Электрогидравлический удар

При импульсном электрическом разряде в жидкости вокруг зоны его образования возникает зона сверхвысокого давления. Это явление, называемое по имени первооткрывателя «эффектом Юткина», можно использовать различными способами.

Сам Лев Александрович Юткин (1911-1980) называл открытый им эффект электрогидравлическим или, сокращённо, ЭГЭ. За последние тридцать лет своей жизни он получил более двухсот авторских свидетельств на устройства и приспособления, работа которых основывается на ЭГЭ, а явлениями, возникающими в ходе высоковольтного разряда в жидкой среде, заинтересовался ещё будучи студентом, когда учился в Ленинградском автодорожном институте.

Но продвинуться в исследованиях дальше начальной стадии ему удалось далеко не сразу: помешали арест за вымышленные контрреволюционные преступления и пять лет лагерей (Юткин работал на строительстве канала Москва - Волга и дорог в Коми, где ему, как пишут, пригодились полученные в институте знания); затем - высылка, полулегальное возвращение в Ленинград, поступление в Ленинградский электротехнический институт - но не прошло и года, как началась война.

Лишь после демобилизации у Льва Александровича появилась возможность вплотную заняться темой ЭГЭ, и здесь необходимо упомянуть такую важную веху в его биографии, как женитьба осенью 1945 года на Лидии Ивановне Гольцовой (1922-2001). Супруги работали вместе и большинство изобретений оформили в соавторстве. После смерти мужа Лидия Ивановна продолжала его дело и написала собственную книгу о применении ЭГЭ в сельском хозяйстве.

Первая заявка на изобретение - «Способ создания высоких и сверхвысоких давлений» - была подана 15 апреля 1950 года, за ней последовали другие. Юткин стал выступать с лекциями о своём открытии, а в 1955 году возглавил крохотную лабораторию ЭГЭ в Ленинградском политехническом институте. В 1959-м решением Совета министров СССР была создана специализированная Межотраслевая лаборатория ЭГЭ (с 1975-го - Центральная научно-исследовательская лаборатория электрогидравлического эффекта), а в 1968-м появилась отдельная проблемная лаборатория в сельскохозяйственном институте.

В 1975 году Юткин стал кандидатом технических наук (защита диссертации проходила в форме доклада по совокупности опубликованных работ), а в 1980-м скоропостижно умер от третьего инфаркта; это случилось в Тбилиси, куда он приехал читать лекции. Уже посмертно ему была присуждена Государственная премия УССР в области науки и техники за 1981 год. Через пять лет, в 1986 году, благодаря усилиям Л. И. Гольцовой вышла его книга «Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности», которая до настоящего времени остаётся наиболее полным источником сведений о ЭГЭ.

Воздушный промежуток

Чтобы при электрическом разряде в жидкой среде сработал эффект Юткина, импульс тока, который поступает из накопительного конденсатора, должен иметь малую продолжительность (чем она меньше, тем выше мгновенная мощность), крутой фронт (от крутизны зависит скорость расширения разрядного канала) и форму, близкую к апериодической. Эффект напоминает взрыв - в результате резкого выделения большого количества энергии гидравлическое давление в зоне разряда круто повышается и жидкость устремляется во все стороны со скоростью в сотни метров в секунду, а вокруг зоны разряда образуется кавитационная полость. Затем эта полость смыкается и происходит второй удар. Без нового токового импульса двухударные циклы будут повторяться, постепенно затухая.

Разряд может быть повторён, как только в конденсаторе накопится достаточный запас энергии, но не раньше, чем после второго удара; правильно выбранная периодичность определяющим образом влияет на КПД установки. Механические (ударные и звуковые) волны сопровождаются излучением электромагнитных волн всевозможных диапазонов, а также особыми электрохимическими процессами.

Уже на начальной стадии исследований Юткин убедился, что эффект довольно капризен. Получению разряда с нужными свойствами сильно мешала ионная проводимость жидкости, из-за которой токовый импульс оказывался слишком длительным, а его фронт - чересчур пологим. Чтобы стабильно обеспечить эффект резкого повышения давления, изобретатель предусмотрел в разрыве цепи дополнительный воздушный промежуток, который назвал формирующим (см. рис. 1). Такая цепь замыкается только при пробое формирующего промежутка, и в этот момент вся энергия, запасённая в конденсаторе, мгновенно поступает в рабочий промежуток в жидкости, так что импульс получается коротким и сильным. С введением формирующего промежутка стал возможным переход к значительно более высоким напряжениям, чем были доступны до этого.

В дальнейшем Юткин попробовал добавить в схему ещё один промежуток, так что она стала симметричной (рис. 2), но из-за большей сложности изготовления она мало использовалась на практике, хотя и давала выигрыш в крутизне фронта импульса, управляемости и безопасности. Были и другие варианты, но во всех реально внедрённых в производство установках присутствовала схема с формирующим промежутком.

Юткин разработал также вариант электрогидравлической установки с использованием вместо обычного разряда в жидкости так называемого теплового взрыва: ток проходит по тонкой проводящей проволоке или ленте, которая на каждом цикле полностью сгорает и должна заменяться. Это сложнее, но даёт значительный выигрыш в КПД и снимает ряд ограничений на использование ЭГЭ.

Мастер на все электроды

Список областей применения ЭГЭ в книге Юткина открывает металлообработка, а в ней - очистка литья от стержней и формовочных смесей: при гидравлическом ударе все загрязнения отслаиваются. В общей сложности изобретатель разработал для решения этой задачи шесть вариантов установки для отливок разных размеров. Дополнительная задача - снятие внутренних напряжений в металле. Отчасти оно происходит уже при очистке отливок, но для литья сложной формы Юткин создал отдельное приспособление, работающее по принципу «теплового взрыва». Есть и электрогидравлические штампы, молоты, вибраторы, насосы; приспособления для наклёпа, сварки давлением, уплотнения порошков и приготовления коллоидов металлов.

В горном деле естественным приложением для ЭГЭ стали разного рода взрывные работы. Удивительным образом при использовании ЭГЭ для бурения шпуров в их стенках не только не образуются новые трещины, но и за счёт уплотнения породы закрываются старые. Помимо этого в книге описаны варианты буровых установок, резаки для горных пород, дробилки, устройства для коллоидного обогащения руд, для погружения свай в землю без забивки. Устройство раздвигает грунт, и в образующееся пространство входит свая (другой вариант - погружается арматура и параллельно подаётся бетонный раствор, который под действием гидравлических ударов вибрирует и уплотняется). После опускания сваи раздвинутый грунт обжимает её, предотвращая возможность сдвигов и деформаций.

В промышленности строительных материалов установки на основе ЭГЭ могут обеспечить эффективное приготовление строительных смесей, а также дробление старого бетона с разделением на компоненты: арматуру, щебень или гравий, крупный и мелкий песок, цементное молоко.

Ещё два направления - электрохимия и агропром - заслуживают отдельного рассказа. Кроме того, Юткин спроектировал электрогидравлические гео- и гидролокатор, а также реактивное ЭГЭ-судно.