1.33. Принцип роботи маховичного двигуна

Як відомо з фізики, будь-яке тіло, що рухається, є носієм кінетичної енергії. Тіла можуть рухатись по-різному: поступально, обертально, довільно у площині чи просторі, можуть обертатись навколо якоїсь осі як дзиґа. Самий простий вид руху – поступальний. При ньому усі точки описують однакові траєкторії, мають однакові швидкості і прискорення. Так рухається, наприклад, автомобіль по рівній дорозі. Його кінетична енергія дорівнює половині добутку маси на квадрат швидкості руху v:

.

Цю формулу можна застосовувати і для тіл, що обертаються, у яких швидкість поступального руху всіх часток є приблизно однаковою. До таких тіл належить маховик, у якого практично вся маса зосереджена на ободі – див. рис. Якщо такий маховик з масою т = 500 кг розкрутити електромотором до швидкості, при якій поступальна швидкість часток обода дорівнюватиме v =500 м/с, то він матиме кінетичну енергію 62,5 МДж. Це у 1,4 рази більше ніж енергія, наявна у одному кілограмі бензину (44,4 МДж).

Але перетворення енергії маховика у корисну роботу (рух автомобіля) можна здійснити удвічі ефективніше, ніж перетворення хімічної енергії палива. Це дає право стверджувати, що кінетична енергія даного маховика дозволяє отримати ту ж корисну роботу, що і 2,8 кг бензину, тобто 3,7 л (густина бензину дорівнює приблизно 0,75 кг/л, внаслідок чого 3,7 л бензину мають масу 2,8 кг).

У 1953 році швейцарською фірмою «Ерлікон» було випущено 17 міських автобусів з маховичними двигунами, які експлуатувались на трасах довжиною до 8 км. Пасажиромісткість гіробуса – 70 чол, повна маса – 16 т, діаметр маховика – 1,6 м, маса – 1,5 т, тобто приблизно 10 % від маси гіробуса. Розкручування маховика здійснювалось електромотором, який живився від міської трифазної мережі напругою 500 В за допомогою трьох струмознімних штанг на зразок тролейбусних. Час розкручування маховика – близько однієї години, час вибігу (до повної зупинки маховика) – 12 год.

Для передачі енергії від маховика до коліс гіробуса електромотор перемикали у режим генератора і він подавав струм до тягових електродвигунів коліс.

При гальмуванні і зупинці гіробуса застосовувалась рекуперація енергії. Тягові електродвигуни переходили у режим генератора, виробляли електричний струм і передавали його на електродвигун-генератор маховика, який збільшував швидкість обертання маховика, акумулюючи енергію гальмування гіробуса.

Ф ірма «Локхід» (США) у 70-ті роки минулого століття розробила гіротролейбус, який може працювати як звичайний тролейбус, живлячись від дротів, або як автобус з маховичним двигуном, віддаляючись від дротів на відстань до 5 км і повертаючись до них – див. рис. Маховик має масу 300 кг, розганяється до 20 тис. об/хв. і може рухати тролейбус при зменшенні частоти обертання до 10 тис. об/хв.

Переваги маховичних двигунів – екологічна чистота, порівняна простота, задовільний ККД (приблизно 0,5), а також відсутність обмежень за потужністю. Наприклад, розглянутий вище маховик з кінетичною енергією 62,5 МДж може віддати її на протязі як 1 години (3600 с), так і 1 хв (60 с). У першому випадку він розвиватиме середню потужність, рівну 62,5∙10⁶/3,6∙10³ = 17,4∙10³ Вт, тобто 17,4 кВт. А у другому випадку – 62,5∙10⁶/60 = 1,04∙10⁶ Вт, тобто 1040 кВт.

Недоліки – мала енергомісткість маховиків: на початку даного пункту ми отримали, що маховик масою 500 кг за енергомісткістю еквівалентний всього 1,4 кг бензину. Для збільшення енергомісткості слід збільшувати швидкість обертання маховика, що являє собою складну інженерну задачу. Наприклад, при великих швидкостях обертання маховика велику негативну роль починає відігравати його тертя об повітря. Існують і більш серйозні проблеми, наприклад міцність матеріалу маховика.