УСТРОЙСТВА И УСТАНОВКИ НА БАЗЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИОННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
Производим и продаем электроприводы ЭТУ, ЭПУ для двигателей постоянного тока, тел./email +38 050 4571330 / rashid@msd.com.ua
Применение маховиков в технике известно с древних времен например в виде гончарного круга. Современные машины и механизмы во многих случаях снабжены маховиками для выравнивания хода при неравномерных нагрузках на валу, что позволяет существенно уменьшить мощность привода' Инерционные МН в настоящее время используются в различных отраслях техники. Примерами транспортных накопительных устройств служат: гироскопы Систем навигации и ориентации; маховичные двигатели для малоразмерных вертолетов, грузовых средств транспорта во взрывоопасных помещениях (пороховых складах, шахтах и т. п.), а также для пассажирского транспорта: электроинерционные стартеры самолетных двигателей; стартовые катапультирующие установки на авианосцах для разгона самолетов при взлете [4.1] и др. Широко распространены маховичные МН в различных электрофизических установках. Рассматривается крупномасштабное применение инерционных МН совместно с электрическими машинами в электроэнергетических системах [4.2]. Известно много находящихся в эксплуатации НЭ с инерционными МН и большое число их перспективных проектов. В связи с ограниченным объемом изложения рассмотрим только некоторые типовые примеры накопительных установок с МН.
Автономные установки. Инерционные МН в автономных электроэнергетических установках применяются в агрегатах с электрическими генераторами, которые при разряде МН преобразуют запасенную в маховике кинетическую энергию в электрическую энергию для питания потребителей в системе электроснабжения [5.19]. Конструктивно выполненные как отдельные элементы маховики устанавливаются на общем валу с генератором. Маховик и генератор могут иметь интегральную конструкцию. Масса маховика обычно существенно превышает (на 70—80%) массу генератора. При переводе генератора в режим электродвигателя последний может использоваться для заряда инерционного МН при наличии в установке соответствующего источника электропитания. Подробнее электромеханические установки рассматриваются в § 5.3, где приводятся конструктивные схемы совмещенного исполнения МН с генератором-
Транспортные установки. Для транспортных установок харак' терны режимы с рекуперацией энергии, т. е. возвратом & зарядному устройству при движении транспортного средств под уклон или его торможении. На рис. 4.9 в качеств поясняющего примера представлена функциональная схем рекуперативной установки электромобиля. Для его движен используется комбинированный источник энергии в виде а
регата инерционного механического накопителя МН и химической аккумуляторной батареи АБ. На ось ведущих колес ОВК вращающий момент передается с помощью блока трансмиссии БТ, К которой энергия подводится от валов маховика МН и электрических машин ЭМ1? ЭМ2, связанных внутри БТ со звеньями планетарной передачи. Каждая из этих ЭМ может работать в обратимом режиме как электродвигатель или генератор. Направление потока энергии (от АБ к МН или обратно) реверсируется с помощью блока управления БУ, получающего сигналы от педалей акселератора IIA и тормоза ПТ в зависимости от режима движения электромобиля. Например, при торможении колес К, переключениями БТ с помощью БУ переводят ЭМ1г ЭМ2 в генераторный режим, рекуперируемая энергия направляется для заряда АБ. Разработчик установки—фирма «Гаррет» (США) [4.3].
Рис. 4.9. Структурная схема комбинированной установки с МН и АБ |
Установки, применяемые на летательных аппаратах. Инерционные НЭ используются для привода движителей беспилотных и пилотируемых, вертолетов. Фирмой «Дорнье» (ФРГ) построен малоразмерный вертолет для подъема на высоту До 100 м фото - и телеаппаратуры [4.2]. Маховичный привод выполнен в виде двух ободов кругового поперечного сечения, вращающихся на общей оси в параллельных плоскостях. Спицами верхнего маховика служат четыре лопасти несущего винта, используемые также для осуществления взлета и посадки. Для выполнения бокового перемещения вертолета на четырех спицах нижнего маховика смонтированы поворотные лопасти, которые управляются с помощью электрического кабеля от передвижной наземной установки. Эта установка с°держит агрегат для заряда МН. При диаметре ободов ®*оло 1,4 м маховики раскручиваются в течение 60 с до ^00 об/мин. Запасенная энергия достаточна для подъема 6ертолета вместе с оборудованием на 100 м (высота ограничена протяженностью кабеля связи) и его полета продолжительностью до 1 мин, после чего вертолет опускается на платформу ^земной установки для заряда МН.
Если общая масса ободковых маховиков составляет 50 кг то согласно оценкам [4.2] МН запасает энергию около 2 МД^ и может развить мощность до 10 кВт, которая позволяет выполнять полет с оборудованием массой 50 кг.
Достоинствами данного вертолета являются его малая стоимость и простота конструкции, бесшумность работы двигателя, быстрота запуска и взлета, отсутствие выхлопных газов. Его недостаток, состоящий в неавтономности полета при наличии кабеля, может быть устранен посредством перехода на радиоуправление.
Спасательный пилотируемый вертолет с инерционными МН разработан фирмой «Локхид» (США). Его скороподъемность в 5 раз выше, чем у вертолета с двигателем традиционного1 типа. Маховик в режиме заряда разгоняется с помощью электродвигателя мощностью 1,5 кВт до 28 ■ 103 об/мин и запасает энергию, которая может обеспечить девять циклов «взлет - посадка» вертолета без подзарядки МН. Положительное качество маховичного двигателя состоит в том, что он не нуждается в системе охлаждения и не требует наличия топлива на борту вертолета; его недостаток определяется относительно малой общей продолжительностью полета без подзарядки МН.
Инерционные двигатели для привода винтов легких самолетов разрабатываются фирмой «Юнайтед эркрафт корпорейшн» (США). Целесообразность применения МН на этих летательных аппаратах (ЛА) обусловлена высокой удельной мощностью, приходящейся на единицу массы маховика. Для МН этот показатель существенно лучше, чем у обычных авиадвигателей для легких самолетов, мощность которых, как правило, не превышает 120 кВт вследствие ограничений по массе двигателя [4.2].
Наряду с применением для привода винтов известно использование МН в электроинерционных стартерах для пуска авиационных газотурбинных двигателей.
Предложены установки с МН для маховичного привода планетоходов -транспортных средств, предназначенных для исследования поверхности Луны и других планет [4.20].
Представляют интерес МН для ручного технологического инструмента, используемого в условиях невесомости. Разработанная в СССР дрель с приводом от МН при применении на борту космического ЛА позволяет космонавту-оператору не фиксироваться относительно обрабатываемого объекта, гак как оператор не ощущает действия реактивного нращакнцего момента, который проявляется в подобных инструментах с другими тинами привода [4.20].
Установка с МН для привода катапульты. Катапульты применяются для интенсивного ускорения объектов на °т' носительно коротком стартовом пути. На рис. 4.10 приведена
Рис. 4.10. Схема устройства катапульты с инерционным МН |
Схема установки, используемой на авианосце для разгона самолетов до начальных скоростей 300—400 км/ч при длине разбега 100—150 м соответственно [4.1]. Электродвигатель 1 мощностью 0,9 МВт в режиме заряда МН раскручивает маховик 2 массой 12 т, потребляя энергию от бортовой электростанции авианосца. Запасенная механическая энергия в режиме разряда инерционного накопителя подводится к лебедке 3, тяговый барабан которой связан с маховиком посредством планетарной зубчатой передачи и гидромуфты 4, обеспечивающей постоянный вращающий момент на своем выходном валу при убывающей скорости маховика. Трос лебедки передает усилие стартующему самолету.
Стационарные установки. Для крупномасштабных применений характерны инерционные МН больших размеров и массы. Они рассчитаны на сглаживание пиков потребляемой мощности в электроэнергетических системах и предназначены для совместной эксплуатации с обратимой электрической машиной, смонтированной на общем валу с маховиком. Для таких установок характерна вертикальная компоновка. Известны разработки проектов перспективных МН на энергию от 70 До 200 ГДж с диаметрами наборов дисковых маховиков 4,5—18 м и общей высотой до 6— 10 м. На рис. 4.1! приведен пример конструктивной схемы НЭ на 400 МДж, разработанного в США. Маховик 1 сборного типа состоит из нескольких дисков диаметром 1,2 м, общей высотой порядка 1 м и массой 4,35 т. В верхней части маховика находится направляющий подшипник 2, а в нижней — опорный подпятник 3. Электрическая машина 4 питается от системы переменного тока (/=60 Гц) через умножитель частоты и разгоняет маховик До 7200 об/мин в режиме заряда. При разряде МН эта машина работает как генератор и отдает энергию в электрическую систему [4.1—4.3].
Рис. 4.12. Ободковый супермаховик на магнитном подвесе, совмещенный с дуговой индукционной (асинхронной) электрической машиной |
Современные разработки имеют тенденцию к применению бесцентровых ободковых композитных маховиков, допускающих высокие окружные скорости. Соответствующий пример конструктивной схемы накопительной установки приведен на рис. 4.12. Кольцевой супермаховик 1 из анизотропного волокнистого материала (органопластик кевлар) снабжен металлическими вставками в виде ряда секторов 2 и смонтирован в тороидальной глубоко вакуумированной камере. Маховик поддерживается на четырех магнитных опорах 3. Каждая опора конструктивно со-' вмещена в общем блоке с одним из четырех секторов статора дуговой индукционной машины, которая работает в обратимом режиме (как электродвигатель при заряде и как асинхронный генератор при
Рис. 4.11. Инерционный НЭ для электроэнергетической системы
Разряде МН). Секторные вставки 2 выполняют роль корот - козамкнутых элементов ротора индукционной машины. КольЦевой супермаховик развивает окружную скорость 975 м/с, поэтому даже при большой мощности электрическая машина получается чрезвычайно легкой. Потери в МН определяются только малой мощностью вихревых токов в магнитном подвесе и незначительным аэродинамическим трением в вакуумной камере. Основные параметры МН указаны в табл. 4.3, где для сравнения приведены также показатели примерно подобного МН со стальным диском равной прочности. В перспективе предполагается, что удельная мощность потерь супермаховика будет уменьшена в 7,2 раза. Это приведет к существенному возрастанию времени выбега, т. е. длительному инерционному хранению энергии (соответствующие улучшенные параметры приведены в табл. 4.3 в скобках) [4.2, 4.3].
Таблица 4.3. Параметры инерционных МН с высоким использованием свойств материала маховиков соизмеримой энергии [4.3 ]
|
Накопитель энергии с использованием плазмы. Устройство, получившее название «гомополярник», состоит из двух коаксиальных цилиндрических электродов, скрепленных по торцам дисками из термостойкого диэлектрика. Внутренняя полость цилиндрической камеры между электродами и торцевыми дисками заполнена ионизированным газом — плазмой. Гомопо - ляриик размещен в неизменяющемся во времени равномерном магнитном поле Bz электромагнита, которое направлено параллельно центральной оси симметрии z. Если электроды подключить к источнику постоянного Напряжения, то через плазму потечет радиально направленный ток I. Его взаимодействие с полем Bz приведет к появлению объемной плотности электромагнитных сил f3V = JrBz, ориентированных в окружном направлении. Плотность тока в плазме Jr = /j2nrb, где b—осевой размер электродов. Под влиянием плазма вращается вокруг оси z и запасает кинетическую энергию
V
Где V—объем полости, занятой плазмой; уср—усредненная по V плотность плазмы; V=V(R)—окружная скорость плазмы, являющаяся функцией от радиуса г.
I |
Магнитное поле Вг наводит во вращающейся плазме ЭДС
Е= { B2v(r)dr,
Где гш, гп—радиусы центрального и периферийного электродов.
Если отключить от источника питания электроды гомополярника и замкнуть их на внешнее сопротивление нагрузки, то в цепи электродов под влиянием ЭДС е будет протекать ток разряда. При этом плазма будет тормозиться вследствие электромеханического преобразования энергии fV3 в электроэнергию.
Достоинст ва гомополярника состоят в высоком быстродействии и большой удельной энергии, приходящейся на единицу массы плазменного накопителя (без учета массы электромагнита). Недостаток гомополярника в том, что абсолютное значение энергии Wt мало.
Накопители энергии с использованием ускоренных элементарных частиц. Эти НЭ по физической природе примыкают к МН, поскольку запасают кинетическую энергию в потоке ускоренно движущихся элементарных частиц (электронов, протонов). Исследования фундаментальных свойств материи проводятся в физических экспериментах со встречными пучками элементарных частиц, имеющих одноименные или разноименные заряды. Для повышения эффективности взаимодействия частиц (увеличения вероятности их столкновения) требуется: усилить ток в пучке, т. е. поднять интенсивность потока частиц; обусловить многократное возвращение не испытавших столкновения, частиц к месту встречи пучков. Оба эти приема реализуются в установках типа накопительных колец [4.13].
Сталкивать между собой можно, например, встречные электронные пучки или встречные протонные пучки. Предварительно ускоренные в линейных или циклических (орбитальных) ускорителях частицы направляются в накопительное кольцо.
Ускорение частиц осуществляется переменным или постоянным продольным электрическим полем, ориентированным по касательной к траектории движения частиц. Поле создается соответствующей электрической установкой высокого напряжения, питающей ускорительное устройство.
Накопительное кольцо (рис. 4.13,А) выполняется в виде вакуумной тороидальной камеры, размещенной между полюсами N, S электромагнита постоянного тока. Вследствие глубокого вакуума (до 10~7—Ю-8 Па) рассеяние заряженных частиц на молекулах остаточного газа в камере практически отсутствует. Поток частиц вводят в камеру по касательному направлению с помощью каналов 1, идущих от линейного или орбитального ускорителя. Постепенно заполняют НЭ частицами, увеличивая их концентрацию в кольие, т. е. электрический ток. Время заряда НЭ составляет несколько часов. При движении по кольцевой орбите поток частиц теряет некоторую часть энергии за счет электромагнитного излучение. С целью компенсации потерь вакуумную полость кольца разделяют на несколько секторных камер 2, в промежутка" между которыми устанавливают объемные резонаторы 3 высокочастотных
4 - зона столкновения); в — ускорительно-накопительный комплекс (/ — кольцо, 2—инжектор, 3— камера ускорителя, 4, 5—поворотные электромагниты, 6 - неподвижная мишень, 7, 8—магнитные линзы) |
Электромагнитных колебаний. Энергия резонаторов используется для периодического ускорения частиц электрическим полем. Магнитное поле полюсов A', S обусловливает движение частиц под действием центростремительной силы Лоренца F.^/vxB по круговым траекториям в плоскостях, ортогональных к направлению магнитного поля. Для частицы с массой т и модулем заряда q период обращения T—2nmjqB обратно пропорционален магнитной индукции ноля 5 и не зависит от скорости v, а радиус траектории составляет R=mvjqB.
Если установка предназначена для столкновения одноименно заряженных Частиц (например, электронов), она должна содержать два накопительных
Кольца, сопряженных в виде восьмерки (рис. 4.13,6). В каждом из колец электроны вращаются по часовой стрелке. Управляя электромагнитными отклоняющими устройствами, осуществляют соударение пучков в зоне 4, где расположена измерительная и регистрирующая аппаратура.
Столкновение частиц и античастиц можно организовать посредством одного общего кольца 1 (рис. 4.13,в), поскольку разноименно заряженные частицы закручиваются в противоположные стороны магнитным полем заданного направления.
Кроме кольца 1 ускорительно-накопительный комплекс (УНК) встречных электронных и позитронных пучков (ВЭПП) содержит инжектор 2, из которого с помощью промежуточных устройств (поворотного магнита и фокусирующих линз) пучок электронов вводят в ускорительную камеру синхротрона 5., Ускоренные электроны направляют в кольцо 1 по вакуумному каналу, проходящему через поворотные магниты 4 и 5.
Для получения позитронов часть ускоренных в синхротроне электронов сталкивают с вольфрамовой мишенью-конвертором 6. Далее позитроны вводят в накопительное кольцо I навстречу потоку электронов. Заданные поперечные размеры пучков в каналах обеспечиваются фокусирующими магнитными линзами 7, 8. Соударение пучков осуществляется по сигналу воздействия на систему, управляющую их отклонением внутри кольца 1.
В мощных установках ВЭПП, имеющих радиус орбиты накопительного кольца 6—18 м, запасенная каждым из пучков кинетическая энергия составляет 2—20 ГэВ, ток в пучке достигает 0,1 — 1 А. Более высокий уровень энергии (порядка 270 ГэВ в пучке) получают в протонных установках. Здесь в качестве накопительного кольца используют камеру синхротрона, предварительный разгон протонов осуществляют в линейном ускорителе. Подобный УНК создан в Европейском центре ядерных исследований ЦЕРН (Женева) [4.13]. Заметим, что 1 ГэВ= 109 эВ« 1,6 10 10 Дж.