МАХОВИЧНЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Область техники
Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в энергетике.
Уровень техники
Известны маховичные умножители мощности (бустеры), включающие мотор небольшой мощности, соединенный с маховиком, соединенным в свою очередь через гидромуфту с мощным электрогенератором. Маховик разгоняется мотором до частоты вращения, на 40% превышающей номинальную частоту вращения генератора. Затем, при необходимости, гидромуфта заполняется рабочей жидкостью, и маховик начинает вращать генератор через буксирующую гидромуфту. Подобные устройства использовались в энергетике в тех случаях, когда не должно быть перерыва в подаче электроэнергии (см. книгу Н.В.Гулиа «Маховичные двигатели», М., Машиностроение, 1976 г., стр.75-76, рис.49).
Недостатками этого устройства, принятого за аналог, являются малая экономичность, вызванная постоянным буксированием гидромуфты, а также большая масса и габариты.
В цитированной выше книге на стр.44-45 отмечено, что на основе маховиков переменного момента инерции с перематывающимися мотками ленты внутри вращающегося обода (см. авт.свид. Н.В.Гулиа №229152, 239720, 1968 и 1969 гг.) можно создать маховичные умножители мощности, лишенные приведенных недостатков. Подобное устройство принято за прототип (см. авт.свид. СССР на изобретения Н.В.Гулиа и А.Г.Серха «Маховик переменного момента инерции» №1373937, F16H 32/02, 1984 г.). В этом устройстве маховик переменного момента инерции, содержащий полый цилиндрический кожух, барабан, соосно установленный внутри кожуха и связанный с ним гибким элементом - металлической лентой, перематывающейся с барабана на внутреннюю цилиндрическую поверхность кожуха и обратно, а также валом отбора мощности от кожуха, причем кожух связан с барабаном механической передачей с регулируемым передаточным отношением, например, вариатором.
Недостатком устройства - прототипа является то, что оно представляет собой фактически только постановку задачи, а не ее решение. В частности, через указанную регулирующую передачу, например, вариатор, как показали расчеты, должна протекать мощность, соизмеримая с умноженной мощностью двигателя, разгоняющего маховик, о чем даже не упоминается в прототипе. Кроме того, как в описании, так и в чертежах прототипа не показано кинематическое соединение механической передачи с неподвижным звеном (стойкой), без которого устройство неработоспособно (вариатор соединен только с кожухом и барабаном без связи с неподвижным звеном), так как вся передача будет вращаться вместе с маховиком, не выполняя своих функций.
Указанный недостаток не позволяет осуществить устройство - прототип. В случае же соединения регулируемой передачи со стойкой (например, закреплением ее корпуса на неподвижном основании) через передачу (вариатор) будет протекать вся мощность, отбираемая от маховика, что нерационально.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является создание работоспособного устройства, позволяющего воспринимать через вал отбора мощности как малую мощность, заряжающую маховичный накопитель в течение достаточно длительного времени, так и выдавать через этот же вал кратковременно высокую (умноженную) мощность. Это позволит, в случае соединения вала отбора мощности устройства с валом мощного генератора, питаемого собственным двигателем (например, газовой турбиной), медленно заряжать маховичный накопитель малой, неопасной для генератора мощностью, а затем, при необходимости кратковременно выдать генератору умноженную мощность, сохраняя при этом практически постоянной частоту вращения внешнего маховика (названного в прототипе кожухом), сохраняя тем самым постоянной частоту тока, вырабатываемого генератором. Такая задача очень востребована энергетикой, а использование для питания генератора обычного маховика с падающей частотой вращения очень проблематично для мощных (в мегаватты) устройств.
Указанная задача решается тем, что маховичный умножитель мощности, включающий маховик переменного момента инерции, содержащий вращающийся цилиндрический корпус, внешняя цилиндрическая поверхность которого выполнена навитой со склейкой высококачественной лентой, переходящей с внутренней стороны навивки в два или более витка, навивающиеся на соосный корпус барабана, а также вал отбора мощности, связанный с вращающимся корпусом, и механическую передачу, кинематически соединяющую вращающийся корпус и барабан, характеризующийся тем, что механическая передача выполнена зубчатой с планетарным звеном, водило которого соединено с вращающимся корпусом, одно из центральных зубчатых колес планетарного звена - с возможностью соединения с барабаном, а другое - периодически с неподвижным тормозом, причем водило кинематически соединено как минимум с одним блоком зубчатых колес с неподвижной геометрической осью, в свою очередь соединенным с центральным зубчатым колесом, выполненным с возможностью его периодического соединения с центральным зубчатым колесом планетарного звена, выполненным с возможностью периодического торможения, барабан выполнен с возможностью его блокировки с вращающимся корпусом при отключенном тормозе, а последнее упомянутое периодическое соединение зубчатых колес выполняется при отключенном вышеупомянутом тормозе и отсутствии вышеупомянутой блокировки барабана.
Еще одним отличием предлагаемого устройства является то, что внешнее центральное зубчатое колесо планетарного звена выполнено с возможностью его периодического соединения с барабаном, а внутреннее - с тормозом или с водилом планетарного звена через как минимум один блок зубчатых колес и центральное зубчатое колесо.
Следующее отличие предлагаемого устройства заключается в том, что вышеупомянутое центральное зубчатое колесо выполнено с возможностью соединения с внутренним незаторможенным центральным зубчатым колесом планетарного звена при отсоединенной блокировке барабана с вращающимся корпусом.
Следующим отличием предлагаемого устройства является то, что блокировка барабана с вращающимся корпусом выполняется путем соединения барабана с внешним центральным зубчатым колесом планетарного звена и с вращающимся корпусом, соединенным с водилом.
Следующим отличием предлагаемого устройства является то, что лента выполнена переменного сечения.
Следующим отличием предлагаемого устройства является то, что лента, навитая на вращающийся корпус и барабан, выполнена из двух и более составляющих лент в начале навивки на барабан и переходящей в одну ленту в конце навивки.
Следующим отличием предлагаемого устройства является то, что неподвижный общий корпус устройства уплотнен герметичными уплотнителями и заполнен средой с малыми вентиляционными сопротивлениями.
Следующим отличием предлагаемого устройства является то, что кинематическое соединение барабана и внешнего центрального зубчатого колеса планетарного звена с вращающимся корпусом, а также центрального зубчатого колеса, кинематически связанного, как механизм, с одним блоком зубчатых колес с внутренним центральным зубчатым колесом планетарного звена выполнено с помощью храповых сцепных муфт.
Следующим отличием предлагаемого устройства является то, что вращающийся корпус и барабан в нем выполнены с датчиком относительного угла поворота, управляющим включением и выключением храповых сцепных муфт и тормоза.
В результате осуществления вышеуказанных отличий достигается технический результат полезной модели, заключающийся в достаточно длительной зарядке устройства малой мощностью через вал отбора мощности, и последующим, при необходимости, кратковременным выделением высокой мощности через этот же вал.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - конструктивная схема устройства (продольный разрез)
Фиг.2 - поперечный разрез вращающегося корпуса (вид А-А)
Осуществление полезной модели
Устройство представлено на фиг.1 (продольный разрез). Вращающийся корпус 1 включает в себя неразборный обод 2, например, из склеенных витков высококачественной стальной ленты, проволоки или высококачественного пластика, например, углепластика, и помещенные внутри него свободные витки ленты 3, переходящие двумя и более ветвями 4 на барабан 5, закрепленный с возможностью вращения во вращающемся корпусе 1 (фиг.2). Вышеупомянутые детали образуют маховик переменного момента инерции.
Сплошными линиями показаны витки ленты в маховике при его максимальном моменте инерции, когда большая часть ленты находится на переднем вращающемся корпусе 1, а штриховыми линиями - витки ленты в маховике при его минимальном моменте инерции, когда большая часть ленты находится в центре - на барабане 5. С вращающимся корпусом 1 связан вал отбора мощности 6, а между упомянутыми корпусом и валом барабана 5 помещен датчик 7 относительности угла поворота корпуса 1 и барабана 5, например, в виде датчика Холла, взаимодействующего, например, с зубчатым колесом 8 на валу барабана 5. Съем сигналов с датчика 7 производится, например, через токосъемник 9 и выводится по проводнику 10 из неподвижного корпуса 11. С вращающимся корпусом 1 связано водило 12 планетарного звена механической передачи, кинематически соединяющей вращающийся корпус 1 и барабан 5, а внешнее центральное зубчатое колесо 13 планетарного звена связано с барабаном 5 и с полумуфтой 14 храповой сцепной муфты, вторая полумуфта 15 которой закреплена на вращающемся корпусе 1. Внутреннее центральное зубчатое колесо 16 планетарного звена связано с тормозным диском 17, в данном случае коническим, а также через шлицевое соединение 18 - с храповой сцепной полумуфтой 19. Вторая полумуфта 20, взаимодействующая с полумуфтой 19, закреплена на центральном зубчатом колесе 21, находящемся в зацеплении с блоком 22 зубчатых колес (как минимум, одним), находящимся, в свою очередь, в зацеплении с зубчатым колесом 23, закрепленном на водиле 12. Блок 22 закреплен с возможностью вращения на неподвижном корпусе 11. Полумуфты 14 и 19 соответствующих храповых сцепных муфт соединены друг с другом шарниром 24 на штоке 25, опять же с помощью шарнира-подшипника 26, связанного с подвижным концом 27 сильфона 28, передвигаемого, например, электромагнитом 29. Тормозной диск 17 взаимодействует с невращающимся тормозом 30, выдвигающимся к диску 17, например, с помощью электромагнита 31 через сильфон 32. Сильфоны 28 и 32, а также магнитожидкостное уплотнение 33 вала отбора мощности 6, предназначены для уплотнения внутреннего объема неподвижного корпуса 11, в котором находится среда с малым вентиляционным сопротивлением, например, разреженный воздух, водород, гелий, многократно сокращающая потери мощности быстровращающихся деталей. Смазка зубчатых передач в устройстве осуществляется вакуумной смазкой, нечувствительной к разреженной среде.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Вал отбора мощности 6 соединен с валом мощного генератора, например, мощностью 2 МВт, соответствующего двигателя (например, синхронный генератор, приводимый от газотурбинного двигателя. На чертежах генератор и двигатель не изображены).
В режиме ожидания, когда мощности, выдаваемой генератором, достаточно для питания потребителя, лента во вращающемся корпусе 1 находится на периферии и витки ленты занимают положение 3, момент инерции маховика максимален, а на барабане 5 находится минимальное количество ленты. Барабан 5 заблокирован с вращающимся корпусом 1 с помощью храповых полумуфт 14 и 15, тормозной диск 17 не заторможен тормозом 30. Потери мощности на вращение корпуса 1 минимальны благодаря среде с малыми вентиляционными сопротивлениями в корпусе 11, планетарное звено вращается без прокрутки зубчатых колес (как одно целое), а остальные зубчатые колеса прокручиваются вхолостую.
При необходимости в добавочной мощности полумуфты 14 и 15 расцепляются с одновременным затормаживанием тормозом 30 тормозного диска 17. Лента начинает перематываться из положения 3 на барабан 5.
-1
В качестве примера предположим, что диаметр вращающегося корпуса 1 равен 2 м, его угловая скорость около 400 с, окружная скорость около 400 м/с, масса ленты на периферии корпуса 1 около 400 кг, запас энергии в маховике около 10 кВт·час. Если передаточное отношение планетарного звена выбрано так, что перемотка ленты на барабан 5 будет длится 10 сек, то, не учитывая КПД устройства, мощность, выдаваемая устройством генератору, будет около 3 МВт. Для равномерной выдачи мощности лента, навитая по периферии корпуса 1, должна иметь толщину больше, чем навитая на барабан 5, причем наибольшая толщина ленты в начале намотки на барабан 5, а наименьшая - на самой периферии корпуса 1. Ленту проще всего составить из нескольких тонких лент, минимальное количество которых на периферии, а максимальное - в начале намотки на барабан. Но может быть и изготовлена лента переменной толщины. При полной перемотке ленты в положение, изображенное штриховой линией на фиг.1 и фиг.2, тормоз 30 отходит от тормозного диска 17 и одновременно полумуфтами 14 и 15 блокируется барабан 5 с корпусом 1 и планетарное звено. Для подзарядки маховика соединяются электромагнитом 29 через подшипник 26 и шток 25 полумуфты 19 и 20; при этом начинается перемотка ленты из положения, изображенного штриховой линией в положение, изображенное сплошной линией. При этом начинается увеличение момента инерции маховика и набор в него энергии от двигателя генератора через вал последнего. Чем медленнее производится упомянутая перемотка, зависящая от передаточного отношения от зубчатого колеса 23 к центральному зубчатому колесу 21 через блок зубчатых колес 22, тем меньшая мощность отбирается от двигателя генератора на зарядку маховика. Если время между пиками мощности в 3 МВт по продолжительности больше самого пика в 100 раз, т.е. 1000 сек или около 17 минут, то и мощность, отбираемая от двигателя, составит всего 30 кВт, что практически не повлияет на загрузку двигателя мощностью 2 МВт. При завершении процесса зарядки маховика одновременно расцепляются полумуфты 19 и 20 и сцепляются полумуфты 14 и 15, блокируя барабан 5 с вращающимся корпусом 1, и корпус 1 вращается без перехода энергии из маховика и в маховик.
Устройство позволит осуществлять временное резкое повышение мощности, выдаваемой генератором, без изменения частоты тока и частоты вращения генератора, и без применения инвертора, весьма проблематичного для больших мощностей.