КОМБИНИРОВАННЫЙ СИЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ И ТРАКТОРА С ЭЛЕКТРОТРАНСМИССИЕЙ И МОТОР-КОЛЕСАМИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК B60K6/04 B60L11/00 

Изобретение относится к автомобильной и тракторной промышленности, а также может быть использовано на железнодорожном и морском транспорте и в авиации.

Известен комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля, включающий двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и электрический генератор преобразующий механическую энергию на валу ДВС в электрическую энергию. Далее электрическая трансмиссия обеспечивает управление электроприводами мотор-колес или гусеничными движителями. Данная схема силового энергетического агрегата с совмещением ДВС и электротрансмиссии нашла широкое применение в конструкции большегрузных автомобилей и тяжелых тракторов (Погарский Н.А. Электрические трансмиссии машин с мотор-колесами. - М.: Машиностроение, 1965, стр. 98, стр. 9, табл. 1 [1]. Исаков П.П., Иванченко П.Н., Егоров А.Д. Электромеханические трансмиссии гусеничных тракторов. Теория и расчет. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1981, стр. 20, рис. 2.2 [2]).

Недостатком известных комбинированных энергетических агрегатов с электротрансмиссией является их высокая материалоемкость, достигающая 18 кг/л.с. и более, для электротрансмиссии. При таких удельных показателях применение электротрансмиссии эффективно только при большой установленной мощности ДВС более 300 л.с. [1]. Использование известных схем электротрансмиссии неэффективно при разработке автомобилей и тракторов малой и средней мощности. К тому же применение ДВС связано с большим расходом дизельного топлива и бензина на единицу установленной мощности и характеризуется вредными выбросами продуктов сгорания, загрязняющих окружающую среду. Повышение экологических требований к дизель-электрическим (электромеханическим) трансмиссиям ведет к удорожанию силового агрегата, но не решает всех экологических и экономических проблем.

Одним из путей повышения эффективности транспортных средств является применение всевозможных накопителей энергии, в частности кинетических накопителей в виде различных конструкций маховиков, а также конденсаторных накопителей - молекулярных конденсаторов-ионисторов (Джента Дж. Накопление кинетической энергии. - М.: Мир, 1988, стр. 92-93, табл. 2, 7, рис. 2.28. [3]. Гулина Н.В. Накопители энергии. - М.: Наука, 1980, стр. 116-117 [4]. Голиков М.В., и др. Результаты испытаний автономных энергоагрегатов на базе молекулярных накопителей энергии по пускам двигателей автомобильной и бронетанковой техники. - М. : Сборник трудов Российской инженерной академии, выпуск 6, 1998, стр. 68-70. [5]).

Однако известные молекулярные и маховичные накопители энергии обладают довольно низкими удельными показателями по запасенной энергии порядка 0,01-0,1 МДж/кг, намного худшими по сравнению с химическим топливом (44 МДж/кг), что не позволяет их широко использовать в качестве автономного источника энергии для транспорта.

Наиболее близкой по технической сущности является схема комбинированного силового энергетического агрегата в виде самоходной ядерной силовой установки, включающего ядерный реактор и герметичную паротурбинную установку, работающую по замкнутому циклу и соединенную с электрическим генератором, от которого питаются тяговые электромоторы колес транспортного средства. Дополнительно паровая турбина снабжена конденсатором с воздушным охлаждением. Паровой цикл такого силового агрегата образует замкнутый контур, не имеющий выбросов в атмосферу. При этом в цикле отсутствуют химические продукты сгорания. Электрический генератор и электромоторы колес образуют электротрансмиссию, управление которой осуществляется чисто электрическими методами, исключая наличие коробки передач между турбиной и колесами (см. патент Франции 2727362 А, 1996).

Однако такую установку сложно использовать на автомобиле или тракторе по следующим причинам:
1. ввиду массивности и радиоактивной опасности ядерного реактора;
2. наличия большого гироскопического момента у высокоскоростной паротурбинной (газотурбинной) установки. При повороте транспортного средства это приводит к возникновению некомпенсированной силы Кориолиса, затрудняющей маневр;
3. паротурбинная (газотурбинная) установка критична к оптимальной скорости вращения, при которой достигается максимальное КПД турбины, и обладает низкой приемистостью. Турбина не приспособлена для работы в условиях резких знакопеременных нагрузок (разгон с торможением), характеризующих движение автомобильного транспорта.

С другой стороны, паротурбинная (газопаротурбинная) установка обладает определенными преимуществами, поскольку может работать на высоких скоростях вращения порядка 30000 об/мин и более. В сочетании с высокоскоростным электрогенератором можно получить удельные показатели по материалоемкости и надежности такого гибридного силового агрегата более лучшие по сравнению с аналогичными показателями двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и делают эффективным применение комбинированного силового агрегата на автомобиле и тракторе.

Задачей предлагаемого технического решения - повышение эффективности применения комбинированного силового агрегата (сочетание паротурбинной (газопаротурбинной) установки с электрогенератором) на автомобиле и тракторе по сравнению с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), снижение расхода химического топлива или его полного исключения из энергетического цикла, создание экологически чистого автомобиля и трактора.

В результате использования предлагаемого изобретения по сравнению с известным возможен реальный переход от поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на паротурбинную (газопаротурбинную) установку в качестве силового энергетического узла для легковых и грузовых автомобилей с электротрансмиссией, а также тракторов в широком классе тяговых усилий, уменьшение удельной материалоемкости электротрансмиссии и надежности в целом комбинированного силового энергетического агрегата, снижение существенного расхода жидкого химического топлива или его полного исключения из энергетического цикла, повышение КПД в газопаровом цикле до 55-60%, создание экологически чистого автомобиля и трактора.

Предлагается два варианта комбинированных силовых агрегата для автомобиля и трактора. По первому варианту в качестве первичного источника энергии комбинированного силового агрегата применен реактор, работа которого основана на выделении тепловой энергии в результате синтеза элементарных частиц и их аннигиляции. По второму варианту в качестве первичного источника энергии комбинированного силового агрегата применена газовая высокоскоростная турбина, работа которой основана на термодинамических циклах расширения газовой смеси в результате сжигания химического топлива.

По первому варианту указанный технический результат достигается тем, что комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами, включающий источник тепловой энергии, выполненный в виде реактора синтеза элементарных частиц и их античастиц с узлом предварительного центробежного ускорителя с диском, паротурбинную установку, работающую по замкнутому циклу, синхронный электрогенератор переменного тока, раму, систему управления и регулирования, он снабжен компенсатором гироскопического момента, выполненным в виде дополнительного ротора с моментом инерции, удовлетворяющим отношению суммарного момента инерции диска предварительного центробежного ускорителя, турбины паротурбинной установки и ротора синхронного электрогенератора к величине, определяемой разностью между единицей и скольжением ротора компенсатора гироскопического момента, при этом диск центробежного ускорителя, турбина паротурбинной установки и ротор синхронного электрогенератора установлены соосно с ротором компенсатора гироскопического момента на единой раме и/или едином валу с возможностью вращения ротора компенсатора в противоположном направлении, а в качестве ротора компенсатора гироскопического момента используется ротор типа "беличье колесо" асинхронного двигателя или ротор в виде диска, намотанного на валу из непрерывной ленты электротехнической стали, с торцевыми пазами, в которых уложена короткозамкнутая обмотка в виде "колеса со спицами", а статор компенсатора электрически соединен со статором синхронного электрогенератора переменного тока в режиме противоположного чередования фаз, при этом статор синхронного электрогенератора снабжен одновременно генерирующими обмотками и обмотками возбуждения или постоянными магнитами, с чередованием полярности обмоток возбуждения или магнитных полюсов по окружности статора, между которыми расположены генерирующие обмотки, размещенные в пазах статора из круговых пластин или с торца статора, намотанного из непрерывной ленты, а ротор синхронного электрогенератора снабжен полыми пазами в виде вырезов усеченного сектора в круговых пластинах, из которых набран ротор, или ротор намотан из ленты электротехнической стали в виде диска с окнами; причем ширина окна и паза равна полюсному расстоянию, а их количество равно удвоенному количеству пар полюсов синхронного электрогенератора; система управления и регулирования снабжена дополнительным коммутатором и преобразователем частоты электрического тока для подключения в качестве рекуператора энергии компенсатора гироскопического момента к мотор-колесам, работающих в режиме торможения с последующим разгоном автомобиля.

Кроме того, в комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами в качестве пускового устройства и одновременно компенсатора гироскопического момента снабжен газовой турбиной, которую устанавливают на одном валу с ротором второго синхронного электрогенератора, причем соотношение суммарного момента инерции газовой турбины и ротора второго синхронного электрогенератора к суммарному моменту инерции паровой турбины и ее ротора синхронного электрогенератора должно удовлетворять отношению частот вращения паровой турбины к газовой турбине.

По второму варианту указанный технически результат достигается тем, что комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами, включающий газовую турбину, сочлененную с синхронным электрогенератором, состоящим из статора и ротора, корпус, систему управления и регулирования, он снабжен компенсатором гироскопического момента, выполненным в виде паровой турбины, сочлененной с дополнительным синхронным электрогенератором, причем газовая турбина, сочлененная с синхронным электрогенератором, установлена соосно с паровой турбиной, сочлененной с дополнительным синхронным электрогенератором, с возможностью вращения газовой и паровой турбины в противоположных направлениях, а обмотки синхронных генераторов соединены с противоположным чередованием фаз с возможностью автоматической синхронизации противоположного вращения турбин, и газовая турбина, сочлененная с синхронным электрогенератором, выполнена с массой, обеспечивающей суммарный момент инерции, равный суммарному моменту инерции паровой турбины, сочлененной с дополнительным синхронным электрогенератором, при этом газовая и паровая турбины заключены в единый корпус и разделены между собой теплообменником, состоящим из кожуха водяной рубашки и камеры парообразования с возможностью рекуперации отработанного тепла газовой турбины в водяной пар для привода паровой турбины, причем теплообменник и кожух водяной рубашки разделяют единый корпус на две части, кроме того, статор синхронного электрогенератора снабжен одновременно генерирующими обмотками и обмотками возбуждения или постоянными магнитами, с чередованием полярности обмоток возбуждения или магнитных полюсов по окружности статора, между которыми расположены генерирующие обмотки, размещенные в пазах статора из круговых пластин или с торца статора, намотанного из непрерывной ленты, а ротор синхронного электрогенератора снабжен полыми пазами в виде вырезов усеченного сектора в круговых пластинах, из которых набран ротор, или ротор намотан из ленты электротехнической стали в виде диска с окнами; причем ширина окна и паза равна полюсному расстоянию, а их количество равно удвоенному количеству пар полюсов синхронного электрогенератора.

На фиг. 1 представлен общий вид первого варианта комбинированного силового энергетического агрегата для автомобиля и трактора с электротрансмиссией (вид сверху в разрезе).

На фиг.2 показано действие гироскопических моментов на вращающиеся части комбинированного силового энергетического агрегата, действующие в вертикальной плоскости при повороте транспортного средства в горизонтальной плоскости, и условия полной компенсации гироскопического момента за счет специального асинхронного компенсатора.

На фиг.3 представлена схема направления сил Кориолиса в результате действия гироскопического момента на вращающиеся части комбинированного силового энергетического агрегата при повороте транспортного средства.

На фиг.4 представлено правило для определения направления сил Кориолиса и гироскопического момента при повороте транспортного средства.

На фиг.5 представлена расчетная схема определения сил давления на опоры подшипников вала с высокоскоростным диском при повороте транспортного средства.

На фиг.6 показана конструктивная схема установки компенсатора гироскопического момента на едином валу с высокоскоростными роторами комбинированного силового энергетического агрегата.

На фиг. 7 представлена в разрезе компоновка гибридного силового энергетического агрегата в едином защитном цилиндрическом корпусе.

На фиг.8 представлена в разрезе конструкция синхронного электрогенератора переменного тока повышенной частоты с высокоскоростным безобмоточным ротором.

На фиг. 9 показан общий вид высокоскоростного безобмоточного ротора синхронного электрогенератора повышенной частоты. На фиг.10 представлена временная диаграмма шунтирования генераторного и возбуждающего полюсов статора ярмом ротора при вращении ротора синхронного электрогенератора повышенной частоты.

На фиг.11 представлены диаграммы изменения магнитного потока и электрического напряжения в генераторной обмотке при вращении ротора синхронного электрогенератора повышенной частоты.

На фиг. 12 показан общий вид в разрезе синхронного электрогенератора переменного тока повышенной частоты с высокоскоростным безобмоточным внешним торцевым ротором.

На фиг.13 показано сечение по А-А статора синхронного электрогенератора переменного тока повышенной частоты с внешним торцевым ротором.

На фиг.14 показано сечение по Б-Б внешнего торцевого ротора синхронного электрогенератора переменного тока повышенной частоты.

На фиг. 15 представлен общий вид в разрезе асинхронного компенсатора гироскопического момента с внешним торцевым ротором.

На фиг.16 показано сечение по А-А внешнего торцевого ротора асинхронного компенсатора гироскопического момента.

На фиг. 17 представлен общий вид в разрезе асинхронного компенсатора гироскопического момента с внешним коаксиальным ротором.

На фиг. 18 показана общая электрическая схема комбинированного силового энергетического агрегата для автомобиля и трактора с электротрансмиссией.

На фиг. 19 представлен общий вид в разрезе комбинированного силового энергетического агрегата с пуском от газовой турбины и использования газовой турбины в качестве привода компенсатора гироскопического момента.

На фиг. 19 представлен одновременно второй вариант комбинированного силового энергетического агрегата.

На фиг.20 представлена схема легкового автомобиля с комбинированным силовым энергетическим агрегатом.

На фиг.21 представлена схема трактора с комбинированным силовым энергетическим агрегатом.

На фиг. 22 представлена схема грузового автомобиля с комбинированным силовым энергетическим агрегатом.

На фиг. 23 представлена схема самосвала с комбинированным силовым энергетическим агрегатом.

Развитие физики элементарных частиц и атомного ядра позволяет предложить в качестве источников тепловой энергии компактные реакторы, основанные на синтезе и аннигиляции элементарных частиц и их античастиц при воздействии ударных деформаций внутри вещества. Реакторы, основанные на синтезе элементарных частиц, по сравнению с ядерными реакторами нерадиоактивны и безопасны. В предлагаемом комбинированном силовом агрегате используется реактор по производству тепловой энергии, включающий корпус реактора, тепловыделяющую мишень-преграду, ускорительную систему с узлом предварительного центробежного ускорителя частиц-ударников, и теплообменник, в котором тонкодисперсные частицы-ударники, разогнанные до скоростей порядка 1000 м/с и более, вступают во взаимодействие с мишенью-преградой, вызывая в ней реакции синтеза и аннигиляции элементарных частиц. В результате мишень-преграда разогревается, являясь источником избыточной тепловой энергии. Далее произведенная тепловая энергия преобразуется в энергию водяного пара. В данных материалах заявки сам реактор не является предметом рассмотрения и патентной защиты и представляет собой элемент "ноу-хау". Предлагается лишь его использование в качестве первичного источника энергии в комбинированном силовом агрегате для автомобиля и трактора.

По первому варианту комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами включает раму 1, реактор 2 для получения тепловой энергии, паротурбинную установку 3, синхронный электрогенератор 4 переменного тока повышенной частоты, асинхронный компенсатор 5 гироскопического момента, систему автоматического регулирования и управления (не показана).

Реактор 2 для получения тепловой энергии включает корпус 6, который крепится к раме 1 с помощью кронштейнов 7, водяную рубашку 8, тепловыделяющие элементы 9, электромагнитный ускоритель 10 тонкодисперсных частиц специального порошка, центробежный ускоритель в виде диска 11, установленный на валу 12, соединительную муфту 13 и электромагнитный регулятор пара 14. Привод диска 11 осуществляется от вала 19 паротурбинной установки 3 через муфту 13. Конструкция реактора 2 представлена на фиг.1 и принцип его работы заключается в том, что паротурбинная установка 3 включает корпус 15, который крепится кронштейнами 16 к раме 1, турбину 17 с лопатками 18, установленную на валу 19, который соединен через муфты 20 и 13 с валами 27 и 12 электрогенератора 4 и диска 11, паровые сопла 21, электромагнитный регулятор пара 14 и выходной патрубок 22 для отработанного пара, конденсатор пара и холодильник с водяным насосом высокого давления для возврата конденсата в водяную рубашку 8 реактора 2 (конденсатор пара, холодильник и водяной насос высокого давления на чертеже не показаны). В данном случае паровая турбина 17 имеет три ступени с частотой вращения 30000 об/мин и более. При мощности 100-1000 кВт паротурбинная установка намного компактнее и надежнее двигателя внутреннего сгорания (ДВС) такой же мощности. КПД паротурбинной установки достигает 40-45%.

Синхронный электрогенератор 4 переменного тока повышенной частоты включает корпус 23, который крепится кронштейнами 24 к раме 1, статор 25 и ротор 26, установленный на валу 27 и соединенный с валом 19 паротурбинной установки 3 посредством муфты 20. При частоте вращения ротора 30000 об/мин при одной паре полюсов электрического генератора частота генерируемого напряжения составляет 500 Гц. В данной конструкции предлагается двухполюсный электрогенератор с синхронной частотой 1000 Гц при частоте вращения ротора 500 об/с. Преимущество электрического генератора повышенной частоты 1000 Гц заключается в том, что его материалоемкость более чем на порядок меньше материалоемкости генератора такой же мощности, работающего на промышленной частоте 50 Гц.

Асинхронный компенсатор 5 гироскопического момента включает корпус 28, который крепится кронштейнами 29 к раме 1, статор 31 и ротор 32, установленный на отдельном валу 33. Питание асинхронного компенсатора 5 производится от синхронного электрогенератора 4 в режиме противоположного чередования фаз. При этом направление вращения ротора 32 асинхронного компенсатора 5 противоположно направлению вращения турбины 17 ротора 26 электрогенератора 4 и диска 11. Этим достигается компенсация гироскопического момента высокоскоростных вращающихся частей силового энергетического агрегата.

Взаимодействие асинхронного компенсатора 5 с остальными узлами комбинированного силового энергетического агрегата для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами осуществляется следующим образом. Реактор 2 производит тепловую энергию, которая в рубашке 8 реактора нагревает воду до требуемой температуры парообразования. Выход пара из реактора 2 происходит через электромагнитный регулятор пара 14. Далее пар через сопла 21 поступает на лопатки 18 турбины 17, приводя ее во вращение. Отработанный пар через выходной патрубок 22 подается в конденсатор пара, конденсируется и в виде конденсата с помощью водяного насоса высокого давления возвращается в водяную рубашку 8 реактора 2. Для интенсификации конденсации водяного пара конденсатор снабжен дополнительно холодильником.

Вращающийся вал 19 турбины 17 через муфту 20 приводит во вращение вал 27 с ротором 26 синхронного электрогенератора 4 переменного тока повышенной частоты. Электрическое напряжение снимается с обмоток статора 25 электрогенератора 4 и подается в схему управления электротрансмиссией автомобиля или трактора. Параллельно электрическое напряжение тока со статора 25 электрогенератора 4 подается на статор 31 асинхронного компенсатора 5 гироскопического момента в режиме противоположного чередования фаз. Такое включение обеспечивает вращение ротора 33 асинхронного компенсатора 5 в направлении противоположном вращению роторов 26 и 17 электрогенератора 4 и паротурбинной установки 3, а также диска 11 реактора 2. Именно создание условий, при которых на раме 1 установлены вращающие в различные стороны высокоскоростные роторы различных узлов, позволяет полностью компенсировать действие гироскопического момента при повороте транспортного средства.

По второму варианту комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами включает (фиг. 19) единый корпус 1, паротурбинную установку 3, на валу 19 которой установлены паровая турбина 17 и синхронный электрогенератор 4 переменного тока повышенной частоты; газотурбинную установку 73, на валу которой установлены газовая турбина 74, компрессор 75 и синхронный электрогенератор 76 переменного тока повышенной частоты; систему автоматического регулирования и управления (не показана). Газотурбинная установка снабжена трубой с воздушным фильтром 77 для забора воздуха, камерой сгорания 78 с форсунками 79, теплообменник 80, кожух водяной рубашки 81, водяную рубашку и камеру парообразования 82, выхлопной патрубок 83 с глушителем (не показан). Теплообменник 80, кожух водяной рубашки 81 и камера парообразования 82 разделяют единый корпус 1 на две части. Паротурбинная установка снабжена паровыми соплами 21, электромагнитным регулятором пара 14, выходным патрубком 22 для отработанного пара, конденсатором пара и холодильником с водяным насосом высокого давления для возврата конденсата в водяную рубашку 82 (конденсатор пара, холодильник и водяной насос высокого давления на чертеже не показаны).

Предлагаемый комбинированный силовой энергетический агрегат в качестве первичного источника энергии имеет газовую турбину. Компенсация гироскопического момента газовой турбины 74, компрессора 75 и сочлененного с ними ротора синхронного электрогенератора 76 осуществляется за счет использования паровой турбины 17 в качестве компенсатора гироскопического момента. С этой целью вращение паровой и газовой турбин производится в противоположных направлениях. Поскольку частоты вращения паровой и газовой турбин не совпадают, необходимо синхронизировать их частоты вращения в противоположных направлениях. С этой целью статорные обмотки синхронных генераторов 76 и 4, приводимых в движение газовой и паровой турбинами, соединяют с противоположным чередованием фаз, обеспечивая втягивание их роторов в синхронное вращение. Для полной компенсации гироскопического момента, газовая турбина, сочлененная с синхронным электрогенератором, должна быть выполнена с массой, обеспечивающей суммарный момент инерции, равный суммарному моменту инерции паровой турбины, сочлененной с дополнительным синхронным электрогенератором. Конструкция синхронных генераторов приведена на фиг.8, 9, 12, 13, 14. В целом газопаровой цикл увеличивает КПД использования тепловой энергии топлива до 55-60% и более.

Взаимодействие паровой турбины в качестве компенсатора гироскопического момента с остальными узлами комбинированного силового энергетического агрегата для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами осуществляется следующим образом. Газовая турбина 74 приводится в движение за счет сгорания топлива в камере сгорания 78 и создания давления газов на лопатки турбины. Подача атмосферного воздуха производится через воздушный фильтр 77 компрессором 75, приводимым в движение газовой турбиной 74, которая одновременно вращает ротор синхронного электрогенератора 76. Компенсация гироскопического момента газовой турбины 74, компрессора 75, ротора синхронного электрогенератора 76 производится компенсатором, вращающимся в противоположную сторону, роль которого выполняет паровая турбина 17, сочлененная с синхронным электрогенератором 4. В целом комбинированная силовая энергетическая установка вырабатывает электрогенераторами 76 и 4 электрическую энергию, которая поступает на привод мотор-колес или тягового электродвигателя автомобиля и трактора.

Необходимость компенсации гироскопического момента высокоскоростных вращающихся турбин и роторов, установленных на комбинированных силовых энергетических агрегатах автомобилей и тракторов, обусловлена следующим образом. На фиг.2 представлено действие гироскопических моментов на высокоскоростные вращающиеся части комбинированного силового энергетического агрегата, выполненного по первому варианту, действующие в вертикальной плоскости при повороте транспортного средства в горизонтальной плоскости. При движении транспортного средства прямолинейно, гироскопический момент полностью отсутствует. Гироскопический момент возникает только при повороте транспортного средства. Причем, чем быстрее осуществляется маневр, тем больше величина гироскопического момента. Наличие высокоскоростных роторов на частотах вращения 30000 об/мин существенно затрудняет управление транспортным средством при маневре и может привести к его опрокидыванию и аварии. В предлагаемом техническом решении компенсация гироскопического момента производится с помощью асинхронного компенсатора. Условия полной компенсации гироскопического момента определяются выражением:
M₁₁ + M₁₇ + M₂₆ = М₃₂, (1)
M₁₁, M₁₇, M₂₆, М₃₂ - гироскопические моменты, действующие на диск 11 (центробежный ускоритель), турбину 17 паротурбинной установки 3 и ротор 26 электрогенератора 4, и на ротор 32 асинхронного компенсатора 5 соответственно (фиг.2), Н•м.

Величина и направление гироскопического момента М₁₁, действующего на диск 11 центробежного ускорителя, определяется векторным произведением двух угловых скоростей: угловой скоростью ω₁ вращения диска 11 на валу 12 и поворотной угловой скоростью ω₂ вала 12 в горизонтальной плоскости при маневре транспортного средства (Павлов В.А. Гироскопический эффект, его проявление и использование. - Л.: Судостроение, 1978, стр. 38) [7].

M₁₁= J₁₁•[ω₁•ω₂], (2)
где J₁₁ - момент инерции диска 11, кг•м².

Момент инерции J₁₁ сплошного и однородного диска 11 определяется его массой m₁₁ и радиусом R₁₁ из известного выражения:

Подставляя выражение (3) в выражение (2) получаем выражение для определения гироскопического момента, действующего на сплошной и однородный диск:

Из выражения (4) следует, что чем больше вращающая масса m₁₁ и радиус R₁₁ диска 11 и чем больше его угловая скорость ω₁ вращения диска и угловая скорость ω₂ поворота при маневре транспортного средства, тем больше гироскопический момент М₁₁. Как видно из выражения (4) при прямолинейном движении транспортного средства скорость поворота ω₂= 0 и гироскопический момент равен нулю. Угловая скорость ω₂ поворота является возмущающим фактором, изменяющим направление движения транспортного средства под действием поворотного момента М₂, определяемого сцеплением колес с дорогой и базой поворота. Только при повороте транспортного средства, когда ω₂≠0, возникает гироскопический момент (4). Причем гироскопический момент не зависит от радиуса поворота, а определяется угловой поворотной скоростью ω₂. В соответствии с выражением (4) направление гироскопического момента определяется векторным произведением и перпендикулярно вектору возмущающей угловой поворотной скорости ω₂.
На фиг. 3 представлена схема, определяющая направление гироскопического момента при наличии угловой поворотной скорости ω₂, действующей на вращающийся диск 11 с угловой скоростью ω₁. Диск 11 установлен на конце вала 12, другой конец которого укреплен в шарнире 34 на жестком основании 35. Вал 12 опирается на колесо 36 с опорой 37. Вся система (диск 11 и вал 12) имеет возможность вращения в горизонтальной плоскости против часовой стрелки относительно центра О шарнира 34 с угловой поворотной скоростью ω₂. Диск 11 вращается против часовой стрелки со стороны центра О. При указанном направлении вращения диска 11 и вала 12 гироскопический момент постоянно направлен на создание подъемной силы F₁, действующей на конец вала 12 с диском 11. Величина подъемной силы F₁ на высоких скоростях вращения диска (ротора) достаточна, чтобы оторвать колесо 36 от дорожного покрытия. Если изменить направление вращения диска или поворота вала, то изменяется направление гироскопического момента и силы F₁.

Сила F₁ определена силой Кориолиса, действующей на вращающийся диск при его переносном движении. Именно сила Кориолиса является причиной появления гироскопического момента. Силу F₁ также можно отнести к силе Кориолиса, перенесенной с диска на вал. Данная схема (фиг.3) моделирует действие силы Кориолиса и гироскопического момента на вращающийся высокоскоростной диск (ротор) при повороте транспортного средства, приводящие к нарушению управления. Если на конец вала 12 с высокоскоростным диском 11 подействовать внешней силой, создавая поворот всей системы в горизонтальной плоскости вокруг центра О, то на конце вала 11 с диском 12 появляется сила Кориолиса F₁, направленная перпендикулярно возмущающей внешней силе. В данном случае сила Кориолиса F₁ направлена вверх. Гироскопический момент лежит в плоскости ортогональной плоскости, в которой лежит возмущающий момент при повороте транспортного средства, то есть, если поворот осуществляется в горизонтальной плоскости, то гироскопический момент действует в вертикальной плоскости.

Одной из наиболее трудных задач при определении гироскопического момента является определение направления силы Кориолиса и самого гироскопического момента из векторного произведения (2). В основе появления самой силы Кориолиса лежат фундаментальные законы инерции массы при изменении ее кругового движения в пространстве, которое рассматривается как упругая квантованная среда (Леонов B. C. Четыре доклада по теории упругой квантованной среды (УКС). Материалы конференции. - С-Пб.: 2000, стр. 25) [8].

Поэтому предлагается простое правило, которое поясняется фиг.4. Предполагается, что перемещение по радиусу вращающегося диска происходит в пространстве в виде сплошной среды, поток которой набегает на вращающийся цилиндрический диск. При вращении диска в направлении набегающего потока (против часовой стрелки фиг.4), суммарная скорость потока вверху над диском складывается, а внизу вычитается. Для сплошной среды ее давление определяется скоростным потоком и направлено из области меньшей скорости в область большей скорости. В данном случае сила F₁ направлена вверх. На самом деле сила F₁ является силой Кориолиса, перенесенной с диска на вал, определяя направление гироскопического момента только при наличии поворота всей системы. В любом случае данное плавило позволяет быстро и правильно определить направление силы Кориолиса, перенесенной на вал, и направление действия гироскопического момента.

В практических расчетах важно определить модуль силы F₁ и давление на подшипники вала диска (ротора), возникающие от действия модуля гироскопического момента при повороте транспортного средства. Для этого заменим в выражении (4) угловые скорости вращения ω₁ и ω₂ на соответствующие частоты вращения n₁ и n₂:
ω₁= 2πn₁[c^-1], ω₂= 2πn₂[c^-1]. (5)
Подставляя (5) в (4), получаем выражение для определения модуля гироскопического момента, представленное через соответствующие частоты вращения n₁ и n₂:
M₁₁= 2π²m₁₁R211

•n₁•n₂ [H•м]. (6)
Гироскопический момент М₁₁ приложен к диску 11 (фиг.3) и переносится на вал 12 как опрокидывающий момент M₁₂, действующий на плече (а), равном длине вала 12. Это позволяет определить подъемную силу F₁, действующую на конец вала с диском 11 с одной стороны, равную силе давления на подшипники в шарнире 34, с другой стороны:

Рассчитаем для конкретного случая действие гироскопического момента и силы давления на подшипники по формулам (6) и (7), действующие на вал 12 с диском 11 (фиг. 3) при следующих параметрах: масса диска m₁₁=5 кг, радиус R₁₁= 0,2 м, частота вращения диска n₁=500 c^-1 (30000 об/мин), плечо приложения гироскопического момента к валу 11 а=0,3 м частотой поворота транспортного средства n₂=0,25 c^-1 (действием гироскопического момента самого вала 12 пренебрегаем):


Как видно из (8) и (9), даже при небольшой массе высокоскоростного диска действие гироскопического момента оказывается существенным, а подъемная сила F₁ (она же сила давления на опоры подшипников вала) более чем в 30 раз превышает вес диска Р₁₁=49 Н. В данном случае под действием силы F₁ конец вала 12 с диском 11 поднимется вверх, опрокидывая систему относительно центра О и отрывая колесо 36 от дорожного покрытия (фиг.3). В целом наблюдается нарушение равновесия сил: Кориолиса F₁, силы давления на опору подшипника F₁, веса P₁, реакции опоры N₁.

В случае если диск 11 установлен на валу 12 с опорой на два подшипника 38, то модуль сил давления F₁ на подшипники вала 12 диска 11 от действия гироскопического момента определяется также расстоянием (а) между центрами опор подшипников на валу 12 (фиг.5):

В критических аварийных ситуациях, требующих быстрого маневра транспортным средством на высокой скорости 100 км/ч, или при наезде на небольшой барьер высотой порядка 5 см частота вращения автомобиля составит порядка:
n₂ ≈ 1 c^-1. (11)
В целом комбинированный силовой энергетический агрегат (фиг.2) кроме диска 11 содержит турбину 17 паротурбинной установки 3 и ротор 26 электрогенератора 5, соосно соединенные в едином вращении, суммарный гироскопический момент ∑M которых в несколько раз больше момента (8) диска 11:
∑M = 2π²•n₁•n₂(m₁₁R211

+m₁₇R217+m₂₆R226). (12)
Выражение (11) представлено при допущениях расчета роторов турбины и электрогенератора эквивалентным диском. При суммарной массе всех роторов порядка 50 кг и эквивалентным радиусом 0,2 м суммарный гироскопический момент (12) в экстремальном случае (11) составит:
∑M ≈ 20000 Hм. (13)
Суммарный гироскопический момент (13) передается раме 1 и на оси колес транспортного средства. Формула (10) позволяет рассчитать дополнительную силу F₁, обусловленную суммарным гироскопическим моментом (13), определяемую как силу действующую на переднюю и заднюю оси колес автомобиля, при резком повороте в критической ситуации. Для этого примем за базовое расстояние а=3 м между осями колес передней и задней подвески легкового автомобиля. По формуле (10) определяем силу F₁ давления на переднюю ось от действия гироскопического момента при повороте автомобиля:

В зависимости от направления поворота (влево или вправо) сила F₁ (14) направлена вертикально вверх или вниз в соответствии с правилом фиг.4. В первом случае сила F₁ будет стремиться оторвать передние колеса от дороги, а во втором случае будет прижимать их к полотну дороги. В любом случае величина силы F₁ (14) достаточна, чтобы затруднить и нарушить управление транспортным средством. Ситуация усложняется при наезде автомобиля даже на незначительное препятствие, лежащее поперек дороги. В этом случае наблюдается поворот рамы автомобиля в вертикальной плоскости, а гироскопический момент будет направлен в горизонтальной плоскости, разворачивая автомобиль поперек дороги.

При расположении силового энергетического агрегата осью вращения вертикально вверх, наезд на незначительное препятствие, лежащее поперек дороги, вызывает появление гироскопического момента опрокидывающего автомобиль в сторону. В этом случае гироскопический момент приложен не к длине автомобиля, а к его колесным осям, уменьшая базовое расстояние до а=1,5 м между колесами на оси и увеличивая силу F₁ (14) до 13300 Н. Появление такой большой дополнительной боковой силы неизбежно приведет к опрокидыванию автомобиля и аварии.

Проведенные расчеты убедительно доказывают, что применение паротурбинной (газотурбинной) установки с высокоскоростными турбиной и ротором электрогенератора в комбинированном силовом энергетическом агрегате для автомобиля (и в ряде случаев для трактора) с электротрансмиссией без компенсатора гироскопического момента сопряжено с существенными затруднениями в управлении транспортным средством, способными привести к аварии (потери устойчивости и опрокидыванию). По этой причине установка компенсатора гироскопического момента является обязательным условием для транспортного средства, снабженного комбинированным силовым энергетическим агрегатом с высокоскоростными роторами.

Выбор параметров ротора 32 асинхронного компенсатора 5 гироскопического момента определен условием (1) полной компенсации суммарного гироскопического момента. Для ротора 32 асинхронного компенсатора гироскопического момента важно определить компенсационный момент J₃₁=J_S инерции ротора с учетом скольжения s ротора относительно синхронной частоты вращения кругового магнитного поля в статоре асинхронного компенсатора, учитывая, что асинхронная частота вращения n или угловая скорость ω всегда меньше синхронной n₁ (ω₁):

Необходимо компенсировать момент инерции J₁₁ диска 11 центробежного ускорителя, момент инерции J₁₇ турбины 17 паротурбинной установки 3 и момент инерции J₁₆ ротора 26 электрогенератора 4 (с учетом моментов инерции их валов), которые можно представить суммарным моментом инерции ∑J
∑J = J₁₁ + J₁₇ + J₂₆. (16)
Условие компенсации гироскопического момента (1) запишем с учетом выражений (16) и (2):

Из условия (17) определяем требуемый момент J_S инерции ротора асинхронного компенсатора:

При номинальном режиме работы асинхронного компенсатора скольжение может составлять 3-6%, которые необходимо учитывать при расчете момента инерции ротора асинхронного компенсатора гироскопического момента.

Преимущества асинхронного привода компенсатора гироскопического момента от синхронного электрогенератора гибридного силового энергетического агрегата по сравнению с синхронным приводом обусловлены мягкой пусковой и разгонной характеристикой асинхронного двигателя, исключающей опасность выхода ротора из синхронизма, свойственную синхронным двигателям. Учитывая, что работа синхронного генератора с приводом от паротурбинной установки в гибридном силовом энергетическом агрегате связана с некоторым изменением частоты вращения турбины, всегда существует опасность выхода из синхронизма ротора синхронного двигателя, которая ведет к аварии. К тому же пуск и разгон синхронного двигателя производится в асинхронном режиме с последующим переводом в синхронный режим. Асинхронный же ротор автоматически отслеживает с небольшим скольжением все изменения частоты вращения ротора синхронного генератора при их параллельном электрическом включении, в том числе и при противофазном включении, полностью исключая аварийную ситуацию, связанную с выходом ротора из синхронизма.

Естественно, что наилучшим конструктивным решением компенсации гироскопического момента является установка всех вращающихся частей силового энергетического агрегата на едином валу 39, включая ротор 32 асинхронного компенсатора гироскопического момента (фиг.7). При этом ротор 32 установлен на валу 39 на подшипниках 40 с возможность вращения относительно вала 39. Турбина 17 паротурбинной установки 3, ротор 26 электрогенератора 4 и диск 11 установлены жестко на валу 39, например с помощью шпонок 42. Преимуществом данной схемы является то, что гироскопический момент полностью компенсирован на самом валу 32 и не оказывает давления на опорные подшипники 41 вала 39 при повороте транспортного средства. Недостатком данной схемы является то, что подшипники 40 вала 39 с ротором 32 должны быть рассчитаны на удвоенную частоту вращения, в данном случае более 60000 об/мин.

В тех случаях, когда конструктивно невозможна установка всех вращающихся частей комбинированного силового энергетического агрегата на едином валу, компенсация гироскопического момента производится через общую раму 1, на которой установлены реактор 2 для получения тепловой энергии, паротурбинная установка 3, синхронный электрогенератор 4, асинхронный компенсатор 5 гироскопического момента (фиг.1). Единая рама 1 может быть выполнена в виде защитного цилиндрического корпуса с посадочными местами для установки отдельных агрегатных узлов гибридного силового энергетического агрегата (фиг.7). Недостатком данной схемы является то, что гироскопический момент оказывает давление на все опоры подшипников валов и корпуса агрегатных узлов, замыкаясь на раму 1.

Высокие окружные скорости высокоскоростных роторов 26 и 32 синхронного электрогенератора 4 и асинхронного компенсатора 5 предъявляют особые требования к прочности самих роторов и установке на них обмоток, таким образом, чтобы обмотки не были разрушены огромными центробежными силами возникающими при вращении высокоскоростных роторов.

На фиг. 8 и 9 представлена конструкция синхронного электрогенератора 4, которая не содержит каких-либо обмоток на высокоскоростном роторе 26. Все обмотки вынесены на статор 25. Синхронный электрогенератор 4 повышенной частоты включает корпус 23, статор 25 и ротор 26, установленный на валу 27. Статор 25 включает генераторные 43 и возбуждающие 44 обмотки, установленные в пазах 45 на полюсах 46 и 47. На полюсах 46 установлены генераторные обмотки 43, на полюсах 47 установлены возбуждающие обмотки. В конструкции, в качестве примера, рассматривается двухполюсный однофазный генератор, содержащий две пары 2р генераторных полюсов 46 и две пары намагничивающих возбуждающих полюсов N и S. Предлагаемая конструкция электрогенератора 4 предусматривает расположение на статоре как одной пары полюсов, так и множества пар, а также применение в качестве намагничивающих возбуждающих полюсов N и S постоянных магнитов. В целом магнитопровод статора набран из отдельных пластин электротехнической стали с пониженными потерями на гистерезис. Причем генераторные обмотки 43 с полюсами 46 расположены на статоре между возбуждающими обмотками 44 и полюсами 47, а сами полюса 47 расположены по окружности статора с чередованием полярности N, S, N, S. Статор 25 разбит по окружности на одинаковые полюсные расстояния, которые для двухполюсного электрогенератора составляют 1/16 внутренней окружности статора. Предлагаемая конструкция электрогенератора 4 предусматривает выполнение статора как в однофазном исполнении, так и многофазном за счет расщепления одной фазы на три и более. Однако испытания показали, что на повышенных частотах 500-1000 Гц однофазное исполнение электрогенератора является более простым и надежным.

Ротор 26 электрогенератора 4 набран из круговых пластин электротехнической стали, содержащих пазы 48 (фиг.9). Наличие пазов 48 разбивает ротор на сектора, выполняющие роль шунтирующего магнитного ярма 49. Количество пазов и магнитного ярма в роторе равно удвоенному количеству пар полюсов электрогенератора. Ширина паза 48 соответствует полюсному расстоянию. При вращении ротора 26 ярмо 49 шунтирует полюса 46 и 47 генераторной 43 и возбуждающей 44 обмоток. При шунтировании полюсов происходит вначале возрастание магнитного потока в магнитной цепи статора, а затем его спад и изменение направления потока на противоположное. На фиг.10 представлена временная диаграмма в виде этапов (а, б, в, г, д, ж) шунтирования генераторного и возбуждающего полюсов статора ярмом ротора при вращении ротора синхронного электрогенератора повышенной частоты. Переменное шунтирование полюсов при вращении ротора изменяет величину и направление магнитного потока в полюсе 46, пронизывающего генераторную обмотку 43, индуцируя в ней электрическое напряжение и ток.

На фиг.11 представлены диаграммы изменения магнитного потока и электрического напряжения в генераторной обмотке при вращении ротора синхронного электрогенератора повышенной частоты. При неизменном воздушном зазоре между ротором и статором магнитный поток изменяется в цепи по закону пилообразной кривой. Напряжение U, индуцируемое к генераторной обмотке пропорционально количеству витков w_Г обмотки и изменению магнитного потока dФ по времени dt, равно:

При пилообразном изменении магнитного потока в цепи, в соответствии с (19), в генераторной обмотке индуцируется электрическое напряжение прямоугольной формы (фиг.11 а, б). При косинусоидальном изменении магнитного потока в цепи (например, при закруглении полюсов магнитного ярма ротора со стороны паза и создания переменного воздушного зазора со статором) в генераторной обмотке индуцируется синусоидальное напряжение, амплитудная величина U_m которого определяется частотой f изменения амплитуды магнитного потока Ф_m (фиг. 11 в, г) (Пиотровский Л.М. Электрические машины. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963, стр. 187-188 [9])
U_m= 2πf•w_гФ_m. (20)
Из формулы (20) следует, что индупирование электрического напряжения в генераторной обмотке синхронного генератора происходит более интенсивно на повышенных частотах, поскольку определяется изменением магнитного потока по времени. Это определяет и обосновывает преимущества генераторов повышенной частоты 500-1000 Гц по сравнению с генераторами промышленной частоты 50 Гц, которое выражается в значительно меньшей (на порядок и более) материалоемкости генераторов повышенной частоты. Учитывая, что на автомобиле и тракторе внутренняя проводка составляет для силовых цепей всего несколько метров, то индуктивными потерями проводов на повышенных частотах практически можно пренебречь.

В изобретении предусмотрено применение электрического генератора с внешним ротором (фиг.12), принцип действия которого аналогичен генератору (фиг. 8). Статор генератора выполнен в виде диска 50 с торцевыми полюсами 51. Диск 50 наматывается из непрерывной ленты электротехнической стали. С торца диска 50 установлены полюса 51 с обмотками 52 (фиг.13). Полюса 51 с обмотками 52 чередуются по окружности статора на генераторные и возбуждающие. Внешний ротор 53 также выполнен в виде диска, намотанного из непрерывной ленты электротехнической стали на валу 27. Ротор 53 установлен с торца статора 50 с полюсами 51. Ротор 53 снабжен окнами 54 на всю толщину ротора или только на ее часть (фиг.14). Количество окон определяется удвоенным количеством пар полюсов. Для двухполюсного генератора количество окон равно четырем. Ширина окна равна полюсному расстоянию. Принцип работы синхронного генератора с внешним торцевым ротором аналогичен принципу работы синхронного генератора с внутренним ротором, приведенного выше. Конструктивно генератор с внешним торцевым ротором несколько проще в изготовлении и также не содержит обмоток, что позволяет использовать его как высокоскоростной ротор при частотах вращения более 30000 об/мин.

В агрегате применен асинхронный компенсатор 5 с внешним ротором 32, который наматывается из непрерывной ленты электротехнической стали в виде диска на валу 33 (фиг. 15). Такая конструкция ротора выдерживает большие нагрузки на разрыв, обеспечивая надежную работу в высокоскоростном режиме. С торца ротора 32 расположены пазы 55, в которые залита короткозамкнутая обмотка в виде "колеса со спицами", состоящая из двух колец 57 и 59, между которыми расположены спицы 58 (фиг.16). Короткозамкнутая обмотка обеспечивает создание вращающего ротор механического момента в результате воздействия на ротор торцевого вращающегося магнитного поля.

Вращающееся магнитное поле асинхронного компенсатора 5 создается статором 31, который расположен с торца ротора 32. Для этого в магнитопроводе статора 31 с торца в пазах 56 уложено две пары фазных обмоток и две пары возбуждающих обмоток, обеспечивающих фазовый пространственный сдвиг в 90^o переменных магнитных полей, образующих вращающееся магнитное поле. Магнитопровод статора 31 также намотан из непрерывной ленты электротехнической стали как и ротор 32.

В предлагаемом асинхронном компенсаторе 5 применена двухфазная система питания обмоток, создающих вращающееся магнитное поле. При питании от однофазного электрогенератора 4 вторая фаза со сдвигом в 90^o создается специальным фазосдвигающим конденсатором, включенным в цепь питания обмоток возбуждения, в режиме противофазного включения, обеспечивая вращение ротора 32 синхронного компенсатора 5 в направлении противоположным вращению ротора 26 электрогенератора 4. Это не исключает применение трехфазных систем питания как со стороны генератора, так и со стороны асинхронного компенсатора. В предлагаемом асинхронном компенсаторе 5 предусмотрено применение внешнего ротора 60 с магнитопроводом 61 и короткозамкнутой обмоткой 62 типа "беличье колесо" (фиг.17). Ротор 60 установлен на подшипниках 64 на неподвижном валу 65. Статор 63 установлен жестко на неподвижном валу 65, внутри которого имеется отверстие для вывода проводов обмотки статора.

В предлагаемом комбинированным силовом энергетическом агрегате для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами предлагается использовать асинхронный компенсатор гироскопического момента одновременно в качестве рекуператора кинетической энергии инерции при торможении и последующим разгоне транспортного средства. Особое значение это имеет для городского автомобильного транспорта. При подъезде к светофору торможение происходит за счет прижатия тормозных колодок к дискам колес. Вся кинетическая энергия разогнанного до определенной скорости автомобиля переходит в энергию нагрева тормозных колодок и рассеивается в окружающей среде. При последующем трогании с места и разгоне автомобиля до определенной скорости необходимая энергия производится за счет сгорания топлива.

Использование компенсатора гироскопического момента в качестве рекуператора кинетической энергии движущегося автомобиля с мотор-колесами позволяет энергию торможения автомобиля преобразовать в энергии дополнительного раскручивания ротора компенсатора в режиме двигателя, накапливая ее в высокоскоростном роторе. При разгоне автомобиля компенсатор переводится в режим генератора, отдавая накопленную кинетическую энергию мотор-колесам. Экономия энергии W_k в режиме рекуперации определяется массой автомобиля m_а и его скоростью v_a.

Для легкового автомобиля m_а=1000 кг, V_a=28 м/с (100 км/ч)

Для городского автобуса m_а=20000 кг, v_a=14 м/с (50 км/ч)

Расчеты убедительно показывают, что компенсатор гироскопического момента может быть эффективно использован в качестве рекуператора кинетической энергии даже для тяжелого городского автобуса при величине рекуперируемой кинетической энергии порядка 2 МДж.

Кинетическая энергия W₃₂ ротора компенсатора гироскопического момента при следующих расчетных параметрах m₃₂=50 кг, R₃₂=0,2 м, n₁=500 с^-1 (30000 об/мин), J₃₂=l кг/м² составляет:

Как видно из выражения (23) кинетическая энергия ротора асинхронного компенсатора составляет порядка 5 МДж и превосходит необходимую кинетическую энергию рекуперации инерции автобуса 2 МДж. Суммарная энергия ротора асинхронного компенсатора в режиме рекуперации составит 7 МДж:
∑W₃₂= W₃₂+W_k= 5+2 = 7 МДж. (24)
Из условий (24) и (23) определяем частоту вращения n_k ротора асинхронного компенсатора при кинетической энергии 7 МДж в режиме рекуперации

Итак, чтобы ротор асинхронного компенсатора дополнительно смог аккумулировать 2 МДж кинетической энергии его частоты вращения необходимо увеличить с 500 с^-1 (30000 об/мин) до 600 с^-1 (36000 об/мин), то есть на Δn₁= 100c^-1 (6000 об/мин)
Δn₁= n_k-n₁= 600-500 = 100 c^-1. (26)
Если использовать в качестве накопителя кинетической энергии маховичный накопитель с нулевой начальной частотой вращения, то при тех же параметрах, как и у ротора асинхронного компенсатора, маховик необходимо разогнать до частоты вращения n_ko=320 c^-1, чтобы аккумулировать 2 МДж кинетической энергии.

Итак, проведенные расчеты убедительно доказывают, что применение асинхронного компенсатора в качестве рекуператора энергии более эффективно по сравнению с маховичным накопителем по следующим причинам:
- отпадает надобность в дополнительном маховичном накопителе кинетической энергии и высокоскоростном редукторе с реверсом;
- для того чтобы накопить дополнительно с помощью маховика 2 МДж кинетической энергии его необходимо раскрутить до частоты вращения 320 с^-1 (19200 об/мин), ротор асинхронного компенсатора необходимо докрутить на Δn₁ = 100 c^-1 (6000 об/мин);
- раскрученный предварительно до 500 с^-1 (30000 об/мин) ротор асинхронного компенсатора переводит работу асинхронного двигателя в режим на повышенных частотах 500-1000 Гц, как наиболее эффективный для рекуперации, и при мощности 100-200 кВт и более такой двигатель на порядок (в 10 раз) и более легче аналогичного асинхронного двигателя на промышленной частоте 50 Гц.

Энергоемкость (энергоотдача) асинхронного компенсатора в режиме рекуператора кинетической энергии составляет порядка 0,1 МДж/кг. Для рекуператора кинетической энергии 0,4 МДж легкового автомобиля масса ротора асинхронного компенсатора составит порядка 4 кг.

На фиг. 18 показана общая электрическая схема комбинированного силового энергетического агрегата для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами. Схема включает обмотки - генераторную 43 и возбуждения 44 синхронного однофазного электрогенератора 4 с приводом от паротурбинной установки 3, обмотки - основную 66 и возбуждения 67 асинхронного двухфазного компенсатора гироскопического момента 5, фазосдвигающий конденсатор 68 для расщепления одной фазы синхронного генератора 4 на две фазы, блок управления и контроля 69 с преобразователем частоты (не показан), молекулярный конденсаторный накопитель электрической энергии 70, мотор-колесо 71, контактор 72.

Переменное напряжение повышенной частоты снимается с генераторной обмотки 43 синхронного однофазного электрогенератора 4. Питание обмотки возбуждения 44 осуществляется постоянным током от блока 69, который устанавливает необходимый режим возбуждения и величину напряжения на генераторной обмотке 43. Асинхронный компенсатор 5 подключен через коммутатор 72 основной обмоткой 66 к генераторной обмотке 43 электрогенератора 4. Обмотка возбуждения 67 асинхронного компенсатора 5 включена через фазосдвигающий конденсатор 68, который расщепляет одну фазу электрогенератора 4 на две фазы, со сдвигом на 90^o. Наличие двух фаз обеспечивает вращение ротора асинхронного компенсатора 5 в противоположном направлении относительно вращения ротора электрогенератора 4, отслеживая все изменения вращения ротора электрогенератора 4 с некоторым скольжением и компенсируя тем самым действие гироскопических моментов.

В блоке 69 управления и контроля предусмотрен микропроцессорный контроль за работой всех агрегатов и узлов в целом комбинированного силового энергетического агрегата для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами. Микропроцессорный контроль и управление позволяет обеспечить работу паротурбинной установки в номинальном режиме с максимальным КПД в условиях знакопеременной нагрузки при движении транспортного средства, используя режим рекуперации кинетической энергии при торможении и разгоне транспортного средства.

В режиме рекуперации энергии обмотки 66 и 67 асинхронного компенсатора 5 с помощью коммутатора 72 переключаются на блок 69, в который встроен преобразователь частоты. При торможении автомобиля мотор-колеса 71 переводят
из двигательного режима в генераторный режим. Вырабатываемая при этом выработанная дополнительно электрическая энергия запускает преобразователь частоты и дополнительно раскручивают ротор асинхронного компенсатора 5, аккумулируя в нем кинетическую энергию торможения. При разгоне автомобиля асинхронный компенсатор из двигательного режима переводится в генераторный режим и отдает электрическую энергию мотор-колесам 71. В качестве примера привод мотор-колес осуществляется от коллекторного двигателя постоянного тока. Однако схема предусматривает привод от асинхронного двигателя переменного тока через тиристорный преобразователь частоты.

В электрической схеме предусмотрено включение молекулярного конденсаторного накопителя электрической энергии 70 [5]. В импульсном режиме энергоемкость молекулярных накопителей достигает порядка 0,002 МДж/кг, то есть в 50 раз меньше предлагаемого накопителя кинетической энергии на базе асинхронного компенсатора 5. Поэтому использование молекулярных конденсаторных накопителей наиболее эффективно в сглаживающих мощных фильтрах выпрямленного напряжения в преобразователях напряжения и частоты.

Пуск комбинированного силового энергетического агрегата (фиг.1) предусмотрен от системы сжатого воздуха, который подается на лопатки паровой турбины 17 через электромагнитный клапан 14. Сама система пуска подробно не рассматривается. Для большей универсальности и автономности гибридного силового энергетического агрегата предусмотрен его пуск от газовой турбины. В этом случае роль компенсатора гироскопического момента предлагается возложить на газотурбинную установку подобную комбинированному силовому энергетическому агрегату, выполненному по второму варианту, но имеющую определенные отличия в работе с реактором 2.

На фиг. 19 представлен общий вид в разрезе комбинированного силового энергетического агрегата с пуском от газовой турбины и использования газовой турбины в качестве привода компенсатора гироскопического момента. В этом случае привод диска 11 центробежного ускорителя реактора 2 осуществляется автономно от высокоскоростного электродвигателя. Учитывая тепловую инерционность реактора 2, обусловленную его разогревом, наличие газовой турбины позволяет обеспечить эффективный пуск гибридного силового энергетического агрегата. Такая пусковая система эффективна для тяжелых автомобилей и тракторов. Кроме того, система может работать как самостоятельный гибридный силовой энергетический агрегат с газопаротурбинной установкой, в котором газовая турбина одновременно является компенсатором гироскопического момента, а съем электрической энергии осуществляется с двух генераторов, один из которых приводится газовой турбиной, а второй паровой турбиной.

Комбинированный силовой энергетический агрегат с газопаротурбинной установкой включает раму 1, паротурбинную установку 3 на валу 19, которой установлены паровая турбина 17 и синхронный электрогенератор 4 переменного тока повышенной частоты; газотурбинную установку 73, на валу которой установлены газовая турбина 74, компрессор 75 и дополнительный синхронный электрогенератор 76 переменного тока повышенной частоты; систему автоматического регулирования и управления (не показана). Газотурбинная установка снабжена трубой с воздушным фильтром 77 для забора воздуха, камерой сгорания 78 с форсунками 79, теплообменник 80, кожух водяной рубашки 81, водяную рубашку и камеру парообразования 82, выхлопной патрубок 83 с глушителем (не показана). Паротурбинная установка снабжена паровыми соплами 21, электромагнитным регулятором пара 14, выходным патрубком 22 для отработанного пара, конденсатором пара и холодильником с водяным насосом высокого давления для возврата конденсата в водяную рубашку 82 (конденсатор пара, холодильник и водяной насос высокого давления не показаны). Электромагнитный регулятор пара 14 соединен через тройник с водяной рубашкой 8 реактора 2. Это позволяет использовать в качестве источника тепловой энергии для получения пара как реактор 2, так и газотурбинную установку 73, повышая универсальность агрегата в целом. Кроме того, не запуская реактора 2 газотурбинная установка обеспечивает самостоятельно движение транспортного средства в газопаровом режиме. В целом газопаровой цикл увеличивает КПД использования тепловой энергии топлива до 55-60%.

Компенсация гироскопического момента паровой турбины 17 и ротора синхронного электрогенератора 4 осуществляется за счет использования газовой турбины в качестве компенсатора гироскопического момента. С этой целью вращение паровой и газовой турбин производится в противоположных направлениях. Поскольку номинальные частоты вращения паровой n_п и газовой n_r турбин не совпадают, и учитывая, что на одном валу с газовой турбиной установлен ротор дополнительного электрогенератора 76, суммарный момент инерции ∑J_г газовой турбины с ротором электрогенератора в режиме компенсации гироскопического момента паровой турбины с ее ротором электрогенератора должен соответствовать следующей формуле:

где ∑J_п- суммарный момент инерции паровой турбины и ротора ее электрогенератора, кг•м².

По первому варианту в целом комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами работает следующим образом.

Пуск агрегата (фиг.1 и фиг.7) осуществляется от системы сжатого воздуха в стационарных условиях, который подается на лопатки паровой турбины или в автономных условиях пуск агрегата производится с помощью газовой турбины (фиг. 19). В этом случае реактор 2, вырабатывающий тепловую энергию и пар, отделен от агрегата, представленного на фиг.19.

Установленный на автомобиле комбинированный силовой энергетический агрегат по схеме фиг.1 после запуска реактора 2 обеспечивает режимы перемещения транспортного средства в режиме рекуперации энергии при торможении и разгоне автомобиля (фиг.20). Реактор 2 вырабатывает пар, который вращает паровую турбину 17. Турбина 17 вращает ротор синхронного электрогенератора 4, который вырабатывает электрическую энергию, осуществляющую привод мотор-колес. Синхронный генератор 4 электрически соединен с асинхронным компенсатором 5 гироскопического момента, который одновременно выполняет функцию рекуператора кинетической энергии при торможении автомобиля. Режим рекуперации энергии осуществляется за счет переключения мотор-колес в генераторный режим, выработки дополнительной электрической энергии при торможении и дополнительной раскрутки ротора компенсатора 5. При разгоне автомобиля компенсатор 5 переводится в режим генерации, отдавая накопленную кинетическую энергию в виде электрической энергии мотор-колесам. В условиях городского движения с резкими знакопеременными нагрузками применение рекуператора позволяет экономить до 65% энергии.

По второму варианту комбинированный силовой энергетический агрегат работает следующим образом. Совместная газопаротурбинная установка приводит во вращение высокоскоростные роторы двух синхронных электрогенераторов, работающих на повышенных частотах порядка 500 Гц и более. Наличие высокоскоростных турбин и роторов в силовом энергетическом агрегате позволяет накопить определенное количество кинетической энергии, достаточной для обеспечения форсированных режимов разгона автомобиля.

При установке комбинированного силового энергетического агрегата на тракторе с электротрансмиссией является эффективной, поскольку высокоскоростные ротора аккумулируют достаточное количество кинетической энергии, необходимой для преодоления дополнительных кратковременных сопротивлений движению, свойственных пахоте (фиг.21).

В качестве примера приведены схемы установки комбинированного силового энергетического агрегата на тяжелом грузовом автомобиле (фиг.22) и самосвале (фиг.23) с электротрансмиссией и мотор-колесами.

В результате использования предлагаемого технического решения по сравнению с известным, достигается повышение КПД использования энергии на транспортных средствах до 55-60% и более, создание экологически чистого автомобиля и трактора; улучшение управления транспортным средством, снабженного высокоскоростными турбинами, за счет компенсации гироскопического момента; переход от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на более экономичные, надежные и легкие газопаровые турбины и электрические генераторы повышенной частоты; дополнительная экономия энергии порядка 65% за счет рекуперации кинетической энергии при частом торможении и разгоне автомобиля в условиях городского транспорта; резкое снижение расхода химического топлива почти в 4 раза и полная замена химического топлива на тепловую, производимую малогабаритным реактором в результате синтеза элементарных частиц.

Источники информации
1. Погарский Н.А. Электрические трансмиссии машин с мотор-колесами. - М. : Машиностроение, 1965, стр. 98, стр. 9, табл. 1.

2. Исаков П.П., Иванченко П.Н., Егоров А.Д. Электромеханические трансмиссии гусеничных тракторов. Теория и расчет. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1981, стр. 20, рис. 2.2.

3. Джента Дж. Накопление кинетической энергии. - М.: Мир, 1988, стр. 92-93, табл. 2.7, рис. 2.28.

4. Гулиа Н.В. Накопители энергии. - М.: Наука, 1980, стр. 116-117.

5. Голиков М.В., и др. Результаты испытаний автономных энергоагрегатов на базе молекулярных накопителей энергии по пускам двигателей автомобильной и бронетанковой техники. - М.: Сборник трудов Российской инженерной академии, выпуск 6, 1998, стр. 68-70.

6. Политехнический словарь. Ядерная силовая установка. - М.: Советская энциклопедия, 1989, стр. 639.

7. Павлов В.А. Гироскопический эффект, его проявление и использование. - Л.: Судостроение, 1978, стр. 38.

8. Леонов B. C. Четыре доклада по теории упругой квантованной среды (УКС). Материалы 6-й Международной научной конференции РАН "Современные проблемы естествознания". - С-Пб., 2000, стр. 25.

9. Пиотровский Л. М. Электрические машины. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963, стр. 187-188.

Изобретение относится к автомобильной и тракторной промышленности, а также может быть использовано на железнодорожном и морском транспорте и в авиации. Гибридный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами включает раму, реактор для получения тепловой энергии, паротурбинную установку, синхронный электрогенератор переменного тока повышенной частоты, асинхронный компенсатор гироскопического момента, систему автоматического регулирования и управления. Питание асинхронного компенсатора гироскопического момента производится от синхронного электрогенератора в режиме противоположного чередования фаз. При этом направление вращения ротора асинхронного компенсатора противоположно направлению вращения турбины ротора электрогенератора и диска. Этим достигается компенсация гироскопического момента высокоскоростных вращающихся частей силового энергетического агрегата. В результате использования предлагаемого технического решения по сравнению с известным, достигается повышение КПД использования энергии на транспортных средствах до 55-60%, создание экологически чистого автомобиля и трактора; улучшение управления транспортным средством снабженного высокоскоростными турбинами за счет компенсации гироскопического момента; переход от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на более экономичные, надежные и легкие газопаровые турбины и электрические генераторы повышенной частоты; дополнительная экономия энергии порядка 65% за счет рекуперации кинетической энергии при частом торможении и разгоне автомобиля в условиях городского транспорта; редкое снижение расхода химического топлива почти в 4 раза и полная замена химического топлива на тепловую, производимую малогабаритным реактором в результате синтеза элементарных частиц. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 23 ил.

1. Комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами, включающий источник тепловой энергии, выполненный в виде реактора, паротурбинную установку, работающую по замкнутому циклу, синхронный электрогенератор переменного тока, раму, систему управления и регулирования, отличающийся тем, что использован реактор с узлом предварительного центробежного ускорителя с диском и выделением тепловой энергии и в целом комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами, снабжен компенсатором гироскопического момента, выполненным в виде дополнительного ротора с моментом инерции, удовлетворяющим отношению суммы момента инерции диска предварительного центробежного ускорителя, момента инерции турбины паротурбинной установки и момента инерции ротора синхронного электрогенератора к величине определяемой разностью между единицей и скольжением ротора компенсатора гироскопического момента, при этом диск центробежного ускорителя, турбина паротурбинной установки и ротор синхронного электрогенератора установлены соосно с ротором компенсатора гироскопического момента на единой раме, и/или едином валу с возможностью вращения ротора компенсатора в противоположном направлении, а в качестве ротора компенсатора гироскопического момента используется ротор типа "беличье колесо" асинхронного двигателя или ротор в виде диска, намотанного на валу из непрерывной ленты электротехнической стали, с торцевыми пазами, в которых уложена короткозамкнутая обмотка в виде "колеса со спицами", а статор компенсатора электрически соединен со статором синхронного электрогенератора переменного тока в режиме противоположного чередования фаз, при этом статор синхронного электрогенератора снабжен одновременно генерирующими обмотками и обмотками возбуждения или постоянными магнитами, с чередованием полярности обмоток возбуждения или магнитных полюсов по окружности статора, между которыми расположены генерирующие обмотки, размещенные в пазах статора из круговых пластин или с торца статора, намотанного из непрерывной ленты, а ротор синхронного электрогенератора снабжен полыми пазами в виде вырезов усеченного сектора в круговых пластинах, из которых набран ротор, или намотан из ленты электротехнической стали в виде диска с окнами; причем ширина окна и паза равна полюсному расстоянию, а их количество равно удвоенному количеству пар полюсов синхронного электрогенератора; система управления и регулирования снабжена дополнительным преобразователем частоты электрического тока и коммутатором для отключения синхронного генератора переменного тока от компенсатора гироскопического момента и подключения мотор-колес в генераторном режиме через преобразователь частоты электрического тока к компенсатору гироскопического момента в режиме рекуператора энергии при торможении автомобиля, и, наоборот, при разгоне автомобиля, система управления и регулирования переводит компенсатор гироскопического момента из режима рекуперации в генераторный режим, обеспечивая разгон автомобиля за счет накопленной кинетической энергии. 2. Комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами, включающий газовую турбину, сочлененную с синхронным электрогенератором, состоящим из статора и ротора, корпус, систему управления и регулирования, отличающийся тем, что он снабжен компенсатором гироскопического момента, выполненным в виде паровой турбины, сочлененной с дополнительным синхронным электрогенератором, причем газовая турбина, сочлененная с синхронным электрогенератором, установлена соосно с паровой турбиной, сочлененной с дополнительным синхронным электрогенератором, с возможностью вращения газовой и паровой турбины в противоположных направлениях, а обмотки синхронных генераторов соединены с противоположным чередованием фаз с возможностью автоматической синхронизации противоположного вращения турбин, и газовая турбина, сочлененная с синхронным электрогенератором, выполнена с массой, обеспечивающей суммарный момент инерции, равный суммарному моменту инерции паровой турбины, сочлененной с дополнительным синхронным электрогенератором, при этом газовая и паровая турбины заключены в единый корпус и разделены между собой теплообменником, состоящим из кожуха водяной рубашки и камеры парообразования с возможностью рекуперации отработанного тепла газовой турбины в водяной пар для привода паровой турбины, причем теплообменник и кожух водяной рубашки разделяют единый корпус на две части, кроме того, статор синхронного электрогенератора снабжен одновременно генерирующими обмотками и обмотками возбуждения, или постоянными магнитами, с чередованием полярности обмоток возбуждения или магнитных полюсов по окружности статора, между которыми расположены генерирующие обмотки, размещенные в пазах статора из круговых пластин или с торца статора, намотанного из непрерывной ленты, а ротор синхронного электрогенератора снабжен полыми пазами в виде вырезов усеченного сектора в круговых пластинах, из которых набран ротор, или намотан из ленты электротехнической стали в виде диска с окнами; причем ширина окна и паза равна полюсному расстоянию, а их количество равно удвоенному количеству пар полюсов синхронного электрогенератора, система управления и регулирования снабжена дополнительным преобразователем частоты электрического тока и коммутатором для отключения синхронного генератора переменного тока от компенсатора гироскопического момента и подключения мотор-колес в генераторном режиме через преобразователь частоты электрического тока к компенсатору гироскопического момента в режиме рекуператора энергии при торможении автомобиля, и, наоборот, при разгоне автомобиля система управления и регулирования переводит компенсатор гироскопического момента из режима рекуперации в генераторный режим, обеспечивая разгон автомобиля за счет накопленной кинетической энергии. 3. Комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пускового устройства и одновременно компенсатора гироскопического момента снабжен газовой турбиной, которая установлена на одном валу с ротором второго синхронного электрогенератора, причем соотношение суммарного момента инерции газовой турбины и ротора второго синхронного электрогенератора к суммарному моменту инерции паровой турбины и ее ротора синхронного электрогенератора должно удовлетворять отношению частот вращения паровой турбины к газовой турбине.