книги из ГПНТБ / Гулиа Н.В. Инерционные аккумуляторы энергии
.pdfН. В. Г У Л И А
ИНЕРЦИОННЫЕ
АККУМУЛЯТОРЫ
ЭНЕРГИИ
ИЗДАТЕЛЬСТВО
ВОРОНЕЖСКОГО
УНИВЕРСИТЕТА ВОРОНЕЖ 1973
У Д К 621.8.032.2-562. |
|
|
|
||||
|
Г у л и а |
Н. В., |
Инерционные |
аккумуляторы |
|||
Изд-во В ГУ, |
Воронеж, 1973, стр. 240. |
||||||
и |
Книга |
является |
первым обобщенным |
пособием по коне |
|||
расчету |
инерционных |
аккумуляторов энергии (маховиков) і |
|||||
но |
к любой машине, |
на котором |
он установлен. В ней лреді. |
||||
новные конструкции, |
выполненные |
в^ СССР |
н за рубежом, а . |
методы расчета инерционных аккумуляторов-маховиков: npov
гетические расчеты, основы гиродинамнкп |
маховиков, их б. |
к. п. д., сравнительная эффективность. |
' |
Маховики используются в чрезвычайно широком классе двигателях, компрессорах, металлообрабатывающих ударных і машинах и др. В последнее время появились городские транепч ства, движущиеся энергией маховика н проходящие значнтелы пня с одной раскрутки, маховичиые устройства, позволяющік вать энергию торможения автомобилей, и другие устройства ствующие о большой перспективности маховиков для автотраї
Издание представляет интерес для широкого круга ню нических н научных работников, аспирантов, студентов технпч изобретателей и рационализаторов.
Библ. ссылок 144, нлл. 105, табл. 8.
|
|
ГОС. |
Пї'БЯ' |
' Л |
|
|
НАУЧІЮ-ТЄК: . : |
||
|
|
БИБЛИОТЕК.'. - С С Р |
||
у '/ |
У У / |
Печатаетсяаеся по решению кЪкифеаоры |
||
• |
' |
теоретической |
механики |
|
|
|
Курского |
политехнического института |
|
|
|
от 10 февраля |
1972 г. |
Научный редактор |
доц. И. В. |
Аникин |
Рецензенты: проф. |
В.А.Зиновьев, |
|
доц. |
В. Д. Путин |
ц ев |
13-3
Книга посвящается выдающемуся изобретателю и конструкторі), энтузиасту маховиков — Анатолию Георгиевичу Уфимиеву
П Р Е Д И С Л О В И Е
Инерционные (маховичные) аккумуляторы энергии чрез вычайно широко распространены в технике. Трудно назвать машину, в которой не было бы маховика или детали, его за меняющей. Двигатели внутреннего сгорания, паровые двига
тели, прокатные станы, компрессоры, |
различные |
пусковые |
|||
устройства, |
м е т а л л о о б р а б а т ы в а ю щ и е |
машины, |
ветроэлектро- |
||
станции — вот неполный перечень |
машин и |
агрегатов, ис |
|||
пользующих |
инерционный аккумулятор |
энергии — маховик. |
|||
Без гироскопа, главной частью которого |
является |
быстровра- |
щающийся маховик, невозможны сейчас ни авиация, ни кос мические корабли, ни навигация на воде. В конструкциях со
временных самолетов, ракет, кораблей, |
а т а к ж е |
связанных |
с |
ними цаземных установок присутствуют |
десятки, |
сотни, а |
то |
и тысячи маховиков весом от нескольких граммов до несколь
ких тонн, в р а щ а ю щ и х с я |
со скоростью до десятков тысяч |
обо |
|||||
ротов |
в минуту. |
|
|
|
|
|
|
У |
инерционного аккумулятора |
множество |
интересных и |
||||
весьма полезных свойств. Это и |
способность |
автоматически |
|||||
переходить с р е ж и м а аккумулятора на режим двигателя |
(бла |
||||||
годаря чему инерционные аккумуляторы часто |
называют |
||||||
инерционными д в и г а т е л я м и ) , и гироскопический |
эффект, |
при |
|||||
сущий |
в р а щ а ю щ е м у с я |
маховику, |
это |
и способность совер |
|||
шать работу, не создавая реактивного момента, |
о к а з ы в а ю щ е |
||||||
го влияние на п о д д е р ж и в а ю щ и е части, |
и многое |
другое. |
|
В последнее время ряд технических достижений — созда |
||
ние высокопрочных и сверхпрочных материалов, |
опор, |
выдер |
ж и в а ю щ и х весьма быстрое вращение, а т а к ж е |
достижения в |
|
области передачи механической энергии и др. |
обусловили |
|
предпосылки для создания перспективных инерционных |
акку |
|
муляторов. Эти аккумуляторы, о б л а д а я значительно большей |
энергоемкостью на единицу веса, безопасностью при разрыве,
большим орокам консервации энергии .и удобной |
(«мягкой») |
|||||
рабочей |
характеристикой, |
у ж е качественно отличаясь |
от |
|||
обычного |
маховика, могут |
успешно |
конкурировать |
не |
только |
|
с перспективными электрическими |
аккумуляторами, |
но |
и с |
|||
двигателями внутреннего |
сгорания. |
|
|
|
|
Следует отметить, что в настоящее время во всех высоко развитых странах мира ведутся работы по созданию эффек тивного аккумулятора энергии для автомобиля будущего. Это обусловлено как токсичностью продуктов сгорания горю
чего, образующихся при работе автомобильных |
двигателей |
|
[101], так и дефицитностью нефти, запасы которой |
ограниче |
|
ны [ 9 ] . Перспективный 'инерционный |
аккумулятор |
('первые |
опытные образцы его у ж е испытаны), |
мог бы явиться удоб |
ным и экономичным источником энергии д л я городского ав
томобиля |
будущего. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
В |
предлагаемой |
книге |
рассмотрены |
как |
типичные |
кон |
|||||||||
струкции |
и |
методы расчета инерционных аккумуляторов для |
||||||||||||||
различных |
машин |
и |
механизмов |
(раздел первый), так и об |
||||||||||||
щие |
вопросы |
расчета |
и конструирования этих |
аккумулято |
||||||||||||
р о в — п р о ч н о с т н ы е |
расчеты |
тел |
вращения маховиков, их ба |
|||||||||||||
лансировка, |
|
основы гиродинамики, энергетические расчеты и |
||||||||||||||
др . |
(раздел |
второй). |
|
Н а р я д у |
с |
известными |
конструкциями, |
|||||||||
уже |
давно |
применяемыми |
в |
технике, |
представлены |
новые, |
||||||||||
наиболее |
передовые |
системы |
и |
методы |
расчета. |
Прослежено |
||||||||||
историческое |
развитие |
инерционного |
аккумулятора - маховика |
|||||||||||||
с момента его возникновения до наших дней. |
|
|
|
|||||||||||||
|
Автор |
|
будет благодарен |
з а |
любые |
замечания ir предло |
||||||||||
жения |
со |
стороны |
читателей, |
имеющие |
целью |
улучшить со |
||||||||||
д е р ж а н и е |
книги. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-Раздел первыл- |
\ |
И Н Е Р Ц И О Н Н Ы Е А К К У М У Л Я Т О Р Ы |
' |
В М А Ш И Н А Х И М Е Х А Н И З М А Х |
I |
|
Г Л А В А I
В О З Н И К Н О В Е Н И Е , Р А З В И Т И Е И С О В Р Е М Е Н Н Ы Е С И С Т Е М Ы
ИН Е Р Ц И О Н Н Ы Х А К К У М У Л Я Т О Р О В
§I . Основные свойства
инерционных аккумуляторов
ІІнерционньїми, или динамическими, аккумуляторами механической энергии называются устройства, аккумулирую
щие энергию в движущейся, в частности в р а щ а ю щ е й с я , |
мас |
се. Инерционный аккумулятор обязательно содержит |
тело |
вращения, о б л а д а ю щ е е значительным моментом инерции, —
маховик — 'її 'Систему для подвода и,отведения |
мощности — |
||
трансмиссию. В простейшем случае такой |
трансмиссией явля |
||
ется вал, на котором сидит |
маховик. |
|
|
Силовые поля, среда |
вращения, в |
которых |
находится |
инерционный аккумулятор, сделали необходимыми такие ка
залось бы традиционные узлы, как подвеска |
маховика и ко |
||
жух. Подвеска маховика воспринимает |
силу |
его тяжести |
|
(вес) |
при нахождении в гравитационном |
поле Земли, а ко |
|
жух |
частично или полностью з а щ и щ а е т |
быстровращающий - |
ся маховик |
от |
потерь, |
связанных с воздействием среды. Кро |
ме того, кожух |
служит |
целям безопасности. |
|
Следует |
отметить, |
что подвеска и кожух не являются |
обязательными частями инерционного аккумулятора . В слу
чаях |
отсутствия |
с и л о в ы х ' п о л |
е й , действующих |
на маховик, |
или |
компенсации |
их действия |
действием других |
полей, что |
имеет место, например, в условиях космического полета, по
требность в |
постоянных |
опорах отпадает. В земных условиях |
||
это возможно, например, в случае (помещения маховика |
в |
|||
магнитное |
поле — т а к |
называемую |
магнитную подвеску. |
|
В условиях |
отсутствия |
атмосферы |
или возможности |
пре |
небречь ее влиянием кожух играет сугубо защитную роль и,
таким образом, т а к ж е является второстепенным |
узлом инер |
|
ционного аккумулятора . |
|
|
Инерционный аккумулятор обладает рядом специфичес |
||
ких свойств, основные из которых следующие: |
|
і. |
1. В отличие от других аккумуляторов, в |
инерционном |
|
энергия может находиться только в д в и ж у щ е м с я |
агрегате. |
|
Отсутствие движения в инерционном аккумуляторе |
указывает |
|
на отсутствие запаса в нем энергии. |
|
|
2. Инерционный аккумулятор, в силу первого |
свойства, |
|
одновременно является-^и двигателем. Переход с |
режима ра- |
. боты аккумулятора па режим двигателя и обратно осущест вляется автоматически при замедлении или ускорении вра щения маховика. Если направление крутящего момента ма ховика к исполнительному органу совпадает с направлением вращения, то это соответствует работе в режиме двигателя; вращение маховика замедляется . При несовпадении указан
ных |
направлений имеет |
место |
работа в режиме аккумулято |
ра; |
при этом происходит |
разгон |
маховика. |
3. Скорость вращения вала инерционного аккумулятора зависит не от нагрузочного момента на этом валу, а только от количества накопленной в нем энергии. Это означает, что инерционные аккумуляторы в отличие от других типов акку муляторов и двигателей, в обоих режимах работы могут ав томатически развивать любую мощность, необходимую па исполнительном органе. Эта мощность лимитируется только возможностями трансмиссии.
4. В отличие от других типов двигателей, при работе инер ционного аккумулятора в обоих режимах не возникает реак тивного момента в креплении агрегата к основанию. Это спе-
цифическое свойство, имеющее как положительное, так и от рицательное значение, следует обязательно учитывать.
5. Вследствие того что при работе инерционного аккуму лятора возможен гироскопический эффект, этот агрегат игра ет роль стабилизатора устойчивости машины, на которой он установлен.
Следует отметить, что к а ж д о е из названных |
свойств мо |
ж е т быть как полезным, так и вредным. Только |
рациональ |
ный их учет применительно к требуемой |
характеристике рабо |
||||||
ты машины, на которой предполагается |
установка |
инерцион |
|||||
ного |
аккумулятора, |
может обеспечить |
высокую |
эффектив |
|||
ность |
последнего. |
|
|
|
|
|
|
§ 2. |
История возникновения и развития |
|
|||||
|
инерционных |
аккумуляторов |
|
|
|
||
|
Возникновение |
инерционных |
аккумуляторов - махо |
||||
виков |
относится к раннему периоду |
истории человеческого |
|||||
общества |
[90] . Первые |
сведения об |
использовании |
аккумули |
рованной в маховике кинетической энергии относятся пример
но к 4500 г. до н. э. На территории |
современного |
И р а к а , в |
|
районе развалин г. Ур (Урский могильник), который |
был |
||
расположен в Месопотамии в низовьях реки Евфрат, |
археолог |
||
Л е о ц а р д Вулли обнаружил древний |
гончарный круг |
(рис. |
1). |
Рис. I. Гончарный круг из раскопок Урского могильника: / — ма ховик, 2 — стойка.
Это т я ж е л ы й диск из обожженной глины около 1 м в диа метре с центральным отверстием и маленьким отверстием у периферии, куда вставлялась рукоятка . В древности на по-
добных кругах, приводимых во вращение р а б а м и или самим
мастером, |
изготовлялись |
гончарные |
изделия. |
Наличие |
не |
большого |
отверстия для |
рукоятки |
у б е ж д а е т |
в том, что |
дан |
ный гончарный круг не в р а щ а л и непрерывно; древний мастер
периодически |
дергал |
за рукоятку, сообщая массивному дис |
|||
ку некоторый |
з а п а с |
кинетической энергии, |
во время |
ж е |
обра |
ботки изделия |
круг |
в р а щ а л с я , медленно расходуя |
накоплен |
||
ную энергию |
[135]. |
|
|
|
|
Гончарный круг |
был самым первым из известных |
нам |
|||
маховиков и одним из первых механизмов. |
Затем |
маховики |
стали применяться и в других примитивных механизмах, на пример ветряных мельницах, водокачках и пр. Одно из по добных сооружений, известное под названием «Большое ко
лесо М а н д а р |
и н а » |
(рис. 2) было построено в Китае в низовье |
реки Хуанхэ |
еще до нашей эры. Это колесо, .согласно опи |
|
санию древтеих, |
имело «четыре 'человеческих роста над зам- |
Рис. 2. Большое колесо Мандарина — гигант ский маховик, из древнего Китая; роль маховых масс играют привязанные к колесу тяжелые кам ни: / — камни, 2 — паруса, 3 — трос, 4 — тран шея.