типы, преимущества, недостатки и требования

В статье расскажем про маховик — накопитель энергии, расчеты и требования к ротору, типы маховиков, его преимущества недостатки и применение.

Техника накопления энергии с использованием маховика насчитывает тысячи лет. Просто возьмите пример колеса Поттера и подумайте, что оно делает. Он просто использует инерцию колеса и продолжает вращаться с минимальными усилиями. Концепция маховика, который будет использоваться в качестве устройства накопления энергии, используется с 1950-х годов. Их можно было легко заметить на автобусных остановках для зарядки общественного транспорта. Однако эта идея не может быть широко принята ввиду ее громоздкости и излишнего веса.

Расчет накопления энергии в маховике

Запас энергии в Маховике можно рассчитать:

E = ½ Iω ²

или же

E = ½ (kMr ² )ω²

где:

• I выступает за момент инерции махового колеса
• ω обозначает вращающуюся скорость. Он измеряется в радианах в секунду.
• M обозначает масса маховика
• R обозначает Радиус Маховика
• K обозначает инерционную постоянную

Примечание. Значение «k» зависит от формы маховика. Например, если маховик вращается вокруг своей оси (например, велосипедное колесо или полый цилиндр), значение k будет равно 1. Однако, если колесо маховика имеет сплошную цилиндрическую форму, то значение k будет ½ .

Требование маховика (ротор)

Постепенно с развитием технологий маховики стали более совершенными. В наши дни современные маховики содержат кинетическую энергию в быстро движущемся, вращающемся барабане, который действует как ротор генератора. В то время, когда дополнительная энергия остается неизрасходованной, она используется для увеличения скорости вращающегося барабана. Всякий раз, когда есть потребность в энергии, этот барабан приводит в движение генератор.

Роторы этих супер маховиков изготовлены из материала с очень высокой прочностью и плотностью, например, из углеродного волокна. Для ротора требуется высокопрочный материал, так как он обычно вращается со средней скоростью 100000 оборотов в минуту и ​​должен выдерживать воздействие высокой центробежной силы. Эти роторы установлены в вакуумной полости, чтобы минимизировать потери из-за трения воздуха. Эти потери на трение могут быть дополнительно сведены на нет с помощью подшипников с магнитной левитацией.

Тип маховиков

На рынке представлены два типа маховиков в зависимости от их функций и областей применения. Преимущества маховика делают их жесткими конкурентами в приложениях электросети.

Есть в основном два типа маховиков, доступных на рынке. Далее мы рассмотрим их

Высокоскоростной маховик

Угловая скорость маховиков этого типа находится в диапазоне от 30000 до 60000 об/мин, что может быть доведено до 100000 об/мин. Они содержат подшипники с магнитной левитацией и требуют меньшего ухода. Они легче по весу, если сравнивать размер/мощность с маховиками с низкой скоростью. Они дорогостоящие по сравнению с маховиками с низкой скоростью.

Маховик с низкой скоростью

Угловая скорость этого типа маховиков достигает 10000 об/мин. Они громоздкие и тяжелые по сравнению с высокоскоростными маховиками. Они нуждаются в периодическом обслуживании и не используют подшипники с магнитной левитацией. Их установка требует специальной бетонной конструкции, чтобы выдержать ее вес. Они дешевле по сравнению с высокоскоростными маховиками.

Преимущества маховика

Эти типы маховиков более эффективны, чем обычные батареи (только если мы пренебрегаем стоимостью установки), и поэтому им отдают предпочтение перед обычными батареями. Вот список немногих преимуществ Маховика перед аккумуляторами:

• Большая способность хранить энергию
• Большая продолжительность жизни
• Способность хранения не зависит от цикла зарядки/разрядки
• Меньше технического обслуживания
• Меньшие тепловые потери
• Более высокая эффективность в оба конца
• Больше пиковой нагрузки
• Простота эксплуатации

Применение маховиков

• в ветряных турбинах
• наряду с двигателем с приводом от генератора для хранения энергии
• в автомобильных двигателях
• в электромобилях для ускорения (на экспериментальной стадии)
• В современных локомотивах
• В передовых технологиях транзитных автобусов
• В спутниках контролировать направление
• В Большие электрические сети для защиты от перебоев

Что такое маховик двигателя? Виды маховиков в ДВС

Части современных двигателей внутреннего сгорания состоят из множества различных деталей, каждая из которых играет свою роль. Одной из таких деталей является маховик. Он имеет довольно простую конструкцию, но несет важную функцию.

Маховики устанавливают на торцевые части коленчатых валов рядом с задними коренными подшипниками.

Многие автовладельцы не имеют представления о том, что такое маховик. В статье мы постараемся осведомить вас о том, что он собой представляет и каковы его функции в механизме.

По виду маховик напоминает диск. Он прикрепляется к задней части коленчатого вала.

Маховик имеет довольно внушительный вес, благодаря которому, согласно законам физики, он накапливает и отдает кинетическую энергию. Это свойство позволяет узлам использоваться современными двигателям внутреннего сгорания в качестве конструкций, которые сглаживают неравномерность вращения коленчатого вала. Когда поршень работает, маховики скапливают энергию крутящего момента, а когда поршни «спят», выводят эти детали из них, отдавая при этом энергию.

Важным является тот факт, что, чем больше цилиндров имеет двигатель внутреннего сгорания, тем более его крутящий момент равномерен. По этой причине в подобных ДВС можно применять маховики небольшого веса.

Важнейшей функцией маховика считается трансляция крутящего момента на коленчатый вал от стартера. Она производится следующим образом: на внешнюю окружность узла прикрепляется зубчатый стальной ободок. Он расположен в месте зацепления с валом, который проходит от стартера. При включении водителем зажигания, стартер начинает проворачивать этот вал, а тот, в свою очередь, крутит маховик, приводящий в движение коленчатый вал. Таким образом осуществляется запуск двигателя.

Помимо всего этого, маховик играет важную роль в действии трансмиссии машины. Он выполняет в ней роль ведущих дисков сцепления. Вращательный момент коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания передается коробке переключения передач, а от них идет трансляция к ведущим колесам.

Виды маховиков в ДВС

Маховики современных ДВС имеют следующее подразделение:

• Одномассовые (сплошные). Считаются самым распространенным видом. Одномассовый маховик ДВС представляет собой сплошную конструкцию и диск внушительного размера диаметром от 300 до 400 миллиметров. Изготавливают одномассовые маховики чаще всего из высококачественного чугуна. По всей окружности сплошного маховика проводят венец – стальное зубчатое кольцо. Монтаж производится по технологии напрессовки, благодаря чему кольцо крепится прочно. Для закрепления одномассового маховика на коленчатый вал нужно с одной стороны детали выполнить ступицу. Противоположная же плоскость сплошного маховика выполняет роль ведущего диска сцепления. Выходит, что конструкция одномассового маховика не представляет собой особой сложности. Также, данный маховик имеет сравнительно невысокую стоимость, поэтому он широко применяется в современных ДВС. Минус сплошного маховика заключается в том, что он плохо гасит крутильные колебания. Есть разновидности маховиков, которые справляются с этой задачей лучше;
• Двухмассовые маховики. Двухмассовый маховик – это конструкция из двух дисков, соединенная между собой пружинно – демпферной системой. Функция этой системы состоит в том, чтобы избавлять трансмиссию машины от непрерывно возникающих крутильных колебаний силового агрегата, уравновешивать ее работу. Применяя двухмассовый маховик вместо одномассового, можно не использовать в ведущем диске сцепления демпфирующее устройство, что повысит надежность и долговечность системы. Также двухмассовые маховики позволяют делать следующее:

1. Снижать вибрации, которые передаются от двигателя к трансмиссии;
2. Снижать уровень шума;
3. Делать коробку передач более «удобной» в использовании;
4. Защищать трансмиссию от перегруза.

Некоторые исследования показывают, что двухмассовые маховики способны снизить потребление двигателем топлива. К недостаткам можно отнести не столь высокую надёжность, какую имеют, к примеру, одномассовые маховики. Это связано с нагрузкой, которая «ложится» на пружинно – демпферную систему. По этой же причине двухмассовые маховики не так часто эксплуатируются автовладельцами. Однако сейчас активно разрабатывают новые усовершенствованные конструкции этих узлов, ведь появляются новые модели двигателей, которые функционируют на низких оборотах, а также моторы довольно большой мощности при скромном рабочем объеме. Такие двигатели внутреннего сгорания «ждут» от маховиков высокого уровня гашения колебаний, над чем конструкторы и работают;

• Облегченные маховики. Применяются при тюнинге силовых агрегатов. В таких маховиках масса распределяется от центра к краям, что уменьшает общий вес конструкции и момент инерции. Машины, оснащенные облегченными маховиками, обладают улучшенной разгонной динамикой.

Видео принцип работы маховика в двигателе

На информационном сайте для автолюбителей «FORAM» вы сможете найти много полезной информации, касающейся ремонта и обслуживания автомобилей.

Супермаховик — Википедия

Супермахови́к — один из типов маховика, предназначенный для накопления механической энергии. По сравнению с обычными маховиками, способен сохранять больше кинетической энергии.

За счёт конструктивных особенностей способен хранить до 500 Вт·ч (1,8 МДж) на килограмм массы^[1]. В частности, в 1964 году советский инженер Н. В. Гулиа заявил авторские права на одну из конструкций, которой и дал название «супермаховик».

Современный супермаховик представляет собой барабан, изготовленный из композитных материалов, например, намотанный из тонких витков стальной, пластичной ленты, стекловолокна или углеродных композитов. За счёт этого обеспечивается высокая прочность на разрыв и безопасность эксплуатации. При физическом разрушении супермаховик не разлетается на крупные части, как обычный маховик, а разрушается частично; при этом отделившиеся части тормозят барабан и предотвращают дальнейшее разрушение. Для уменьшения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух. Зачастую используется магнитный подвес.

Законченный вид супермаховик принимает тогда, когда он способен запасать и отдавать энергию. Для этого создаётся мотор-генератор, где статором является барабан, а ротором — ось, вокруг которой он вращается. Таким образом, при подключении в сеть он будет запасать энергию, а при подключении нагрузки — отдавать. КПД этого преобразования достигает 98 %^[2].

Маховики как буферные устройства начали использоваться ещё во времена неолита, например, в устройстве гончарного круга^[3]. В XX веке маховик претерпел ряд конструктивных изменений, позволявшим ему запасать энергию на значительное время. Так, например, в 1950-х годах вакуумированные маховики использовались в экспериментальном общественном транспорте, в частности испытывались гиробусы

[4].

Преимущества и недостатки супермаховика[править | править код]

Супермаховик сочетает в себе долговечность и умеренную цену, безопасен^[5] при разрушении, его КПД очень велик. Недостатком супермаховиков является гироскопический эффект, обусловленный большим моментом импульса вращающегося маховика и препятствующий изменению направления оси вращения маховика. Для исключения этого нежелательного эффекта при применении маховиков в качестве накопителей энергии на транспортных средствах можно применить подвеску маховика в кардановом подвесе, но это существенно усложняет конструкцию.

Дополнительным недостатком супермаховика является отсутствие отработанной простой трансмиссии, позволяющей использовать его на транспорте. В настоящий момент проводятся эксперименты по передаче энергии вращения супермаховика на колёса транспортного средства посредством супервариатора. Перспективным также является использование вакуумного супермаховика на магнитной подвеске в качестве источника электроэнергии для шаговых электродвигателей.

Еще одним недостатком супермаховика является его высокая пожароопасность. Если произойдёт разрушение супермаховика, то возникнет сила трения между разрушающимся маховиком и его корпусом. Так как супермаховик запас огромное количество кинетической энергии, при торможении эта энергия будет переходить в тепло. Количество выделившегося тепла в относительно короткий промежуток времени может быть настолько значительным, что может привести к воспламенению механизма или транспортного средства.

Н. В. Гулиа в первую очередь собирался применить супермаховик как накопитель энергии для автомобилей и даже построил несколько образцов такого транспорта.

Однако последние успешные достижения относятся к другим областям. Компания Beacon Power, основанная в США в 1997 году, сделала существенный шаг, разработав серию больших стационарных супермаховиков для применения в промышленных энергосетях. Супермаховики производства Beacon Power способны запасать энергию в 6 и 25 кВт⋅ч в зависимости от модели и мощность в 2 и 200 кВт соответственно.

Американская компания рассчитывает продавать их местным компаниям, а также сама оказывать услугу «регулирования частоты». Строительство регулирующей электростанции на супермаховиках мощностью 20 МВт началось в конце 2009 года^[6]. Поскольку энергосистема США существует в условиях наличия множества местных поставщиков энергии и открытого энергетического рынка, необходимость регулирования мощности создает немало проблем, которые компания надеется решить: запасание «лишней» энергии, когда потребление снижается; восполнение недостатков во время пиков потребления; регулирование частоты тока.

Под научным руководством Н. В. Гулиа российская компания Kinetic Power

[7] создала собственную версию стационарных накопителей кинетической энергии на базе супермаховика. Один такой накопитель способен запасать энергию до 100 кВт⋅ч и обеспечивать мощность до 300 кВт. В условиях российского рынка кластер из нескольких таких накопителей способен обеспечивать выравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона, заменяя собой дорогостоящие и громоздкие гидроаккумулирующие электростанции.

Несмотря на то, что автомобили, питающиеся от маховиков, не получили широкого распространения, транспорт остаётся одной из наиболее привлекательных отраслей применения супермаховиков. В частности, речь идёт о железнодорожном транспорте. При торможении как пассажирского, так и грузового состава впустую тратится огромное количество энергии. Супермаховик, подключённый к одной электрической сети с составом, способен улавливать и запасать энергию торможения, а позже выдавать её в сеть для разгона состава. Спасённая таким образом энергия позволит снизить потребление на 30 %.

[источник не указан 423 дня]

Помимо этого, супермаховики могут быть использованы для обеспечения бесперебойного питания^[8] объектов высших уровней ответственности. Свойства супермаховика обеспечивают отклик устройства на уровне сотых долей секунды, позволяя ни на секунду не прерывать подачу электроэнергии.

1. ↑ Гулиа Н. В. Супермаховики — из суперкарбона! // Изобретатель — рационализатор : журнал. — 2005. — № 12 (672). Архивировано 5 марта 2016 года.
2. ↑ Леонид Попов. Вращающаяся армия бережёт 60 герц стабильного электричества (неопр.). Membrana.ru (30 августа 2006). Дата обращения 20 июня 2014.
3. ↑ Lynn White, Jr., «Theophilus Redivivus», Technology and Culture, Vol. 5, No. 2. (Spring, 1964), Review, pp. 224—233 (233).
4. ↑ Alternative Energy Storage Methods including supercapacitors, flywheel batteries, compressed air storage, springs, pumped storage, nuclear batteries and superconducting magnet…
5. ↑ Гулиа Н. В. Накопители энергии. — М.: Наука, 1980. — 150 с.
6. ↑ Beacon Breaks Ground on 20-MW Flywheel Storage Plant.
7. ↑ Kinetic Power (неопр.) (недоступная ссылка). www.kinetic-power.com. Дата обращения 28 февраля 2016. Архивировано 18 января 2016 года.
8. ↑ Kinetic Power (неопр.) (недоступная ссылка). www.kinetic-power.com. Дата обращения 28 февраля 2016. Архивировано 5 марта 2016 года.

Для чего нужен маховик в двигателе внутреннего сгорания .

Насколько помню выводит поршни из мертвых точек, раскручивая коленвал, не давая ему останавливаться.

карбюратор не сосает, маховик вода бросает

для перехода критической точки, по средствам инерции

Для накапливания энергии и придания ходу мотора большей равномерности.

для гашения вибраций и увеличения плавности работы двигателя за счет накопленной кинетической энергии.

если знаешь что такое кинетическая энергия то догодаешся зачем нужен маховик а так бес толку объяснять.

Все верно парни, энерго-накопитель и гасит колебания, уравновешивает частоту вращения коленвала

для ровной работы каленвала, (без ударов)

для запуска двига стартером

подытожим ))) нужен для запуска двигателя, для накопления кинетической энергии и сглаживания неравномерного крутящего момента, так же играет роль ведущего диска сцепления. Вобщем без него никуда )))

в учебнике водителя 3 класса, это 70е года, написано- маховик служит для возвратно поступательного движения поршня от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки

Маховик — это… Что такое Маховик?

Маховик со сферическими грузами, построенный по чертежам Леонардо да Винчи. Кадр из видео.

Маховик (Маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии.

Также маховиком называют регулировочное колесо, похожее по форме.

Использование

Используется в машинах, имеющих неравномерное поступление или использование энергии, накапливая энергию, когда поступление энергии выше чем расход, и отдавая её, когда потребление превышает поступление энергии. Также используется в гибридном двигателе в качестве накопителя энергии и для рекуперативного торможения.

Часто функцию маховика выполняет массивный вращающийся элемент механизма. Такие как гончарный круг, массивные колеса водяной мельницы или массивные зубчатые колеса.

Помимо энергии, вращающийся маховик (как и любое вращающееся тело) обладает ещё и моментом импульса , с чем связано наблюдение гироскопического эффекта, заключающегося в прецессии оси вращения вокруг своего первоначального направления при появлении внешней силы, не совпадающей с направлением оси вращения.

Первым примером использования гироскопического эффекта можно считать изобретение игрушки «волчок» («йо-йо»).

Одним из первых применений гироскопического эффекта стал переход от стрельбы круглыми ядрами к продолговатым снарядам, вращение которых позволило сохранять их ориентацию в пространстве, а продолговатая форма -значительно увеличить их массу (болванка) или же разрывной заряд.

Маховиком является и ротор гироскопа, используемого в гирокомпасах и вообще в гироскопических устройствах ориентации в пространстве , в частности торпед (прибор Обри), ракет и космических аппаратов. Наиболее привычные примеры маховика- велосипедное колесо или вращающийся диск электро-проигрывателя виниловых пластинок.

Свойство маховика сохранять направление оси вращения используется в успокоителях качки корабля.

Физика

Кинетическая энергия вращения, накопленная во вращающемся теле (маховике), может быть рассчитана по формуле:

Маховик фабричной стационарной паровой машины

где:

Для простых форм маховика, известны конечные выражения момента инерции

Заменив в формуле для полого цилиндра, угловую скорость — на частоту вращения — по формуле

получим

История

Эффект маховика использовался с древнейших времен. Например в гончарном круге, ветряных мельницах. Вероятно, одним из древнейших примеров использования маховика стала археологическая находка из Междуречья (в районе города Ур) — гончарный станок с диском из обожжённой глины, около метра в поперечнике и весом не менее центнера. Подобные изобретения неоднократно появлялись и в Китае.^[1]

Маховик со старой фабрики

Согласно американскому медиевисту Линну Уайту немецкий монах Теофил упоминает в своём трактате «О различных искусствах» несколько машин, в которых применяется маховик.^[2]

Во время промышленной революции, Джеймс Уатт применил маховик в паровой машине для выравнивания движения и преодоления мертвых положений поршня^[3], и его современник Джеймс Пикард использовал маховик в сочетании с кривошипно-шатунным механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное^[4].

Использование маховика в качестве аккумулятора энергии ограничивается тем, что при превышении допустимой окружной скорости происходит разрыв маховика приводящий к большим разрушениям. Это вынуждает создавать маховики с очень большим запасом прочности, что приводит к снижению их эффективности.

Следствием этого является малая (по сравнению с другими видами аккумуляторов) удельная энергоёмкость.

В мае 1964 года Гулия Нурбей Владимирович подал заявку на изобретение супермаховика — энергоёмкого и разрывобезопасного маховика.

См. также

Ссылки

Примечания

1. ↑ Родионов В. Г. Оптимизация структуры генерирующих мощностей. Аккумуляторы – накопители энергии // Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего. — М.: ЭНАС, 2010. — С. 65. — 352 с. — ISBN 978-5-4248-0002-3
2. ↑ Lynn White, Jr., “Theophilus Redivivus”, Technology and Culture, Vol. 5, No. 2. (Spring, 1964), Review, pp. 224-233 (233)
3. ↑ Элла Цыганкова У истоков дизайна
4. ↑ Encyclopedia of the Industrial Revolution, 1750-2007: Steam Engine (англ.)

Маховичный накопитель | Журнал Популярная Механика

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

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

Пружина, резина, конденсатор…

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

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

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

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

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

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

Маховик на миллион

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

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

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

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

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

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

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

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

Чудо-махомобили

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

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

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

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

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

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

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

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

Маховик берется за дело. Удивительная механика

Маховик берется за дело

Средневековая Европа. Процветает схоластика, алхимия, не сидят без работы и астрологи. Странный и страшный период в истории Европы, когда на несколько веков она погрузилась во мрак отсталости и невежества.

О маховиках тогда, конечно, никто и не думал. Да и о каких маховиках могла идти речь, когда «ученые мужи» были заняты поисками «философского камня», изгнанием дьявола, размышлениями на тему: «Сколько ангелов уместится на булавочной головке?»

Но почти через тысячу лет после гибели высокоразвитого в техническом отношении античного Рима в Европе постепенно опять начинают заниматься делом. Медленно, но верно развиваются технические науки, появляются машины. Машины поначалу были несложные, приводимые в движение вручную с помощью рукояток.

Тот, кто пробовал завести двигатель автомобиля рукояткой, хорошо знает, как это трудно. А каково же было людям средневековья? Для того чтобы машина работала, им приходилось крутить рукоятки с утра до вечера, изо дня в день, из месяца в месяц, из года в год. Будучи, по существу, «живыми двигателями» средневековых машин, они быстро выбивались из сил, производительность их труда заметно падала. И вот однажды кто-то догадался снабдить рукоятку маховиком. Это позволило значительно облегчить труд работников. Отныне маховик стали применять в самых различных технических устройствах.

Характерным примером использования маховика в старинных машинах может служить ковшовый водоподъемник XV века, колесо которого должен был поворачивать вручную специально нанятый для этого работник. В те моменты, когда человеку было удобно вращать рукоятку, укрепленный на ней достаточно большой маховик «принимал» у него часть энергии и возвращал ее тогда, когда крутить рукоятку становилось уже неудобно. В результате и человек меньше утомлялся, и машина работала более равномерно.

Другой пример – поршневой насос конца XV – начала XVI века. Помимо неудобства пользования рукояткой, здесь требовалось преодолеть еще одну сложность. Когда поршень поднимал воду, крутить рукоятку было намного тяжелее, чем во время его спуска. И нередко случалось так, что при подъеме у работника просто не хватало сил провернуть рукоятку, оказавшуюся в неудобном для него положении. Применение маховика позволило решить эти проблемы.

Старинный поршневой насос с маховиком

Старинная лесопильная машина с маховиком

Даже тогда, когда машины стали приводить в движение с помощью водяного колеса, маховик не утратил своего значения. В XVI веке, например, его использовали в машинах для распиловки досок. Поднимать пилу вверх было легко: в это время она не пилила – наклон зубьев был в другую сторону, опускать же – совсем непросто, ведь при этом и происходила собственно распиловка доски. Без маховика пила бы часто застревала в доске, и водяное колесо не в силах было бы протянуть ее дальше. Теперь же маховик, разгоняясь при свободном ходе пилы вверх, отдавал ей свою энергию при рабочем ходе вниз. Пила не застревала, и дело шло быстро. Маховик здесь был уже гораздо больше по размерам и массе, чем на ручных машинах, – мощность тут требовалась большая.

Паровая машина с маховиком

В XVIII веке изобрели паровой двигатель, а в XIX – двигатель внутреннего сгорания. Оба поршневые. Главный же недостаток поршневой машины – неравномерность выделения энергии, неравномерность хода. Машина выделяет энергию лишь в момент подачи пара в цилиндр или в момент сжигания в нем горючего. Все остальное время она только расходует энергию на свое прокручивание. Это необходимо, чтобы машина не остановилась.

Тут-то и пригодился маховик. Посаженный на вал двигателя, маховик при сжигании горючего, то есть при рабочем ходе машины, накапливает энергию, а потом за счет нее сам прокручивает машину для подготовки следующего рабочего хода. Если кто-нибудь думает, что автомобиль постоянно приводится в движение двигателем, то он ошибается. Часть времени машину тянет двигатель, а часть – именно маховик. И изрядные расстояния автомобиль проезжает за счет маховика. Правда, такой маховик накапливает очень незначительную энергию по сравнению с другими аккумуляторами той же массы, поэтому претендовать на роль «энергетической капсулы» он не может.

Часто маховик присутствует в машинах незримо, он «замаскирован» в них под какую-то деталь, но выполняет самую что ни на есть «маховичную» работу. Те, кто бывали на заводе, наверное, видели там механические ножницы. Мотор с помощью ремня крутит шкив, а от этого шкива приводится в движение нож. На первый взгляд, шкив как шкив. А будь он полегче, не такой массивный, каким его изготовили, не сработали бы тогда ножницы, уперевшись в заготовку, – и нож сразу бы остановился. Только маховик, «замаскированный» в этом случае под шкив, позволяет за счет накопленной энергии развивать огромные силы и мощности, необходимые для работы.

Один из первых двигателей внутреннего сгорания с маховиком

«Маскируется» маховик обычно под шкивы, муфты, зубчатки, колеса и другие круглые, а подчас и не совсем круглые детали. В самом деле, почему бы и не использовать свободный обод маховика для размещения на нем ремня или зубьев? Это очень даже удобно.

Кстати, уж коли мы заговорили про колеса, то велосипедные колеса – настоящие маховики, на которые надеты шины. Но здесь используется главным образом другое свойство маховика – гироскопический эффект. Это он помогает сохранять устойчивость велосипеду, как и волчку – игрушке, наблюдая за вращением которой этот эффект был впервые подмечен.

Более 200 лет тому назад английский изобретатель Серсон попытался использовать это свойство волчка для создания «искусственного горизонта» – особого прибора, крайне необходимого в мореплавании: ведь нередко из-за тумана естественного горизонта не видно. Этот прибор нужен был морякам для астрономических наблюдений, чтобы выяснить, где находится в данный момент корабль. Раньше применяли для этих целей отвес, но при волнении на море отвес сильно раскачивался наподобие маятника и «поймать» горизонт было невозможно.

Судьба оказалась несправедливо жестокой к изобретению и к самому изобретателю. Фрегат «Виктори», на котором был установлен «искусственный горизонт», потерпел крушение – Серсон погиб. О его изобретении лет на сто забыли.

Маховичный пресс

Свойство маховика сохранять ось вращения в пространстве поначалу поражало меня, как, впрочем, и каждого, кто впервые сталкивался с этим свойством. Только позже я понял, чем оно объясняется. Но уже до этого, наблюдая гироскопический эффект, я твердо решил применить его при создании маховичной «энергетической капсулы».

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке

Следующая глава >