СИСТЕМА АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ И РЕКУПЕРАЦИИ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ
SYSTEM OF AERODYNAMIC BRAKING AND KINETIC ENERGY RECOVERY AT HIGH-SPEED RAILWAY TRANSPORT

Изобретение относится к способам торможения и рекуперации энергии железнодорожных вагонов и составов. Известен способ торможения железнодорожных вагонов и составов путем увеличения сил трения колесных пар вагонов к тормозным колодкам, колесным парам и рельсам. Например, в известном патенте RU №2384443, МПК B61H 11/02, способ торможения заключается в последовательной подаче команды на управление исполнительными органами вагонов состава для экстренного торможения, опускании на рельсы тормозных башмаков, последовательном отцеплении сцепных устройств от рам вагонов, регулировании усилия демпфирования дроссельным устройством вагонов вплоть до полной остановки состава. После устранения причины, вызвавшей экстренную остановку состава, по команде машиниста локомотива сдают состав назад, сцепляя вагоны состава, и отправляют состав по заданному маршруту. Устройство содержит двухрельсовые тормозные башмаки, двухсторонние регулируемые демпфирующие устройства, сцепные устройства и устройства для задания алгоритма экстренного торможения состава (блоки управления), имеющие самоскручивающиеся бобины с навитыми на них кабель-тросами, на концах которых имеются межвагонные контактные элементы, ниппельные устройства для создания непрерывной пневмомагистрали от локомотива до последнего вагона состава. Самоскручивающиеся бобины установлены на подвижных платформах, подпружиненных возвратными пружинами и имеющих копиры для подачи команд на последовательное торможение вагонов состава, начиная с предпоследнего вагона и далее к голове состава вплоть до его полной остановки.
Известный способ содержит реализуемый в каждом вагоне блоком управления алгоритм взаимо связанных воздействий на исполнительные устройства системы торможения вагонов для обеспечения экстренного торможения. Недостатками известного способа является:
- сложная, материалоемкая и недостаточно надежная система экстренного торможения с рядом устройств и механических связей;
- интенсивный износ рельсов, колесных пар, тормозных башмаков и колодок при торможении вагонов и составов;
- вероятность аварий при экстренном торможении высокоскоростных вагонов и составов в случае нарушения алгоритма взаимо связанных воздействий на исполнительные узлы системы;
- бесполезные затраты кинетической энергии и топлива тяговых секций на штатное и экстренное торможение составов.
Известен также способ рекуперации электрической энергии на рельсовом транспорте в накопительную установку вагона по патенту RU №2379201, МПК B60L 7/10. Способ содержит операции накопления энергии торможения тягового электропривода и использование накопленной электрической энергии для обеспечения ускорения рельсового транспорта. В прототипе используются тяговые электродвигатели, заряжающие в режиме торможения емкостной накопитель, установленный на вагоне, через последовательно включенные повышающий и понижающий импульсные источники напряжения постоянного тока, при этом в качестве промежуточных накопителей энергии используются штатные индуктивные шунты силового оборудования вагона. В процессе торможения вагона система управления накопителя обеспечивает заданную динамику замедления. Пуск и разгон вагона от накопителя и последующее подключение силовой схемы вагона к контактной сети для сохранения динамики разгона происходят по команде системы управления. Технический результат заключается в повышении эффективности эксплуатации вагона за счет использования кинетической энергии при торможении вагона для его последующего разгона, а также за счет исключения из работы тормозного резистора и улучшении микроклимата метрополитена.
Применение известного способа рекуперации кинетической энергии при торможении на железнодорожном транспорте ограничено передачей тормозного воздействия на рельсы от тягового электропривода. Как следствие, применение известного способа рекуперации влечет за собой интенсивный износ железнодорожных рельсов и колесных пар.
Известен также СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОРМОЖЕНИЯ САМОЛЕТА НА ПРОБЕГЕ И ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЗЛЕТЕ И ПОСАДКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ по патенту RU №2484279, МПК F02K 1/60. Используется ориентация набегающего воздушного потока на увеличение сил аэродинамического торможения самолета. Однако этот способ не обеспечивает рекуперации энергии торможения и ее накопление в емкостных накопителях для ее последующего ее использования на движение подвижного состава.
Технической задачей изобретения является обеспечение эффективного аэродинамического торможения на высокоскоростном железнодорожном транспорте набегающими воздушными потоками за счет увеличения лобового сопротивления состава при торможении, а также обеспечение рекуперации кинетической энергии движущегося состава.
Для достижения технического результата вагоны железнодорожных составов оснащают дистанционно управляемыми воздухозаборниками набегающего воздушного потока с ветродвижителями на выходе и кинематически связанными с ними электрическими генераторами, выходы которых в каждом вагоне подключены к входам вновь введенного сумматора электрической энергии, выход которого подключен через автоматическое зарядное устройство к входам емкостного накопителя, присоединенного через вновь введенный в систему буферный регулятор мощности к входам тяговых электродвигателей каждого вагона.
На фигуре 1 показана структура системы торможения и рекуперации кинетической энергии железнодорожных вагонов и составов. На фиг. 2 показано закрытое положение воздухозаборника воздушного потока в сборе на крыше вагона в режиме движения состава. Открытое положение воздухозаборника в сборе при торможении вагона представлено на фиг. 3. На фиг. 4 показано для наглядности размещение нескольких закрытых воздухозаборников на крыше вагона и на его левой вертикальной стене, а открытое положение воздухозаборников в сборе показано на правой вертикальной стене вагона. На фиг. 5 показана зависимость от скорости движения энергии торможения вагона с 27 воздухозаборниками.
Система фиг. 1 содержит дистанционно управляемые воздухозаборники 1a…1m воздушных потоков, направляющие воздушный поток на ветродвижители 2а…2m, кинематически соединенные с электрическими генераторами 3а…3m, электрические выходы которых подключены к входам 4а…4m, энергетического сумматора 5 выходной мощности электрогенераторов 3а…3m. К выходу энергетического сумматора 5 через автоматический зарядный модуль 6 подключены клеммы 7 и 8 батареи 9 электрических аккумуляторов. Клеммы 7 и 8 батареи 9 емкостных аккумуляторов подключены через буферный регулятор мощности 10 к входам 11 и 12 тягового электропривода 13 вагона. Алгоритм управления системой рекуперации и торможения вагона реализуется в блоке 14 управления, выходы которого по линии связи 15 транслируются управляющие воздействия на входы 16а…16m воздухозаборников 1а…1m. Управляющие команды на все вагоны состава передаются на блоки управления вагонов с пульта машиниста 17 по каналу беспроводной связи через антенны 18 и 19.
На фиг. 2 показано положение воздухозаборника с ветродвижителем 26 в режиме движения состава. Верхняя крышка 20 воздухозаборника уложена на одном уровне с крышей 21 вагона прижата к крыше 20 магнитной защелкой 22. Крышка 20 соединена подвижно с крышей 21 вагона с помощью оси 23. Под выступом 24 крышки 20 размещен на оси 25 ветродвижитель 26 с лопастями 27. Под крышкой 20 воздухозаборника уложены боковые эластичные или веерно раздвижные манжеты 28, присоединенные сверху к крышке 20, а снизу - к потолочной плите 29. Число таких укладок воздухозаборников в сборе на крыше 21 вагона можно разместить от одной до 11 штук при длине вагона более 20 м.
Аналогично можно разместить такое же число укладок воздухозаборников в сборе по правой и по левой вертикальным стенам каждого вагона. За счет обтекаемой формы вагона при закрытых крышках воздухозаборников его аэродинамическое сопротивление минимально и состав может передвигаться по рельсам с высокой скоростью, затрачивая относительно умеренную энергию на преодоление аэродинамического сопротивления. В этом режиме забор воздушного потока на ветродвижителли 26 не происходит, ветродвижители и кинематически связанные с ними электрогенераторы не вращается.
1
2
При необходимости торможения с пульта 17 машиниста (см. фиг. 1) через блоки управления 14 движением и торможением вагонов подается сигнал на разблокирование магнитных защелок 22 воздухозаборников. За счет упругого поджатия крышек 20 (см. фиг. 3) воздухозаборника к торцевым манжетам воздухозаборника левая по фиг 3 сторона крышек 20 приподнимается, в образовавшийся зазор между ними и крышей 21 вагона врывается набегающий воздушный поток и полностью поднимает крышки 20 над крышей вагона в положение, обозначенное на фиг. 3. Крышки 20 воздухозаборников под давлением набегающего воздушного потока переходят в верхнее положение до полного раскрытия эластичных манжет 28. Набегающий воздушный поток захватывается с поверхности S на входе воздухозаборника и канализуется через поверхность S на его выходе на лопасти 27 ветродвижителя 26. Размещенный со свободой углового вращения на оси 25 ветродвижитель 26 интенсивно вращается, приводя во вращение кинематически связанный с осью 25 ротор электрогенератора 32. Все электрогенераторы 32 воздухозаборников в сборе вырабатывают электрическую энергию, собираемую в энергетическом сумматоре 5 (см. фиг. 1). Турбулентный воздушный поток с выхода ветродвижителя 26 вылетает через жалюзи 31 на крышу 21 вагона и захватывается следующими по ходу движения воздухозаборниками.
1
т
c
c
1
c
1
c
c
1
т
т
т
т
p
т
т
c
c
3
3
2
2
6
Набегающий воздушный поток вынужден преодолевать резко возросшее сопротивление открытым поверхностям S воздухозаборников вагона. Энергию торможения состава можно оценить по следующей формуле Э=ζ⋅γ⋅υ⋅(S+N⋅S)/2, где S - площадь лобового сопротивления состава при закрытых воздухозаборниках в режиме разгона и движения; S - площадь лобового сопротивления одного открытого воздухозаборника; N - число открытых воздухозаборников состава; υ - линейная скорость набегающего воздушного потока; γ≈0,5 - коэффициент использования энергии набегающего воздушного потока; ζ=1,29 кг/м - плотность воздуха. При S=12 м, S=1 м, N=330 (состав из 10 вагонов, каждый с 33 воздухозаборниками), υ=30 м/с (108 км/ч), получим Э=6,075⋅10 Дж. С учетом известной зависимости мощности W от энергии торможения Э: W=Э/t, затраченную за секунду [1], получим мощность W=6075 кВт или 8256 л.с. Это более чем значительная величина, в 28,5 раз превышающая энергию преодоления составом лобового сопротивления набегающему воздушному потоку при закрытом положении воздухораспределителей. На тягу приведенного в примере состава при скорости движения 108 км/ч потребуется мощность W≥W⋅S/S⋅γ=8256×345/12×0,5=575 л.с. Очевидно, что при скорости движения вагонов и составов более 100 км/ч эффективное аэродинамическое торможение может быть обеспечено и при существенно меньшем числе воздухозаборников N в составе по сравнению с приведенным примером.
На фиг. 4 показан для наглядности вид сверху левой вертикальной стены крыши фрагмента вагона в режиме движения, с тремя закрытыми крышками воздухозаборников на крыше вагона, а у правой стенки вагона - условно с тремя открытыми воздухозаборниками. Закрытые воздухозаборники не выступают за поверхности левой стены и крыши вагона, не оказывая сопротивления набегающему на вагон со скоростью υ воздушного потока. Открытые с правой стены вагона воздухозаборники захватывают крышками 20 и манжетами 28 воздушные потоки и направляют их на ветродвижители 26, обеспечивая их интенсивное вращение. Кинематически связанные с ветродвижителями 26 электрогенераторы 3а…3m (см. фиг. 1) вырабатывают электрическую энергию, собираемую энергетическим сумматором 5 и накапливаемую в батарее 9 емкостного накопителя.
Кроме выполнения эффективного аэродинамического торможения состава предложенный способ обеспечивает рекуперацию кинетической энергии в заряд батарей аккумуляторов (емкостных накопителей) 9 с последующим расходом накопленной энергии для разгона тягового электрического привода 13, подключенного к выходам 11 и 12 буферного регулятора 10 мощности.
в
i
i
в
2
3
При высоких скоростях движения эффективность способа аэродинамического торможения имеет определяющее значение. На фиг 5 представлена зависимость энергии торможения от скорости набегающего воздушного потока для одного вагона состава. Зависимость фиг. 5 рассчитана для железнодорожного вагона, оборудованного воздухозаборниками N=27, каждый с поверхностью S забора воздуха S=1 м. При плотности воздуха ζ=1,25 кг/м и скорости движения вагона v=100 км/ч энергия аэродинамического торможения вагона ΔE для данного случая составит 456 кДж или мощности торможения более 700 лошадиных сил, что соизмеримо с аварийным торможением вагона с помощью традиционной системы силами трения тормозных колодок.
вх
вых
На скоростях движения составов более 100 км/ч на фиг. 5 имеет место зона V определяющего аэродинамического воздействия на движущийся состав, использование которого предпочтительно традиционным способам торможения высокоскоростными железнодорожными составами. При снижении скорости набегающего воздушного потока до перехода зависимости фиг. 5 в зоны II и I воздухозаборники по команде с блока управления 14 переводятся в закрытое состояние и вагон приобретает обтекаемый вид для последующего разгона и движения с высокой скоростью. При соотношении поверхностей забора воздушного потока на входе и выходе воздухозаборников от полутора до трех обеспечивается эффективная концентрация воздушного потока с энергетическим выигрышем в несколько раз. Например, при S/S=2 будет обеспечен примерно четырехкратный энергетический выигрыш за счет двухкратного увеличения скорости воздушного потока на выходе воздухозаборника [5].
Предложенный способ обеспечивает эффективное аэродинамическое торможение и рекуперацию кинетической энергии высокоскоростного подвижного состава без интенсивного износа колесных пар и рельсов. Накопленная кинетическая энергия вагонов и составов преобразуется в электрическую и сохраняется для последующего разгона и движения подвижного состава. За счет интегрированного аэродинамического воздействия на состав резко снижается износ колесных пар и рельсов, а также снижается до нулевой величины вероятность схода состава с рельсов при экстренном торможении.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Сайт http://www.kakprosto.ru.
2. Патент RU №2384443, МПК B61H 11/02.
3. Патент RU №2379201, МПК B60L 7/10.
4. Патент RU №2484279, МПК F02K1/60.
5. Заявка RU №2008127638 от 07.07.2008. Ветроагрегат с концентратором ветрового потока.