Маховичные двигатели – Маховичный накопитель | Журнал Популярная Механика

Маховичный накопитель | Журнал Популярная Механика

Сегодня ученые со всего мира безуспешно пытаются создать недорогой, легкий, компактный и невероятно емкий аккумулятор. А между тем такой накопитель энергии уже существует.

Мир электроники и электричества наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место машинам с электромоторами и электронными схемами. Однако мир будущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и именно их, по мнению ученого, будут использовать во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторов.

Пружина, резина, конденсатор…

Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию. Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.

От маховиков к супермаховикам В качестве накопителей энергии маховики применяют уже несколько столетий, однако качественный скачок в области их энергоемкости произошел только в 1960-е году, когда были созданы первые супермаховики. 1. Супермаховик в работе Супермаховик выглядит, как обычный, но внешняя его часть свита из прочной стальной ленты. Витки ленты обычно склеены между собой. 2. Супермаховик после разрыва Если разрыв обычного маховика разрушителен, то в случае супермаховика лента прижимается к корпусу и автоматически затормаживает накопитель — все совершенно безопасно.

Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить. Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.

Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство — относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.

Маховики на транспорте можно использовать как в качестве аккумуляторов энергии, так и в виде гироскопов. На фотографии изображен маховичный концепт-кар Ford Gyron (1961), а впервые гиро-кар был построен в 1914 году русским инженером Петром Шиловским.

Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…

Маховик на миллион

Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. Нурбей Гулиа поставил своей задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения. На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, — такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.

Накопитель Сегодня благодаря высокой энергоемкости супермаховики применяют во многих областях — от применения в спутниках связи в качестве аккумулятора энергии до использования в электростанциях для повышения их КПД. На схеме изображен маховичный накопитель, который применяют на американских электростанциях для повышения их КПД. Потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% - это достигается, в том числе, за счет того, что он вращается в вакуумном кожухе на магнитных подшипниках.

Ученый принялся за работу: сначала поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а потом заменил проволочки тонкой стальной лентой такой же прочности — ее намотка была плотнее, а для надежности можно было склеить витки ленты между собой. Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматически затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно приклеить снова.

Первое испытание, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло успешно. Маховик вышел на максимальную частоту вращения без разрыва. А затем, когда ученому удалось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, выяснилось, что разрыв наступал только при скорости обода почти 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Изобретение Гулиа в несколько раз превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.

Механический гибрид Гулиа (1966) Это возможно первый в мире гибридный автомобиль. Его передние колеса приводились от ДВС, тогда как задние от вариатора и маховика. Такой опытный образец оказался вдвое экономичней, чем УАЗ-450Д.

В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной системы получил необходимый документ только через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — давно бы стал мультимиллионером.

Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений. В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% - это меньше, чем у любых других накопителей энергии.

Профессор Гулиа тоже времени зря не терял: создал очень удобную маховичную дрель, разработал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д — он оказался вдвое экономичней обычной машины. Но главное — профессор постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной.

Чудо-махомобили

Можно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема. Если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторов, здесь практически нет потолка.

Супермаховик из кевлара на испытаниях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20−30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретет фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг. Но и это не предел: сегодня с помощью нанотехнологий на основе углерода создаются волокна фантастической прочности. «Если из такого материала навить супермаховик, — рассказывает профессор, — плотность энергии может достичь 2500−3500 МДж/кг. А значит, 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдержать шасси машины».

Маховичные машины Если объединить в одну схему супермаховик и супервариатор расход привычного автомобиля можно снизить ниже 2 л/100 км, считает Нурбей Гулиа. На фото приведена схема работы маховичной машины на топливных элементах, справа автомобиля с ДВС.

За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей.

Но именно автотранспорт, считает профессор, самая подходящая сфера применения супермаховиков. И показатели машин проекта Гулиа, на которых он планирует использовать супермаховики, не менее удивительные. По оценке ученого, «здоровый» расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять примерно 1,5 л на 100 км, а у дизельного — 1,2 л.

Как такое возможно? «В энергетике есть неписаный закон: при одинаковых капиталовложениях всегда более экономичен привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, — поясняет профессор. — Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию тоже в виде вращения. Значит, не надо преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод».

Таким образом, механический гибрид оказывается максимально энергосберегающим и, как уверяет ученый, в условиях города снижает расход топлива в три раза! Применение супермаховика, который запасает огромное количество энергии от двигателя, а затем практически без потерь отправляет ее на колеса через супервариатор (см. «ПМ», № 3'2006), позволяет снизить размер и мощность двигателя. Двигатель же в проекте ученого работает только в оптимальном режиме, когда его КПД наиболее высок, поэтому-то «суперавтомобиль» Гулиа столь экономичен. Имеется у профессора и проект использования топливных элементов с супермаховиком. У топливных элементов КПД в пределе может быть почти вдвое выше, чем у ДВС, и составляет около 70%.

«Но почему же при всех достоинствах такой схемы она пока не используется на автомобилях?» — задаем мы очевидный вопрос. «Для такой машины был необходим супервариатор, а он появился сравнительно недавно и сейчас только начинает производиться, — объясняет профессор Гулиа. — Так что такой автомобиль на подходе». Нашему журналу приятно сознавать, что если такой автомобиль появится, то в этом будет и наша заслуга. После того как в «Популярной механике» появилась статья о супервариаторе Гулиа, этим проектом сразу заинтересовались производители приводной техники, и сейчас профессор занимается созданием и совершенствованием своего супервариатора. А значит, стоит надеяться, что ждать суперавтомобиля осталось недолго…

www.popmech.ru

Маховичный двигатель

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к инерционным силовым установкам с маховиками, и может быть использовано для привода транспортных средств. Сущность изобретения: маховичный двигатель содержит корпус 1, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом. Накопитель энергии выполнен в виде двух кинематически связанных групп маховиков-приводной 2, кинематически связанной с приводом, и накопительной 3, которая выполнена многовальной. На концах каждого вала 7 установлены маховики 8. Валы 7 установлены горизонтально и кинематически связаны между собой через шестерни 9, при этом маховики 8 в каждой группе соединены последовательно между собой механически с одинаковой частотой обращения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к инерционным силовым установкам с маховиками, и может быть использовано для привода сухопутных и морских транспортных средств.

Известен маховичный двигатель, содержащий герметичный вакуумированный корпус, в котором установлен супермаховик. Вал супермаховика соединен с валом электродвигателя-генератора с помощью магнитной муфты. Корпус супермаховика подвешен на упругих амортизаторах для предохранения от тряски и уменьшения гироскопических воздействий [1] Недостатки известного маховичного двигателя: при использовании на транспортном средстве необходима трансмиссия, что приводит к усложнению конструкции и снижает надежность двигателя; для разгона супермаховика необходим электродвигатель, что приводит к расходу электроэнергии; малая грузоподъемность транспортного средства при использовании маховичного двигателя, например при полной массе автомобиля 600 кг полезный груз 150 кг. Наиболее близким к изобретению, выбранным в качестве прототипа является маховичный двигатель, содержащий корпус, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом. Накопитель энергии содержит вал и установленный на нем аккумулирующий элемент в виде последовательно размещенных дисков. Один из крайних дисков жестко установлен на валу, а накопитель снабжен последовательно установленными на валу муфтами свободного хода. Каждый последующий диск, имеющий внутренние фрикционные поверхности, жестко связан со звездочкой соответствующей муфты свободного хода, а каждый диск, кроме второго крайнего, снабжен подпружиненным в направлении вала грузом с фрикционными накладками, который установлен в диске с возможностью перемещения в направлении фрикционной поверхности последующего диска [2] Недостатки известного маховичного двигателя: для разгона маховиков необходим электродвигатель, что приводит к большому расходу электроэнергии; для получения значительной мощности необходимы большие размеры маховиков, что приводит к громоздкости конструкции; применение дисков и муфт с внутренними поверхностями усложняет управление маховиками и всю трансмиссию. Изобретение направлено на решение технической задачи повышения энергоемкостных характеристик маховичного двигателя, а именно увеличение выходной мощности при снижении мощности на привод. Для решения указанной технической задачи в маховичном двигателе, содержащем корпус, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом, согласно изобретению маховичный накопитель энергии выполнен в виде двух кинематически связанных групп маховиков приводной, кинематически связанной с приводом, и накопительной, при этом последняя выполнена многовальной, на концах каждого вала установлены маховики, а валы, установленные горизонтально-кинематически, связаны между собой через шестерни, кроме того, маховики в каждой группе соединены последовательно между собой механически с одинаковой частотой обращения, шестерни групп маховиков выполнены с различными диаметрами. Совокупность признаков изобретения позволяет достичь следующие технические результаты: повышение выходной мощности маховичного двигателя по сравнению с приводной мощностью, уменьшение суммарной массы маховичного двигателя за счет применения n маховиков малых масс, упрощение конструкции из-за отсутствия трансмиссии и фрикционных муфт, упрощение запуска маховичного двигателя, так как для этого достаточно нарушить условие равновесия двух групп маховиков приводной и накопительной, использование как экологически безопасного двигателя в сухопутных и морских транспортных средствах. На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый маховичный двигатель, вид сверху; на фиг. 2 показано сечение А-А на фиг. 1, расположение шестерен в накопительной группе. Маховичный двигатель содержит корпус 1, в котором установлен маховичный накопитель энергии, выполненный в виде двух кинематически связанных групп маховиков: приводной 2 и накопительной 3. Приводная группа 2 маховиков состоит из маховиков 4, размещенных на горизонтальном концах вала 5, кинематически связанного с приводом 6. Нокопительная группа 3 маховиков выполнена многовальной, на концах каждого вала 7 установлены маховики 8. Валы 7 установлены горизонтально и кинематически связаны между собой через шестерни 9. Маховики 8 в каждой группе соединены последовательно, между собой механически с одинаковой частотой обращения. Приводная 2 и накопительная 3 группы маховиков соединены последовательно между собой через шестерни 9 и 10, размещенные в корпусе 1 и выполненные с различным диаметром. Для приведения в движение маховичного двигателя к приводному валу 5 присоединен привод 6. Вращение через шестерню 10 передается на группу шестерен 9, а затем через конические шестерни 11 на кардан 12 транспортного средства. Маховичный двигатель работает следующим образом. При вращении привода 6 (электродвигателя или педальной тяги) через шестерни 10 и 9 передается кинематический момент инерции на группу маховиков 8, которые вращаются с большей скоростью пропорционально коэффициенту передачи. Через конические шестерни 11 вращение передается на кардан 12 транспортного средства.

Формула изобретения

1. МАХОВИЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом, отличающийся тем, что маховичный накопитель энергии выполнен в виде двух кинематически связанных групп маховиков приводной, кинематически связанной с приводом, и накопительной, при этом последняя выполнена многовальной, на концах каждого вала установлены маховики, а валы, установленные горизонтально, кинематически связаны между собой через шестерни, кроме того, маховики в каждой группе соединены последовательно между собой механически с одинаковой частотой обращения. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что шестерни групп маховиков выполнены с различным диаметром.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

findpatent.ru

маховичный двигатель - патент РФ 2033560

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к инерционным силовым установкам с маховиками, и может быть использовано для привода транспортных средств. Сущность изобретения: маховичный двигатель содержит корпус 1, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом. Накопитель энергии выполнен в виде двух кинематически связанных групп маховиков-приводной 2, кинематически связанной с приводом, и накопительной 3, которая выполнена многовальной. На концах каждого вала 7 установлены маховики 8. Валы 7 установлены горизонтально и кинематически связаны между собой через шестерни 9, при этом маховики 8 в каждой группе соединены последовательно между собой механически с одинаковой частотой обращения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. Изобретение относится к двигателестроению, в частности к инерционным силовым установкам с маховиками, и может быть использовано для привода сухопутных и морских транспортных средств. Известен маховичный двигатель, содержащий герметичный вакуумированный корпус, в котором установлен супермаховик. Вал супермаховика соединен с валом электродвигателя-генератора с помощью магнитной муфты. Корпус супермаховика подвешен на упругих амортизаторах для предохранения от тряски и уменьшения гироскопических воздействий [1]
Недостатки известного маховичного двигателя: при использовании на транспортном средстве необходима трансмиссия, что приводит к усложнению конструкции и снижает надежность двигателя; для разгона супермаховика необходим электродвигатель, что приводит к расходу электроэнергии; малая грузоподъемность транспортного средства при использовании маховичного двигателя, например при полной массе автомобиля 600 кг полезный груз 150 кг. Наиболее близким к изобретению, выбранным в качестве прототипа является маховичный двигатель, содержащий корпус, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом. Накопитель энергии содержит вал и установленный на нем аккумулирующий элемент в виде последовательно размещенных дисков. Один из крайних дисков жестко установлен на валу, а накопитель снабжен последовательно установленными на валу муфтами свободного хода. Каждый последующий диск, имеющий внутренние фрикционные поверхности, жестко связан со звездочкой соответствующей муфты свободного хода, а каждый диск, кроме второго крайнего, снабжен подпружиненным в направлении вала грузом с фрикционными накладками, который установлен в диске с возможностью перемещения в направлении фрикционной поверхности последующего диска [2]
Недостатки известного маховичного двигателя: для разгона маховиков необходим электродвигатель, что приводит к большому расходу электроэнергии; для получения значительной мощности необходимы большие размеры маховиков, что приводит к громоздкости конструкции; применение дисков и муфт с внутренними поверхностями усложняет управление маховиками и всю трансмиссию. Изобретение направлено на решение технической задачи повышения энергоемкостных характеристик маховичного двигателя, а именно увеличение выходной мощности при снижении мощности на привод. Для решения указанной технической задачи в маховичном двигателе, содержащем корпус, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом, согласно изобретению маховичный накопитель энергии выполнен в виде двух кинематически связанных групп маховиков приводной, кинематически связанной с приводом, и накопительной, при этом последняя выполнена многовальной, на концах каждого вала установлены маховики, а валы, установленные горизонтально-кинематически, связаны между собой через шестерни, кроме того, маховики в каждой группе соединены последовательно между собой механически с одинаковой частотой обращения, шестерни групп маховиков выполнены с различными диаметрами. Совокупность признаков изобретения позволяет достичь следующие технические результаты: повышение выходной мощности маховичного двигателя по сравнению с приводной мощностью, уменьшение суммарной массы маховичного двигателя за счет применения n маховиков малых масс, упрощение конструкции из-за отсутствия трансмиссии и фрикционных муфт, упрощение запуска маховичного двигателя, так как для этого достаточно нарушить условие равновесия двух групп маховиков приводной и накопительной, использование как экологически безопасного двигателя в сухопутных и морских транспортных средствах. На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый маховичный двигатель, вид сверху; на фиг. 2 показано сечение А-А на фиг. 1, расположение шестерен в накопительной группе. Маховичный двигатель содержит корпус 1, в котором установлен маховичный накопитель энергии, выполненный в виде двух кинематически связанных групп маховиков: приводной 2 и накопительной 3. Приводная группа 2 маховиков состоит из маховиков 4, размещенных на горизонтальном концах вала 5, кинематически связанного с приводом 6. Нокопительная группа 3 маховиков выполнена многовальной, на концах каждого вала 7 установлены маховики 8. Валы 7 установлены горизонтально и кинематически связаны между собой через шестерни 9. Маховики 8 в каждой группе соединены последовательно, между собой механически с одинаковой частотой обращения. Приводная 2 и накопительная 3 группы маховиков соединены последовательно между собой через шестерни 9 и 10, размещенные в корпусе 1 и выполненные с различным диаметром. Для приведения в движение маховичного двигателя к приводному валу 5 присоединен привод 6. Вращение через шестерню 10 передается на группу шестерен 9, а затем через конические шестерни 11 на кардан 12 транспортного средства. Маховичный двигатель работает следующим образом. При вращении привода 6 (электродвигателя или педальной тяги) через шестерни 10 и 9 передается кинематический момент инерции на группу маховиков 8, которые вращаются с большей скоростью пропорционально коэффициенту передачи. Через конические шестерни 11 вращение передается на кардан 12 транспортного средства.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. МАХОВИЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус, в котором установлен маховичный накопитель энергии, кинематически соединенный с приводом, отличающийся тем, что маховичный накопитель энергии выполнен в виде двух кинематически связанных групп маховиков приводной, кинематически связанной с приводом, и накопительной, при этом последняя выполнена многовальной, на концах каждого вала установлены маховики, а валы, установленные горизонтально, кинематически связаны между собой через шестерни, кроме того, маховики в каждой группе соединены последовательно между собой механически с одинаковой частотой обращения. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что шестерни групп маховиков выполнены с различным диаметром.

www.freepatent.ru

Работает супермаховик. Удивительная механика

Работает супермаховик

Есть ли уже сегодня машины, на которых установлены супермаховики? Да, есть. Пусть эти машины и не выпускаются пока сериями, как «жигули» или «фольксваген», но они существуют. Работают, ездят, всех удивляют.

Самым типичным автомобилем, работающим за счет энергии супермаховика, является, пожалуй, маленький двухместный «махомобиль» американского ученого Дэвида Рабенхорста. Попробуем на его примере разобраться в устройстве махомобилей.

Супермаховик махомобиля соединен с валом разгонного электродвигателя, причем электродвигатель размещен в воздушной среде, чтобы он лучше охлаждался, а супермаховик – в вакууме, чтобы не было лишних потерь энергии. На выходе из вакуумной камеры вал герметизирован магнитным уплотнением. В принципе можно даже разрезать вал и вывести вращение из вакуума специальными магнитными муфтами.

Маховичный автомобиль (махомобиль) Девида Рабенхорста

Другой конец вала супермаховика соединен с гидронасосом обратимого типа, который может работать и в режиме гидродвигателя; о таких гидромашинах я уже говорил. Жидкость – масло от гидронасоса через распределитель или, что одно и то же, через механизм управления махомобилем, подается в четыре маленькие гидромашины, встроенные в колеса махомобиля. Таким образом, все колеса махомобиля ведущие, и это очень хорошо – махомобиль быстро разгоняется, движется устойчиво, без заносов.

В махомобиле нет таких привычных автомобильных частей, как сцепление, коробка передач, карданный вал, дифференциал, полуоси, электроаккумуляторы, стартер и генератор; отсутствует топливный бак и вся топливная система, система охлаждения с вентилятором, глушитель и, наконец, сам двигатель внутреннего сгорания. Махомобиль бесшумен, он не загрязняет окружающую среду выхлопными газами, приводится в движение практически мгновенно. Известно, что супермаховик может развивать громадные мощности, так необходимые автомобилям для быстрого разгона.

Зарядка энергией, или разгон супермаховика, производится включением разгонного электродвигателя в сеть. Время зарядки – 20—25 мин, что в десятки раз быстрее по сравнению с продолжительностью зарядки электроаккумуляторов. Для приведения махомобиля в движение повышают наклоном шайбы производительность насоса, и масло начинает поступать в гидродвигатели колес, разгоняя машину. Больше наклон шайбы – больше скорость.

Махомобиль рассчитан на крейсерскую, то есть постоянную скорость 90 км/ч, причем кратковременно скорость может быть значительно увеличена, например для выполнения обгонов.

Путь пробега махомобиля с одной зарядки пока около 60 км, но его планируется увеличить в три раза. Это при массе супермаховика 100 кг, скорости его вращения от 23 700 до 11 900 оборотов в минуту и запасе энергии 24 МДж. Удельная энергия супермаховика составляет 240 кДж/кг. Правда, уже испытаны супермаховики с удельной энергией в 650 и даже 700 кДж/кг, а это значит, что и путь пробега увеличивается почти до 500 км!

У махомобиля рекордно малая по сравнению с электро– и автомобилями стоимость пробега – около доллара на 100 км пути. Я думаю, вряд ли какой водитель откажется от такой машины!

Посмотрим теперь, каковы характеристики агрегатов махомобиля Рабенхорста по мощности и массе. Разгонный электродвигатель мощностью 30—40 кВт – 18,4 кг, гидронасос мощностью 37,5 кВт – 11,4 к г, четыре гидродвигателя колес такой же общей мощности – 10 к г, приборы управления – 9 кг, шасси – 175 кг, кузов – 270 кг. Вместе с супермаховиком, его корпусом, подвеской и даже пассажирами выходит чуть более 600 кг.

Махомобиль не боится длительных стоянок – маховик может вращаться без остановки почти полтора месяца. И это не предел, потому что так называемые кольцевые супермаховики, о которых будет сказано ниже, рассчитаны на более чем годичный выбег, а американский 45-килограммовый маховик в магнитном подвесе имеет столь малые потери, что способен крутиться без остановки свыше 10 лет!

Подвеска супермаховика в махомобиле тоже магнитная, только она практичнее, чем «абсолютный» магнитный подвес: здесь есть подшипники, способные не только принимать на себя усилия при тряске, но и ослаблять гироскопическую нагрузку при повороте оси супермаховика.

На сегодняшний день в разных странах уже построено много супермаховичных автомобилей и автобусов. Некоторые из них, как и швейцарский гиробус, оснащены штангами и могут двигаться как троллейбус. Но при этом раскручивается и супермаховик, который потом снабжает током тяговые электродвигатели. Такие машины, названные гиротроллейбусами, не тратят время, подобно гиробусу, на раскрутку супермаховика, так как «зарядка» идет на ходу. Затем, после разгона супермаховика, гиротроллейбусы едут на накопленной энергии до конечной остановки через весь город. В отличие от швейцарского гиробуса, маховик в таком гиротроллейбусе весит не 1,5 т, а всего около 300 кг.

Гиротроллейбус фирмы «Локхид» (США) (а) и его маховичный накопитель (б)

Существуют проекты использования супермаховиков в авиации. В одном из них для взлета сверхзвуковых самолетов предлагают применять маховичную катапульту. Если разогнать крупный маховик электродвигателем, а затем подключить его к лебедке, соединенной тросом с самолетом, то маховик за несколько секунд разовьет гигантскую мощность, в десятки раз превышающую мощность электродвигателя. За считанные секунды самолет разгонится до 400 км/ч и взлетит. При этом путь разгона будет не более 100—150 м. Такой запуск очень надежен и экономичен.

Маховичная катапульта

Двойную пользу можно получить от установки супермаховиков на легких тихоходных самолетах, у которых собственный двигатель развивает мощность не более 90-120 кВт. Супермаховик массой всего 13 кг способен выдать мощность 115 кВт в течение 20 с, а массой 57 кг – 225 кВт в течение 60 с – время, вполне достаточное для взлета. Кроме того, раскрученный супермаховик обеспечит безопасность экипажа в случае остановки мотора самолета. Энергии, накопленной в супермаховике, хватит для трехминутного полета самолета без мотора. Летчики успеют выбрать пригодную для посадки площадку и приземлиться.

Шотландский маховичный вертолет, прозванный «прыгающий Гиро»

Еще в 30-х годах прошлого века в Шотландии был построен маховичный вертолет. Разгоняли маховик на земле вместе с воздушным винтом, лопастям которого задавали нулевой угол атаки, чтобы разгон шел легче. После разгона маховика лопасти устанавливали под нужным углом, и машина взмывала в небо. Когда энергии в маховике оставалось уже мало, вертолет плавно опускался. Не правда ли, это очень похоже на игрушечный вертолет, в котором разгон лопастей-маховиков производится пусковым шнурком?

А полвека спустя в США создали разведывательный беспилотный вертолет с супермаховиками. Два легких кольцевых супермаховика диаметром 1,4 м, вращающиеся в разные стороны, раскручивают воздушные винты, расположенные внутри колец супермаховиков. Кольца разгоняют до 4 тыс. оборотов в минуту на специальном автомобиле, с которого вертолет стартует. Вертолет быстро поднимается на 100-метровую высоту, зависает там и, имея на борту фото– и телеаппаратуру, производит съемки или телепередачи. Подобный вертолет удобно использовать и для пожарных работ – его двигатель не заглохнет от дыма, а баки с горючим не загорятся, так как на этом вертолете нет ни двигателя, ни баков.

Разведывательный беспилотный маховичный вертолет

Если нужно попасть на борт вертолета, зависшего высоко над землей, или на какую-нибудь площадку на высоте 100 м и более, лучше всего воспользоваться для этого маховичным подъемником, который позволяет поднять девять человек подряд, причем в пять раз быстрее обычных моторных подъемников. Маховик подъемника разгоняется маленьким электродвигателем мощностью 1,5 кВт до 28 тыс. оборотов в минуту.

Осуществить экстренный спуск с того же вертолета или из окна горящего высотного здания поможет маховичный лифт, в разработке которого довелось участвовать и мне. При пожаре нередко требуется срочно эвакуировать людей с верхних этажей дома, но в это время ток от здания, как правило, отключают и никакие подъемные механизмы не работают. Вот и придумали особое устройство для такого случая.

Человек надевает специальный пояс с прикрепленной к нему лентой и прыгает вниз. Лента намотана на валу небольшого маховика или супермаховика, как в ленточном вариаторе, о котором речь шла выше. Сматываясь с вала, она разгоняет маховик, сначала медленно, а затем все сильнее и сильнее. Человек же, Втулка наоборот, приближаясь к земле, все больше и больше теряет скорость. И наконец мягко – Корпус приземляется. Пояс с лентой сам поднимается вверх за счет энергии маховика, раскрученного ранее спустившимся человеком. Так маховичный лифт может доставлять на землю одного за другим сколько угодно людей.

Маховичный лифт

Поистине безграничные возможности открываются перед супермаховиками в космосе.

В космическом вакууме у супермаховиков совершенно нет потерь на трение о воздух, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. В этом случае подшипники могут быть простыми «сухосмазывающимися» втулками.

На некоторых спутниках связи уже несколько лет используют супермаховичные накопители энергии. Дело в том, что спутники связи, транслирующие на большие расстояния телефонные разговоры, телепрограммы и радиопередачи, работают обычно не только от солнечных батарей, но и от аккумуляторов энергии, которые дают ток, пока Земля загораживает спутник от Солнца и тот находится в тени. Однако время жизни электрохимических аккумуляторов невелико, они быстро выходят из строя, а из-за них прекращает существование и сам спутник, который мог бы служить еще долго. Вот и пал выбор на долговечные супермаховики. Они вращаются в магнитной подвеске со скоростью 40 тыс. оборотов в минуту. Плотность энергии супермаховиков для спутников связи примерно 0,1 МДж/кг.

В исследовательском центре США создана супермаховичная установка для международной космической станции, превосходящая по своим показателям ранее применявшиеся никель-водородные аккумуляторы. Супермаховик запасает большее количество энергии, а срок его службы вдвое дольше, чем у химических аккумуляторов.

Видимо, не обойтись без супермаховиков и на космических станциях, которые отправятся к далеким планетам, где почти нет солнечного света, дающего энергию для питания электронного оборудования станций. По мнению ученых, кратковременных включений пиропатронов будет вполне достаточно, чтобы с помощью газовой турбины так разогнать супермаховик, что его энергии надолго хватит для бесперебойной работы всех приборов.

В космосе супермаховики необходимы и для более прозаических дел – например, для ремонта станций, приведения в движение механизированного инструмента.

Допустим, космонавту нужно просверлить отверстие или завернуть гайку. Если он применит обыкновенную дрель или гайковерт, то реактивный момент, действующий на корпус ручного инструмента, закрутит в первую очередь самого космонавта. На Земле такого не случается, так как этому противодействует сила тяжести и сила трения, а в условиях невесомости – это обычное явление.

Теперь проделаем следующий опыт. Возьмем самый простой детский волчок – юлу, укрепим на ее кончике сверло, разгоним юлу и уберем руку. На первый взгляд как будто ничего удивительного – юла стоит на сверле и сама сверлит подставку. А ведь ни с какой из обычных дрелей подобный опыт никогда не получится. Даже у электрической дрели корпус тотчас завертится в противоположную сторону и порвет все провода.

Дело в том, что маховики и супермаховики обладают свойством «безреактивности», то есть при вращении они не оказывают реактивного действия на корпус и другие части устройства. Маховик связан с корпусом только подшипниками, а они, свободно проворачиваясь, не передают вращательных усилий.

Маховичная «безреактивная» дрель

Изготовленная мною маховичная дрель успешно сверлила любые доски. При этом она прекрасно выдерживала вертикальное направление благодаря еще одному свойству маховика, о котором уже упоминалось, – способности сохранять устойчивое положение свободной оси в пространстве.

Чтобы проверить это свойство самому, лучше всего снять велосипедное колесо с вилки, взяться за концы оси и, держа колесо на вытянутых руках, попросить товарища раскрутить его. Если колесо раскручено как следует, никакие попытки свернуть ось в сторону ни к чему не приведут, даже несмотря на большие усилия. Колесо будет сопротивляться совсем как живое, стараясь вырваться из рук. Суть происходящего состоит в том, что ось вращающего маховика всякий раз стремится повернуться не туда, куда мы прилагаем усилие, а под прямым углом к этому направлению.

Существует много способов узнать, куда будет поворачиваться ось маховика, но все они трудны и рассчитаны на специалистов. Поэтому я придумал для себя способ попроще, который назвал «правилом колеса». Запомнить его ничего не стоит, достаточно иметь в кармане хотя бы одну монетку или колесико. Пустим монетку катиться по столу. Скоро она начнет падать набок, но что для нас особенно важно – она и сворачивать будет в ту же сторону. Теперь представим себе, что монетка – это вращающийся маховик. Допустим, мы пытаемся свернуть ось этого маховика в ту же сторону, куда падает монета. Направление поворота монеты позволит нам определить, куда на самом деле будет сворачивать ось маховика. Вот и все правило.

Опыт с монетой, демонстрирующий гироскопический эффект

Если ничто не воздействует на ось маховика, то она безупречно сохраняет свое положение в пространстве. И это делает маховик незаменимым в навигационных приборах, которые сейчас устанавливают на всех кораблях, самолетах, ракетах. Называют такие приборы гироскопическими. Об этих интереснейших приборах много написано, и я не буду подробно останавливаться здесь на них. А вот об автомобиле, в котором был применен как раз гироскопический эффект вращающегося маховика, думаю, сказать надо. Построил этот «гирокар» в 1914 году русский инженер П. П. Шиловский. Гирокар демонстрировался в Лондоне, где вызвал огромный интерес. Еще бы, машина Шиловского имела всего два колеса, как велосипед, однако она сохраняла без каких-либо упоров устойчивое положение, даже если все пассажиры садились по одну сторону. «Держал» машину раскрученный маховик благодаря гироскопическому эффекту. В гирокаре использовался примитивный автомат с датчиком наклона в виде шарика в трубке и сервомотором, воздействующим на 300-килограммовый маховик.

Гирокар П. П. Шиловского (а) и принцип его действия (б)

Такие автомобили строились и позже. Возможно, что будущий махомобиль с супермаховичной «энергетической капсулой» спроектируют тоже двухколесным, чтобы использовать сразу оба замечательных свойства супермаховика – способность накапливать энергию и сохранять неизменное положение в пространстве.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

tech.wikireading.ru

Маховичные двигатели против современных ракет

Маховичные или твердовращательные движители в теории могут стать альтернативой ракетным двигателям, которые работают на жидком топливе. Многие физические теории, в том числе и эйнштейновская, утверждают, что вращающееся тело изменяется в весе. На этом и построена идея маховичного двигателя.

 

Теоретические и практические разработки ученых

Многие новейшие теории, или, как их называют, альтернативные, подтверждают эффект обезвешивания. Спор идет о том, в какой закономерности и насколько меняется вес тела, и может ли он достигнуть нуля. Это связано с тем, что любому летательному аппарату для улучшения полетных характеристик нужно обезвеситься полностью, а не просто стать несколько меньше весом.

В этом направлении работают Н.А.Козырев, сотрудник Пулковской обсерватории, который первым предсказал эффекты обезвешивания, и экспериментально проверил их. Его труды широко обсуждались, но приняты как руководство к действию были лишь в Японии. Кандидат технических наук Г.В.Талалаевский, Москва, написал формулы вращающегося тела. По его теории, сила тяги находится в зависимости от скорости вращения. Ему же приписывают расчеты критической скорости вращения, согласно которым летательный аппарат может обезвеситься при скорости вращения в 365 000 оборотов в минуту.

Японские физики Х. Хайясака и С. Такеучи установили, что ротор, который вращается горизонтально, легче неподвижного, ротор, который вращается по часовой стрелке, легче того, что вращается против часовой. Ими было заявлено о возможности полного нарушения притяжения и получения антигравитации. Эти выводы они сделали по результатам своих экспериментов.

 

Рубеж, который надо преодолеть

В данной области заслуживают внимания еще множество разработок ученых из стран бывшего СНГ. Основная проблема, с которой они сталкиваются, состоит в том, что добиться вращения больших объектов на сверхскоростях очень сложно из-за ограниченной прочности самих материалов. Предлагались возможные способы, посредством которых можно усилить маховики, но этот вопрос находится в разработке и требует вливания новых сил.

Нужно сказать, что Г.Н. Федоров и С.Королева проводили опыты с вращающимися гироскопами и добились обезвешивания примерно на 1,5 тонны. А московский физик А.Ф. Черняев в настоящее время находится на этапе фиксирования признаков антигравитации экспериментальным путем.

zaryad.com

Супермаховик и супервариатор профессора Гулиа

 В те самые времена расцвета античной культуры, где примером для подражания был человек, который совершенен как физически образом, так и духовным началом, ученые люди, вероятнее всего, были похожими на профессора Нурбей Гулиа. Являющийся штангистом и моржом в одном лице, при этом он выступает в роли педагога и прекрасного рассказчика, автора как научных и художественных материалов и книг, а также изобретателем техники, которая нашла очень широкое применение, – все это в одном человеке.

 В том случае, если бы профессор Нурбей проживал на Западе, то скорее всего, стал бы мультимиллионером. Именно, супермаховик, что он изобрел в 64-ом году прошлого века, стал давно применяться во всем мире, что, к сожалению, никак не повлияло на благосостоянии этого ученого. Именно благодаря бюрократизму советской патентной системы, патент на изобретение был выдан творцу… только через два десятка лет после подачи им заявки, а по истечению этих лет, срок действия документа просто истек. Однако, не тут-то было, — профессор взял все-таки реванш. И спустя десятилетия,Нурбей изобрел (и в наше время во многих странах патентует ) «супервариатор», что обладает удивительными фантастическими характеристиками, которые в полной мере способны оправдать применение к нему щегольской приставки.

Мастер разрушения законов

 Когда мы впервые увидели описание устройства- «супервариатора», даже не смотря на впечатляющее реноме ученого, изобретение долго продолжало казаться абсолютным фантастическим изобретением. Крупные компании, которые специализируются на выпуске различных коробок передач и вариаторов, продолжают тратить огромные деньги на проведение исследований, и вдруг, неким российским изобретателем разрабатывается устройство, которое по главным показателям, достаточно превосходит «те самые» модели ведущих производителей. Возможно ли такое на самом деле? Хотя, с другой стороны, наверное, не удастся найти в мире ученого, который бы посвятил разработке вариаторов столько же времени. Потому, как Гулиа начал заниматься данной темой, еще начиная с 60-х годов прошлого века.

Супервариатор-описание

 Вариаторы представляют собой устройства, благодаря которым происходит плавное изменение передаточного отношения привода, получившие широкое применение на автомобилях относительно недавно. Вариаторы, подобно коробке передач (автоматической гидродинамической), способны облегчать управление, хотя в отличие от последней, демонстрируют лучшие показатели относительно разгонной динамики и экономичности системы. Что касается недостатков, то вариаторные коробки передач, имеют узкий диапазон регулирования именно передаточных отношений (4–6), при этом КПД относительно невысок – около 0,85. Хотя, каждый из таких показателей реально увеличить, но только за счет другого отличного показателя. Конструкторы вариаторов, на данный момент, и заняты поисками разумных компромиссов, но Гулиа выбрал другой путь. Он решил найти способы обхождения существующих «вариаторных законов» и сделать работу этого механизма с максимальной отдачей и максимальным диапазоном работы, на главных режимах. Спустя годы различных исследований, проделанная работа не ушла впустую: Гулиа все-таки нашел такую методику. Но схема подобного устройства была очень непростой, что иногда специалистам не удавалось до конца понять общие принципы ее работы. Поэтому, чтобы «в понятной форме» объяснить и доказать реальную возможность существования подобного устройства, профессор решил создать опытный образец последнего.

 Благодаря финансовой поддержке одной из немецких компаний, которая стала совладельцем патента нашего мастера, профессор Гулиа совместно со своим помощником и аспирантом Иваном Бессудновым, провели почти почти год работы над созданием подобного устройства. Профессор все-таки признается в том, что был до конца не уверен в полноценном функционировании аппарата, согласно его задумке, но его опасения, к счастью, не подтвердились. Начиная с первых испытаний, верность догадок Гулиа подтвердилась : супервариатор характеризовался фантастическими свойствами: с диапазоном в 15–20 и КПД на основных режимах работы – 0,97–0,98 устройство функционировало! Каким образом это стало возможным?

Чудеса супермаховика

В основу всего этого «беззакония» легли два относительно простых механизма действия – планетарный механизм и дифференциальный механизм, которые объединили хитрым способом. Работая с вариаторами на протяжении десятилетий, профессор Гулиа сделал вывод, что из всех их разновидностей, лучшим для автомобиля является планетарный механизм, так как при передаточном отношении, что приближается к единице, КПД у такого стремится к 100%. В то время, как автомобиль наибольшие расстояния преодолевает на высоких передачах, при передаточном отношеним коробки приближающимся к единице. Среди всех вариаторов, что способны работать согласно планетарной схеме, Гулиа выбрал именно дисковый, который может передавать достаточно внушительные мощности. Схему планетарного дискового вариатора (для большей простоты однорядного) изобразили на рис.1. Согласно со своими характеристиками, такой дисковый планетарный вариатор очень хорош: работая при диапазоне, равном 10, вариатор может функционировать с КПД 87–95%, однако, с благодаря дифференциалу «хорошиста», его можно легко превратить в гениального «отличника».

 Схему объединения дифференциала с планетарным вариатором изобразили на рис. 2. В том случае, если бы передаточному отношению вариатора предоставилось значение равное единице, то все валы осуществляли бы вращение с одинаковой скоростью, а значение КПД было бы равно 100%. Однако, так как значение передаточного отношения вариатора больше единицы, то ведомый вал дискового вариатора производит вращение медленнее ведущего, в то время, когда ведомый вал супервариатора, учитывая отличные функциональные и рабочие особенности планетарного механизма, будет осуществлять вращение медленнее ведущего и соответственно, быстрее, чем ведомый дисковый вариатор. Таким образом, диапазон всего устройства просто уменьшится относительно диапазона дискового, но при этом КПД станет выше – благодаря тому, что через вариатор станет проходить лишь часть мощности, а вся остальная пойдет напрямую к ведомому валу от двигателя. «Ну и что здесь новго, — КПД повысился, а диапазон сузился – все как и в обычном вариаторе», – будет возражать читатель. На данный момент так и есть, однако, чтобы вариатор превратить в супервариатор, следует проделать с ним два очень хитрых «финта». Для начала, следует превратить понижающую методику работы в повышающую (конструкция разработанного устройства профессором позволяет сделать подобного рода превращение), а потом, еще и сделать сужение его диапазона – с целью увеличения КПД. В этом случае, даже если такой суженный диапазон может составить всего 1,5–2, то, при его использовании на 1-ом этапе работы, (вариатор без дифференциала) при работе с диапазоном примерно в 10, то на втором этапе – с дифференциалом и с использованием суженного диапазона, в результате, в соответствии с теорией замкнутых дифференциальных передач, мы получаем диапазон около 20. И при всем этом, на главных режимах работы КПД станет выше 97%!

 Схема на рисунке 2 носит упрощенный характер: суперваритор имеет конструкцию на много сложнее. Подробным образом с устройством такого механизма, можно будет ознакомиться в издании книги профессора Гулиа под названием «В поисках «энергетической капсулы»», что появилась летом 2006 года (издательства ЭНАС). В своей оригинальной конструкции базовым планетарным вариатором является многодисковое устройство ( три и более рядадисков), с выполнением дифференциального механизма произведенного с применением цилиндрических зубчатых колес, что проще выглядят, и в добавок, технологичнее и экономичнее. Хотя сути дела в работе конструкции это не меняет. КПД вариатора составит 0,97–0,98, на основных режимах работы, который понижается лишь до 0,87 в тех режимах, где необходимо высокое значение передаточно числа (к примеру, в процессе трогания с места).

 На данный момент, профессор Гулиа проводит патентирование свое изобретения в ведущих странах мира, для недопущения повтора той несправедливой истории с супермаховиком, и осуществляет поиск будущих партнеров. Если изобретение заинтересует таких высокотехнологических производителей коробок передач, как, к примеру, ZF Friedrichshafen, то супервариатору предстоит творить великое будущее. Однако, на этом профессор не намерен останавливаться. «Если заняться объединением достоинств супервариатора и супермаховика, то возможно получиться создать суперавтомобиль», – говорит ученый.

Путь к пределу экономичности

 Слушая рассказы профессора Гулиа о своем проекте «суперавтомобиля», то может возникнуть мысль, что он не ученый, а писатель-фантаст. Очень удивительными кажутся его изложения на данную тему. Если из карбонового нано-волокна навить супермаховик, то удельная энергия такого аппарата достигнет 1 Мвт*ч/кг, или же в тысячи раз превысит значение даже самых перспективных аккумуляторов! Из этого следует, что на таком накопителе при его массе в 150 кг, легковому автомобилю удастся пройти с одной подзарядки больше 2 миллионов километров, что по расстоянию больше, чем может выдержать шасси самолета. Значит, теоретически уже сейчас возможно создавать автомобили, что напротяжении всего времени службы не нуждались бы никаком топливе. Только, пока заряжать такие накопители будет просто не от чего: ведь мощность всех автомобилей в мире вместе, в десятки раз превысит мощности всех электростанций». Как альтернативу такому фантастическому изобретению, Гулиа предложил более реальный проект нового автомобиля: заправлять такой автомобиль топливом все же придется, но реже, примерно, раза в три, чем обычную машину.

 Максимальное значение КПД современного бензинового двигателя составляет всего 25–30%, а дизельного выше – примерно 40%, но минус в том, что реально в городских условиях (даже не учитывая пробки), двигатель работает с показателем КПД около равным примерно 7%. Для того, чтобы тепловая энергия топлива переводилась в механическую максимально выгодно, следует заставить двигатель осуществлять работу в оптимальном режиме, который близком к его максимальной мощности. Оснастив автомобиль специальным накопителем, который бы позволял собирать энергию от двигателя, который работает в режиме максимального показателя КПД, а расход энергии на движение осуществлять уже из него, то решение позволило бы сократить расход топлива втрое. По словам профессора Гулиа, современные гибридные автомобили механическую энергию двигателя преобразовывают в электрическую, а потом обратно в механическую, что приводит к достаточно большим потерям. А профессор же говорит о накопителях механической энергии представленных в виде супермаховика, который работает в паре с супервариатором». Опытными образцами подобных автомобилей, оказывается, уже пытались создать подобный принцип работы, американской компанией United technologies. Им удалось достичь расходов дизельного топлива равному 3 л на расстояние 100 км для автомобиля при массе в 1500 кг. Однако такая система имела сложное строение и сложную конструкцию: здесь были использованы электрогенераторы и тяговые двигатели без коробки передач.

 Именно супервариатор профессора Гулиа, призван сотворить автомобиль более привлекательного типа. С такой рабочей схемой (рис. 4), двигатель может периодически автоматически включаться и, работать в оптимальном режиме, «дополняя» энергию в созданный накопитель. Помимо этого, данной схемой предусмотрено осуществление рекуперации энергии на моментах спуска и торможения, что приводит к поразительной экономии топлива. Согласно данным Гулиа, обычному автомобилю возможно будет использовать на расстояние 100 км около 1,2 л дизтоплива. При этом самым любопытным является то, что это еще не будет пределом экономичности. Это возможно в том случае, если вместо двигателя будут пользоваться с более экономичными топливными элементами(рис. 3) с КПД до 56% (работая на обычном), в этом случае экономичность увеличится – до 0,85 л солярки на расстояние в 100 км. Вот Вам и реальный ответ на повышение цен автомобильного топлива…

Рис. 1

alternattiveenergy.com

Маховичные двигатели | Авторская платформа Pandia.ru

Если возьметесь за разработку маховичного двигателя, не думайте, что это свеженькая задача. В раскопках, проводившихся в Месопотамии, был найден маховик—примитивный диск из необожженной глины. Он служил гончарным кругом мастеру, жившему еще 5 тысяч лет назад. На краю диска есть отверстие, в которое, надо полагать, вставлялась рукоятка. Дергая за нее, древний мастер заставлял на некоторое время крутиться гончарный круг, не подозревая, что тем самым передает энергию диску, а тот аккумулирует ее и затем медленно расходует при вращении. В этом физический смысл маховика.

В последующие тысячелетия человечество обходилось без оригинального изобретения, предпочитая живую силу, заключенную в рабах и домашних животных.

В средние века о маховике вспомнили вновь и применяли его, так сказать, на подсобных работах, например, для выравнивания хода различных машин.

В 1860 году русский инженер В. И. Шуберский впервые попытался использовать маховик в качестве самостоятельного аккумулятора — двигателя. Об этом не все помнят, а за рубежом начинают новейшую историю этого механизма с маховичной торпеды, построенной в 1883 году английским адмиралом Хауэллом. Его соотечественники братья Ланчестеры в 1905 году сконструировали первый маховичный экипаж.

Решающее, даже победное на долгие годы слово сказал русский инженер-самоучка из города Курска А. Г. Уфимцев. О нем тоже почему-то не знают за рубежом. А жаль. До него изобретатели старались отодвинуть основную массу маховика как можно дальше от центра, не понимая, что при этом центробежным силам тем легче разорвать маховик, чем обороты больше. Уфимцев поступил иначе. Он сделал диск массивным в центре и утончающимся к периферии. На больших скоростях вращения такой маховик становился равнопрочным и не разрывался. Соответственно, удельная энергоемкость его, то есть количество энергии, которую он может запасти, приходящееся на единицу веса, была очень высокой. Пределом служила лишь прочность материала, из которого изготовлялся диск.

Все остальные конструкции, появившиеся позднее, например, инерционный аккумулятор «Электрогиро», построенный в 1947 году швейцарской фирмой «Эрликон», или появившиеся после 1960 года рекуператоры «Гиректа», «Гидректа» английской фирмы «Кларк» не могли превзойти конструкцию Уфимцева. Его инерционный аккумулятор для ветроэлектростанции в городе Курске образцово выдержал проверку времени и сохранил работоспособность по сей день.

Маховичный экипаж Ланчестера

Инерционный аккумулятор А. Г. Уфимцева с механической передачей: 1 — маховик, 4—корпус, 5—6—зубчатая пара, 8—уплотнение

Значит, дело за материалом одновременно легким и прочным, чтобы маховик можно было бы разогнать до больших скоростей, не боясь аварии.

В качестве таковых можно использовать сравнительно недавно появившиеся высокопрочные стеклянные, кварцевые волокна, сверхпрочные монокристаллы — «усы». Причем маховик не надо делать сплошным, а навивать волокна на ось. Об этом я говорил еще в 1965 году (см. ИР, 12, 65). Тогда выдвигалась скорее идея, хотя и обоснованная расчетами и эскизами. Сегодня уже есть реальная конструкция. В качестве исходного материала была выбрана тонкая стальная лента. Из такой делают лезвия бритв. В крохотной да еще и сугубо теоретической по профилю лаборатории, где я тогда работал, развернуться было негде. Пришлось срочно переоборудовать под мастерскую собственную квартиру.

Станок для навивки сочинили из дисков моей спортивной штанги и стульев. Работал он на живой силе (не путать его с кинетической энергией, которую по старинке называют так же) — крутили его моя жена и двоюродный брат. Я был распорядителем работ и склейщиком. Задача была такова: на десятиметровую стальную ленту надо было нанести ровным слоем (с помощью фитиля из старой фетровой шляпы) клей БФ-2 и одновременно крутить диск из стеклопластика, позднее из дюраля с такой скоростью, чтоб успеть намотать на него злосчастную упругую полосу, пока клей не засох. Не каждый раз это удавалось. Лента хлопала по полу и потолку, оставляя неистребимые следы, резала руки. Тогда-то я убедился в живительных антисептических и коагуляционных свойствах БФ-2, Попадая в порезы, он вызывал жгучую боль, но зато я сейчас здоров и бодр. Чтобы сталь лучше склеивалась, ее надо было протирать спиртом. С большим трудом удалось добыть целый литр. Но стоило мне отлучиться, как брат случайно разбил бутылку. Он сам показывал осколки, но почему-то от них не пахло спиртом, а весь запах впитался в дорогого братца.

Наконец, три маховика диаметром в полметра и весом около 10 килограммов были сделаны и прошли термообработку (нагрев до 150 градусов на кухонной плите).

Маховик выдержал 28 тысяч оборотов в минуту. Таким образом, его энергоемкость оказалась равной 8 тысячам килограммометров на килограмм веса. Почти в шесть раз больше, чем у маховика швейцарского гиробуса! Такого запаса энергии вполне хватит, чтобы автобусу проехать 20—30 километров с одной зарядки.

Мои зарубежные коллеги тоже использовали новые материалы и создали многообещающие конструкции. Кстати, по удачному предложению доктора Рабенхорста их теперь называют супермаховиками. В 1965 году я и не знал, что проектирую супер, а не оскандалившийся маховик.

Сейчас можно выделить три типа этих механизмов; ободковые, разработанные нами, стержневые — фирмой «Локхид», и клиновые — доктором Рабенхорстом.

Супермаховик Рабенхорста

Маховичный автомобиль Рабенхорста

Диаграмма удельной энергоемкости аккумуляторов

Второй тип назван так из-за своей формы, напоминающей толстый стержень, равнопрочный при вращении. Это обстоятельство позволяет полнее использовать свойство анизотропности стеклопластиков, из которых выполнен супермаховик, хорошо работающих при одноосном нагружении. Фирма провела тщательные и всесторонние испытания своей конструкции и собирается устанавливать их на автобусах, собранных по гибридной схеме (маховик плюс двигатель), а также, видимо, будет использовать по прямому своему профилю — в авиации. В прессе эти материалы еще не освещались. О них сообщила мне фирма, прислав свой новейший технический отчет, датированный 30 апреля 1971 года.

Разработанная конструкция теоретически имеет, пожалуй, самую высокую удельную энергоемкость, относительно безопасна при разрыве, так как не образуется при этом крупных и твердых осколков, легко уравновешивается. Такие положительные качества несколько блекнут, однако, из-за недостатков. Маховик все-таки громоздкий. В камере необходим высокий вакуум, чтобы стержень мог легко вращаться, а не терять энергию из-за плохих аэродинамических качеств.

Доктор Рабенхорст создал клиновой тип маховика. К сожалению, в своем письме он не останавливается на технических подробностях, сосредоточив все внимание на теоретической стороне дела, но приложенные чертежи дают представление о конструкции. Маховик представляет собой двухлопастный винт с углом подъема 7—8 градусов. Вид его настолько необычен даже для специалиста, что я его вначале принял за насос. Ну это курьезная деталь. А серьезно, конструкция более компактна по сравнению с предложенной фирмой «Локхид». Однако изготовить ее и сбалансировать гораздо сложнее.

Сравнивая два зарубежных супермаховика с нашим, можно удовлетворенно отметить, что отечественный, ободковый тип имеет больше положительного. Он самый маленький, при разрыве его легко починить и запустить снова, внутри обода можно разместить некоторые важные детали — вал генератора, редуктор, муфты, магнитную подвеску и прочее, кому как удастся. А круг, согласитесь, легко уравновесить.

Сначала я думал, что удельная энергоемкость меньше, чем у американских маховиков, но когда уже заканчивал эту статью (писал, конечно, не один день), детальные математические расчеты показали, что разница незначительна.

Но, в общем, основные показатели супермаховиков близки друг к другу и, самое главное, они заставляют иначе посмотреть на перспективность маховиков как конкурентов двигателей и электроаккумуляторов.

По мнению доктора Д. В. Рабекхорста, супермаховики найдут себе применение не только на автотранспорте, но и на подводном и воздушном флоте, метро, планетоходах, ручном инструменте, сельскохозяйственных машинах и пр. Во всяком случае, легковой автомобиль, сделанный в университете имени Дж. Гопкинса (США), с маховиком весом около 40 кг уже способен пройти с одной подзарядки 180 километров со средней скоростью 90 километров в час. (Появление маховика после долгих лет забвения оказалось сенсационно неожиданным. Первая же конструкция маховичного автомобиля превзошла электромобили.)

По нашему, более осторожному, мнению, сегодня наиболее эффективная и актуальная область применения супермаховиков, в частности ободкового типа из стальной ленты,— городские автобусы с пробегом до 25—30 км между конечными станциями. Подзарядка будет осуществляться на этих станциях мощными стационарными электродвигателями за 3—5 минут. Правда, эти работы пока не предусматривают полную замену двигателя на маховик. Разработана лишь система маховичной рекуперации энергии торможения автобуса, но это первый и необходимый шаг в создании маховичных автобусов.

pandia.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *