Инерция и энергетика

В настоящее время одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством, является проблема экономной выработки экологичной энергии. Из всех источников энергии наиболее экологически безвредными считаются гидроэлектростанции. Особенно же вредны для окружающей среды мелкие двигатели транспортных машин: их трудно отрегулировать, работают они почти всегда на переменном режиме, потребляют дефицитное топливо, выделяют много токсичных выхлопных газов.

Как же организовать снабжение человечества экологически безопасной энергией и при этом не нарушить привычный нам механизированный мир? Очевидно, получать ее от гидравлических, ветровых, приливных, геотермальных, солнечных, атомных (а затем и термоядерных) электростанций.

Но как быть с мобильными машинами, главным образом с транспортом? Тут необходим автономный источник энергии, который запасал бы энергию от экологически безвредных источников, а затем расходовал при движении. Он должен накопить энергию, сохранить ее по возможности с меньшими потерями, а затем при необходимости выделить с требуемой интенсивностью. И все это при как можно меньших габаритах и массе.

Такие устройства давно имеются, существующие постоянно совершенствуются, создаются новые. Называются они накопителями, или аккумуляторами, энергии. Здесь мы поведем речь только об одном типе аккумулятора энергии, имеющем непосредственную связь с нашей темой — инерционном аккумуляторе (маховике), который считается специалистами одним из самых перспективных. Почему?

Маховики способны кратковременно развивать огромные мощности, не доступные другим аккумуляторам. Экономичность маховиков достаточно высока: помимо того что они имеют высокий КПД, это — единственные из аккумуляторов, способные наиболее эффективно рекуперировать механическую энергию машины при торможении. И наконец, нет достаточно емкого аккумулятора, который в меньшей степени загрязнял бы окружающую среду вредными выделениями при работе, чем маховичный. Маховичные аккумуляторы могут применяться с большей эффективностью, чем двигатели на общественном городском транспорте — в автобусах и рельсовых машинах, внутризаводском транспорте, транспорте специального назначения — почтовом, прогулочном, рудничном и троллейном, в энергосистемах кратковременного действия, в ручном инструменте и во многих других случаях, которые трудно даже коротко перечислить.

Чтобы инерционный аккумулятор максимально эффективно проявил свое свойство сохранять накопленную кинетическую энергию, движение маховика должно быть возможно ближе к инерционному вращательному движению. А для этого нужно, чтобы сопротивление вращению маховика было исчезающе мало и не оказывало заметного влияния на равномерность его движения. Нужно также, чтобы окружная скорость движения маховика была максимально высокой — тогда при одной и той же инерционности в маховике будет накоплено большее количество кинетической энергии. Для нормальной работы инерционного аккумулятора необходимо, чтобы маховик был статически и динамически отбалансирован, иначе, кроме инерционного вращательного движения, маховик будет участвовать еще и в вибрационном движении, отнюдь не способствующем эффективному сохранению энергии и опасном для машины, на которой он установлен.

Аккумулятор, основанный на инерционном вращении маховика, в отличие от тела, движущегося равномерно и прямолинейно, может легко менять показатель инертности — момент инерции. Такие маховики переменного момента инерции позволяют регулировать угловую скорость вращения, что определяет многие полезные свойства инерционного аккумулятора (о чем будет сказано ниже).

Снижение потерь энергии. Какими путями должно идти совершенствование инерционного аккумулятора? Чтобы движение маховика стало возможно ближе к инерционному, момент внешних сил, действующих на маховик инерционного аккумулятора, должен быть возможно меньшим. Этот момент обусловив ливается потерями энергии в самом аккумуляторе. Где же теряется энергия при вращении маховика?

Вращаясь, маховик приводит в движение и окружающие слои воздуха, на что, естественно, уходит энергия. Потери или сопротивления, возникающие при этом, называются аэродинамическими, или вентиляционными. Кроме вентиляционных, есть потери энергии в опорах — подшипниках, зависящие от их типа. Если это подшипники качения, то энергия уходит на перекатывание шариков или роликов, если подшипники скольжения — на сухое или жидкостное трение, если магнитные — на вихревые токи и гистерезис, и т. д. Энергия теряется в виде вихревых токов при вращении в поле земного магнетизма, на демпфирование при вибрациях и пр. Однако все эти потери пренебрежимо малы по сравнению с двумя основными — вентиляционными и в подшипниках.

Мощность потерь в инерционных аккумуляторах зависит от плотности окружающей среды. Зазор между маховиком и его кожухом для обеспечения минимальных потерь должен составлять от 1 до 3% диаметра маховика. При большом зазоре в движение вовлекается много воздуха и растут потери, а при очень малых зазорах начинают взаимодействовать пограничные слои газа. Кожух уменьшает потери мощности на 20%; в водородной среде потери снижаются почти в 10 раз, а в гелиевой — в 7 раз по сравнению с воздушной. Даже температура окружающей среды влияет на потери энергии, например: при -60°С по сравнению с обычной комнатной температурой (+20°С) они увеличиваются на 17%, а при температуре кипения воды (+100°С) уменьшаются на 11%.

Для маховиков, вращающихся в воздушной среде нормального давления, вентиляционные потери составляют до 85% общих механических потерь и даже более. Это очень много. Уменьшить их можно, прежде всего рационально выбрав зазор между маховиком и кожухом. Следует избегать всякого рода изменений сечения зазора, выточек, шлицев, отверстий в маховике, особенно близ периферии, где окружная скорость высока.

Если между маховиком и кожухом поставить дополнительный легкий кожух, вращающийся с половинной скоростью маховика, относительная скорость трения о воздух упадет вдвое, а потери (с учетом того, что трущихся о воздух поверхностей будет уже не одна, а две) должны уменьшиться в 4 раза. Это немало. Правда, наличие вращающегося кожуха несколько увеличивает потери в подшипниках и создает ряд других потерь, но практически потери уменьшаются в 3 раза. И при этом не нужно никакого привода для вращения кожуха — он вращается сам, увлекаемый потоком воздуха, со скоростью, равной половине скорости маховика.

Однако наиболее радикальное решение вопроса уменьшения вентиляционных потерь — значительное снижение давления в камере вращения. Для этого камера должна быть герметичной и из нее надо «вывести мощность» — в этом основная трудность. Создано несколько способов вывода мощности из герметичной камеры маховичного аккумулятора, которые мы и рассмотрим.

Часто маховик вместе с электрогенератором помещают в герметичный корпус, а энергию отводят по проводам в виде электрического тока. На этом принципе основано большинство систем, работающих на маховичных автомобилях и гиробусах (махобусах). В некоторых из них камера вращения заполняется разреженным водородом для лучшего охлаждения электромашины. Однако КПД электрической передачи в такой схеме невысок, она тяжела и лишает маховичный привод его преимущества — высокой удельной мощности.

Несколько лучше в этом отношении гидростатический привод, перспективный для машин с основной гидростатической трансмиссией. Но оба эти привода не позволяют развивать больших мощностей, необходимых, например, для экстренной раскрутки маховика.

Часто вал маховика выводится из камеры вращения через обычные уплотнения, а воздух, который постоянно подсасывается в вакуумную камеру, периодически удаляется насосом. На этом принципе основана, например, герметизация камеры вращения маховика погрузчика, о котором шла речь выше: воздух из камеры вращения может удаляться насосом, питающимся как от самого маховика, так и от сети при заправке. Выбег (холостой ход после разгона) такого маховика может достигать нескольких дней. Но необходимость откачивать воздух, уход за вакуумным насосом усложняют систему.

Можно откачивать воздух только во время работы инерционного аккумулятора, а во время длительных выбегов герметизировать камеру вращения маховика. Это повышает экономично ность откачки и сильно уменьшает потери при выбеге. Конструкция, работающая по этому принципу, представлена на рис. 8.1. Маховик установлен в подшипниках на оси, соединенной с корпусом. На маховике закреплена полумуфта муфты сцепления, другая полумуфта закреплена на выходном валу, имеющем уплотнение (например, манжетное). На выходном валу установлен стакан с дополнительным контактным уплотнением в виде торцового кольца (например, из резины). На корпусе закреплено неподвижное кольцо.

При зарядке маховика или отдаче им энергии полумуфты прижимаются друг к другу и выходной вал соединен с маховиком. При этом вал герметизирован только манжетным уплотнением, через которое, хоть и в небольшом количестве, воздух все-таки просачивается. В это время уплотнительное кольцо приподнято вместе с валом и не касается стакана. Во время же выбега маховика вал вместе с полумуфтой перемещается вниз, маховик отсоединяется от вала, а кольцо прижимается к стакану, герметизируя корпус. Включать и выключать сцепление можно, например, педалью.

Так как выбег обычно длится гораздо дольше, чем работа или зарядка инерционного аккумулятора, снижение потерь при выбеге очень важно. Если мощность отбирается гидроили электросистемой, либо каким-нибудь из низкомоментных устройств вывода мощности (описанных ниже), то заряжать инерционный аккумулятор удобно приводом весьма высокой мощ;

Рис. 8.1. Инерционный аккумулятор с герметизацией корпуса при выбеге маховика:

/ — маховик; 2 — корпус; 3 — маховичная полумуфта; 4 — выходная полумуфта; 5 — манжетное уплотнение; 6 — стакан; 7—8 — торцовое уплотнение ности (например, крупным электродвигателем) за очень короткое время. В этом случае описанная конструкция весьма удобна, так как позволяет раскручивать маховик непосредственно за вал и откачивать воздух одновременно с зарядкой.

Перспективны также магнитные уплотнения — магнитная жидкость, находящаяся в магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами вокруг вала. Магнитная жидкость — это коллоидный раствор феррита в жидкости. Размеры частиц феррита должны быть очень малы — от 20 до 100 ангстрем, иначе жидкость будет нестойкой. Но и это уплотнение не лишено недостатков: максимальное давление невелико, особенно при высоких угловых скоростях; растворитель испаряется в вакууме, отчего жидкость может загустеть; при высоких угловых скоростях и большом диаметре вала (что необходимо для передачи больших мощностей) велики потери в уплотнении, в результате оно может нагреться и выйти из строя.

Наиболее высокий вакуум позволяют держать уплотняющие системы с гибкими звеньями. Их можно разбить на два основных типа — сильфонные и волновые. Сильфон — это гофрированная упругая пластина или трубка, которая деформируется, сохраняя упругость, и это свойство используется для герметизации при передаче вращения в вакуум. Проще всего передать из вакуума при помощи сильфона возвратно-поступательное движение. Для этого вращательное движение надо преобразовать в возвратно-поступательное, а затем передать из вакуума с помощью сильфона. Затем его можно снова преобразовать во вращательное или использовать как возвратно-поступательное.

Волновая муфта, использующая гибкое звено — стакан, передает существенно большие моменты и угловые скорости, меньше вибрирует, но она сравнительно недолговечна — выходит из строя гибкое звено.

Перспективен способ передачи вращения через герметичную стенку с помощью магнитных муфт. Стенка, через которую передается вращение магнитной муфтой, должна быть немагнитной, чтобы через нее проникало магнитное поле, и не должна проводить ток — иначе будут большие потери энергии на вихревые токи. Магнитные муфты хорошо передают большие угловые скорости, но величины моментов при этом малы.

Потери энергии в опорах хотя относительно невелики при вращении маховика в воздушной атмосфере, но с уменьшением вентиляционных потерь становятся основными, а при достаточно высоком вакууме в камере вращения являются практически единственными потерями. Их можно намного уменьшить с помощью специальных подвесов маховиков. Для валов с вертикальной осью вращения наиболее удобно магнитное подвешивание. В настоящее время оно используется большей частью в точных приборах, хотя им пользуются и при подвешивании тяжелых роторов турбин электростанций. Вакуумная магнитная подвеска маховика без непосредственного контакта с опорами практически устраняет потери энергии при вращении. Разработаны системы магнитного подвешивания с применением графитных диамагнетиков, позволяющие «вывесить» маховик без твердого контакта или следящей системы в поле постоянных магнитов. Однако в промышленности на сегодняшний день реальнее применение магнитной подвески с постоянными магнитами совместно с подшипниками.

Легкие маховики можно подвешивать в электростатическом поле. В одной из конструкций такого подвеса маховик, изготовленный в виде полого бериллиевого шара, помещен в сферическую камеру из специальной керамики. На внутренней поверхности камеры расположены три пары чашеобразных электродов. Благодаря очень малому зазору между маховиком и внутренней стенкой камеры (сотые доли миллиметра) электростатическое поле «подвешивает» маховик, который вращается без соприкосновения с твердой поверхностью. Будучи разогнанным до 24 тыс. об/мин, маховик в электростатическом подвесе с вакуумной камерой вращения может вращаться месяцами без существенного уменьшения скорости.

Интересно также криогенное подвешивание маховиков. Принцип такого подвеса основан на использовании явления сверхпроводимости некоторых материалов при весьма низких температурах. Если тело из сверхпроводящего материала поместить в магнитное поле при низкой температуре, на его поверхности возникнут токи, препятствующие проникновению магнитного поля внутрь тела. Тело повиснет в магнитном поле, не требуя для своей поддержки механической опоры. Маховик в этом случае изготовляется из титана, покрытого тонким слоем металла ниобия. В корпусе, где он вращается, поддерживается глубокий вакуум и очень низкая температура. Магнитное поле создается током, протекающим по трем парам сверхпроводящих обмоток.

Однако наиболее перспективен для опор маховиков, работающих в особенно глубоком вакууме, метод, основанный на явлении сверхнизкого, аномально низкого трения (АНТ). Дело в том, что у целого ряда материалов, ранее применявшихся для подшипников с твердой смазкой в вакууме, при соответствующем их облучении, например, ядрами гелия или просто потоком электронов, коэффициент трения снижается практически до показателей более низких, чем у шарикоподшипников. Если же при этом силу тяжести маховика уравновесить в магнитной подвеске силой притяжения — отталкивания магнитов, то потери на трение будут исчезающе малы. Стало быть, вакуум не только не является помехой, но служит непременным условием достижения сверхнизкого трения. Если такой метод будет разработан, инерционные аккумуляторы фактически лишатся внутренних потерь энергии. Маховик будет вращаться почти только по инерции, т. е. без замедления.