KnigaOmelyanenko

5.3. Сравнение высокоскоростных магнитных и колесных поездов

350 км/ч - 95 дБ. Это объясняется высокими аэродинамическими качествами поезда, отсутствием токоприемника и шума качения. В диапазоне скорости, в котором предполагается эксплуатировать поезд Transrapid (до 400 км/ч), генерируемый им шум будет таким же, как у ICE3 в его диапазоне скорости (до 300 км/ч).

Традиционный железнодорожный транспорт имеет высокую степень безопасности. В то же время в ряде публикаций утверждается, что уровень безопасности транспорта на магнитном подвесе в 250 раз выше. В защиту высокой безопасности системы Transrapid говорит тот факт, что ее поезд практически не может «сойти с рельсов», т.к. основание вагонов охватывает путевую структуру. Специалисты утверждают, что при сходе с рельсов в результате столкновения с препятствием вагоны поезда гасят энергию, двигаясь по грунту возле пути. Если же поезд Transrapid сталкивается с препятствием, он не сходит с несущей балки. В этом случае неизбежен жесткий удар с катастрофическими последствиями.

Как в свое время высокоскоростные железнодорожные линии, так и линии на магнитном подвесе в случае их строительства должны быть интегрированы в общую транспортную систему. Местами стыкования системы Transrapid с железнодорожной сетью должны быть главные вокзалы.

Если прокладка линий Transrapid на эстакадах вне города имеет свои преимущества, то устройство эстакад в условиях больших городов с переходами через улицы или железнодорожные линии проблематично. Альтернативный вариант трассы в тоннеле потребовал бы слишком больших затрат.

Выходом из этого положения будет отказ от прокладки линий на магнитном подвесе в крупных городах. В этом случае возможности интеграции системы Transrapid в существующую транспортную систему уменьшаются. Тесное переплетение сетей обеих систем было бы целесообразно, если бы уже существовала разветвленная сеть линий на магнитном подвесе. Если же в существующую густую сеть железнодорожных линий включить небольшие участки системы Transrapid, они станут точками разрыва сети, что уменьшит число сквозных маршрутов и увеличит число вынужденных пересадок.

141

Глава 5. Магнитолевитирующие поезда

При всей надежности сети современных высокоскоростных железнодорожных линий возможны отказы подвижного состава и неисправности устройств инфраструктуры. В этом случае разветвленная сеть, в которую включены высокоскоростные линии, дает возможность обхода блокированных участков. Для системы на магнитном подвесе эта возможность исключается ввиду отсутствия разветвленной сети.

Линии системы Transrapid должны использоваться только для пассажирских перевозок и срочной доставки ценных грузов по аналогии с местными линиями воздушного транспорта. Загрузка поездов должна быть максимальной, чтобы обеспечивалась экономиче- ская эффективность перевозок этого типа.

В связи с незначительными преимуществами системы на магнитном подвесе и сложностью совмещения с существующей железнодорожной сетью ее не следует интегрировать в сложившуюся высокоскоростную сеть системы колесо-рельс. Большие шансы развития она имеет за пределами Европы, а именно в странах со слаборазвитой железнодорожной сетью, в виде отдельных линий, не связанных с железной дорогой.

Участки линии Transrapid могут быть использованы также для дополнения системы колесо-рельс, в том числе и в районах с развитой железнодорожной сетью. Это могут быть:

–линии, соединяющие два пункта в дальних сообщениях и проходящие параллельно существующим железнодорожным линиям, которые уже исчерпали возможности повышения пропускной способности (актуально для густонаселенных регионов);

–короткие линии с большими пассажиропотоками, например, для доставки пассажиров в аэропорты;

–вспомогательные пригородные системы с расстоянием между остановочными пунктами не менее 10 км.

5.4. Транспортные технологии будущего

Первым из магнитолевитирующих поездов нового поколения является проект MEL . Он представляет собой скоростной вакуумный

142

5.4. Транспортные технологии будущего

трубопроводный транспорт, основными отличительными чертами которого являются: вакуумный трубопровод; магнитное подвешивание; тяговый электропривод на основе линейного электродвигателя [45]. Эта система, по замыслу авторов, призвана конкурировать с реактивной авиацией.

Исходной предпосылкой исследования является факт определяющего значения аэродинамического сопротивления движению магнитолевитирующего транспорта при скоростях свыше 300 км/ч.

При последующем анализе системы эксплуатационная скорость принимается равной 270 м/с, что примерно соответствует крейсерской скорости дозвуковых реактивных самолетов. Для скорости 279 м/с минимальное расстояние между остановками должно быть порядка 160 км. Общая протяженность питаемых участков на трассе Нью-Йорк – Лос-Анджелес длиной 4011 км, необходимых для разгона и торможения вагона возле остановок, составляет 453 км. Рас- четы показывают, что можно получить стабильное и равномерное движение вагона, если расположить короткие питаемые участки на значительном расстоянии друг от друга. В случае остановки вагона на перегоне вне питаемого участка, для подвода к ближайшему питаемому участку необходимо использовать автономные тяговые установки.

При приближении к станции торможение обеспечится переводом линейного двигателя в генераторный режим работы. Кроме того, должна быть предусмотрена также механическая, аварийная система торможения, которую можно представить в виде колодок, выдвигающихся из корпуса вагона на шарнирах и тормозящих о стенки трубопровода.

Оптимальное значение вакуума в трубопроводе зависит от стоимости насосного оборудования, расхода энергии на создание тяги и свойств воздушной среды при разной степени разрежения.

Исходя из анализа указанных условий и характеристик существующих вакуумных насосов, давление внутри трубопровода принято равным 101 Па. На двухтрубной линии протяженностью 4011 км, собранной из секций диаметром 3,66 м и длиной 12,2 м, поступление воздуха извне составит 3.104 ì3 (при нормальном давлении) в сутки.

143

Глава 5. Магнитолевитирующие поезда

Перед вводом линии в эксплуатацию 4000 ротационно-поршневых вакуумных насосов типа S-1600 смогут откачать воздух из трубопровода за 94 ч. Насосы разместятся в 200 насосных станциях (по 20 в каждой), расстояние между которыми составит 20,1 км. Для поддержания заданного уровня разрежения и откачки поступающего извне воздуха насосная система должна работать в среднем 4,7 ч в сутки.

Трубопровод должен размещаться под землей. Это обусловливает ряд важных преимуществ: возможность прокладки трассы без ограничений в любом направлении, в том числе и к центру города, с максимальным приближением к прямой линии; защита от разрушений в результате злоумышленных действий; независимость от погодных условий и стихийных явлений (в том числе от наводнений, ураганов, снежных бурь и т. п.); неподверженность случайным по-

1 – трубопровод диаметром 3,66 м; 2 – статор линейного двигателя; 3 – платформа; 4 – путевая структура системы подвеса; 5 – кабина вагона; 6 – выход; 7 – межвагонное соединение

Рис.5.11. Транспортная система MEL

144

5.4. Транспортные технологии будущего

вреждениям, происходящим при контактах с какими-либо видами повседневной деятельности на земной поверхности.

Общая длина вагона 36,6 м. Схема системы и поперечный разрез вагона показаны на ðèñ.5.11. В центре вагона находится гибкое междувагонное соединение, которое может иметь вид «гармошки» из металла или из металлических элементов с резиновыми прокладками. Назначение такой «гармошки» – облегчить преодоление кривых участков пути.

В салонах для пассажиров необходимо поддерживать соответствующее содержание кислорода в воздухе, комфортную температуру и влажность воздуха. Давление внутри вагона не должно сильно отличаться от атмосферного. Проблема герметизации аналогична тем, с какими приходится сталкиваться конструкторам современных самолетов.

К конструкции вагонов системы МЕL предъявляется еще одно важное требование: при нормальной работе они должны допускать вход и выход пассажиров, а также погрузку и выгрузку грузов в условиях глубокого вакуума вне вагона в трубопроводе.

Лучше всего проблема создания пассажирских шлюзов, обеспечи- вающих удобный переход пассажиров через вакуум, решается при размещении дверей в полу вагона: плоская поверхность пола – самое подходящее место для устройства шлюза. При этом достаточно растянуть «гармошку»шлюзавсегонанесколькосантиметров,чтобыонадошладо уплотняющейпрокладки.Крометого,вслучаеавариимеждустанциями в трубопровод можно подать воздух, и пассажиры через такой люк могут выйти из вагона в трубопровод (пол вагона возвышается над полом туннеля на 0,9 м). Конструкция шлюза должна обеспечивать готовность к входу и выходу пассажиров через 30 с после остановки вагона.

Вдоль трубопровода можно разместить с определенным интервалом устройства («колодцы»), через которые в случае аварии с вагоном трубопровод можно наполнить воздухом. Могут быть предусмотрены также щиты, которыми можно отделить часть трубопровода для подачи воздуха только в ту часть, в которой произошла авария. Если устройства для впуска воздуха расположить на трассе с интервалом 0,8 км, площадь каждого колодца для подачи воздуха принять

145

Глава 5. Магнитолевитирующие поезда

равной 0,93 м2, а среднюю скорости подачи воздуха – 45 м/с, то один колодец поднимет давление в изолированной секции длиной 0,8 км с 0,001 до 40.103 Ïà çà 1 ìèí.

Для эвакуации пассажиров из наполненного воздухом трубопровода в случае аварии вагона необходимо предусмотреть аварийные выходы. Ими могут служить колодцы для подачи воздуха. Тогда пассажирам не придется проходить пешком по трубопроводу до ближайшего выхода более 400 м. Для облегчения выхода отверстие должно быть устроено в нижней части трубопровода (диаметр последнего 3,66 м) с учетом пространства, занимаемого аварийным механическим тормозом вагона. Выход следует предусмотреть в пространство между трубами.

С точки зрения безопасности и надежности система MEL имеет преимущества перед воздушным транспортом. Экипаж MEL разделяет транспортную среду только с другими экипажами MEL, положение и скорость которых известна в любое время. Самолеты, помимо наличия других самолетов, могут встретиться с сильными ветрами, дождями, мокрым снегом, снегопадами, мглою, туманами, турбулентностями ясного неба, завихрениями от других самолетов, попаданием птиц в самолет, должны считаться с находящимися в воздухе военными самолетами и малыми летательными аппаратами, препятствиями на местности и т.п. Система МEL в отличие от воздушного транспорта не представляет опасности для населения, не пользующегося ее услугами. Тяговые устройства и подвеска в системе MEL содержат минимальное число движущихся частей, что значительно уменьшает вероятность выхода оборудования из строя по сравнению с оборудованием самолетов.

Следующим является проект высокоскоростного поезда с электродинамическим подвесом и находящимся на борту автономным источником энергии для создания тяги, который предложен сотрудником технологического факультета Токийского университета Сейкей Т. Ишигока [46].

Поезд имеет электродинамическую систему подвеса и направления со сверхпроводящими магнитами на борту и короткозамкнутыми катушками на пути. Тяга обеспечивается линейным асинхрон-

146

5.4. Транспортные технологии будущего

1 – газотурбинный двигатель; 2 – сверхпроводящий генератор; 3 – резервуар с жидким водородом; 4 – первичная обмотка линейного асинхронного двигателя; 5 – вагон с силовой установкой; 6 – пассажирский вагон; 7 – гелиевая холодильная установка; 8 – глушитель; 9 – воздухозаборник; 10 – выход выхлопных газов

Рис. 5.12. Поезд с магнитным подвесом и автономной системой энергоснабжения: а – конфигурация поезда;

б – конфигурация вагона с силовой установкой;

ным двигателем с первичной обмоткой, размещенной на экипаже, и вторичной – в виде алюминиевого листа - на пути. Общая конфигурация поезда показана на ðèñ.5.12. Как видно из ðèñ.5.12à, бортовая составляющая системы тяги состоит из четырех основных частей. Это криогенный резервуар с жидким водородом, газовая турбина, сверхпроводящий генератор переменного тока и первичная обмотка линейного асинхронного двигателя.

В качестве бортового источника энергии, обладающего малым весом, можно использовать комбинацию газотурбинного двигателя и сверхпроводящего генератора переменного тока.

Высоко мощные, легкие газотурбинные двигатели широко используются в области аэронавтики. Например, турбовинтовой

147

Глава 5. Магнитолевитирующие поезда

двигатель Кузнецова ¹К-12МА имеет выходную механическую мощность на валу 14000л. с. (10,5 МВт) при массе приблизительно 2350кг.

Для легкого, мощного генератора единственным вариантом может быть только сверхпроводящий генератор. В настоящее время ВВС США разрабатывают такой бортовой самолетный генератор.

Мощность холодильной установки, которая требуется для поезда с магнитным подвесом со сверхпроводящим генератором и водородным топливом, определяется скоростью испарения жидкого гелия в сверхпроводящих генераторах. Используя данные о бортовом самолетном сверхпроводящем генераторе, можно оценить скорость испарения, которая должна составлять приблизительно 200 л/ч. Кроме того, если используется электродинамическая система подвеса, то необходимо учитывать также испарение жидкого гелия для системы подвеса. Оцениваемая скорость испарения для этой цели равна приблизительно 400 л/ч. При этом удельная масса бортовой холодильной установки на жидком гелии должна составлять около 50 кг на единицу производительности системы ожижения 1 л/ч.

Для поезда, состоящего из 15 вагонов, длиной 400м, массой 600 тонн, имеющего 1200 пассажиров и движущегося со скоростью 500км/ч, мощность для тяги составляет 130 МВт в туннеле и 71 МВт на открытой местности. Для генерации требуемой мощности необходимо использовать четыре газотурбинных двигателя. Каждый газотурбинный двигатель развивает мощность 32,5 МВт. Эти четыре газотурбинных двигателя разделены на две группы: одна установлена в переднем силовом вагоне, а другая – в заднем силовом вагоне. Две газовые турбины расположены параллельно друг другу.

Длина и диаметр газовой турбины равны соответственно 10м и 1,5м. К каждой турбине напрямую подсоединены сверхпроводящие генераторы, длина и диаметр которых равны 1,5м. Для прохождения поездом пути в 500км потребуется около 10 т жидкого водорода. На основании приведенных выше данных предлагается конфигурация вагона с силовой установкой, показанная на ðèñ. 5.12á. Силовые вагоны располагаются в голове и в хвосте каждого поезда.

148

5.4. Транспортные технологии будущего

Таблица 5.1

Сравнение магнитных поездов с различными системами тяги

Сравнивая данные òàáë.5.1, можно видеть, что предлагаемый поезд со сверхпроводящим генератором и линейным асинхронным двигателем имеет более высокое значение КПД.

В 1972 г. американские инженеры Э.Лукас и Д.Лефренс запатентовали наземную транспортную систему, в которой магнитное поле, создаваемое током линии электропередачи постоянного тока, в сочетании со сверхпроводящими магнитами на транспортном средстве, используется для его магнитной левитации. Причем линия электропередачи постоянного тока является одновременно частью обычной энергетической системы распределения электроэнергии.

Схема такой системы приведена на ðèñ. 5.13. Подвес и боковое направление вагона обеспечивается взаимодействием токов СПМ, которые расположены в контейнерах, прикрепленных с двух сторон к вагону, и токов, протекающих в расположенных на путевом полотне шинах линии электропередачи постоянного тока. На движущийся вагон (ðèñ.5.13à), необходимо четыре токонесущих шины. Шины располагаются на путевом полотне под определенным углом к горизонту, так что взаимодействие токов, протекающих в них, и токов сверхпроводящих обмоток создают одновременно силу подвеса и силу бокового направления.

Расчеты показали, что для подвеса вагона массой 50 т при зазоре между поверхностями сверхпроводящей катушки и путевой шины

149

Глава 5. Магнитолевитирующие поезда

1 – сверхпроводящий магнит; 2 – вагон; 3 – линия электропередачи постоянного тока; 4,9 и 12 – разъединители; 5 – автоматический выключатель; 6 – трансформатор; 7 – выпрямитель; 8 – шунтирующий вентиль; 10 – шунтирующий разъединитель; 11 – сглаживающий реактор; 13 – сверхпроводящий магнит; 14 – сверхпроводящие панели; 15 – сверхпроводящая линия электропередачи постоянного тока; 16 –

линия электропередачи переменного тока,

Рис.5.13. Объединенная левитационная и электроэнергетическая система: а – общий вид с линией электропередачи нормальной проводимости; б – схема подстанции; в – общий вид со сверхпроводящей линией электропередачи;

0,2 м и магнитодвижущей силе сверхпроводящей катушки 7x106 А по путевой шине должен протекать ток 1000 А. Линии электропередачи постоянного тока, применяющиеся в настоящее время, несут токи порядка 10 кА при напряжении 200–750кВ. Предлагаемая транспортно-энергетическая система с двухсторонним движением, несущая ток 8000 А, может поставлять к потребителю по меньшей

150