Как использовать возможности маховика
Плодотворна ли сама идея?
Известный археолог Л. Вулли в 1927 году откопал в Урском могильнике {в Месопотамии) маховик, которым примерно в 4500 году до нашей эры древний мастер пользовался в гончарном деле. Известно, что маховик применялся также в различных гидравлических и ветровых установках, большей частью мельницах, а с появлением первых паровых машин и других двигателей стал их неотъемлемой частью.
Сейчас маховики широко используются в технике, став важной деталью многих машин и механизмов. Область применения маховиков весьма разнообразна: от многотонных громадин на прокатных станах до миниатюрных балансиров в часах, от неуклюжих медленных колес дробильных и ковочных машин до делающих десятки тысяч оборотов в минуту гироскопов...
Но во всех перечисленных примерах имеется и основной двигатель, работающий одновременно с маховиком.
Самостоятельное значение маховик как аккумулятор энергии получает тогда, когда только его энергией совершается технологическая, транспортная или какая-либо иная рабочая операция.
Такую роль маховик стал играть недавно. В 1864 году наш соотечественник В.И. Шуберский впервые предложил применить маховик на экипаже, назвав его «маховозом». Но из-за слабого уровня техники того времени дальше проекта «маховоза» дело не пошло. В 1883 году появилась ма-ховичная торпеда адмирала Хауэлла. В одной из таких торпед, диаметром около полуметра, в средней части помещался стальной маховик, разгоняемый паровой машиной до 18—20 тысяч оборотов в минуту.
От маховика приводились в движение гребные винты, и торпеда, развивая большую скорость, не только догоняла атакуемый корабль, но и описывала вокруг него спираль все уменьшающегося радиуса, пока не происходила роковая встреча. Тележки с приводом от маховика были изготовлены в начале нашего века англичанами братьями Ланчестерами и долгое время использовались на Южной железной дороге в Англии.
Но, пожалуй, наибольший вклад в разработку маховичных, так называемых инерционных аккумуляторов внес русский изобретатель и конструктор А. Г. Уфимцев. Это он впервые в 20-х годах поместил маховик в вакуум (для уменьшения трения), разработал систему отбора мощности из вакуумной камеры, довел до минимума потери в подшипниках. Его конструкция значительно превзошла лучшие зарубежные конструкции того времени.
В 1945 году фирма «Эрликон» начала свои работы по созданию маховичного транспорта, завершившиеся постройкой гиробуса и гиротягача на рельсовом ходу.
В ряде стран, в том числе и в СССР, выпускаются и успешно эксплуатируются на шахтах и в карьерах маховичные гировозы. Эти локомотивы с составом вагонеток проходят несколько километров с одной зарядки маховика. Успешно работают и махо-сичные тележки для межцеховых перевозок, весьма простые по устройству и экономичные.
Инерционный аккумулятор, запатентованный А. Г. Уфимцевым в 1918 году. Маховик 1, сидящий на валу 2, подвешен в системе подшипников 3, закрепленной в шарнирном подвесе 4 внутри герметичного кожуха 5 из которого выкачан воздух. Электромотор 6 (выполняющий и роль генератора) связан с системой питания двумя проводами, выведенными из герметичного кожуха. Маховик выполнен в виде диска равной прочности.
Вообще маховик как аккумулятор энергии хорошо зарекомендовал себя там, где не требуется его длительной работу или больших пробегов.
Но идея использования энергии маховика на городском транспорте, несмотря на всю ее заманчивость и значительные работы, проведенные в этом направлении, пока что так и не получила фактически реального воплощения.
Выходит, гиробус, как и первый электромобиль, не оправдал возлагавшихся на него надежд?
Но исчерпаны ли действительно возможности маховичного транспорта? Может быть, технический прогресс за последние четверть века оказал влияние и на судьбу маховика как аккумулятора энергии? Существует ли необходимость снова возвращаться к этой некогда сенсационной идее?
Основные препятствия
Любое движущееся тело обладает кинетической энергией. Запас ее пропорционален массе тела и квадрату скорости движения. Современный легковой автомобиль, разогнанный до скорости 60 км в час, пройдет по инерции по хорошей дороге до остановки около километра; при начальной скорости 120 км в час этот путь будет уже 4 км; при скорости 400 км в час — 50 км, а при рекордной для автомобиля скорости — 1 000 км в час — свыше 300 км. Это .уже вполне достаточный пробег для современного автомобиля.
В действительности, конечно, этого не произойдет хотя бы из-за огромных потерь энергии при таких скоростях. Но ведь можно разгонять не сам автомобиль, а массивный маховик, помещенный внутри него и соединенный с колесами. Конечно, вес маховика (как и двигателя) должен быть раза в три меньше веса всего автомобиля. Повысив окружную скорость маховика до 1 700 км в час, получим тот же путь пробега — 300 км. Казалось бы, все решается просто.
Но, увы, расчет показывает, что при такой скорости на маховик действует разрывное усилие в 180 кг на квадратный миллиметр. Монолитный маховик (будь то отливка, поковка), из какого бы материала он ни был сделан, не выдержит такой нагрузки.
А если увеличить диаметр маховика? Это не поможет, ведь размеры совершенно не влияют на разрывные силы в маховике, которые, как и кинетическая энергия, пропорциональны только квадрату скорости на периферии. Законы механики тут Оказались суровы: за повышение запаса энергии приходится платить таким же повышением прочности! Поэтому-то максимальное количество энергии, которое может накопить маховик гиробуса, изготовленный даже из лучшей хромоникелевой стали, окажется раз в десять меньше количества энергии, запасаемого традиционным кислотным электрическим аккумулятором.
Да и разгонять маховик до предельных скоростей далеко не безопасно: при случайном разрыве осколки полетят со скоростью пушечного снаряда. Приходится делать маховик с трехкратным запасом прочности, что соответственно в три раза снижает и без того малую плотность энергии.
Именно необходимость обеспечить прочность и безопасность маховика становится основной преградой на пути повышения плотности запасаемой им энергии.
Традиции вопреки
Выход из создавшейся ситуации оказался весьма простым, но с традиционных позиций неожиданным.
Давно уже существуют материалы, каждый квадратный миллиметр которых выдерживает нагрузку, значительно большую, чем 180 кг. Это стальные ленты и проволоки, полученные холодной прокаткой или вытяжкой. Изготовить из них маховик мешала разве только традиция — его привыкли представлять литым, кованым, но только не «проволочным». Между тем сделать маховик, например, из ленты не только проще, чем ковкой или литьем, но и лучше: он приобретает ценнейшее свойство — становится безопасным при разрыве. Если скорость такого маховика по какой-либо причине превысит допускаемую, то разорвется наиболее нагруженный внешний виток ленты; из-за трения его о кожух обороты маховика автоматически снизятся до безопасных, а вскоре он и вовсе остановится.
Сравнительные испытания на разгонном стенде показали, что разрывы ленточных маховиков (в отличие от монолитных) совершенно безопасны: вместо грозных осколков, глубоко проникающих в толстую броню разгонной камеры стенда, разрыв ленты сопровождается лишь резким, быстро стихающим звуком. Основная масса ленточного маховика оставалась неповрежденной, и после прикрепления оторвавшегося куска ленты маховик использовался для дальнейших испытаний как новый.
Маховик, изготовленный из стандартной стальной ленты среднего качества, по плотности энергии в 6 раз превзошел маховик гиробуса фирмы «Эрликон». Но это лишь скромное начало. Успехи технологии материалов создают практически безграничный резерв повышения плотности энергии «витых» маховиков. Например, если их делать из выпускаемых промышленностью кварцевых волокон, прочность которых более чем в 3 раза превышает прочность стальной ленты, а удельный вес втрое меньше, то плотность энергии повысится еще в 10 раз, значительно опередив по этому показателю современные силовые установки с двигателями внутреннего сгорания. Наконец, когда сверхпрочные кварцевые нити, получаемые пока в лабораториях, станут промышленным материалом, появится возможность использовать и их для изготовления маховиков, которые по плотности энергии приблизятся тогда к чистому горючему! Опытные образцы таких маховиков, названных их создателем американским инженером Д. Рабенхорстом супермаховиками, показали при испытаниях чрезвычайно высокую плотность энергии. Маленький городской автомобиль с супермаховиком его конструкции рассчитан на пробег с одной зарядки (раскрутки) до 180 км!
Итак, маховик «витой» конструкции пэ плотности запасаемой энергии и безопасности в эксплуатации вполне отвечает требованиям, предъявляемым к ИА.
А что можно сказать в отношении других свойств нового типа маховика?
Высокая удельная мощность при выделении энергии характерна для любого маховика. Даже самый маленький маховик может развить практически беспредельную мощность — она ограничивается только прочностью трансмиссии. Маховик гиробуса «Эрликон» мог бы развить мощность более 100 тысяч лошадиных сил (мощность десяти крупных пароходов), если бы его кинетическую энергию использовать за секунду. Но «переварить» такую большую мощность трудно. С помощью электропривода, который служит для преобразования энергии маховика на гиробусе, можно использовать весьма небольшую мощность — около 50 квт. Для реализации же большей мощности требуется непомерно громоздкая и тяжелая трансмиссия. Отсюда и медленный разгон гиробуса и его низкая скорость на перегонах.
Как же использовать огромные возможности маховика развивать высокую удельную мощность?
Исследования, проведенные в нашей лаборатории, показали, что эффективным устройством для реализации кинетической энергии маховика может быть так называемый центробежный аккумулятор (на его конструкцию автору статьи выданы авторские свидетельства № 229152 и № 239720). Принцип его действия в общих чертах таков. Внешний барабан центробежного аккумулятора, являющийся в то же время маховиком, связан с внутренним барабаном несколькими ветвями стальной ленты. Вал внутреннего барабана можно соединять с колесами автомобиля также, как и вал двигателя,— через коробку передач, карданный вал, дифференциал и т. д.
Безопасный высокоэнергоемкий маховик, навитый и склеенный из тонной стальной ленты; схема вверху поясняет конструкцию такого маховика: на легкий и прочный несущий диск навивается со склейкой тонкая стальная пружинная лента.
Вращаясь достаточно быстро, ветви ленты (при известном их количестве) создадут такой крутящий момент на внутреннем барабане, какой только может потребоваться. При превышении его, например, при подъемах, разгонах, никаких поломок не возникает: внутренний барабан замедляется и слегка отстает от внешнего; лента навивается на него и создает все возрастающий крутящий момент, который необходим, чтобы преодолеть препятствие.
Когда идет речь о маховике для привода автомобиля, то нередко вопрос, каковы будут внутренние потери, задают в форме: «А сколько времени маховик будет крутиться?»
Маховики различных инерционных тележек вращаются в атмосфере до 4 часов. Маховик гиробуса сохраняет энергию около 12 часов. В ультрацентрифугах роторы-маховики весом до 10 кг, подвешенные в магнитном поле в вакуумной камере, могут вращаться годами. Конечно, уменьшение внутренних потерь достигается усложнением конструкции.
В течение какого же времени должен сохранять энергию ИА? Вообще, чем больше, тем лучше. Но для общественного транспорта — автобусов, такси (а для них в основном и разрабатывается маховичный аккумулятор) вполне достаточно 12 часов. Для более далекой перспективы нами проводятся опыты по магнитной разгрузке подшипников от веса маховика. Постоянные магниты укрепляются на корпусе и в теле маховика. Отталкиваясь одноименными полюсами, они частично или полностью принимают на себя вес маховика и разгружают подшипники. Магнитная подвеска маховика в вакуумной камере позволяет еще более уменьшить внутренние потери и повысить долговечность подшипников.
Наконец последнее требование к ИА — высокая зарядная мощность. Уже упоминалось, что маховик гиробуса «Эрликон» мог бы развить огромную мощность — сто тысяч лошадиных сил, если его затормозить за секунду. Точно так же, если заряжать маховик той же мощностью, то его можно раскрутить за секунду. Но такие крайности ни к чему. Вполне устраивает, если полная зарядка будет протекать минут пять, а подзарядка — минуты три. Для этого достаточно иметь двигатель мощностью 300—400 квт.
Схема центробежного аккумулятора-маховика с "мягкой" характеристикой. Крутящий момент передается внутреннему барабану через натяжения ветвей ленты.
Совсем не фантастика
Попытаемся представить себе новое транспортное средство с маховичным аккумулятором энергии, например, городской автобус. Именно этот вид транспорта по своим технико-эксплуатационным показателям наиболее подходит для установки на нем маховичного аккумулятора-двигателя. Восполнение энергии целесообразнее всего производить на конечной станции, где автобусы стоят минут пять.
Прикинем размеры силовой установки. Протяженность автобусного городского маршрута (в оба конца) колеблется в пределах 10—12 км. Возьмем для гарантии путь длинои 25 км. Сила, которая идет на преодоление дорожных сопротивлений автобуса весом 10 т (средний городской автобус), около 200 кг. Тогда количество энергии, необходимой для прохождения пути 25 км по ровной дороге без подъемов и остановок, будет равно 5 миллионам кгм. Известно, что маховик позволяет накапливать механическую энергию на спусках и остановках, а затем выделять ее при необходимости на подъемах и при разгоне. Поэтому для маховичного транспорта остановки и подъемы почти не снижают пути пробега. Если мы учтем кпд трансмиссии (примерно 90 процентов) и то обстоятельство, что скорость маховика не должна падать более чем вдвое, а также прибавим еще 500 тысяч кгм на всякие непредвиденные случаи, то в итоге получим почти 8 миллионов кгм.
Так схематически можно представить один из вариантов маховичного автобуса: маховик 1 с «мягкой» характеристикой заряряжается на конечных станциях через вал зарядки 2, выходящий из коробки передач 3 которая связана карданным валом 4 с главной передачей 5 (как и на обычных автобусах).
Зарядка, которая займет не более пяти минут будет производиться мощным стационарным электродвигателем или пневмотурбиной.
Потери на собственное вращение маховика не учитываем, так как за час работы (а примерно за это время автобус и проходит 25 км) они ничтожны.
Если применить ленточный маховик уже испытанной конструкции с плотностью энергии около 10 тысяч кгм на килограмм веса, то надо будет поставить на наш автобус маховик весом менее 1 т (отношение веса двигателя к весу всей машины 1:10 считается весьма небольшим и даже не достигается на большинстве автомобилей). Располагать маховик удобнее всего под полом автомобиля. Однако не исключена возможность установки его непосредственно на место снятого двигателя. Важно только, чтобы ось вращения маховика была вертикальна и гироскопический эффект не мешал поворотам.
Не вызывает сомнений, что маховичный автомобиль будет иметь ряд значительных преимуществ перед автомобилем с ДВС. Машина, оборудованная маховичным двигателем, позволяет весьма интенсивные разгоны, езду в гору с такой же скоростью, что и на прямом участке, эффективное (безъюзовое) торможение. А самое главное — не будет ядовитых выхлопных газов, отравляющих атмосферу городов.
Отечественный приоритет в разработке маховичных двигателей и их отдельных узлов зафиксирован более чем двадцатью нашими авторскими свидетельствами на изобретения.
Однако прежде чем использовать на городском транспорте в качестве основного двигателя новую силовую установку, необходимо ее еще кропотливо исследовать и совершенствовать, надо решить много конструкторских и технологических вопросов В частности, нашей лабораторией совместно с Головным конструкторским бюро по автобусам (г. Львов) разрабатывается небольшая маховичная силовая установка (весом около 150 кг) для автобусов ЛАЗ. цель которой — разгон машины за счет энергии, накопленной маховиком при торможениях. Несмотря на то, что будет функционировать и основной двигатель автобуса, маховичная установка должна значительно сократить расход горючего и, стало быть, выделение выхлопных газов. Только после этого можно будет приступить уже к замене ДВС маховичным аккумулятором на ряде машин и в первую очередь на автобусах и других машинах с аналогичными условиями работы. Расчеты показывают, что только на автобусах экономия горючего в масштабах страны даст эффект, выражаемый десятками миллионов рублей в год.
Первые разработки по созданию энергоемких и безопасных маховиков, ведущиеся как в СССР так и в других странах, представляют собой один из важнейших шагов по созданию маховичного транспорта, который наряду с другими прогрессивными видами транспорта должен занять свое место в городах будущего.
"Haука и Жизнь"
