных конденсаторов от источника питания высокого напряжения (например, вентильного реактивного низкооборотного генератора), а затем при замыкании цепи разрядных элементов устройства, происходит быстрый разряд конденсаторов на разрядные промежутки между электродами в жидкости (чем меньше длительность переднего фронта импульса, тем больше импульсивный ток и пиковая мощность импульса). Пробивное напряжение на зазоре между электродами в жидкости зависит от свойств жидкости, формы и конструкции электродов и полярности напряжения на электроде с более высокой напряженностью. Для технической воды при использовании острого электрода положительной полярности и увеличенной активной поверхностью отрицательного электрода пробивная напряженность составляет около 1 кВ/см.
Преобразованная из электрической в механическую энергия гидравлическими ударами продвигает жидкость по центростремительным напорным каналам рабочего колеса, усиливая при этом вращающий момент на его лопастях и гидравлический импульс в движущейся жидкости, а следовательно, и повышая напор и подачу электрогидропульсора.
Изменение выходных параметров в электрогидропульсорах может быть осуществлено изменением параметров входящих в них конструктивных элементов, а также изменением амплитуды тока импульса, длительностью и крутизной фронта импульса и напряжения разряда.
Для увеличения пробивной напряженности (энергия импульса), крутизны фронта импульса тока и длины искры применяются схемы с использованием нескольких конденсаторов, соединенных параллельно до заряда напряжения источника тока, а затем с переключением коммутирующим устройством на последовательное соединение. Выходное напряжение на нагрузке при этом увеличивается пропорционально количеству соединенных конденсаторов.
Повышение напряжения вызывает рост КПД и приводит к возрастанию «жесткости» электрогидравлического удара, а, например, применение увеличенной емкости приводит к его смягчению, делая его более длительным. Мягкий режим характеризуется меньшими давлениями при значительном увеличении доли энергии, уходящей с волной запаздывающего потока и уменьшением доли энергии, обусловленной фронтом ударной волны.
При устройстве на тонком оголенном проводнике рабочего положительного электрода тонкой металлической пластины, совпадающей своей плоскостью с направлением проводника, причем его конец выступает за край пластины, за счет проявления действия импульсного конденсатора, образованного пластиной и вторым (отрицательным) проводником, происходит трансформация крутизны фронта длительного первичного импульса с преобразованием его в короткий крутой фронт вторичного рабочего импульса, и разряд становится длиннее.
При этом общий электрический КПД электрогидравлической установки повышается.
В известных конструкциях гидропульсоров вращающееся радиально-осевое турбинное рабочее колесо направляет поступающую в него жидкость то в сливную, то в напорную полости за счет того, что радиально-осевые центростремительные каналы колеса открыты попеременно то вниз, то вверх. При открытии каналов вниз жидкость при свободном сливе на нижний уровень достигает некоторой максимальной скорости, при которой вращающееся рабочее колесо, повернувшись на определенный угол, закрывает сливные каналы и открывает обращенные вверх напорные каналы.
Благодаря приобретенному импульсу жидкость устремляется через напорные каналы в нагнетательную линию, поднимая вверх находящуюся в ней жидкость. Вследствие произведенной работы поднятия и потери энергии давление в подводе понижается, вода приходит в состояние покоя и потекла бы из напорной полости обратно, если бы в это время за счет поворота рабочего колеса не произошло закрытия напорных каналов и открытия сливных каналов.
Описанные процессы постоянно повторяются, а жидкость в подводящей системе гидропульсора (труба и подвод, например, спиральный) пульсирует между наивысшей и наинизшей скоростями движения без ударов.
При этом существенным положительным отличием предлагаемой конструкции электрогидропульсора является увеличение напорности подаваемого потребителю потока жидкости (при тех же диаметрах известных конструкций) за счет усиленного вращающего момента, прилагаемого к РК, образованного сложением гидравлических сил на лопастях центростремительных турбинных ступеней рабочего колеса и преобразованной механической энергии от импульсов электрических разрядов в его каналах.
Кроме того, для усиления общего электрогидравлического эффекта в электрогидропульсорах, а следовательно, и увеличения его мощности, возможна установка систем электродов разрядно-импульсного устройства и на входе в каналы центробежной ступени рабочего колеса.
Использование предлагаемой конструкции электрогидропульсоров с увеличенными параметрами напора и расхода на выходе повышает надежность работы и увеличивает КПД при тех же параметрах подаваемой жидкости и тех же габаритах, что и в известных конструкциях гидропульсоров.
Таким образом, заявленная конструкция электрогидропульсора имеет технические преимущества по сравнению с известными конструкциями гидропульсоров.
Данные, подтверждающие достоверность достижения решения указанной задачи изобретения, описаны в специальной технической литературе (см., например, Г. Лоренц и Э. Прегер «Таран и гидропульсор», В.Н. Ростовцев «Утилизация малых падений вод» Издание А.Ф. Девриена, Петроград 1916 г., Ф.В. Конради «Гидропульсор», Ташкент, 1939 г., Юткин Л. А.
«Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности» Л., Машиностроение. 1986 г., Дудышев В.Д. «Новый метод преобразования энергии электрогидравлического удара - эффект Юткина в тепло и иные виды энергии». Новая энергетика 1/2005 г., ГТ-Электрофизика «ЭГЭ Юткина. Применение высоковольтных источников питания» г. Липецк и др.)
Сущность изобретения поясняется чертежами заявляемой конструкции электрогидропульсора на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6 и схеме фиг. 7. На чертеже фиг. 1 изображен вертикальный разрез электрогидропульсора: На чертеже фиг. 2 изображены  ступенчатые горизонтальные разрезы:
- разрез (А-А справа) по напорным центробежным каналам насосной ступени Р.К. (правая верхняя четверть фиг. 2) и по верхним напорным центростремительным каналам Н.А. и Р.К. в положении каналов Р.К., когда происходит разряд от положительных электродов, расположенных в спиральном подводе на отрицательные электроды (металлические лопасти-ребра), расположенные в каналах Р.К. (правая нижняя четверть фиг. 2);
- по верхним лопаткам Н.А. и лопастям центростремительной напорной гидротурбинной ступени Р.К. в положении лопастей Р.К., когда происходит разряд от положительных электродов, расположенных в верхних лопатках Н.А., на отрицательные электроды (в виде металлических ребер), расположенные в сужающихся каналах лопастей (левая нижняя четверть фиг. 2);
- разрез по нижним лопаткам Н.А. и лопастям Р.К. и по сливным центростремительным каналам Н.А. и гидротурбинной ступени Р.К. (Б-Б слева, левая верхняя четверть фиг. 2).
На чертежах фиг. 3 (горизонтальный разрез) и фиг. 4 (вертикальный разрез) изображены система положительного электрода, расположенная в изготовленным из диэлектрического материала спиральном подводе электрогидропульсора на уровне верхних напорных каналов Н.А. и Р.К. и отрицательный электрод в виде металлической лопасти-ребра, выполненный в напорном центростремительном канале Р.К. и соединенный с заземлением.
На чертежах фиг. 5 (вертикальный разрез) и фиг. 6 (горизонтальный разрез) изображены выполненная из диэлектрического материала верхняя лопатка направляющего аппарата, с размещенной в ней системой положительного электрода и верхняя лопасть рабочего колеса, также изготовленная из диэлектрического материала, с выполненным в ней сужающимся каналом, в котором установлен отрицательный электрод - металлическое ребро-лопасть, соединенное с заземлением.
Детали электрогидропульсора, в которых расположены электроды электрогидравлического разрядно-импульсного устройства, могут быть выполнены из различных диэлектрических материалов, например из стеклопластиков, стеклотекстолитов, армированных пластиков, полимерных композитов и т.д. Так, например, стеклопластики обладают малым удельным
3
весом (порядка 1,1 г/см), отличными диэлектрическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью, высокими механическими свойствами и хорошим внешним видом при любой окраске.
На чертеже фиг. 7 изображена электрическая схема срабатывания систем электродов электрогидропульсора.
Данный электрогидропульсор включает в себя:
- подвод 1 (например, спиральный);
- направляющий аппарат 2 с лопатками 3, образующими центростремительные сливные каналы 4, размещенными над этими каналами 4 лопатками 5, образующими центростремительные напорные каналы 6. Направляющий аппарат 2 установлен в спиральном подводе 1 на опоре 7;
- рабочее колесо 8 с ведущим диском 9 и выполненными на нем нижними основными лопастями 10, образующими центростремительные гидротурбинные сливные каналы 11, с расположенными в них дополнительными лопастями 12 и верхними основными лопастями 13, образующими центростремительные гидротурбинные напорные каналы 14, с расположенными в них дополнительными металлическими лопастями-ребрами 15, соединенные с заземлением. А в лопастях 13 выполнены сужающиеся каналы 16, с расположенными в них металлическими лопастями-ребрами 17, соединенными с заземлением.
На закрывающей сверху рабочее колесо перегородке 18 снизу выполнены центробежные насосные каналы 19, образованные лопастями 20;
- напорный отвод 21 (например, спиральный) выполнен в одном корпусе с подводом 1;
- вал 22 рабочего колеса 8 установлен в антифрикционных радиальных опорах скольжения 23 и опирается пятой 24 на осевую опору 25. Радиальные и осевая опоры скольжения смазываются перекачиваемой жидкостью;
- отсасывающая труба 26 для слива жидкости из сливных каналов 11 рабочего колеса 8 укреплена на опоре 7;
- на подводе 1 на уровне верхних лопаток 5 Н.А., образующих центростремительные напорные каналы 6 Р.К., установлены системы 27 изолированных электродов с высокой положительной напряженностью;
- в верхних лопатках 5 Н.А. установлены системы 28 изолированных электродов с высокой положительной напряженностью (см. например, «ЭГЭ Юткина. Применение высоковольтных источников питания. ГТ-Электрофизика);
- на общем валу 22 электрогидропульсора на стойке 30 установлены низкооборотный высоковольтный генератор напряжения 31, переключатель 32 системы электродов 27 и переключатель 33 системы электродов 28 в лопатках Н.А.;
- в электрическую схему управления работой электрогидропульсора входят также полупроводники 34, конденсатор 35,менее емкий конденсатор 36 и система заземления 37.
При работе электрогидропульсора жидкость с верхнего бьефа (водозабора) бассейна под напором подается по трубе в подвод 1, из которого попадает в направляющий аппарат 2 и проходит между его лопатками 3 в сливные каналы 4, а между лопатками 5 в напорные каналы 6.
Из сливных каналов 4 неподвижного направляющего аппарата 2 жидкость поступает на лопасти 10 и 12 гидротурбинной ступени рабочего колеса 8, приводя его во вращение, затем проходит через его сливные каналы 11 в отсасывающую трубу 26.
В этом положении рабочего колеса 8 расположенные над сливными каналами 4 его напорные центростремительные каналы 14 перекрыты на входе толстыми неподвижными верхними лопатками 5 направляющего аппарата 2.
При повороте рабочего колеса 8 на ширину его основной лопасти расположенные внизу сливные каналы 11 перекрываются на входе толстыми неподвижными нижними лопатками 3 направляющего аппарата 2 и открываются его расположенные выше напорные центростремительные каналы 14, после чего жидкость из напорных каналов 6 направляющего аппарата 2 попадает на лопасти 13 и 15 еще одной гидротурбинной ступени рабочего колеса 8, также приводя его во вращение, а затем проходит в центробежные насосные каналы 19, образованные лопастями 20.
В указанном положении рабочего колеса, когда внутри верхних напорных каналов 6 Н.А. открыты верхние напорные центростремительные каналы 14 Р.К. (см. фиг. 2, 3) установленный на валу 22 переключатель 32 замыкает электрическую цепь генератора 31 через полупроводник 34 и конденсатор 35 на расположенную в подводе 1 систему 27 изолированных электродов с высокой положительной напряженностью, организуя пробой через перекачиваемую жидкость на дополнительные металлические лопасти-ребра 15, соединенные с заземлением. Мгновенно выделяемая мощность искровых разрядов создает в зонах сжатия жидкости первый гидравлический удар, а в образованных при этом полостях разряжения при заполнении их жидкостью образуется еще один кавитационный гидравлический удар. Указанные удары в жидкости продвигают ее по центростремительным каналам рабочего колеса с напором в его центробежную ступень.
При дальнейшем повороте рабочего колеса (совпадают верхние лопатки 5 Н.А. с лопастями 13 Р.К., см. фиг. 2, 4) установленный на валу 22 переключатель 33 замыкает электрическую цепь генератора напряжения 31 через полупроводник 34 и конденсатор 36 на расположенную в верхних лопатках 5 Н.А. систему 28 изолированных электродов с высокой положительной напряженностью, организуя пробой через перекачиваемую жидкость на дополнительные металлические лопасти-ребра 17, расположенные в сужающихся каналах 16 лопастей 13 и соединенные с заземлением. За счет гидравлических ударов, образованных выделяемой мощностью искровых разрядов в жидкости, она с напором продвигается по центростремительным сужающимся каналам 16 на вход центробежной ступени рабочего колеса.
Зоны моментов переключения цепей систем положительных электродов 27 и 28 («мертвые» зоны) массивный ротор электрогидропульсора проходит без скачков момента вращения по инерции и под действием гидравлических сил на лопасти рабочего колеса.
Переключатели 32 и 33 цепей систем положительных электродов, расположенных в подводе 1 и в лопатках 5 Н.А., могут иметь различное количество контактов и обеспечивать при этом работу одновременно всей системы электродов 27 (аналогично и 28) или только отдельных электродов поочередно.
Непрерывное чередование гидравлических сил на лопасти рабочего колеса и напорное воздействие жидкости в каналах, образованных этими лопастями, за счет гидравлических ударов от искровых разрядов, обеспечивает усиленный вращающий момент на рабочем колесе и увеличивает напорность потока жидкости на входе в центробежную ступень, и, соответственно, повышает гидравлические параметры на выходе электрогидропульсора.
После центробежной насосной ступени рабочего колеса 8 жидкость попадает в спиральный напорный отвод 21 и затем в напорную трубу.
Рабочее колесо 8 установлено на валу 22, который вращается в антифрикционных радиальных опорах скольжения 23 и опирается пятой 24 на осевую опору 25, которые смазываются перекачиваемой жидкостью.
Слив жидкости из сливных каналов 11 рабочего колеса 8 происходит через отсасывающую трубу 26.
Таким образом, предлагаемая конструкция электрогидропульсора имеет практическую ценность и может создать технический и экономический эффект при внедрении возобновляемых гидравлических источников энергии, способствуя решению задач энергосбережения.