RU2807519C1

RU2807519C1 - Device for generating electric charges into atmosphere

Info

Publication number: RU2807519C1
Application number: RU2023112831A
Authority: RU
Inventors: Александра Валерьевна Алексеева; Алексей Сергеевич Васильев; Марина Дмитриевна Зинкина; Владимир Николаевич Иванов; Алексей Алексеевич Палей; Юрий Владимирович Писанко; Анатолий Викторович Савченко
Filing date: 2023-05-18
Publication date: 2023-11-15

Abstract

FIELD: meteorology.

SUBSTANCE: technique intended to influence the atmosphere in order to modify weather conditions in a controlled area by generating electrical charges generated by a corona discharge into the atmosphere. The device contains an earthed collector electrodes, made in the form of a cylindrical surface, inside which a corona discharge electrode electrically connected to the power source is installed coaxially, electrically insulated. The corona electrode is made in the form of a set of cylindrical thin-walled bushings with pointed protrusions, mounted with the possibility of rotation on the supporting axis, with their tip facing the collector electrode. The pointed protrusions are made in the form of bent outward parts of the bushings, cut from the end at an angle to the generatrix of the cylindrical surface.

EFFECT: simplifying the design of the device for generating electrical charges into the atmosphere.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области техники, предназначенной для воздействия на атмосферу с целью модификации погодных условий на контролируемой территории путем генерации в атмосферу электрических зарядов, генерируемых коронным разрядом.The invention relates to the field of technology intended to influence the atmosphere in order to modify weather conditions in a controlled area by generating electrical charges generated by a corona discharge into the atmosphere.

В литературе (см. Л.Г. Качурин " Физические основы воздействия на атмосферные образования", Гидрометеоиздат, Ленинград, 1978 г. стр. 287-293) описан способ генерации электрических зарядов, генерируемых коронирующими проводами, электрически изолированно установленными с зазором относительно поверхности земли. Реализация данного способа предполагает наличие благоприятных условий, при которых направленное движение естественных воздушных потоков, обдувающих коронирующие провода, направлены в сторону предполагаемого воздействия.The literature (see L.G. Kachurin “Physical basis of the impact on atmospheric formations”, Gidrometeoizdat, Leningrad, 1978, pp. 287-293) describes a method for generating electric charges generated by corona wires, electrically insulatedly installed with a gap relative to the ground surface . The implementation of this method assumes the presence of favorable conditions under which the directional movement of natural air flows blowing the corona wires is directed in the direction of the intended impact.

Данный недостаток известного способа учтен в авторском свидетельстве СССР №29675, МПК A01G 15/00, опубликованном в 1948 г., в котором генерируемые коронным разрядом электрические заряды, выносятся в атмосферу воздушным потоком вентилятора.This drawback of the known method is taken into account in the USSR author's certificate No. 29675, IPC A01G 15/00, published in 1948, in which the electrical charges generated by the corona discharge are carried into the atmosphere by the air flow of the fan.

В описанных выше источниках информации генерация коронного разряда осуществляется путем подачи высокого напряжения на тонкий электрический провод, смонтированный электрически изолированно относительно заземленной поверхности. Вместе с тем, в последнее время более широкое распространение получили игольчатые коронирующие электроды, интенсивный разряд в которых обеспечивается выштампованными в элементах иглами. Установлено, что игольчатые электроды позволяют существенно увеличить токи коронного разряда по сравнению с проволочными электродами (https://studref.com/628573/ekologiya/koroniruyuschie_elektrody). Вместе с тем, техническая реализация устройств генерирующих коронный разряд с коронирующими электродами, выполненными в виде лент с инициаторами коронного разряда требует обеспечения высокой точности зазора между каждой иглой ленты относительно заземленной поверхности.In the information sources described above, the generation of a corona discharge is carried out by applying a high voltage to a thin electrical wire mounted electrically insulated relative to a grounded surface. At the same time, needle corona electrodes have recently become more widespread, the intense discharge in which is provided by needles stamped into the elements. It has been established that needle electrodes can significantly increase corona discharge currents compared to wire electrodes (https://studref.com/628573/ekologiya/koroniruyuschie_elektrody). At the same time, the technical implementation of devices generating corona discharge with corona electrodes made in the form of tapes with corona discharge initiators requires ensuring high accuracy of the gap between each needle of the tape relative to the grounded surface.

В патенте на коронирующий электрод RU 2 713 269 С1 представлена техническая реализация устройства, генерирующего коронный разряд, в котором заземленная поверхность выполнена в виде трубы, а коронирующие электроды выполнены в виде набора звездочек, смонтированных на опорной оси, которая установлена соосно с осью заземленной трубы. Данное техническое решение позволяет более рационально учитывать геометрию межэлектродного пространства и увеличить эффективность использования внутреннего пространства. Вместе с тем, в данном техническом решении пространство между иглами каждой из звездочек не задействовано в генерации коронного разряда, что снижает интенсивность генерации коронного разряда внутри всего объема данного устройства и, соответственно снижает возможность повышения эффективности генерируемого электрического заряда.The patent for corona electrode RU 2 713 269 C1 presents a technical implementation of a device that generates a corona discharge, in which the grounded surface is made in the form of a pipe, and the corona electrodes are made in the form of a set of stars mounted on a support axis, which is installed coaxially with the axis of the grounded pipe. This technical solution makes it possible to more rationally take into account the geometry of the interelectrode space and increase the efficiency of using the internal space. At the same time, in this technical solution, the space between the needles of each sprocket is not involved in the generation of corona discharge, which reduces the intensity of corona discharge generation within the entire volume of this device and, accordingly, reduces the possibility of increasing the efficiency of the generated electric charge.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство, описание которого изложено в патенте №2706612 Ru.The closest technical solution to the proposed one is the device described in patent No. 2706612 Ru.

Известное устройство содержит систему генерации коронного разряда, включающую заземленный электрод, выполненный в виде цилиндрической поверхности, внутри которой коаксиально, электрически изолированно установлен электрически соединенный с источником питания коронирующий электрод, выполненный в виде установленных с возможностью вращения на опорной оси набора звездочек с заостренными выступами. В конструкции устройства предусмотрены отверстия для прохождения через него воздушного потока, который, проходя через область генерации коронного разряда, электрически заряжается и выносит в атмосферу генерируемый коронным разрядом электрический заряд. В данном техническом решении за счет вращения набора звездочек для генерации коронного разряда используется практически весь объем внутри заземленного цилиндрического электрода. Повышается плотность электрических зарядов внутри заземленного цилиндрического электрода и, соответственно, повышается эффективность генерации электрического заряда в проходящий через данное устройство воздушный поток. Вместе с тем, в данном устройстве для вращения набора звездочек необходимо использование специального привода, что усложняет конструкцию устройства.The known device contains a system for generating a corona discharge, including a grounded electrode made in the form of a cylindrical surface, inside of which a corona electrode electrically connected to the power source is installed coaxially, electrically insulated, made in the form of a set of sprockets with pointed protrusions installed with the possibility of rotation on the reference axis. The design of the device provides openings for the passage of air flow through it, which, passing through the area where the corona discharge is generated, is electrically charged and carries the electrical charge generated by the corona discharge into the atmosphere. In this technical solution, by rotating a set of stars, almost the entire volume inside a grounded cylindrical electrode is used to generate a corona discharge. The density of electric charges inside the grounded cylindrical electrode increases and, accordingly, the efficiency of generating an electric charge into the air flow passing through this device increases. However, in this device, to rotate a set of sprockets, it is necessary to use a special drive, which complicates the design of the device.

Целью изобретения является упрощение конструкции устройства генерации электрических зарядов в атмосферу.The purpose of the invention is to simplify the design of a device for generating electrical charges into the atmosphere.

Для достижения заявленной цели, в известном устройстве заряжания проходящего через него воздушного потока электрическим зарядом, содержащем заземленный осадительный электрод, выполненный в виде цилиндрической поверхности, внутри которой коаксиально, электрически изолированно установлен электрически соединенный с источником питания коронирующий электрод, выполненный в виде установленных с возможностью вращения на опорной оси набора цилиндрических тонкостенных втулок с заостренными выступами, обращенными своим острием к заземленному электроду заостренные выступы выполнены в виде отогнутых наружу надрезанных с торца под углом к образующей цилиндрической поверхности частей втулок.To achieve the stated goal, in a known device for charging the air flow passing through it with an electric charge, containing a grounded collecting electrode, made in the form of a cylindrical surface, inside of which a corona electrode is installed coaxially, electrically insulated, electrically connected to the power source, made in the form of mounted rotatable on the supporting axis of a set of cylindrical thin-walled bushings with pointed protrusions, their tip facing the grounded electrode, the pointed protrusions are made in the form of bent outward parts of the bushings, cut from the end at an angle to the generatrix of the cylindrical surface.

Технический результат достигается за счет того, что заостренные выступы коронирующего электрода в предлагаемом техническом решении выполнены в виде лопаток вентилятора. Обтекающий заостренные выступы воздушный поток своим аэродинамическим воздействием вынуждает вращаться набор цилиндрических тонкостенных втулок на опорной оси. Не требуется использование специального привода. Упрощается конструкция коронирующего электрода, да и всего устройства в целом.The technical result is achieved due to the fact that the pointed protrusions of the corona electrode in the proposed technical solution are made in the form of fan blades. The air flow flowing around the pointed protrusions with its aerodynamic effect forces a set of cylindrical thin-walled bushings on the supporting axis to rotate. No special drive required. The design of the corona electrode, and the entire device as a whole, is simplified.

На рис. 1 представлена условная схема предлагаемого устройства генерации электрических зарядов в атмосферу. На рис. 2 представлен рисунок цилиндрических тонкостенных втулок с заостренными выступами. Устройство содержит электрически соединенную с контуром заземления высоковольтного источника питания 1 цилиндрическую обечайку 2, выполненную из электропроводного материала, в переднем и заднем торце которой закреплены передний 3 и задний 4 фланцы, выполненные из диэлектрического материала. В переднем 3 и заднем 4 фланцах выполнены отверстия для прохождения воздушного потока 5 и опоры 6 и для установки опорной оси 7 коронирующего электрода, который выполнен в виде установленных с возможностью вращения относительно нее набора цилиндрических тонкостенных втулок 8.In Fig. Figure 1 shows a schematic diagram of the proposed device for generating electrical charges into the atmosphere. In Fig. Figure 2 shows a drawing of cylindrical thin-walled bushings with pointed protrusions. The device contains a cylindrical shell 2 electrically connected to the grounding circuit of the high-voltage power source 1, made of electrically conductive material, in the front and rear ends of which front 3 and rear 4 flanges made of dielectric material are fixed. In the front 3 and rear 4 flanges there are holes for the passage of the air flow 5 and the support 6 and for installing the supporting axis 7 of the corona electrode, which is made in the form of a set of cylindrical thin-walled bushings 8 installed with the possibility of rotation relative to it.

Для обеспечения возможности вращения цилиндрических тонкостенных втулок 8 относительно опорной оси 7 между ними могут быть установлены выполненные из антифрикционного электропроводного материала (например, металлофторопласта) подшипники скольжения 9. Заостренные выступы 10 цилиндрических тонкостенных втулок 8 выполнены в виде отогнутых наружу относительно прямой линии 11 частей втулки, содержащихся между ее торцом 12 и линией надреза 13, выполненного под углом α к образующей цилиндрической поверхности втулки линии 14. Прямые линии 11, относительно которых отогнуты наружу надрезанные части втулки, проходят по поверхности втулки от концевой точки линии надреза 13 к торцу втулки под углом β к образующей цилиндрической поверхности втулки линии 14. Высоковольтный кабель 15 высоковольтного источника питания 1 через опорную ось 7 соединен с коронирующим электродом, выполненным в виде установленных с возможностью вращения на опорной оси 7 набора цилиндрических тонкостенных втулок 8 с заостренными выступами 10. Роль системы изоляции высоковольтного электрического питания заостренных выступов 10 от контура заземления выполняют передний 3 и задний 4 фланцы, выполненные из диэлектрического материала. При недостаточной изоляционной стойкости диэлектрических фланцев, в конструктивной схеме устройства могут быть предусмотрены дополнительные конструктивные меры электрической изоляции заостренных выступов 10 от заземленной цилиндрической обечайки 2. Например, опорная ось 7 может быть выполнена также из электроизоляционного материала. В этом случае подвод высоковольтного кабеля высоковольтного источника питания 1 должен осуществляться непосредственно к каждой цилиндрической тонкостенной втулке 8. При необходимости снижения вероятности образования электрического пробоя между заостренными выступами и заземленной цилиндрической обечайкой 2 подвод кабеля к каждой цилиндрической тонкостенной втулке 8 может быть осуществлен через дополнительное сопротивление (на рисунках не показано).To enable rotation of the cylindrical thin-walled bushings 8 relative to the supporting axis 7, sliding bearings 9 made of anti-friction electrically conductive material (for example, metal fluoroplastic) can be installed between them. The pointed protrusions 10 of the cylindrical thin-walled bushings 8 are made in the form of bushing parts 11 bent outward relative to a straight line, contained between its end 12 and the cut line 13, made at an angle α to the generatrix of the cylindrical surface of the line 14 sleeve. Straight lines 11, relative to which the cut parts of the sleeve are bent outward, pass along the surface of the sleeve from the end point of the cut line 13 to the end of the sleeve at an angle β to the generatrix of the cylindrical surface of the line bushing 14. The high-voltage cable 15 of the high-voltage power source 1 is connected through the support axis 7 to a corona electrode made in the form of a set of cylindrical thin-walled bushings 8 with pointed protrusions 10 installed with the possibility of rotation on the support axis 7. The role of the high-voltage electrical insulation system The pointed protrusions 10 are powered from the ground loop by front 3 and rear 4 flanges made of dielectric material. If the insulation resistance of the dielectric flanges is insufficient, the design of the device may provide additional structural measures for the electrical insulation of the pointed protrusions 10 from the grounded cylindrical shell 2. For example, the support axis 7 can also be made of electrical insulating material. In this case, the supply of the high-voltage cable of the high-voltage power source 1 must be carried out directly to each cylindrical thin-walled sleeve 8. If it is necessary to reduce the likelihood of an electrical breakdown between the pointed protrusions and the grounded cylindrical shell 2, the cable supply to each cylindrical thin-walled sleeve 8 can be carried out through an additional resistance ( not shown in the figures).

Генерация электрического заряда в атмосферу предлагаемым устройством происходит следующим образом. Устройство генерации электрического заряда устанавливается на летательный аппарат вдоль оси его движения таким образом, чтобы струя набегающего воздушного потока свободно проходила через внутренний его объем. Наиболее предпочтительное место положения установки устройства на аппарате в области прохождения струи его тягового винта. Набегающий воздушный поток через выполненные в переднем фланце 3 отверстия 5 входит вовнутрь устройства и динамическим напором набегающего потока выталкивается из устройства через выполненные в заднем фланце 4 отверстия 5. Таким образом, формируется струя проходящего воздушного потока через внутренний объем устройства. При использовании предлагаемого устройства в стационарных условиях, необходимо доукомплектовать данное устройство вентилятором. Вентилятор должен также обеспечивать прохождение воздушного потока через внутренний объем предлагаемого устройства. Включается высоковольтный источник питания 1. На коронирующие элементы, выполненные в виде заостренных выступов 10 цилиндрических тонкостенных втулок 8, подается высокое напряжение. В пространства между заостренными выступами 10 цилиндрических тонкостенных втулок 8 и соединенной с контуром заземления цилиндрической обечайкой 2 формируется неоднородное электрическое поле, и зажигается коронный разряд. Значение напряжения высоковольтного источника питания 1 выбирают исходя из условий изоляционной стойкости системы изоляции заостренных выступов 10 относительно заземленного контура и геометрических соотношений между заостренными выступами 10 и поверхностью заземленной цилиндрической обечайки 2, руководствуясь известными соотношениями для коронного разряда, (см., например Н.А. Капцов. Электроника. Государственное издательство технико-технической литературы. Москва. 1956 г.).The generation of electric charge into the atmosphere by the proposed device occurs as follows. The device for generating an electric charge is installed on the aircraft along the axis of its movement in such a way that the incoming air flow freely passes through its internal volume. The most preferred location for installing the device on the device is in the area where the jet of its traction screw passes. The incoming air flow through the holes 5 made in the front flange 3 enters the inside of the device and is pushed out of the device by the dynamic pressure of the incoming flow through the holes 5 made in the rear flange 4. Thus, a stream of passing air flow is formed through the internal volume of the device. When using the proposed device in stationary conditions, it is necessary to equip this device with a fan. The fan must also ensure the passage of air flow through the internal volume of the proposed device. The high-voltage power source 1 is turned on. High voltage is supplied to the corona elements, made in the form of pointed protrusions 10 cylindrical thin-walled bushings 8. In the space between the pointed protrusions of 10 cylindrical thin-walled bushings 8 and the cylindrical shell 2 connected to the ground loop, a non-uniform electric field is formed, and a corona discharge is ignited. The voltage value of the high-voltage power source 1 is selected based on the conditions of the insulation resistance of the insulation system of the pointed protrusions 10 relative to the grounded circuit and the geometric relationships between the pointed protrusions 10 and the surface of the grounded cylindrical shell 2, guided by the known relationships for corona discharge (see, for example, N.A. Kaptsov, Electronics, State Publishing House of Technical Literature, Moscow, 1956).

При генерации коронного разряда в пространстве между заостренными выступами 10 и поверхностью заземленной цилиндрической обечайки 2 формируется объемный электрический заряд из ионов, движущихся от заостренных выступов 10 к заземленной цилиндрической обечайке 2. Воздушный поток с содержащимися в нем аэрозольными частицами через передний торец входит вовнутрь предлагаемого устройства генерации электрического заряда и движется вдоль ее оси. Под действием проходящего воздушного потока на заостренные выступы 10, набор цилиндрических тонкостенных втулок 8 вращается относительно опорной оси 7. Электрический заряд из ионов, движущихся от заостренных выступов 10 к заземленной цилиндрической обечайке 2, формируется во всем объеме поперечного сечения цилиндрического сечения между заостренными выступами 10 и внутренней поверхности цилиндрической обечайки 2. Ионы, движущиеся от заостренных выступов 10 к поверхности заземленной цилиндрической обечайки 2, сталкиваются на своем пути с содержащимися в воздухе молекулами воздуха и аэрозольными частицами. Так как в области генерации коронного разряда численная концентрация ионов достигает значений порядка 10⁸-10⁹ 1/см³, то за короткое время ~0,01 сек., практически все аэрозольные частицы, и значительная часть молекул воздуха успевают получить практически максимально возможный электрический заряд (~90% от максимально возможного значения). Получившие электрический заряд молекулы воздуха превращаются в так называемые тяжелые ионы, которые по своим характеристикам значительно отличаются от легких ионов. Молекулы воздуха и аэрозольные частицы в области коронного разряда электрически заряжаются и превращаются в электрически заряженные частицы. Как известно, скорость движения электрически заряженных частиц и ионов под действием электрического поля существенно зависит от массы частиц. Чем больше масса, тем меньше скорость передвижения частиц и ионов. Коэффициентом пропорциональности между скоростью электрически заряженной частицы и значением действующего на нее электрического поля определяется подвижностью. Разница в подвижности между легкими и тяжелыми ионами составляет четыре порядка За время, в течение которого электрически заряженные аэрозольные частицы и значительная часть тяжелых ионов движутся внутри предлагаемого устройства, действующие на них силы электрического поля не успевают отклонить их от линий тока воздушного потока до такой степени, чтобы они подошли к поверхности заземленной цилиндрической обечайки 2. Электрическая цепь не замыкается, потому, что значительная часть электрического заряда, который генерируется коронным разрядом, собирается проходящими в области генерируемого коронного разряда аэрозольными частицами, молекулами воздуха, и выносятся с собой через отверстия 5 заднего фланца 4 предлагаемого устройства наружу, в окружающее пространство. Генерация электрических зарядов в атмосферу в предлагаемом устройстве осуществляется путем отбора электрических зарядов высоковольтным источником питания 1 от соединенной с контуром заземления цилиндрической обечайки 2. В случае установки данного устройства на летательном аппарате, контуром заземления будет являться корпус летательного аппарата. Компенсация сбрасываемого в атмосферу электрического заряда может осуществляться за счет аккумулирования электрического заряда на конденсаторе, как показано в известном устройстве по патенту №2793455 Ru. При использовании предлагаемого устройства в стационарных условиях компенсация электрического заряда осуществляется за счет ухода заряда в Землю, через контур заземления высоковольтного источника питания.When a corona discharge is generated in the space between the pointed protrusions 10 and the surface of the grounded cylindrical shell 2, a volumetric electric charge is formed from ions moving from the pointed protrusions 10 to the grounded cylindrical shell 2. The air flow with the aerosol particles contained in it enters through the front end inside the proposed generation device electric charge and moves along its axis. Under the influence of the passing air flow on the pointed protrusions 10, a set of cylindrical thin-walled bushings 8 rotates relative to the reference axis 7. An electric charge of ions moving from the pointed protrusions 10 to the grounded cylindrical shell 2 is formed in the entire volume of the cross section of the cylindrical section between the pointed protrusions 10 and the inner surface of the cylindrical shell 2. Ions moving from the pointed protrusions 10 to the surface of the grounded cylindrical shell 2 collide on their way with air molecules and aerosol particles contained in the air. Since in the region of corona discharge generation the numerical concentration of ions reaches values of the order of 10 ⁸ -10 ⁹ 1/cm ³ , then in a short time of ~0.01 sec., almost all aerosol particles and a significant part of air molecules manage to obtain almost the maximum possible electrical charge (~90% of the maximum possible value). Air molecules that have received an electrical charge turn into so-called heavy ions, which in their characteristics differ significantly from light ions. Air molecules and aerosol particles in the corona discharge area are electrically charged and turn into electrically charged particles. As is known, the speed of movement of electrically charged particles and ions under the influence of an electric field depends significantly on the mass of the particles. The greater the mass, the lower the speed of movement of particles and ions. The coefficient of proportionality between the speed of an electrically charged particle and the value of the electric field acting on it is determined by mobility. The difference in mobility between light and heavy ions is four orders of magnitude. During the time during which electrically charged aerosol particles and a significant portion of heavy ions move inside the proposed device, the electric field forces acting on them do not have time to deflect them from the air flow lines to such an extent that so that they approach the surface of the grounded cylindrical shell 2. The electrical circuit does not close, because a significant part of the electrical charge that is generated by the corona discharge is collected by aerosol particles and air molecules passing in the area of the generated corona discharge, and is carried away through the holes 5 of the rear flange 4 of the proposed device outward into the surrounding space. The generation of electric charges into the atmosphere in the proposed device is carried out by selecting electric charges by a high-voltage power source 1 from a cylindrical shell 2 connected to the ground loop. If this device is installed on an aircraft, the ground loop will be the body of the aircraft. Compensation for the electric charge discharged into the atmosphere can be carried out by accumulating the electric charge on a capacitor, as shown in the known device according to patent No. 2793455 Ru. When using the proposed device in stationary conditions, compensation of the electric charge is carried out due to the charge leaving the Earth, through the grounding loop of the high-voltage power source.

В предлагаемом техническом решении заостренные выступы цилиндрических втулок используются не только для инициирования и генерации коронного разряда, но и для перемещения их с постоянным зазором относительно соединенной с контуром заземления цилиндрической обечайки 2. Упрощается конструкция устройства генерации электрических зарядов в атмосферу, обеспечивается достижение цели предлагаемого изобретения.In the proposed technical solution, pointed protrusions of cylindrical bushings are used not only to initiate and generate a corona discharge, but also to move them with a constant gap relative to the cylindrical shell 2 connected to the ground loop. The design of the device for generating electrical charges into the atmosphere is simplified, and the goal of the proposed invention is achieved.

Claims

A device for generating electric charges into the atmosphere, containing a grounded precipitation electrode made in the form of a cylindrical surface, inside of which a corona electrode electrically connected to a power source is installed coaxially, electrically insulated, made in the form of a set of cylindrical thin-walled bushings with pointed protrusions installed with the possibility of rotation on the supporting axis , with their tip facing the collecting electrode, characterized in that the pointed protrusions are made in the form of bent outward parts of the bushings, cut from the end at an angle to the generatrix of the cylindrical surface.