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

прецессию гироскопа и не вызывает д в и ж е н и я самой

п л а т ф о р ­

мы. Однако следует заметить, что в наших

р а с с у ж д е н и я х м ы

не учитывали нутацию. В действительности

ж е при

п р и л о ж е ­

ложенного внешнего момента.

Если

у к а з а н н ы е

п а р а м е т р ы

выбраны

правильно,

а в случае

необходимости приняты

еще

и некоторые

специальные меры, то

нутационные

колебания

п л а т ф о р м ы

будут

практически .неощутимы. '<С исчезно­

вением

внешнего

момента под действием момента сер­

вомотора

гироскоп

вернется в

нормальное положение,

при

вомотора обратятся в нуль. Таким

образом, п л а т ф о р м а ста­

билизируется путем компенсации

в о з м у щ а ю щ е г о

момента

вомотора меньше

возмущающего момента, избыток послед-

пего компенсируется г.проскопическим моментом,

развивае ­

мым прецессирующим гироскопом.

Если в о з м у щ а ю щ и й момент будет действовать

по осп

внутренней рамки, то он вызовет прецессию правого

гироско­

па, который в этом

случае аналогично предыдущему

приведет

жении п л а т ф о р м ы , изображенном

на рис. 99,

левый

гироскоп

должен

у п р а в л я т ь

сервомотором

наружной

рамки,

а

пра­

в ы й — сервомотором

внутренней рамки .

Повернем корпус

п л а т ф о р м ы в азимуте

на некотоюый

угол, не кратный 90°. Теперь оси собственного

вращения

ука­

занных

гироскопов у ж е

не будут

п а р а л л е л ь н ы

осям

внутрен­

ствующий по любой из этих осей, будет вызывать

прецессию

сразу обоих гироскопов. И, следовательно,

если

сохранить

п р е ж н ю ю схему управления, то будут включены

оба

серво­

мотора, в то время как должен работать

только

тот.

по оси

которого

д е й с т в у е т ' в о з м у щ а ю щ и й

момент. В этом случае тре­

буется" определить,

по

какой оси действует

в о з м у щ а ю щ и й

мо­

мент, на какой сервомотор подать

у п р а в л я ю щ и й

сигнал и

каким

он

д о л ж е н

быть по

величине

и

знаку. Если

ж е

возму­

щ а ю щ и е

моменты

действуют

одновременно

по

обеим

осям,

то необходимо

установить,

каким

д о л ж е н

быть

у п р а в л я ю щ и й

сигнал

д л я к а ж д о г о

сервомотора.

Автоматическое

решение

этого

вопроса обеспечивается

т а к

н а з ы в а е м ы м

преобразова ­

телем

координат,

который

представляет

собой

поворотный

т р а н с ф о р м а т о р ,

используемый

в качестве

ф а з о в р а щ а т е л я .

Прецессию

левого

и правого

гироскопов

в ы з ы в а ю т

толь­

ко моменты, направленные

по

их

осям

(см.

рис. 98, 99),

ко­

Поэтому прецессия гироскопов,

а следовательно, и сигналы

их датчиков угла характеризуют

моменты, действующие на

кулярным

осям. П р е о б р а з о в а т е л ь координат воспринимает

азимутальное положение п л а т ф о р м ы относительно

корпуса

прибора и

обеспечивает

преобразование у к а з а н н ы х

моментов

к осям внутренней и наружной р а м о к д л я

любого азимуталь ­

ного

положения п л а т ф о р м ы относительно

корпуса

прибора

путем

соответствующего

преобразования

сигналов

датчиков

получает

вращение

от

п л а т ф о р м ы 2 через пару

шестерен при

ее поворотах

относительно

внутренней

рамки .

С т а б и л и з а ц и я

п л а т ф о р м ы

относительно

азимутальной

оси-осуществляется третьим гироскопом и сервомотором

плат­

формы,

установленным

на

внутренней

р а м к е (внизу) .

Вход­

ная ось

данного

гироскопа

всегда п а р а л л е л ь н а

азимутальной

оси платформы, поэтому он реагирует

только

на моменты,

действующие

на

платформу

относительно

ее

азимутальной

оси.

Рассмотренный способ стабилизации называется силовой ги­

роскопической стабилизацией . Стабилизирующий

момент,

соз­

д а в а е м ы й гироскопом,

представляет собой гироскопический мо­

мент, возникающий

при прецессии гироскопа

и

направленный

существует

прецессия.

Когда момент сервомотора

становится

равным

по

величине

в о з м у щ а ю щ е м у

моменту,

прецессия

п р е к р а щ а е т с я . С этого

момента времени стабилизация плат­

формы будет осуществляться только сервомотором .

Схема

одноосной

стабилизированной,

п л а т ф о р м ы пред­

ставлена

на

рис. 100.

Рис. 100. Схема одноосной стабилизирован­

ной

платформы: / — гироскоп,

2 — датчик

угла,

3,— сервоусилитель, 4 — сервомотор;

5 — корпус,

6'—

платформа, 7—ось

платформы,

8 — выход­

ная ось гироскопа.

С т а б и л и з и р у ю щ и е свойства инерционных

аккумуляторов

используются

в т а к н а з ы в а е м ы х

однорельсовых

э к и п а ж а х .

Равновесие этих э к и п а ж е й поддерживается помещенным

в них

стабилизирующим-''гироскопическим

устройством

[103].

Это

свойство гироскопов впервые было применено

д л я

стабилиза ­

ции двухколесного э к и п а ж а в

1914

г. П. Шиловски-м.

К а к у ж е было

отмечено,

гироскопический

э ф ф е к т

играет

и

отрицательную роль,

с о з д а в а я дополнительные

нагрузки

на несущие элементы конструкции, .могущие

вы­

звать их

разрушение . М е ж д у тем

помимо специальных

инер­

ционных

а к к у м у л я т о р о в

энергии на всех

транспортных

сред­

ствах, в

том

числе

и на

автомобилях, обязательно

имеются

в р а щ а ю щ и е с я

маховые

массы — детали

двигателя,

турбины,

маховики,

колеса

и пр.

П р и угловых перемещениях

д в и ж у ­

ние

их

влияния на опоры подшипников могут

дать м а т е р и а л

как

д л я

их прочностного расчета, так и д л я определения влия ­

ния

гироскопического момента на устойчивость

д в и ж е н и я той

ся на водном и воздушном транспорте, где скорости

угловых

перемещений

особенно

велики. Д л я

рельсовых ш а х т н ы х

локо­

мотивов

подобные исследования

были

проведены

М. И. Щ е р ­

баковым

[94] . Согласно его

данным,

основным

фактором,

в л и я ю щ и м на величину гироскопических нагрузок,

я в л я ю т с я

поперечные

угловые перемещения

э к и п а ж а .

Амплитуда

пре­

цессионных

колебаний

в этом

случае

п р е в ы ш а е т

соответст-

( вующую,

в ы з ы в а е м у ю

п р о д о л ь н ы м и

к о л е б а н и я м и

э к и п а ж а , в

3— 4 р а з а . Средние значения

угловой скорости колебаний

эки­

п а ж а составили

д л я

усредненного

п р о ф и л я

пути

около

4- Ю -

2 рад/сек,

максимальные

ж е — около

1 1 , 5 - Ю -

2

рад/сек.

Д л я

наиболее х а р а к т е р н ы х

участков

пути

угловая

скорость

колебаний э к и п а ж а достигала

0,5

рад/сек.

Исследования угловых скоростей перемещения д л я авто­

мобилей были

проведены

фирмой

К л а р к

в Англии

с п о м о щ ь ю

специального

прибора,

разработанного

М . П л и н т о м

[135].

П р и б о р этот

состоит из

гироскопа, подвешенного

в р а м е с

вертикальной

осью в р а щ е н и я

и

прецессирующего

под

дейст-

виєм

колебаний

э к и п а ж а .

Д в и ж е н и я

прецессии

передаются

на самописец,

з а п и с ы в а ю щ и й

отклонения

оси гироскопа

на

двух

лентах,

д в и ж у щ и х с я

во

взаимно

перпендикулярных

на­

правлениях .

Полученные

данные

при

исследовании

угловой

скорости

колебаний

автобуса,

д в и ж у щ е г о с я

со

скоростью

40

км/час,

позволили установить, что максимальные поперечные

колеба­

ния

э к и п а ж а

происходили

с

угловой скоростью около 8-

• Ю - 2

рад/сек.

При

этом

м а к с и м а л ь н а я

скорость

совместных

(продольных

и

поперечных)

колебаний

составляла

около

8 , 8 - Ю - 2 рад/сек.

Т а к и м образом,

по

этим

данным

можно

су­

дить

о том,

что

продольные

колебания

(галопирование)

эки­

п а ж а совершались

с

меньшей

угловой

скоростью.

Угловые

скорости

поворота

продольной

оси э к и п а ж а

не исследовались.

Частота

колебаний

б ы л а ' п о р я д к а

1,5—2

гц.

К. п. д. инерционных аккумуляторов, как

и других

меха­

низмов, представляет собой отношение полезно

затраченной

энергии к суммарной энергии, выделенной за

время,

в

тече­

ние которого они

находились во включенном

состоянии:

vp

р

vp

у р

где 2 . Е П Л

— э н е р г и я ,

з а т р а ч е н н а я

на полезную

работу;

2 Е п о т — э н е р г и я ,

з а т р а ч е н н а я на преодоление

сопротивлений

в р а щ е н и ю ;

Ео — с у м м а р н а я энергия,

выделенная

за

время

работы .

Энергия, необходимая д л я совершения полезной

работы,

может быть определена

исходя из мощности

потребителя и

го а к к у м у л я т о р а

эти

п а р а м е т р ы д о л ж н ы

быть з а д а н ы к а к

исходные. Энергия

же,

з а т р а ч е н н а я на преодоление

сопротив­

лений вращению, д о л ж н а быть определена

исходя

из условий

р а б о ты инерционного

а к к у м у л я т о р а — - с к о

р о с т и вращения ма­

ховика, среды вращения, веса маховика и

др .

Потери энергии

в инерционном а к к у м у л я т о р е

складыва ­

ются в основном из

потерь на аэродинамические

сопротивле­

узлах . В различных конструкциях инерционных

аккумулято ­

ров

величина

этих потерь

различна . Н а п р и м е р ,

в

конструкци­

ях,

с о д е р ж а щ и х б ы с т р о в р а щ а ю щ и е с я

маховики,

помещенные

в воздушную

с р е д у / в е л и ч и н а

вентиляционных

потерь

состав­

ляет

до

90%

суммарных,

а в

конструкциях с

вращением

ма­

ховика

в

вакууме п о д а в л я ю щ а я часть

потерь

приходится

на

подшипниковые узлы . В инерционных

а к к у м у л я т о р а х

с

не­

большими

вентиляционными потерями

( м е д л е н н о в р а щ а ю ш и е -

ся маховики

в воздушной

среде или б ы с т р о в р а щ а ю щ и е с я

ма­

ховики, помещенные в водородную или гелиевую среду)

эти

два вида

потерь примерно равнозначны .

Д л я

перспективных

конструкций

уменьшение

вентиля­

ционных потерь дает более ощутимый

эффект,

чем снижение

потерь в подшипниковых

узлах, так как по абсолютной

вели­

§ 1. Аэродинамические (вентиляционные)

потеря

Вопросу исследования аэродинамических потерь

при

в р а щ е н и и маховиков в газовой среде посвящено большое

ко­

личество работ к а к отечественных, т а к и з а р у б е ж н ы х ученых.

В этих работах г а з о в а я

среда

приближенно

рассматривается

к а к н е с ж и м а е м а я м а л о в я з к а я

жидкость

[82,

83,

84] .

Согласно экспериментальным данным А. Стодолы,

мощ­

ность, з а т р а ч и в а е м а я

на

вентиляционные потери

при в р а щ е ­

нии диска, определяется

в ы р а ж е н и е м

N =

A n 2 ' 9 ,

где А — коэффициент,

зависящий от конструкции

диска;

п —

число оборотов диска

в

.минуту. Б ы л о

т а к ж е

установлено,

что эта мощность изменяется пропорционально

(т. е. по

ли­

нейному закону) плотности о к р у ж а ю щ е й

среды.

О п ы ты

А.

Стодолы проводились с г л а д к и м диском

диамет ­

ром

около 0,5

м

при о к р у ж н ы х

скоростях менее

100 м/сек

и

с большими

з а з о р а м и между диском и кожухом .

Опыты'

по

определению

вентиляционных потерь

при

о к р у ж н ы х скоростях свыше 200

м/сек

д л я з а з о р о в

около

1

мм

были проведены

В . Е. Варлеем . Д л я выяснения влияния

р а з -

меров диска на величину вентиляционных потерь

д и а м е т р

диска в а р ь и р о в а л с я в пределах 200—300 мм.

В

результате

этих опытов

было установлено, что при одной и той ж е

окруж ­

ной

скорости

абсолютная величина мощности

трения

п а д а е т

по

мере

уменьшения д и а м е т р а

диска.

К р о м е

того,

Варлей-

р а с с м а т р и в а л изменение числа Рейнольдса при вращении

раз ­

личных дисков:

где

и — о к р у ж н а я скорость в р а щ е н и я

диска

с д и а м е т р о м

D, м/сек;

v — кинематическая вязкость

воздуха

на внешнем

д и а м е т р е

диска,

м2/сек.

ч

Зависимость

коэффициента

трения

С/ и

коэффициента

мощности

трения

В от числа Рейнольдса, по

В . Е. Варлею,

в ы р а ж а е т с я

уравнением:

этих

ф о р м у л а х

составлял

всего

0,6.

Исходя

из предположения,

что поток жидкости

(или га­

з а ) ,

заключенный м е ж д у

пограничными

слоями диска

и кор­

пуса,

в р а щ а е т с я к а к

твердое

тело

по

определенному

зако ­

ну, Ф. Шульцем - Груновым была п р е д л о ж е н а формула

д л я

определения

коэффициента

трения

при

л а м и н а р н о м

потоке:

C f

-

^

+

Re

I{-yj[S V

0,0146f

S+

(AjV

2

0,1256

1

R e < 2 . . 0 < ,

"

• "

'

-

-

-

ReS

где

S — зазор

м е ж д у

диском

и стенкой кожухаТ

(202)

Д л я

переходного

периода

ламинарного

потока

к

турбу­

лентному

( R e = (2,4-^2,5) • 105 ):

р

_

1.334

слоях на диске воздух увлекается

к периферии, а в таком ж е

слое на стенках кожуха он течет

в обратном направлении .

со

где со — угловая

скорость

вращения

диска.

М е ж д у тем

в результате аналитического

определения уг­

ловой скорости

д в и ж е н и я

воздуха

получена

ф о р м у л а :

Уточнение

метода

Шульца - Грунова

было

выполнено

А. Ф. З а х а р о в ы м . Метод А. Ф. З а х а р о в а

позволяет объяснить

разницу м е ж д у аналитическими и экспериментальными

зна­

чениями в опытах Ш у л ь ц а - Г р у н о в а .

Пересчет

теоретических

результатов

Шульца - Грунова

(с

учетом

геометрических

размеров

его

экспериментальной

установки)

по

методике

А. Ф. З а х а р о в а

дает

в ы р а ж е н и е ви­

д а :

(о

что

значительно

б л и ж е

к

опытному

результату

Шульца - Гру ­

нова.

Необходимо

учитывать,

что

А. Ф. З а х а р о в проводил

опы­

ты

с тонкими

дисками,

и

результаты

его

исследований

нель­

зя

применить

к м а х о в и к а м . б е з

дополнительных

поправок.