Маховичные двигатели – Маховичный накопитель | Журнал Популярная Механика

Маховичный накопитель | Журнал Популярная Механика

Сегодня ученые со всего мира безуспешно пытаются создать недорогой, легкий, компактный и невероятно емкий аккумулятор. А между тем такой накопитель энергии уже существует.

Мир электроники и электричества наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место машинам с электромоторами и электронными схемами. Однако мир будущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и именно их, по мнению ученого, будут использовать во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторов.

Пружина, резина, конденсатор…

Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию. Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.

От маховиков к супермаховикам В качестве накопителей энергии маховики применяют уже несколько столетий, однако качественный скачок в области их энергоемкости произошел только в 1960-е году, когда были созданы первые супермаховики. 1. Супермаховик в работе Супермаховик выглядит, как обычный, но внешняя его часть свита из прочной стальной ленты. Витки ленты обычно склеены между собой. 2. Супермаховик после разрыва Если разрыв обычного маховика разрушителен, то в случае супермаховика лента прижимается к корпусу и автоматически затормаживает накопитель — все совершенно безопасно.

Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить. Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.

Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство — относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.

Маховики на транспорте можно использовать как в качестве аккумуляторов энергии, так и в виде гироскопов. На фотографии изображен маховичный концепт-кар Ford Gyron (1961), а впервые гиро-кар был построен в 1914 году русским инженером Петром Шиловским.

Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…

Маховик на миллион

Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. Нурбей Гулиа поставил своей задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения. На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, — такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.

Накопитель Сегодня благодаря высокой энергоемкости супермаховики применяют во многих областях — от применения в спутниках связи в качестве аккумулятора энергии до использования в электростанциях для повышения их КПД. На схеме изображен маховичный накопитель, который применяют на американских электростанциях для повышения их КПД. Потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это достигается, в том числе, за счет того, что он вращается в вакуумном кожухе на магнитных подшипниках.

Ученый принялся за работу: сначала поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а потом заменил проволочки тонкой стальной лентой такой же прочности — ее намотка была плотнее, а для надежности можно было склеить витки ленты между собой. Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматически затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно приклеить снова.

Первое испытание, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло успешно. Маховик вышел на максимальную частоту вращения без разрыва. А затем, когда ученому удалось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, выяснилось, что разрыв наступал только при скорости обода почти 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Изобретение Гулиа в несколько раз превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.

Механический гибрид Гулиа (1966) Это возможно первый в мире гибридный автомобиль. Его передние колеса приводились от ДВС, тогда как задние от вариатора и маховика. Такой опытный образец оказался вдвое экономичней, чем УАЗ-450Д.

В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной системы получил необходимый документ только через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — давно бы стал мультимиллионером.

Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений. В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это меньше, чем у любых других накопителей энергии.

Профессор Гулиа тоже времени зря не терял: создал очень удобную маховичную дрель, разработал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д — он оказался вдвое экономичней обычной машины. Но главное — профессор постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной.

Чудо-махомобили

Можно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема. Если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторов, здесь практически нет потолка.

Супермаховик из кевлара на испытаниях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20−30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретет фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг. Но и это не предел: сегодня с помощью нанотехнологий на основе углерода создаются волокна фантастической прочности. «Если из такого материала навить супермаховик, — рассказывает профессор, — плотность энергии может достичь 2500−3500 МДж/кг. А значит, 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдержать шасси машины».

Маховичные машины Если объединить в одну схему супермаховик и супервариатор расход привычного автомобиля можно снизить ниже 2 л/100 км, считает Нурбей Гулиа. На фото приведена схема работы маховичной машины на топливных элементах, справа автомобиля с ДВС.

За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей.

Но именно автотранспорт, считает профессор, самая подходящая сфера применения супермаховиков. И показатели машин проекта Гулиа, на которых он планирует использовать супермаховики, не менее удивительные. По оценке ученого, «здоровый» расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять примерно 1,5 л на 100 км, а у дизельного — 1,2 л.

Как такое возможно? «В энергетике есть неписаный закон: при одинаковых капиталовложениях всегда более экономичен привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, — поясняет профессор. — Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию тоже в виде вращения. Значит, не надо преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод».

Таким образом, механический гибрид оказывается максимально энергосберегающим и, как уверяет ученый, в условиях города снижает расход топлива в три раза! Применение супермаховика, который запасает огромное количество энергии от двигателя, а затем практически без потерь отправляет ее на колеса через супервариатор (см. «ПМ», № 3’2006), позволяет снизить размер и мощность двигателя. Двигатель же в проекте ученого работает только в оптимальном режиме, когда его КПД наиболее высок, поэтому-то «суперавтомобиль» Гулиа столь экономичен. Имеется у профессора и проект использования топливных элементов с супермаховиком. У топливных элементов КПД в пределе может быть почти вдвое выше, чем у ДВС, и составляет около 70%.

«Но почему же при всех достоинствах такой схемы она пока не используется на автомобилях?» — задаем мы очевидный вопрос. «Для такой машины был необходим супервариатор, а он появился сравнительно недавно и сейчас только начинает производиться, — объясняет профессор Гулиа. — Так что такой автомобиль на подходе». Нашему журналу приятно сознавать, что если такой автомобиль появится, то в этом будет и наша заслуга. После того как в «Популярной механике» появилась статья о супервариаторе Гулиа, этим проектом сразу заинтересовались производители приводной техники, и сейчас профессор занимается созданием и совершенствованием своего супервариатора. А значит, стоит надеяться, что ждать суперавтомобиля осталось недолго…

www.popmech.ru

Маховичный двигатель

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к инерционным силовым установкам с маховиками, и может быть использовано для привода транспортных средств. Сущность изобретения: маховичный двигатель содержит корпус 1, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом. Накопитель энергии выполнен в виде двух кинематически связанных групп маховиков-приводной 2, кинематически связанной с приводом, и накопительной 3, которая выполнена многовальной. На концах каждого вала 7 установлены маховики 8. Валы 7 установлены горизонтально и кинематически связаны между собой через шестерни 9, при этом маховики 8 в каждой группе соединены последовательно между собой механически с одинаковой частотой обращения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к инерционным силовым установкам с маховиками, и может быть использовано для привода сухопутных и морских транспортных средств.

Известен маховичный двигатель, содержащий герметичный вакуумированный корпус, в котором установлен супермаховик. Вал супермаховика соединен с валом электродвигателя-генератора с помощью магнитной муфты. Корпус супермаховика подвешен на упругих амортизаторах для предохранения от тряски и уменьшения гироскопических воздействий [1] Недостатки известного маховичного двигателя: при использовании на транспортном средстве необходима трансмиссия, что приводит к усложнению конструкции и снижает надежность двигателя; для разгона супермаховика необходим электродвигатель, что приводит к расходу электроэнергии; малая грузоподъемность транспортного средства при использовании маховичного двигателя, например при полной массе автомобиля 600 кг полезный груз 150 кг. Наиболее близким к изобретению, выбранным в качестве прототипа является маховичный двигатель, содержащий корпус, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом. Накопитель энергии содержит вал и установленный на нем аккумулирующий элемент в виде последовательно размещенных дисков. Один из крайних дисков жестко установлен на валу, а накопитель снабжен последовательно установленными на валу муфтами свободного хода. Каждый последующий диск, имеющий внутренние фрикционные поверхности, жестко связан со звездочкой соответствующей муфты свободного хода, а каждый диск, кроме второго крайнего, снабжен подпружиненным в направлении вала грузом с фрикционными накладками, который установлен в диске с возможностью перемещения в направлении фрикционной поверхности последующего диска [2] Недостатки известного маховичного двигателя: для разгона маховиков необходим электродвигатель, что приводит к большому расходу электроэнергии; для получения значительной мощности необходимы большие размеры маховиков, что приводит к громоздкости конструкции; применение дисков и муфт с внутренними поверхностями усложняет управление маховиками и всю трансмиссию. Изобретение направлено на решение технической задачи повышения энергоемкостных характеристик маховичного двигателя, а именно увеличение выходной мощности при снижении мощности на привод. Для решения указанной технической задачи в маховичном двигателе, содержащем корпус, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом, согласно изобретению маховичный накопитель энергии выполнен в виде двух кинематически связанных групп маховиков приводной, кинематически связанной с приводом, и накопительной, при этом последняя выполнена многовальной, на концах каждого вала установлены маховики, а валы, установленные горизонтально-кинематически, связаны между собой через шестерни, кроме того, маховики в каждой группе соединены последовательно между собой механически с одинаковой частотой обращения, шестерни групп маховиков выполнены с различными диаметрами. Совокупность признаков изобретения позволяет достичь следующие технические результаты: повышение выходной мощности маховичного двигателя по сравнению с приводной мощностью, уменьшение суммарной массы маховичного двигателя за счет применения n маховиков малых масс, упрощение конструкции из-за отсутствия трансмиссии и фрикционных муфт, упрощение запуска маховичного двигателя, так как для этого достаточно нарушить условие равновесия двух групп маховиков приводной и накопительной, использование как экологически безопасного двигателя в сухопутных и морских транспортных средствах. На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый маховичный двигатель, вид сверху; на фиг. 2 показано сечение А-А на фиг. 1, расположение шестерен в накопительной группе. Маховичный двигатель содержит корпус 1, в котором установлен маховичный накопитель энергии, выполненный в виде двух кинематически связанных групп маховиков: приводной 2 и накопительной 3. Приводная группа 2 маховиков состоит из маховиков 4, размещенных на горизонтальном концах вала 5, кинематически связанного с приводом 6. Нокопительная группа 3 маховиков выполнена многовальной, на концах каждого вала 7 установлены маховики 8. Валы 7 установлены горизонтально и кинематически связаны между собой через шестерни 9. Маховики 8 в каждой группе соединены последовательно, между собой механически с одинаковой частотой обращения. Приводная 2 и накопительная 3 группы маховиков соединены последовательно между собой через шестерни 9 и 10, размещенные в корпусе 1 и выполненные с различным диаметром. Для приведения в движение маховичного двигателя к приводному валу 5 присоединен привод 6. Вращение через шестерню 10 передается на группу шестерен 9, а затем через конические шестерни 11 на кардан 12 транспортного средства. Маховичный двигатель работает следующим образом. При вращении привода 6 (электродвигателя или педальной тяги) через шестерни 10 и 9 передается кинематический момент инерции на группу маховиков 8, которые вращаются с большей скоростью пропорционально коэффициенту передачи. Через конические шестерни 11 вращение передается на кардан 12 транспортного средства.

Формула изобретения

1. МАХОВИЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом, отличающийся тем, что маховичный накопитель энергии выполнен в виде двух кинематически связанных групп маховиков приводной, кинематически связанной с приводом, и накопительной, при этом последняя выполнена многовальной, на концах каждого вала установлены маховики, а валы, установленные горизонтально, кинематически связаны между собой через шестерни, кроме того, маховики в каждой группе соединены последовательно между собой механически с одинаковой частотой обращения. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что шестерни групп маховиков выполнены с различным диаметром.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

findpatent.ru

Работает супермаховик. Удивительная механика

Работает супермаховик

Есть ли уже сегодня машины, на которых установлены супермаховики? Да, есть. Пусть эти машины и не выпускаются пока сериями, как «жигули» или «фольксваген», но они существуют. Работают, ездят, всех удивляют.

Самым типичным автомобилем, работающим за счет энергии супермаховика, является, пожалуй, маленький двухместный «махомобиль» американского ученого Дэвида Рабенхорста. Попробуем на его примере разобраться в устройстве махомобилей.

Супермаховик махомобиля соединен с валом разгонного электродвигателя, причем электродвигатель размещен в воздушной среде, чтобы он лучше охлаждался, а супермаховик – в вакууме, чтобы не было лишних потерь энергии. На выходе из вакуумной камеры вал герметизирован магнитным уплотнением. В принципе можно даже разрезать вал и вывести вращение из вакуума специальными магнитными муфтами.

Маховичный автомобиль (махомобиль) Девида Рабенхорста

Другой конец вала супермаховика соединен с гидронасосом обратимого типа, который может работать и в режиме гидродвигателя; о таких гидромашинах я уже говорил. Жидкость – масло от гидронасоса через распределитель или, что одно и то же, через механизм управления махомобилем, подается в четыре маленькие гидромашины, встроенные в колеса махомобиля. Таким образом, все колеса махомобиля ведущие, и это очень хорошо – махомобиль быстро разгоняется, движется устойчиво, без заносов.

В махомобиле нет таких привычных автомобильных частей, как сцепление, коробка передач, карданный вал, дифференциал, полуоси, электроаккумуляторы, стартер и генератор; отсутствует топливный бак и вся топливная система, система охлаждения с вентилятором, глушитель и, наконец, сам двигатель внутреннего сгорания. Махомобиль бесшумен, он не загрязняет окружающую среду выхлопными газами, приводится в движение практически мгновенно. Известно, что супермаховик может развивать громадные мощности, так необходимые автомобилям для быстрого разгона.

Зарядка энергией, или разгон супермаховика, производится включением разгонного электродвигателя в сеть. Время зарядки – 20—25 мин, что в десятки раз быстрее по сравнению с продолжительностью зарядки электроаккумуляторов. Для приведения махомобиля в движение повышают наклоном шайбы производительность насоса, и масло начинает поступать в гидродвигатели колес, разгоняя машину. Больше наклон шайбы – больше скорость.

Махомобиль рассчитан на крейсерскую, то есть постоянную скорость 90 км/ч, причем кратковременно скорость может быть значительно увеличена, например для выполнения обгонов.

Путь пробега махомобиля с одной зарядки пока около 60 км, но его планируется увеличить в три раза. Это при массе супермаховика 100 кг, скорости его вращения от 23 700 до 11 900 оборотов в минуту и запасе энергии 24 МДж. Удельная энергия супермаховика составляет 240 кДж/кг. Правда, уже испытаны супермаховики с удельной энергией в 650 и даже 700 кДж/кг, а это значит, что и путь пробега увеличивается почти до 500 км!

У махомобиля рекордно малая по сравнению с электро– и автомобилями стоимость пробега – около доллара на 100 км пути. Я думаю, вряд ли какой водитель откажется от такой машины!

Посмотрим теперь, каковы характеристики агрегатов махомобиля Рабенхорста по мощности и массе. Разгонный электродвигатель мощностью 30—40 кВт – 18,4 кг, гидронасос мощностью 37,5 кВт – 11,4 к г, четыре гидродвигателя колес такой же общей мощности – 10 к г, приборы управления – 9 кг, шасси – 175 кг, кузов – 270 кг. Вместе с супермаховиком, его корпусом, подвеской и даже пассажирами выходит чуть более 600 кг.

Махомобиль не боится длительных стоянок – маховик может вращаться без остановки почти полтора месяца. И это не предел, потому что так называемые кольцевые супермаховики, о которых будет сказано ниже, рассчитаны на более чем годичный выбег, а американский 45-килограммовый маховик в магнитном подвесе имеет столь малые потери, что способен крутиться без остановки свыше 10 лет!

Подвеска супермаховика в махомобиле тоже магнитная, только она практичнее, чем «абсолютный» магнитный подвес: здесь есть подшипники, способные не только принимать на себя усилия при тряске, но и ослаблять гироскопическую нагрузку при повороте оси супермаховика.

На сегодняшний день в разных странах уже построено много супермаховичных автомобилей и автобусов. Некоторые из них, как и швейцарский гиробус, оснащены штангами и могут двигаться как троллейбус. Но при этом раскручивается и супермаховик, который потом снабжает током тяговые электродвигатели. Такие машины, названные гиротроллейбусами, не тратят время, подобно гиробусу, на раскрутку супермаховика, так как «зарядка» идет на ходу. Затем, после разгона супермаховика, гиротроллейбусы едут на накопленной энергии до конечной остановки через весь город. В отличие от швейцарского гиробуса, маховик в таком гиротроллейбусе весит не 1,5 т, а всего около 300 кг.

Гиротроллейбус фирмы «Локхид» (США) (а) и его маховичный накопитель (б)

Существуют проекты использования супермаховиков в авиации. В одном из них для взлета сверхзвуковых самолетов предлагают применять маховичную катапульту. Если разогнать крупный маховик электродвигателем, а затем подключить его к лебедке, соединенной тросом с самолетом, то маховик за несколько секунд разовьет гигантскую мощность, в десятки раз превышающую мощность электродвигателя. За считанные секунды самолет разгонится до 400 км/ч и взлетит. При этом путь разгона будет не более 100—150 м. Такой запуск очень надежен и экономичен.

Маховичная катапульта

Двойную пользу можно получить от установки супермаховиков на легких тихоходных самолетах, у которых собственный двигатель развивает мощность не более 90-120 кВт. Супермаховик массой всего 13 кг способен выдать мощность 115 кВт в течение 20 с, а массой 57 кг – 225 кВт в течение 60 с – время, вполне достаточное для взлета. Кроме того, раскрученный супермаховик обеспечит безопасность экипажа в случае остановки мотора самолета. Энергии, накопленной в супермаховике, хватит для трехминутного полета самолета без мотора. Летчики успеют выбрать пригодную для посадки площадку и приземлиться.

Шотландский маховичный вертолет, прозванный «прыгающий Гиро»

Еще в 30-х годах прошлого века в Шотландии был построен маховичный вертолет. Разгоняли маховик на земле вместе с воздушным винтом, лопастям которого задавали нулевой угол атаки, чтобы разгон шел легче. После разгона маховика лопасти устанавливали под нужным углом, и машина взмывала в небо. Когда энергии в маховике оставалось уже мало, вертолет плавно опускался. Не правда ли, это очень похоже на игрушечный вертолет, в котором разгон лопастей-маховиков производится пусковым шнурком?

А полвека спустя в США создали разведывательный беспилотный вертолет с супермаховиками. Два легких кольцевых супермаховика диаметром 1,4 м, вращающиеся в разные стороны, раскручивают воздушные винты, расположенные внутри колец супермаховиков. Кольца разгоняют до 4 тыс. оборотов в минуту на специальном автомобиле, с которого вертолет стартует. Вертолет быстро поднимается на 100-метровую высоту, зависает там и, имея на борту фото– и телеаппаратуру, производит съемки или телепередачи. Подобный вертолет удобно использовать и для пожарных работ – его двигатель не заглохнет от дыма, а баки с горючим не загорятся, так как на этом вертолете нет ни двигателя, ни баков.

Разведывательный беспилотный маховичный вертолет

Если нужно попасть на борт вертолета, зависшего высоко над землей, или на какую-нибудь площадку на высоте 100 м и более, лучше всего воспользоваться для этого маховичным подъемником, который позволяет поднять девять человек подряд, причем в пять раз быстрее обычных моторных подъемников. Маховик подъемника разгоняется маленьким электродвигателем мощностью 1,5 кВт до 28 тыс. оборотов в минуту.

Осуществить экстренный спуск с того же вертолета или из окна горящего высотного здания поможет маховичный лифт, в разработке которого довелось участвовать и мне. При пожаре нередко требуется срочно эвакуировать людей с верхних этажей дома, но в это время ток от здания, как правило, отключают и никакие подъемные механизмы не работают. Вот и придумали особое устройство для такого случая.

Человек надевает специальный пояс с прикрепленной к нему лентой и прыгает вниз. Лента намотана на валу небольшого маховика или супермаховика, как в ленточном вариаторе, о котором речь шла выше. Сматываясь с вала, она разгоняет маховик, сначала медленно, а затем все сильнее и сильнее. Человек же, Втулка наоборот, приближаясь к земле, все больше и больше теряет скорость. И наконец мягко – Корпус приземляется. Пояс с лентой сам поднимается вверх за счет энергии маховика, раскрученного ранее спустившимся человеком. Так маховичный лифт может доставлять на землю одного за другим сколько угодно людей.

Маховичный лифт

Поистине безграничные возможности открываются перед супермаховиками в космосе.

В космическом вакууме у супермаховиков совершенно нет потерь на трение о воздух, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. В этом случае подшипники могут быть простыми «сухосмазывающимися» втулками.

На некоторых спутниках связи уже несколько лет используют супермаховичные накопители энергии. Дело в том, что спутники связи, транслирующие на большие расстояния телефонные разговоры, телепрограммы и радиопередачи, работают обычно не только от солнечных батарей, но и от аккумуляторов энергии, которые дают ток, пока Земля загораживает спутник от Солнца и тот находится в тени. Однако время жизни электрохимических аккумуляторов невелико, они быстро выходят из строя, а из-за них прекращает существование и сам спутник, который мог бы служить еще долго. Вот и пал выбор на долговечные супермаховики. Они вращаются в магнитной подвеске со скоростью 40 тыс. оборотов в минуту. Плотность энергии супермаховиков для спутников связи примерно 0,1 МДж/кг.

В исследовательском центре США создана супермаховичная установка для международной космической станции, превосходящая по своим показателям ранее применявшиеся никель-водородные аккумуляторы. Супермаховик запасает большее количество энергии, а срок его службы вдвое дольше, чем у химических аккумуляторов.

Видимо, не обойтись без супермаховиков и на космических станциях, которые отправятся к далеким планетам, где почти нет солнечного света, дающего энергию для питания электронного оборудования станций. По мнению ученых, кратковременных включений пиропатронов будет вполне достаточно, чтобы с помощью газовой турбины так разогнать супермаховик, что его энергии надолго хватит для бесперебойной работы всех приборов.

В космосе супермаховики необходимы и для более прозаических дел – например, для ремонта станций, приведения в движение механизированного инструмента.

Допустим, космонавту нужно просверлить отверстие или завернуть гайку. Если он применит обыкновенную дрель или гайковерт, то реактивный момент, действующий на корпус ручного инструмента, закрутит в первую очередь самого космонавта. На Земле такого не случается, так как этому противодействует сила тяжести и сила трения, а в условиях невесомости – это обычное явление.

Теперь проделаем следующий опыт. Возьмем самый простой детский волчок – юлу, укрепим на ее кончике сверло, разгоним юлу и уберем руку. На первый взгляд как будто ничего удивительного – юла стоит на сверле и сама сверлит подставку. А ведь ни с какой из обычных дрелей подобный опыт никогда не получится. Даже у электрической дрели корпус тотчас завертится в противоположную сторону и порвет все провода.

Дело в том, что маховики и супермаховики обладают свойством «безреактивности», то есть при вращении они не оказывают реактивного действия на корпус и другие части устройства. Маховик связан с корпусом только подшипниками, а они, свободно проворачиваясь, не передают вращательных усилий.

Маховичная «безреактивная» дрель

Изготовленная мною маховичная дрель успешно сверлила любые доски. При этом она прекрасно выдерживала вертикальное направление благодаря еще одному свойству маховика, о котором уже упоминалось, – способности сохранять устойчивое положение свободной оси в пространстве.

Чтобы проверить это свойство самому, лучше всего снять велосипедное колесо с вилки, взяться за концы оси и, держа колесо на вытянутых руках, попросить товарища раскрутить его. Если колесо раскручено как следует, никакие попытки свернуть ось в сторону ни к чему не приведут, даже несмотря на большие усилия. Колесо будет сопротивляться совсем как живое, стараясь вырваться из рук. Суть происходящего состоит в том, что ось вращающего маховика всякий раз стремится повернуться не туда, куда мы прилагаем усилие, а под прямым углом к этому направлению.

Существует много способов узнать, куда будет поворачиваться ось маховика, но все они трудны и рассчитаны на специалистов. Поэтому я придумал для себя способ попроще, который назвал «правилом колеса». Запомнить его ничего не стоит, достаточно иметь в кармане хотя бы одну монетку или колесико. Пустим монетку катиться по столу. Скоро она начнет падать набок, но что для нас особенно важно – она и сворачивать будет в ту же сторону. Теперь представим себе, что монетка – это вращающийся маховик. Допустим, мы пытаемся свернуть ось этого маховика в ту же сторону, куда падает монета. Направление поворота монеты позволит нам определить, куда на самом деле будет сворачивать ось маховика. Вот и все правило.

Опыт с монетой, демонстрирующий гироскопический эффект

Если ничто не воздействует на ось маховика, то она безупречно сохраняет свое положение в пространстве. И это делает маховик незаменимым в навигационных приборах, которые сейчас устанавливают на всех кораблях, самолетах, ракетах. Называют такие приборы гироскопическими. Об этих интереснейших приборах много написано, и я не буду подробно останавливаться здесь на них. А вот об автомобиле, в котором был применен как раз гироскопический эффект вращающегося маховика, думаю, сказать надо. Построил этот «гирокар» в 1914 году русский инженер П. П. Шиловский. Гирокар демонстрировался в Лондоне, где вызвал огромный интерес. Еще бы, машина Шиловского имела всего два колеса, как велосипед, однако она сохраняла без каких-либо упоров устойчивое положение, даже если все пассажиры садились по одну сторону. «Держал» машину раскрученный маховик благодаря гироскопическому эффекту. В гирокаре использовался примитивный автомат с датчиком наклона в виде шарика в трубке и сервомотором, воздействующим на 300-килограммовый маховик.

Гирокар П. П. Шиловского (а) и принцип его действия (б)

Такие автомобили строились и позже. Возможно, что будущий махомобиль с супермаховичной «энергетической капсулой» спроектируют тоже двухколесным, чтобы использовать сразу оба замечательных свойства супермаховика – способность накапливать энергию и сохранять неизменное положение в пространстве.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

tech.wikireading.ru

Супермаховик — Википедия

Супермахови́к — один из типов маховика, предназначенный для накопления механической энергии. По сравнению с обычными маховиками, способен сохранять больше кинетической энергии.

За счёт конструктивных особенностей способен хранить до 500 Вт·ч (1,8 МДж) на килограмм массы[1]. В частности, в 1964 году советский инженер Н. В. Гулиа заявил авторские права на одну из конструкций, которой и дал название «супермаховик».

Современный супермаховик представляет собой барабан, изготовленный из композитных материалов, например, намотанный из тонких витков стальной, пластичной ленты, стекловолокна или углеродных композитов. За счёт этого обеспечивается высокая прочность на разрыв и безопасность эксплуатации. При физическом разрушении супермаховик не разлетается на крупные части, как обычный маховик, а разрушается частично; при этом отделившиеся части тормозят барабан и предотвращают дальнейшее разрушение. Для уменьшения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух. Зачастую используется магнитный подвес.

Законченный вид супермаховик принимает тогда, когда он способен запасать и отдавать энергию. Для этого создаётся мотор-генератор, где статором является барабан, а ротором — ось, вокруг которой он вращается. Таким образом, при подключении в сеть он будет запасать энергию, а при подключении нагрузки — отдавать. КПД этого преобразования достигает 98 %[2].

Маховики как буферные устройства начали использоваться ещё во времена неолита, например, в устройстве гончарного круга[3]. В XX веке маховик претерпел ряд конструктивных изменений, позволявшим ему запасать энергию на значительное время. Так, например, в 1950-х годах вакуумированные маховики использовались в экспериментальном общественном транспорте, в частности испытывались гиробусы[4].

Преимущества и недостатки супермаховика[править | править код]

Супермаховик сочетает в себе долговечность и умеренную цену, безопасен[5] при разрушении, его КПД очень велик. Недостатком супермаховиков является гироскопический эффект, обусловленный большим моментом импульса вращающегося маховика и препятствующий изменению направления оси вращения маховика. Для исключения этого нежелательного эффекта при применении маховиков в качестве накопителей энергии на транспортных средствах можно применить подвеску маховика в кардановом подвесе, но это существенно усложняет конструкцию.

Дополнительным недостатком супермаховика является отсутствие отработанной простой трансмиссии, позволяющей использовать его на транспорте. В настоящий момент проводятся эксперименты по передаче энергии вращения супермаховика на колёса транспортного средства посредством супервариатора. Перспективным также является использование вакуумного супермаховика на магнитной подвеске в качестве источника электроэнергии для шаговых электродвигателей.

Еще одним недостатком супермаховика является его высокая пожароопасность. Если произойдёт разрушение супермаховика, то возникнет сила трения между разрушающимся маховиком и его корпусом. Так как супермаховик запас огромное количество кинетической энергии, при торможении эта энергия будет переходить в тепло. Количество выделившегося тепла в относительно короткий промежуток времени может быть настолько значительным, что может привести к воспламенению механизма или транспортного средства.

Н. В. Гулиа в первую очередь собирался применить супермаховик как накопитель энергии для автомобилей и даже построил несколько образцов такого транспорта.

Однако последние успешные достижения относятся к другим областям. Компания Beacon Power, основанная в США в 1997 году, сделала существенный шаг, разработав серию больших стационарных супермаховиков для применения в промышленных энергосетях. Супермаховики производства Beacon Power способны запасать энергию в 6 и 25 кВт⋅ч в зависимости от модели и мощность в 2 и 200 кВт соответственно.

Американская компания рассчитывает продавать их местным компаниям, а также сама оказывать услугу «регулирования частоты». Строительство регулирующей электростанции на супермаховиках мощностью 20 МВт началось в конце 2009 года[6]. Поскольку энергосистема США существует в условиях наличия множества местных поставщиков энергии и открытого энергетического рынка, необходимость регулирования мощности создает немало проблем, которые компания надеется решить: запасание «лишней» энергии, когда потребление снижается; восполнение недостатков во время пиков потребления; регулирование частоты тока.

Под научным руководством Н. В. Гулиа российская компания Kinetic Power[7] создала собственную версию стационарных накопителей кинетической энергии на базе супермаховика. Один такой накопитель способен запасать энергию до 100 кВт⋅ч и обеспечивать мощность до 300 кВт. В условиях российского рынка кластер из нескольких таких накопителей способен обеспечивать выравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона, заменяя собой дорогостоящие и громоздкие гидроаккумулирующие электростанции.

Несмотря на то, что автомобили, питающиеся от маховиков, не получили широкого распространения, транспорт остаётся одной из наиболее привлекательных отраслей применения супермаховиков. В частности, речь идёт о железнодорожном транспорте. При торможении как пассажирского, так и грузового состава впустую тратится огромное количество энергии. Супермаховик, подключённый к одной электрической сети с составом, способен улавливать и запасать энергию торможения, а позже выдавать её в сеть для разгона состава. Спасённая таким образом энергия позволит снизить потребление на 30 %.[источник не указан 344 дня]

Помимо этого, супермаховики могут быть использованы для обеспечения бесперебойного питания[8] объектов высших уровней ответственности. Свойства супермаховика обеспечивают отклик устройства на уровне сотых долей секунды, позволяя ни на секунду не прерывать подачу электроэнергии.

  1. Гулиа Н. В. Супермаховики — из суперкарбона! // Изобретатель — рационализатор : журнал. — 2005. — № 12 (672).
  2. Леонид Попов. Вращающаяся армия бережёт 60 герц стабильного электричества (неопр.). Membrana.ru (30 августа 2006). Дата обращения 20 июня 2014.
  3. ↑ Lynn White, Jr., «Theophilus Redivivus», Technology and Culture, Vol. 5, No. 2. (Spring, 1964), Review, pp. 224—233 (233).
  4. ↑ Alternative Energy Storage Methods including supercapacitors, flywheel batteries, compressed air storage, springs, pumped storage, nuclear batteries and superconducting magnet…
  5. Гулиа Н. В. Накопители энергии. — М.: Наука, 1980. — 150 с.
  6. ↑ Beacon Breaks Ground on 20-MW Flywheel Storage Plant.
  7. ↑ Kinetic Power (неопр.). www.kinetic-power.com. Дата обращения 28 февраля 2016.
  8. ↑ Kinetic Power (неопр.). www.kinetic-power.com. Дата обращения 28 февраля 2016.

ru.wikipedia.org

маховичный двигатель — патент РФ 2033560

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к инерционным силовым установкам с маховиками, и может быть использовано для привода транспортных средств. Сущность изобретения: маховичный двигатель содержит корпус 1, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом. Накопитель энергии выполнен в виде двух кинематически связанных групп маховиков-приводной 2, кинематически связанной с приводом, и накопительной 3, которая выполнена многовальной. На концах каждого вала 7 установлены маховики 8. Валы 7 установлены горизонтально и кинематически связаны между собой через шестерни 9, при этом маховики 8 в каждой группе соединены последовательно между собой механически с одинаковой частотой обращения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. Изобретение относится к двигателестроению, в частности к инерционным силовым установкам с маховиками, и может быть использовано для привода сухопутных и морских транспортных средств. Известен маховичный двигатель, содержащий герметичный вакуумированный корпус, в котором установлен супермаховик. Вал супермаховика соединен с валом электродвигателя-генератора с помощью магнитной муфты. Корпус супермаховика подвешен на упругих амортизаторах для предохранения от тряски и уменьшения гироскопических воздействий [1]
Недостатки известного маховичного двигателя: при использовании на транспортном средстве необходима трансмиссия, что приводит к усложнению конструкции и снижает надежность двигателя; для разгона супермаховика необходим электродвигатель, что приводит к расходу электроэнергии; малая грузоподъемность транспортного средства при использовании маховичного двигателя, например при полной массе автомобиля 600 кг полезный груз 150 кг. Наиболее близким к изобретению, выбранным в качестве прототипа является маховичный двигатель, содержащий корпус, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом. Накопитель энергии содержит вал и установленный на нем аккумулирующий элемент в виде последовательно размещенных дисков. Один из крайних дисков жестко установлен на валу, а накопитель снабжен последовательно установленными на валу муфтами свободного хода. Каждый последующий диск, имеющий внутренние фрикционные поверхности, жестко связан со звездочкой соответствующей муфты свободного хода, а каждый диск, кроме второго крайнего, снабжен подпружиненным в направлении вала грузом с фрикционными накладками, который установлен в диске с возможностью перемещения в направлении фрикционной поверхности последующего диска [2]
Недостатки известного маховичного двигателя: для разгона маховиков необходим электродвигатель, что приводит к большому расходу электроэнергии; для получения значительной мощности необходимы большие размеры маховиков, что приводит к громоздкости конструкции; применение дисков и муфт с внутренними поверхностями усложняет управление маховиками и всю трансмиссию. Изобретение направлено на решение технической задачи повышения энергоемкостных характеристик маховичного двигателя, а именно увеличение выходной мощности при снижении мощности на привод. Для решения указанной технической задачи в маховичном двигателе, содержащем корпус, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом, согласно изобретению маховичный накопитель энергии выполнен в виде двух кинематически связанных групп маховиков приводной, кинематически связанной с приводом, и накопительной, при этом последняя выполнена многовальной, на концах каждого вала установлены маховики, а валы, установленные горизонтально-кинематически, связаны между собой через шестерни, кроме того, маховики в каждой группе соединены последовательно между собой механически с одинаковой частотой обращения, шестерни групп маховиков выполнены с различными диаметрами. Совокупность признаков изобретения позволяет достичь следующие технические результаты: повышение выходной мощности маховичного двигателя по сравнению с приводной мощностью, уменьшение суммарной массы маховичного двигателя за счет применения n маховиков малых масс, упрощение конструкции из-за отсутствия трансмиссии и фрикционных муфт, упрощение запуска маховичного двигателя, так как для этого достаточно нарушить условие равновесия двух групп маховиков приводной и накопительной, использование как экологически безопасного двигателя в сухопутных и морских транспортных средствах. На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый маховичный двигатель, вид сверху; на фиг. 2 показано сечение А-А на фиг. 1, расположение шестерен в накопительной группе. Маховичный двигатель содержит корпус 1, в котором установлен маховичный накопитель энергии, выполненный в виде двух кинематически связанных групп маховиков: приводной 2 и накопительной 3. Приводная группа 2 маховиков состоит из маховиков 4, размещенных на горизонтальном концах вала 5, кинематически связанного с приводом 6. Нокопительная группа 3 маховиков выполнена многовальной, на концах каждого вала 7 установлены маховики 8. Валы 7 установлены горизонтально и кинематически связаны между собой через шестерни 9. Маховики 8 в каждой группе соединены последовательно, между собой механически с одинаковой частотой обращения. Приводная 2 и накопительная 3 группы маховиков соединены последовательно между собой через шестерни 9 и 10, размещенные в корпусе 1 и выполненные с различным диаметром. Для приведения в движение маховичного двигателя к приводному валу 5 присоединен привод 6. Вращение через шестерню 10 передается на группу шестерен 9, а затем через конические шестерни 11 на кардан 12 транспортного средства. Маховичный двигатель работает следующим образом. При вращении привода 6 (электродвигателя или педальной тяги) через шестерни 10 и 9 передается кинематический момент инерции на группу маховиков 8, которые вращаются с большей скоростью пропорционально коэффициенту передачи. Через конические шестерни 11 вращение передается на кардан 12 транспортного средства.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. МАХОВИЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом, отличающийся тем, что маховичный накопитель энергии выполнен в виде двух кинематически связанных групп маховиков приводной, кинематически связанной с приводом, и накопительной, при этом последняя выполнена многовальной, на концах каждого вала установлены маховики, а валы, установленные горизонтально, кинематически связаны между собой через шестерни, кроме того, маховики в каждой группе соединены последовательно между собой механически с одинаковой частотой обращения. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что шестерни групп маховиков выполнены с различным диаметром.

www.freepatent.ru

СУПЕРМАХОВИК И СУПЕРВАРИАТОР ДЛЯ СУПЕРАВТОМОБИЛЯ… — DRIVE2

СУПЕРМАХОВИК И СУПЕРВАРИАТОР ДЛЯ СУПЕРАВТОМОБИЛЯ

«теоретически уже сейчас можно создавать автомобили, которые в течение всего срока службы не требовали бы никакого топлива» — Гулиа Нурбей Владимирович.

ru.wikipedia.org/wiki/%D0…0%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87

Все изобретения Нурбея Владимировича Гулиа так или иначе связаны с энергией. Человечество живёт очень неэффективно — КПД современного бензинового двигателя всего 25—30 %, дизельного — около 40 %. Это значит, что больше половины энергии, запасённой в ископаемом топливе, тратится бесцельно — в основном, рассеивается в виде тепла. Нурбей Гулиа задался целью разработать технологию, которая позволяет легко запасать и отдавать энергию, обладая при этом высоким КПД.
И я решил изобрести этакую «энергетическую капсулу», которую можно было бы «заряжать» энергией, а затем использовать как бензобак. В отличие от бензобака, в моей «капсуле» должна накапливаться исключительно безвредная для человека энергия. И не так мало, как в автомобильных аккумуляторах, а столько, сколько, например, в том же бензобаке. Ведь не секрет, что тяжёлый автомобильный аккумулятор содержит в себе энергии не больше, чем в рюмке бензина…
Начиная с изобретения супермаховика в 1964 году, Нурбей Гулиа последовательно двигался к этой цели. Супермаховик здесь запасает энергию, супервариатор — эффективно передаёт энергию на движитель. Если совместить всё это в одном автомобиле, получится удивительное средство транспорта: по расчётам,
если из такого материала (карбоновое нановолокно) навить супермаховик, то его удельная энергия достигнет 1 МВт•ч/кг, или в тысячи раз больше, чем у самых перспективных аккумуляторов! Это значит, что на таком накопителе массой в 150 кг легковой автомобиль сможет пройти с одной зарядки свыше 2 миллионов километров — больше, чем способно выдержать шасси. То есть теоретически уже сейчас можно создавать автомобили, которые в течение всего срока службы не требовали бы никакого топлива.
www.popmech.ru/article/84…upertehnika-ot-supermena/
Если бы профессор Нурбей Гулиа жил на Западе, то наверняка был бы мультимиллионером. Супермаховик, который он изобрел в 1964 году, давно применяется во всем мире, что, однако, никак не отразилось на благосостоянии ученого. Из-за бюрократизма советской патентной системы патент был выдан автору… только через 20 лет после подачи заявки, а за эти годы срок действия документа истек. но профессор взял реванш. Спустя десятилетия он изобрел (и сейчас патентует во многих странах) «супервариатор», который обладает настолько фантастическими характеристиками, что в полной мере оправдывает свою щегольскую приставку.
Разрушитель законов

Когда к нам в редакцию пришло письмо с описанием устройства под названием «супервариатор», мы решили, что это очередная профанация вроде вечного двигателя и гравитолета. Но внизу стояла подпись «Нурбей Гулиа», что заставило взглянуть на устройство по-другому. Тем не менее, несмотря на реноме ученого, его изобретение продолжало казаться абсолютной фантастикой. Крупные компании, специализирующиеся на выпуске коробок передач и вариаторов, тратят огромные деньги на исследования, и вдруг некий российский изобретатель разрабатывает продукт, который по основным показателям заметно превосходит модели ведущих производителей. Разве такое возможно? Впрочем, с другой стороны, вряд ли в мире можно найти ученого, который посвятил бы вариаторам столько же времени. Ведь Гулиа начал заниматься этой темой еще в начале 1960-х.

Вариаторы, или устройства, которые позволяют плавно изменять передаточное отношение привода, получили широкое распространение на автомобилях сравнительно недавно. Подобно автоматической гидродинамической коробке передач, вариатор облегчает управление, но в отличие от нее демонстрирует лучшие показатели разгонной динамики и экономичности. Однако не лишен он и недостатков: диапазон регулирования передаточных отношений у вариаторной коробки передач обычно узок (4–6), а КПД невысок – около 0,85. Впрочем, каждый из этих показателей можно увеличить, но, увы, только за счет другого. Поиском разумного компромисса и занимаются сейчас конструкторы вариаторов, но Гулиа пошел другим путем. Он решил найти способ обойти существующие «вариаторные законы» и заставить этот упрямый механизм работать с максимальным диапазоном и максимальной отдачей на главных режимах. Годы исследований не ушли впустую: Гулиа нашел такой способ. но схема устройства была настолько непростой, что иногда и специалисты не могли до конца понять принципы ее работы. Тогда, чтобы «в доступной форме» доказать возможность существования такого устройства, Гулиа решил создать опытный образец.

При финансовой поддержке одной немецкой компании, ставшей совладельцем немецкого патента профессора, Гулиа в тандеме со своим аспирантом Иваном Бессудновым работали почти год над созданием этого устройства. Профессор признается, что сам не был до конца уверен в том, что аппарат будет работать, но его опасения не подтвердились. Первые же испытания доказали верность догадок Гулиа: супервариатор обладал прямо-таки фантастическими свойствами: диапазон 15–20, КПД на основных режимах – 0,97–0,98! как же такое стало возможным?

Планетарные чудеса

В основе всего этого беззакония лежат два сравнительно простых механизма – планетарный и дифференциальный, объединенные, правда, хитрым способом. За десятилетия работы с вариаторами профессор Гулиа пришел к выводу, что из всех их разновидностей лучший для автомобиля – планетарный, поскольку при передаточном отношении, близком к единице, КПД у него стремится к 100%. А автомобиль, как известно, наибольшие расстояния преодолевает именно на высоких передачах, когда передаточное отношение коробки приближается к единице. Среди вариаторов, которые могут работать по планетарной схеме, Гулиа выбрал дисковый, способный передавать внушительные мощности. Схема планетарного дискового вариатора (для простоты однорядного) изображена на рис.1, а рядом описан принцип его работы. По своим характеристикам такой дисковый планетарный вариатор хорош: при диапазоне, равном 10, он может работать с КПД 87–95%, но с помощью дифференциала «хорошиста» можно превратить в гениального «отличника».

Схема объединения дифференциала и планетарного вариатора изображена на рис. 2. Если бы передаточное отношение вариатора было равно единице, то все валы вращались бы с одинаковой скоростью, а КПД был бы равен 100%. Но передаточное отношение вариатора больше единицы, поэтому ведомый вал дискового вариатора вращается медленнее ведущего, а ведомый вал супервариатора, исходя из особенностей работы планетарного механизма, будет вращаться медленнее ведущего и быстрее ведомого

www.drive2.ru

Маховичные двигатели | Авторская платформа Pandia.ru

Если возьметесь за разработку маховичного двигателя, не думайте, что это свеженькая задача. В раскопках, проводившихся в Месопотамии, был найден маховик—примитивный диск из необожженной глины. Он служил гончарным кругом мастеру, жившему еще 5 тысяч лет назад. На краю диска есть отверстие, в которое, надо полагать, вставлялась рукоятка. Дергая за нее, древний мастер заставлял на некоторое время крутиться гончарный круг, не подозревая, что тем самым передает энергию диску, а тот аккумулирует ее и затем медленно расходует при вращении. В этом физический смысл маховика.

В последующие тысячелетия человечество обходилось без оригинального изобретения, предпочитая живую силу, заключенную в рабах и домашних животных.

В средние века о маховике вспомнили вновь и применяли его, так сказать, на подсобных работах, например, для выравнивания хода различных машин.

В 1860 году русский инженер В. И. Шуберский впервые попытался использовать маховик в качестве самостоятельного аккумулятора — двигателя. Об этом не все помнят, а за рубежом начинают новейшую историю этого механизма с маховичной торпеды, построенной в 1883 году английским адмиралом Хауэллом. Его соотечественники братья Ланчестеры в 1905 году сконструировали первый маховичный экипаж.

Решающее, даже победное на долгие годы слово сказал русский инженер-самоучка из города Курска А. Г. Уфимцев. О нем тоже почему-то не знают за рубежом. А жаль. До него изобретатели старались отодвинуть основную массу маховика как можно дальше от центра, не понимая, что при этом центробежным силам тем легче разорвать маховик, чем обороты больше. Уфимцев поступил иначе. Он сделал диск массивным в центре и утончающимся к периферии. На больших скоростях вращения такой маховик становился равнопрочным и не разрывался. Соответственно, удельная энергоемкость его, то есть количество энергии, которую он может запасти, приходящееся на единицу веса, была очень высокой. Пределом служила лишь прочность материала, из которого изготовлялся диск.

Все остальные конструкции, появившиеся позднее, например, инерционный аккумулятор «Электрогиро», построенный в 1947 году швейцарской фирмой «Эрликон», или появившиеся после 1960 года рекуператоры «Гиректа», «Гидректа» английской фирмы «Кларк» не могли превзойти конструкцию Уфимцева. Его инерционный аккумулятор для ветроэлектростанции в городе Курске образцово выдержал проверку времени и сохранил работоспособность по сей день.

Маховичный экипаж Ланчестера

Инерционный аккумулятор А. Г. Уфимцева с механической передачей: 1 — маховик, 4—корпус, 5—6—зубчатая пара, 8—уплотнение

Значит, дело за материалом одновременно легким и прочным, чтобы маховик можно было бы разогнать до больших скоростей, не боясь аварии.

В качестве таковых можно использовать сравнительно недавно появившиеся высокопрочные стеклянные, кварцевые волокна, сверхпрочные монокристаллы — «усы». Причем маховик не надо делать сплошным, а навивать волокна на ось. Об этом я говорил еще в 1965 году (см. ИР, 12, 65). Тогда выдвигалась скорее идея, хотя и обоснованная расчетами и эскизами. Сегодня уже есть реальная конструкция. В качестве исходного материала была выбрана тонкая стальная лента. Из такой делают лезвия бритв. В крохотной да еще и сугубо теоретической по профилю лаборатории, где я тогда работал, развернуться было негде. Пришлось срочно переоборудовать под мастерскую собственную квартиру.

Станок для навивки сочинили из дисков моей спортивной штанги и стульев. Работал он на живой силе (не путать его с кинетической энергией, которую по старинке называют так же) — крутили его моя жена и двоюродный брат. Я был распорядителем работ и склейщиком. Задача была такова: на десятиметровую стальную ленту надо было нанести ровным слоем (с помощью фитиля из старой фетровой шляпы) клей БФ-2 и одновременно крутить диск из стеклопластика, позднее из дюраля с такой скоростью, чтоб успеть намотать на него злосчастную упругую полосу, пока клей не засох. Не каждый раз это удавалось. Лента хлопала по полу и потолку, оставляя неистребимые следы, резала руки. Тогда-то я убедился в живительных антисептических и коагуляционных свойствах БФ-2, Попадая в порезы, он вызывал жгучую боль, но зато я сейчас здоров и бодр. Чтобы сталь лучше склеивалась, ее надо было протирать спиртом. С большим трудом удалось добыть целый литр. Но стоило мне отлучиться, как брат случайно разбил бутылку. Он сам показывал осколки, но почему-то от них не пахло спиртом, а весь запах впитался в дорогого братца.

Наконец, три маховика диаметром в полметра и весом около 10 килограммов были сделаны и прошли термообработку (нагрев до 150 градусов на кухонной плите).

Маховик выдержал 28 тысяч оборотов в минуту. Таким образом, его энергоемкость оказалась равной 8 тысячам килограммометров на килограмм веса. Почти в шесть раз больше, чем у маховика швейцарского гиробуса! Такого запаса энергии вполне хватит, чтобы автобусу проехать 20—30 километров с одной зарядки.

Мои зарубежные коллеги тоже использовали новые материалы и создали многообещающие конструкции. Кстати, по удачному предложению доктора Рабенхорста их теперь называют супермаховиками. В 1965 году я и не знал, что проектирую супер, а не оскандалившийся маховик.

Сейчас можно выделить три типа этих механизмов; ободковые, разработанные нами, стержневые — фирмой «Локхид», и клиновые — доктором Рабенхорстом.

Супермаховик Рабенхорста

Маховичный автомобиль Рабенхорста

Диаграмма удельной энергоемкости аккумуляторов

Второй тип назван так из-за своей формы, напоминающей толстый стержень, равнопрочный при вращении. Это обстоятельство позволяет полнее использовать свойство анизотропности стеклопластиков, из которых выполнен супермаховик, хорошо работающих при одноосном нагружении. Фирма провела тщательные и всесторонние испытания своей конструкции и собирается устанавливать их на автобусах, собранных по гибридной схеме (маховик плюс двигатель), а также, видимо, будет использовать по прямому своему профилю — в авиации. В прессе эти материалы еще не освещались. О них сообщила мне фирма, прислав свой новейший технический отчет, датированный 30 апреля 1971 года.

Разработанная конструкция теоретически имеет, пожалуй, самую высокую удельную энергоемкость, относительно безопасна при разрыве, так как не образуется при этом крупных и твердых осколков, легко уравновешивается. Такие положительные качества несколько блекнут, однако, из-за недостатков. Маховик все-таки громоздкий. В камере необходим высокий вакуум, чтобы стержень мог легко вращаться, а не терять энергию из-за плохих аэродинамических качеств.

Доктор Рабенхорст создал клиновой тип маховика. К сожалению, в своем письме он не останавливается на технических подробностях, сосредоточив все внимание на теоретической стороне дела, но приложенные чертежи дают представление о конструкции. Маховик представляет собой двухлопастный винт с углом подъема 7—8 градусов. Вид его настолько необычен даже для специалиста, что я его вначале принял за насос. Ну это курьезная деталь. А серьезно, конструкция более компактна по сравнению с предложенной фирмой «Локхид». Однако изготовить ее и сбалансировать гораздо сложнее.

Сравнивая два зарубежных супермаховика с нашим, можно удовлетворенно отметить, что отечественный, ободковый тип имеет больше положительного. Он самый маленький, при разрыве его легко починить и запустить снова, внутри обода можно разместить некоторые важные детали — вал генератора, редуктор, муфты, магнитную подвеску и прочее, кому как удастся. А круг, согласитесь, легко уравновесить.

Сначала я думал, что удельная энергоемкость меньше, чем у американских маховиков, но когда уже заканчивал эту статью (писал, конечно, не один день), детальные математические расчеты показали, что разница незначительна.

Но, в общем, основные показатели супермаховиков близки друг к другу и, самое главное, они заставляют иначе посмотреть на перспективность маховиков как конкурентов двигателей и электроаккумуляторов.

По мнению доктора Д. В. Рабекхорста, супермаховики найдут себе применение не только на автотранспорте, но и на подводном и воздушном флоте, метро, планетоходах, ручном инструменте, сельскохозяйственных машинах и пр. Во всяком случае, легковой автомобиль, сделанный в университете имени Дж. Гопкинса (США), с маховиком весом около 40 кг уже способен пройти с одной подзарядки 180 километров со средней скоростью 90 километров в час. (Появление маховика после долгих лет забвения оказалось сенсационно неожиданным. Первая же конструкция маховичного автомобиля превзошла электромобили.)

По нашему, более осторожному, мнению, сегодня наиболее эффективная и актуальная область применения супермаховиков, в частности ободкового типа из стальной ленты,— городские автобусы с пробегом до 25—30 км между конечными станциями. Подзарядка будет осуществляться на этих станциях мощными стационарными электродвигателями за 3—5 минут. Правда, эти работы пока не предусматривают полную замену двигателя на маховик. Разработана лишь система маховичной рекуперации энергии торможения автобуса, но это первый и необходимый шаг в создании маховичных автобусов.

pandia.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о