Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Гулиа Н.В. Инерционные аккумуляторы энергии

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

25.10.2023

Размер:

12.25 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 / 2413 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

Г Л А В А V

ПУТИ С О З Д А Н И Я И Н Е Р Ц И О Н Н Ы Х М Е Х А Н И Ч Е С К О Й

ЭФ Ф Е К Т И В Н Ы Х

АК К У М У Л Я Т О Р О В

ЭН Е Р Г И И

Н е с м о т ря на многовековую историю маховика, развитие инерционных аккумуляторов до середины XX в. шло чрез вычайно медленно. Повинен в этом был преимущественно низкий уровень техники прошлых веков. Но и сейчас, несмот ря на огромные возможности современной техники, совершен

ство инерционных	аккумуляторов оставляет	ж е л а т ь боль
шего.
Совершенство	инерционного аккумулятора	определяется

в основном его удельной энергоемкостью и безопасностью,


малыми внутреннимипотерями и удобной							характеристикой
накопления и выделения		энергии.
§ 1. Повышение прочности,
энергоемкости н безопасности
В настоящее время			одним		из	самых		эффективных
инерционных	аккумуляторов		с	монолитным			маховиком		мож
но считать устройство		Гиректа		фирмы		Кларк .		Определим
энергоемкость	его маховика.								м'сек.
О к р у ж н а я	скорость	маховика			достигает		400—450
Форма — средняя между диском .постоянной							толщины		и рав-

ной прочности с коэффициентом рациональности К примерно

0,1	мА/кн'Сек2.	П о д и а г р а м м е U —	К (! см. гл. V I ) определяем,
что	н а п р я ж е н и е в диске достигает		2500—3000 кГ/см2.	Удель
ная энергоемкость такого диска составляет 2500—3000				кГм/кг.
Это	очень высокий показатель дл я маховика . Д л я сравнения

отметим, что этот показатель у маховиков фирмы Эрликон и

отечественных

составляет

соответственно

всего

1400

700

кГм/кг.

П р и существующих конструкционных

м а т е р и а л а х

нель

зя о ж и д а т ь

сколь-нибудь

значительного

увеличения

. энерго

емкости маховиков.

П р и трехкратном

запасе

прочности,

что

необходимо

д л я

монолитных

маховиков,

предел

прочности

материала

маховика

фирмы

К л а р к достигает

9000

кГ/см2.

Это чрезвычайно высокая прочность для

материала с

диа

метром заготовки свыше 0,5 м. Ясно, что с повышением

раз

меров

заготовки

из

этого

ж е

материала

прочность

ее

пада

ет. М е ж д у

тем

энергоемкость

маховика

фирмы К л а р к

неве

лика

по сравнению с аккумуляторами

иных

типов — электро

химические и пневматические аккумуляторы о б л а д а ю т удель ной энергоемкостью, которая в 4—10 раз^выше.

Внутренние потери в инерционном аккумуляторе фирмы Кларк невелики. Если маховик отечественного шахтного ги-

ровоэа	полностью	гасит свою угловую			скорость	за
4 часа,	маховик фирмы		Эрликон — за	12 часов, т о ' м а х о в и к
фирмы	К л а р к в р а щ а е т с я		до остановки	около	недели. Это до
стигается п р е ж д е		всего	помещением	тела вращения в		ва

куум. Значительно уменьшено и трение в подшипниках. Оно

составляет всего около 3 Гсм на килограмм

веса

маховика .

Напоминаем,

что в обычных

подшипниках маховиков,

напри

мер шахтного гировоза, эта величина равна

Гсм/кг.

Средняя

потеря

энергии

в р а щ а ю щ и м с я

маховиком

фир

мы К л а р к

составляет

0,025

вт/кг.

Д а н н ы й

показатель

на

столько мал, что его можно

считать близким

аналогичному

для электрохимических аккумуляторов . Однако

и это не

пре

дел. Роторы — маховики, подвешенные

в магнитном

подвесе,

имеют

потери

энергии

порядка

1 , 5 - Ю - 6

вт/кг

при

18 000 об/мин.

Хуже

всего,

пожалуй,

обстоит

дело

с? безо

пасностью быстровращающихся маховиков. Несмотря

на вы

сокий запас прочности, не исключен разрыв

маховика.

Это

может иметь место, например, при аварии

транспортного

средства

с маховиком, случайном

превышении

угловой

ско -

роста маховика и пр. Массивные осколки, летящие со ско


ростью около		450	м/сек	и	более, о б л а д а ю т высокой пробив
ной способностью			и могут		нанести	большой	ущерб .	Эта
«опасность»,	с в я з а н н а я с			применением		маховика, т а к ж е		сдер
ж и в а е т его	распространение.
Перейдем		к рассмотрению перспективного					инерционного
аккумулятора .		К а к	у ж е	было отмечено, значительное повы
шение предела		прочности		монолитных		стальных	заготовок для

маховиков затруднительно и определяется общим уровнем металлопромышленности . Д а л ь н е й ш и м совершенствованием формы маховика и повышением его окружной скорости без увеличения допустимых напряжений опять-таки невозможно добиться ощутимого увеличения энергоемкости, поскольку у современных маховиков коэффициент рациональности фор

мы очень близок к его предельному значению			(для стальных
дисков около	0,125	мл/кн-сек2).
В настоящее время техника располагает -			м а т е р и а л а м и
значительно	большей	прочности, чем стальные	монолитные

заготовки. Например, стальная холоднокатаная лепта имеет

предел	прочности	свыше 200	кГ/мм2.	Е щ е	большей проч
ностью	обладает	стальная	холоднотянутая		п р о в о л о к а — д о
400 кГ/мм2 и выше. Созданы			и выпускаются		специальные во
локна,	о б л а д а ю щ и е весьма высокой прочностью: например, во

локнаиз SiOj, покрытые тонким слоем алюминия, при удель

ном весе	около	2,5 Г/см3,	о б л а д а ю т разрывной прочностью
около 600	кГ/мм2	[ 1 ] .
Использование подобных материалов д л я маховиков				(су
пермаховиков)		позволило	бы во много раз увеличить	их

энергоемкость. В этом случае необходимы специальные кон струкции .маховиков. На рис. 64 представлен маховик, изго товленный из высокопрочной стальной ленты. Л е н т а / нави та в виде обода и посажена на диск 2, изготовленный из ма


териала	с	достаточно			высоким		отношением	и	сравни
тельно	низким		модулем			упругости, например		дюралюминия .
М е ж д у	диском и ободом находится упругая прокладка									3, на
пример	из	резины		или		нейлона	[19] . П р и	значительных
о к р у ж н ы х скоростях обода он расширяется в								большей		степе
ни, чем	диск,		и может «освободиться». Д л я					предотвращения
этого и	компенсации				полученного з а з о р а и			служит	упругая
прокладка .		Витки		ленты,		кроме	последнего,	соединены		друг

Рис. 64. Высокоэнергоемкий маховик с ободом, навитым из стальной ленты (супер маховик) : 1 — ленточ ный обод, 2 — несущий центр, 3 — упругое • зве но.

с другом путем склеивания или другим способом, не нару шающим ее прочности, например диффузионной сваркой. Это необходимо д л я восприятия небольших радиальных н а п р я ж е ний в ободе. Последний виток, имеющий ослабление в виде,

например, отверстия,

навит

свободно, а конец его соединен

с мотком вышеупомянутым

способом.

При вращении маховика в направлении навивки ленты и

превышении

допустимой

скорости

максимальные

н а п р я ж е

ния

испытывает

внешний,

свободный

виток ленты.

Р а з р ы

ваясь, он отходит в сторону и под действием

центробежной

силы

п р и ж и м а е т с я к « о ж у х у маховика,

т о р м о з я

маховик.

Н а

рис.

65 п о к а з а н ы

т а к и е

маховики

до испытаний,

на

рис.

после испытаний на разрыв . Такой маховик

не м о ж е т

вызвать

серьезных аварий,

т а к

как

не дает осколков

и, по

существу,

остается целым.

Аналогичный результат был достигнут при изготовлении

обода маховика (супермаховика) из стекловолокна

с эпоксид

ной связкой. Р а з р ы в

такого

маховика т а к ж е

безопасен — обод

«размочаливается»

на

тонкие волокна,

не способные

пробить

д а ж е ' с л а б ы й

кожух

(рис.

67). Энергоемкость

такого

супер

маховика, разработанного автором совместно с А. М. Куперманом, — 11 тыс. кГм/кг — почти вдвое выше, чем у анало гичных супермаховиков фирмы Л о к х и д при более безопасном разрыве .

§ 2. Уменьшение внутренних потерь

К а к было отмечено выше, маховик фирмы

Кларк

имеет потерн мощности в среднем

0,025 вт\кг

при

моменте

сопротивления

около 3 Гсм/кг.

Этот показатель

может быть

еще

более

уменьшен

путем

применения специальных

подве

сок

маховиков.

Д л я

валов

вертикальной

осью

вращения

наиболее удобным и эффективным

методом 'снижения

потерь

в подшипниках

является

магнитное

подвешивание. В

настоя

щ е е время магнитное подвешивание" используется

большей

частью в точных приборах.

Первые исследования магнитного подвешивания тел про

водились

еще Эрншоу

Максвеллом в серединеіпрошлого ве

ка,

однако

р я д

вопросов,

связанных

с магнитным

подвешива

нием, остался неисследованным по настоящее ;время. В част ности, отсутствуют данные о подвешивании достаточно мас сивных дисков в поле постоянных магнитов, когда зазоры между ними достаточно малы; мало исследован вопрос о

влиянии потерь на вихревые токи, возникающие			вследствие
нахождения в магнитном поле подвески различных				металли
ческих частей.	Остается	т а к ж е неисследованным	вопрос о
применении магнитной подвески с постоянными			магнитами
д л я случаев быстрого вращения, что необходимо,			например,
при подвешивании в р а щ а ю щ и х с я с большой угловой				скоро
стью маховиков	инерционных аккумуляторов .
Вследствие	того что	практически невозможно		создание

однородного магнитного поля постоянных магнитов, теорети ческие расчеты вопросов магнитного подвешивания тел не д а ю т удовлетворительных результатов. В связи с этим был исследован процесс вращения дисков (маховиков), подвешен ных в магнитном поле на специальных стендах. Схема стенда представлена на рис. 68. Диск / поддерживается в. подвешен ном состоянии при помощи кольцеобразных постоянных оксид-

нобариевых магнитов	2. Полюса магнитов .и зазоры	между
ними выбраны таким	образом, чтобы диск, находился	в устой

чивом равновесии по вертикальной оси. С целью устранения

боковых перемещений	предусмотрены шарикоподшипники 3,
в которых вал диска	4 — на скользящей посадке. В процес

се испытаний, чтобы избежать заметного влияния (вентиляци онных потерь, диск разгонялся до скорости, не превышающей

240 об/мин.

Рис. 68. Схема стен да магнитном подвески маховика: / — маховик, 2 — магниты, 5 — под шипники, 4 — ось.

Э к с п е р и м е н т а л ь н ые исследования магнитной подвески показали значительное снижение потерь в подшипниках при вывешивании массивного диска с помощью магнитов. Так,

например,	момент трения в	подшипниках-	без применения
магнитной	подвески составил	17 Г см. П р и	вывешивании ж е

диска с помощью магнитов были получены средние значения

момента трения 0,7	Г см или около 0,12		Гсм/кг.	Это		обуслов
ливает очень м а л ы е	внутренние	потери	энергии	в	аккумуля
торе [18, 27]. П о д в е ш и в а н и е ж е		маховика в вакуумной маг
нитной подвеске без	непосредственного		контакта		с	опорами
(рис. 69) практически устраняет потери			энергии	при		в р а щ е
нии.

§ 3. Создание рациональной

рабочей характеристики

Одним из основных факторов эффективного исполь зования инерционных аккумуляторов является рациональный привод от маховика к исполнительному органу, обеспечиваю щий н а д л е ж а щ у ю характеристику накопления и выделения энергии.

Рабочие характеристики обычных маховиков м а л о при менимы в условиях работы большинства агрегатов и м а ш и н .

Рис.		69. Подарка
маховика		в вакууме		без
непосредственного				кон
такта	с	опорами:		/ —
маховик,		2 — электро
магнит,		3 — сердечник,
-I — следящая			система
для поддержания			махо
вика	на	определенной
высоте.

Н а л и ч и е инерционных - аккумуляторов в приводе машин, за исключением небольшого числа случаев, требует обязатель ной установки в трансмиссию гибкого звена, например элект рических, гидравлических или механических вариаторов либо

муфт скольжения .		Это значительно снижает эффективность
применения инерционных			аккумуляторов .	М е ж д у тем	стати
ческие	аккумуляторы — заводные пружины			и п р . — о б л а д а ю т
в е с ь м а	удобной «мягкой»		характеристикой	накопления	и вы
д е л е н и я	энергии.	Одиатсо	статические аккумуляторы		значи

тельно, в сотни раз, менее энергоемки, чем инерционные ак

кумуляторы того ж е веса.
И з	сказанного можно сделать	вывод, что	наилучшим об
разом	удовлетворить требованиям,	п р е д ъ я в л я е м ы м		к аккуму
л я т о р а м механической энергии, м о ж е т агрегат,			по	характери

стике сходный со статическими аккумуляторами, а по энерго

емкости — с инерционными.
Р а з р а б о т а н а схема	аккумулятора	центробежной по
тенциальной энергии, обладающего мягкой			характеристи
кой аккумулирования	и выделения	энергии	и допускаю-

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 / 2413 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ