Научная статья на тему 'Электрогидродинамический двигатель'

Электрогидродинамический двигатель Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
315
51
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ДВИГАТЕЛЬ / ПОРШЕНЬ / ДАВЛЕНИЕ / ЭЛЕКТРОД / ENGINE / PISTON / PRESSURE / ELECTRODE / HYDRAULIC

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Соковиков Вячеслав Капитонович, Строков Павел Игоревич, Бекаев Андрей Анатольевич

Рассмотрен электрогидродинамический двигатель, для работы которого не требуется углеводородное топливо. Описана работа двигателя, основанная на электрическом разряде в незамерзающей жидкости, расположенной в надпоршневом объеме цилиндра. Приведены расчеты КПД двигателя, который может достигать 75 %.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Electrohydrodynamic engine

The article is dedicated to electrohydrodynamic engine working without hydrocarbon fuel. Engine work is based on the electric discharge in the nonfreezing liquid located under piston volume of the cylinder. The engine efficiency can reach 75 %.

Текст научной работы на тему «Электрогидродинамический двигатель»

Электрогидродинамический двигатель

В.К. Соковиков, профессор МАМИ, д.т.н., П.И. Строков, аспирант МАМИ, А.А. Бекаев, доцент МАМИ, к.т.н.

Рассмотрен электрогидродинамический двигатель, для работы которого не требуется углеводородное топливо. Описана работа двигателя, основанная на электрическом разряде в незамерзающей жидкости, расположенной в надпоршневом объеме цилиндра. Приведены расчеты КПД двигателя, который может достигать 75 %.

Ключевые слова: двигатель, поршень, давление, электрод.

Электрогидродинамический двигатель (ЭГДД), являясь альтернативой существующим двигателям (ДВС, электродвигатели и т.д.), устанавливаемым на различных транспортных средствах (ТС), обеспечивает необходимые эксплуатационные свойства согласно современным требованиям к ТС. При этом ЭГДД экологичен, не имеет отработавших газов, так как не сжигает топливо. Двигатель работает от электрической аккумуляторной батареи транспортного средства, которая подзаряжается как от внешнего источника электроэнергии, так и за счет рекуперации энергии торможения автомобиля.

В рабочей камере цилиндров двигателя можно производить разряды напряжением до 80 кВ и частотой до 100 Гц, что обеспечивает высокие давление в рабочей камере цилиндров и скорость перемещения рабочего органа (поршень). Двигатель может достигать практически любых заданных значений крутящего момента и частоты вращения, ограниченных лишь конструктивными особенностями двигателя или транспортного средства. Он имеет простую конструкцию, малые массу и габариты, низкий уровень шума при работе (по сравнению с электродвигателями), а также низкую стоимость изготовления, высокие ремонтопригодность и надежность.

Принцип работы ЭГДД основан на электрогидродинамическом эффекте преобразования энергии высоковольтного разряда в жидкой среде в полезную работу выходного звена машины. Основой создания экономичных и экологичных двигателей, альтернативных ДВС и прочим двигателям, стали следующие требования:

• экологическая чистота (источник энергии - аккумуляторная батарея);

• простота конструкции и низкий уровень шума при работе;

• синтетическая с антикоррозионными и смазывающими свойствами и наибольшей удельной электропроводностью рабочая жидкость (РЖ);

• низкая стоимость изготовления и эксплуатации по сравнению с ДВС;

• меньшие масса и объем двигателя по сравнению с аналогами (электродвигатели);

• большие момент и частота вращения у роторного ЭГДД по сравнению с поршневым ЭГДД.

В поршневом ЭГДД (пат. 2278297 РФ) высоковольтный электрический разряд создает в замкнутом объеме РЖ гидравлическую ударную волну, преобразуемую в механическую работу коленчатого вала 7 (рис. 1). В двигателе не сжигается углеводородное топливо, а простая и экономичная конструкция обеспечивает автоматический режим установки, стабилизации и регулирования параметров работы. ЭГДД содержит микроконтроллер (блок управления) 7, электрическую систему питания 6, силовые цилиндры 2 с поршнями 8, рабочей жидкостью и одной парой электродов 3 и 4 (как минимум).

Оптимальным подбором плотности и электропроводности РЖ, интервала электроразряда обеспечивается создание экономичного и надежного в работе двигателя. В качестве РЖ могут быть использованы различные

I ..ifffflrmnTr,.-. Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (33), май 2013 г.

жидкости с оптимальной плотностью и электропроводностью, а также антикоррозионными и смазывающими свойствами. Для поддержания объема РЖ в заданных пределах двигатель снабжен компенсационной гидросистемой 5, к которой через управляющий блок 7 подключены силовые цилиндры 2.

Для обеспечения стабильности параметров работы, установленных заданным алгоритмом, и их изменения при смене режима работы система питания 6, компенсационная гидросистема 5, силовые цилиндры 2 подключены по цепи управления к управляющему блоку 7, контролирующему температуру, давление в рабочей камере цилиндра, частоту вращения и крутящий момент коленчатого вала 7.

По сравнению с электрическим двигателем ЭГДД имеет меньшие массу и объем и при этом значительно дешевле в производстве. Проведем оценку основных характеристик электрогидродинамического двигателя.

ЭГДД включает два основных элемента - электронный блок управления 7 с выходом в виде электродов 3 и 4 и блок цилиндров двигателя, выходом которого является коленчатый вал 7 двигателя. Работа электронного блока управления зависит от величины и сочетания индуктивности цепи разряда I и емкости конденсаторов С, которые оказывают существенное влияние на давление между электродами и в нижней мертвой точке. Важным элементом блока цилиндров двигателя являются электроды, конструкция которых определяет продолжительность и величину разряда, а также возможность настройки оптимального зазора между ними (рис. 2) [2].

Электродами могут быть:

• отрицательно заряженный стержень (острый электрод) и положительно заряженная плоскость (кривая 7);

• положительно заряженный стержень (острый электрод) и отрицательно заряженная плоскость (кривая 2);

• два стержня с разными зарядами (кривая 3).

Для работы двигателя наиболее целесообразен второй случай, когда стержень положительно заряжен и отрицательно заряженная плоскость соединена с корпусом цилиндра и транспортного средства.

На активном сопротивлении канала разряда Ra развивается предельно возможная мощность при значении сопротивления электрической цепи

2 \С

Удельная крутизна этой мощности, передаваемой между электродами в жидкость, определяется по уравнению [2]

= 3,4 ■ 107 ипртс-тЬ~ш,

где ипр - напряжение пробоя между зазорами электродов (задается по данным рис. 2).

От параметров, представленных в уравнении, зависит оптимальная длина промежутка между электродами 10ш = 8"109 Uvp312 (C/L)]'4.

Зависимость удельной крутизны электрической мощности dNmax/dt, передаваемой между электродами, и оптимальной длины промежутка /опт от напряжения пробоя ипр при C = 0,25-10-6 Ф и L = 2,2^10-3 Гн представлена ниже.

U , кВ................................................20 40 50 60

пр

dNmax/dt, (1010) кВт/(с-м).................2 3,06 3,3 3,7

/ ,aX0-3) м......................................2,24 6,4 8,9 11,75

опт' V ' lili

Из расчетов следует, что чем выше напряжение пробоя, тем больше удельная крутизна электрической мощности и оптимальная длина промежутка между электродами. Для напряжения пробоя ипр = 20...40 кВ оптимальный зазор между электродами изменяется от 2,24-10-3 до 6,4-10-3 м , то есть зазоры достаточно большие и легко регулируются.

Давление в канале разряда, обусловленное испарением жидкости, зависит от удельной крутизны электрической мощности и определяется по формуле _ 0,45(dNmJdtf3 '

Рр 4,3 + 3,9-10-'(dN^/dt)116 '

Приведенные формулы показывают, что удельная крутизна электрической мощности dNmax/dt, оптимальная длина промежутка между электродами /опт и давление в канале разряда рр зависят от емкости конденсатора C и индуктивности цепи разряда L электронного блока питания. Изменяя эти параметры, можно добиться увеличения, прежде всего, удельной крутизны электрической мощности dNmax/dt и остальных параметров двигателя. Уменьшение индуктивности L от 2,2-10-3 до 0,02-10-3 Гн приводит к увеличению давления рр от 62 до 130 МПа (рис. 3а). Аналогично влияние и емкости C. При уменьшении емкости C c 0,5^10-6 до 0,0М0-6 Ф давление рр возрастает до 62 МПа (рис. 36). Следовательно для увеличения давления рр целесообразно уменьшение индуктивности L и емкости конденсатора C. Однако влияние этих параметров на давление рр

различно, поэтому целесообразно рассмотреть изменение давления рр в канале разряда в функции С/1 (рис. 4).

Анализ показывает, что целесообразно уменьшать индуктивность при сохранении электроемкости С. Вместе с тем существенное уменьшение индуктивности (см. рис. 3) приводит к значительному росту давления рр в канале разряда.

При электрическом разряде между электродами в канале разряда в процессе испарения жидкости происходят потери энергии, которые оцениваются акустическим КПД па. При дальнейшем движении парожидкостной смеси в цилиндре возникают гидравлические потери, рассматриваемые в виде гидравлического КПД пг. Оценим их значения.

Акустический КПД определяет долю выделившейся электрической энергии в канал разряда, переходящей в энергию пробоя между электродами и испарения жидкости. По данным [3], в больших объемах камеры максимальное значение г|а составляет 0,36. Однако некоторые конструктивные изменения разрядной камеры [4] могут повысить его до 0,6 и более. Приведенные значения акустического КПД характерны для больших объемов и значительных (I > 30 см) расстояний между электродами.

р р

МПа

130

110

90

70

50

0,5

1,5

2

Ц 10"3 Гн

Рр. МПа

60

40

20

0,1

0,2

0,3

0,4 0,5

С, 10"6®

Рис. 3. Зависимость давления в канале разряда от индуктивности цепи разряда (а) и от емкости конденсатора (б) при и =40 кВ, С=0,01-10-6 Ф

а

б

рV 140 МПа

120 -

100

80-

/ /

/ /

/

0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2

СЛ., Ю-3 Ф/Гн

Рис. 4. Зависимость давления в канале разряда от отношения емкости конденсатора С к индуктивности канала разряда 1 - получена в результате увеличения емкости С; 2 - получена в результате уменьшения индуктивности ¿.

В рабочих камерах с незначительными объемами цилиндров двигателя при ограниченных расстояниях между электродами преобладает лидерный или тепловой режим разрядов, и практически вся электрическая энергия преобразуется в энергию пробоя. Различие между режимами пробоя заключается в том, что при лидерном преобладает энергия движения парожидкостной смеси (больше 50 %) над энергией ударной волны. Такой пробой наиболее целесообразен, так как перемещение поршня цилиндра двигателя в основном происходит за счет движения парожидкостной смеси, а ударная волна создает дополнительные нагрузки на механические элементы двигателя. Тепловой режим пробоя возникает при сравнительно низких напря-женностях поля, не превышающих 36 кВ/см (для воды), при этом пробой межэлектродного промежутка происходит по газовому мостику, образующемуся в результате разогрева и испарения жидкости током проводимости.

При использовании в качестве рабочей жидкости воды граница, разделяющая лидерный и тепловой режимы пробоя, может быть оценена по эмпирической зависимости [5], где переменной является длина зазора I между электродами

1= 60 и^Мс.

Ограниченность объема рабочих камер цилиндров двигателя оказывает также существенное влияние на развитие плазменного канала между электродами при высоковольтном электрическом пробое жидкости. Металлический экран в виде стенок цилиндра стабилизирует плазменный канал разряда при лидерном или тепловом режимах пробоя вследствие образования

НИ ЙЯЯВВР л Ф® вя# ¿¡^¿^ ЩИ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (33), май 2013 г.

индуцированного соленоидального магнитного поля. Если в больших объемах жидкости электрический пробой водного промежутка при напряженности электрического поля не более 3,5 кВ/см маловероятен, то в условиях сильно стесненного пространства тепловой режим пробоя при столь низкой напряженности поля достаточно надежно воспроизводится.

Вместе с тем незначительный объем жидкости в цилиндрах двигателя при сравнительно большом выделении энергии обусловливает рост температуры жидкости и статического давления внутри цилиндра. Следовательно существуют оптимальные условия, при которых происходит электрический разряд с максимально полным выделением энергии разряда в жидкость, а значит с максимальным акустическим КПД. Оптимальные условия разряда зависят от объема рабочих камер цилиндра, гидростатического давления, продолжительности движения парожидкостной смеси, скорости звука при прохождении его в парожидкостной смеси, энергии разряда, периода выделения энергии в канал разряда, длины зазора между электродами и т.д. Определение оптимальных условий, при которых происходят максимальное выделение электрической энергии в жидкость с минимальными ее потерями при движении парожидкостной смеси и получение максимальных гидравлического и акустического КПД, является сложной гидродинамической задачей.

Стабилизирующее влияние стенок цилиндра двигателя на электрический разряд обусловливает надежное воспроизведение лидерного режима разряда, при котором, по экспериментальным данным [5], в канале разряда может выделиться более 85 % энергии, подведенной к электродам, то есть па >0,85.

При дальнейшем движении парожидкостной смеси в результате трения между ее слоями происходит снижение давления. Поэтому уменьшение трения должно привести к росту фактического давления рф , действующего на поршень цилиндра, и гидравлического КПД двигателя. Трение между слоями жидкости может быть уменьшено в результате использования жидкости DOW Corninq 200 вместо воды или в сочетании с водой. Эта жидкость имеет вязкость в два раза меньшую, чем вода. Температурный диапазон ее применения -40...200 °С. Аналогично использование силиконовой (кремнеорга-ническая) жидкости полиметилсилоксана (ПМС) с вязкостью 0,65-10-6 м2/с. Она также имеет широкий температурный диапазон.

Хороший эффект дает применение в качестве рабочей жидкости минеральных масел. Так, авторами [4] было получено увеличение гидравлического КПД более чем в два раза при использовании минеральных масел по сравнению с гидравлическим КПД при использовании воды и удалении разряда от канала на Ш0-2 м (таблица).

Жидкость л ■г max

Антифриз 0,25

Вода 0,35...0,4

Машинное масло 0,5...0,6

Трансформаторное масло 0,7.0,8

Трансформаторное масло имеет наибольший гидравлический КПД, равный 0,7...0,8, что в два раза больше гидравлического КПД воды.

Максимальный гидравлический КПД был получен в зоне предельного лидерного разряда, а с увеличением его относительной длительности - в зоне предельного теплового разряда. При этом наибольше значение КПД [8] достигается при следующих значениях параметров:

Х1=10; Х2=1,3;Х3 =0,0358 ^.

Здесь

V- ^о . V - а0Х ■ V - I

М- —77, Л2 -тт= , лз - =,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Р0У 3Л/у Цу

где Е0 - энергия разряда; р0 - гидростатическое давление; V - объем рабочей камеры цилиндра двигателя;

а - скорость звука в парожидкостной смеси; т ^

Ж.

а„

про-

должительность гидродинамического процесса; I - зазор между электродами.

Экспериментальные исследования [5], проведенные авторами в широком диапазоне значений емкости электрической цепи (6.100 мкФ), объема рабочей камеры (130.1600 см3), напряжения пробоя (2.20 кВ), зазора между электродами (1.20 мм) с пятикратным воспроизведением опытной точки, показали, что в малых объемах гидравлический КПД может достигать в воде пг^0,7.0,8 при зазоре между электродами 1=4,5.7 мм. Отсюда следует, что для использования в двигателях можно подобрать такую жидкость с соответствующими присадками, при которой был бы минимальный коэффициент трения между слоями и достаточно высокий гидравлический Пг=0,9.0,95. Следует учитывать, что максимальные гидравлический и акустический КПД могут быть получены при соответствующих значениях емкости конденсатора и индуктивности цепи разряда электронного блока питания, а также при нормальных гидростатическом давлении и температуре жидкости. Увеличение гидростатического давления при прочих равных условиях согласно параметру Х1 эквивалентно уменьшению энергии Е0, то есть приводит к снижению гидравлического КПД. Увеличение температуры парожидкостной смеси и жидкости в районе нижней мертвой точки перемещения поршня также приводит к уменьшению гидравлического КПД. Чем ниже температура жидкости, тем выше технические показатели электрогидродинамического двигателя.

Теоретическое определение основных параметров электрогидродинамического двигателя при электрическом разряде между электродами может быть получено [5] из решения системы дифференциальных уравнений.

1. Уравнение для определения выделяемой энергии разряда, соответствующей заданному закону [5]

E = Eq tlx, где t - время.

2. Уравнения гидродинамики сжимаемой жидкости:

• уравнение скорости движения

dx/dt = —(1/р0 )(R/r)dpp/dr;

• уравнение связи перемещения частиц парожидкос-тной смеси со скоростью

u=dR/dt;

• уравнение неразрывности парожидкостной смеси Э(рД)"1

Э t

= 0.

Здесь х - перемещение поршня; р0 - плотность жидкости в невозмущенной среде; К - эйлерова пространственная координата; г - лагранжева пространственная координата; р - плотность парожидкостной смеси в данном месте поля; Д - плотность кольцевой ячейки лагранжевой сетки.

3. Уравнение состояния парожидкостной смеси (уравнение Тэта)[7]

Рр =Ро + В [(р/ро)" -1], где В = 304,7 МПа (константа) [7]; п = 7,15.

Условие сохранения энергии, вводимой в канал разряда, на границе раздела жидкости и газовой полости ЕВ+А = Е.

Здесь Ев - внутренняя энергия газовой полости при испарении жидкости; А - работа, совершаемая парожидкостной смесью; Е - энергия, выделяемая в канал разряда.

Ев = РрУ0 (у-1), где V0 - объем жидкости между электродами; у=1,26 - показатель адиабаты газа в канале разряда.

где Vk - объем рабочей камеры цилиндра двигателя; рф -фактическое давление в парожидкостной смеси в данном месте поля.

Внешнее граничное условие движения поршня гидроцилиндра двигателя

¿2ДпМ2 = рф/(рс*),

где Кп - радиус поршня; рс - плотность парожидкостной смеси у поршня в нижней мертвой точке.

Начальные условия для решения вышеописанной системы дифференциальных уравнений имеют вид: t = 0; К = г; Эг/Эг = 0.

Точное решение данной системы уравнений представляет определенную сложность. Поэтому для ее решения следует использовать численный конечно-разностный метод с использованием разностной схемы второго

порядка точности. Неявные граничные условия могут быть получены итерационным методом Ньютона-Рафсона.

Таким образом, были установлены следующие параметры, характеризующие экономические показатели электрогидродинамического двигателя: гидравлический КПД двигателя Г|г =0,9...0,95; акустический КПД па ^0,85. При Пг = 0,92, па = 0,92 с учетом механического КПД двигателя при движении поршня и КПД вспомогательных устройств общий КПД двигателя может достигать п=0,72...0,75.

Полученный КПД электрогидродинамического двигателя существенно выше КПД двигателя внутреннего сгорания и может с ним конкурировать на транспортных средствах. Электрогидродинамический двигатель, используемый совместно с ДВС (гибридный двигатель), может широко применяться в транспортных средствах в городских и полевых условиях. Он является экологически чистым, поэтому его эксплуатация предпочтительнее, чем ДВС. Дальнейшие работы по электрогидродинамическому двигателю должны еще больше повысить его экономические показатели и технические возможности.

Литература

1. Беспрецизионный электрогидродинамический ТНВД / В.К. Соковиков, Л.Х. Арустамов, В.П. Хортов и др. // Автомобильная промышленность. - 2005. - № 3. - С. 21-24.

2. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. - Л.: Машиностроение, 1986. - 253 с.

3. Ракошиц Г. С. Электроимпульсная штамповка: учеб. пособие для училищ. - М.: Высшая школа, 1984. - 192 с.

4. Соковиков В.К., Строков П.И. и др. Поршневой электрогидравлический двигатель. Патент на изобретение № 2278297, бюл. № 17 от 20.06.2006.

5. Электротехнический справочник под общей редакцией проф. В.Г. Герасимова, П.Г. Грудинского и др. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 616 с.

6. Оборудование и технологические процессы с использованием электрогидравлического эффекта / Г.А. Голый, П.П. Малышевский, Е.В. Кривицкий и др. - М.: Машиностроение, 1977. - 320 с.

7. Об оценке полного гидродинамического КПД электрического разряда в воде / Г.Н. Гаврилов, А.Г. Рябинин, Г.А. Рябинин и др. // Журнал технической физики. - 1977. - Т. 47, вып. 7. - С. 1506-1509.

8. Гидропластическая обработка металлов / Богоявленский К.Н., Вагин В.А., Кобышев А.Н. и др. - Л.: Машиностроение, 1988. - 256 с.

9. Григорьев С.Н., Смоленцев Е.В., Волосова М.А. Технология обработки концентрированными потоками энергии: учеб. пособие для вузов. - Старый Оскол: ТНТ, 2009. - 280 с.

I ..ifffflrmriTr,.-. Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (33), май 2013 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.