Способ генерации энергии, при котором используют и одновременно с этим частично гасят вредную вибрацию опоры (варианты)
METHOD OF ENERGY GENERATION IN WHICH HARMFUL SUPPORT VIBRATION IS USED AND SIMULTANEOUSLY PARTIALLY DAMPENED (VERSIONS)

Группа изобретений (варианты) относится к энергетике, машиностроению и транспорту, а также и к другим областям техники, где при работе машин возникает вредная вибрация опорных элементов. Такими опорными элементами являются, например, фундаменты энергетических блоков гидроэлектростанций, фундаменты дробилок горно-обогатительных и строительных предприятий, ткацких станков, перекрытия или полы близлежащих сооружений, элементы конструкций железнодорожных локомотивов и вагонов, кузова автомобилей и других транспортных средств.
Вибрация таких элементов (далее именуемых опорами) крайне нежелательна. Она вызывает заболевания обслуживающего персонала и является причиной механического износа оборудования, что нередко приводит к авариям.
Гашение вибрации производится, как правило, с использованием специальных виброизоляторов, в качестве которых применяются амортизаторы из упругих материалов, различные пружинные и динамические гасители, рессоры, торсионы, резиновые элементы, а также различные жидкости и газы (Политехнический словарь. Ред. А.Ю. Ишлинский. - М.: Советская энциклопедия, 1989, с. 26 и 80). Широко известны способы поглощения энергии вредной вибрации, основанные на применении виброгасителей оригинальной конструкции.
Так, в заявке на изобретение RU 94036392, опубл. 22.07.1996, описан Инерционный ударный виброгаситель, в конструкции которого имеется цилиндрический подвижный элемент, на боковую поверхность которого равномерно нанесен однонаправленный ворс, рабочие стержни которого являются упругими в направлении изгиба, жестко заделаны на поверхности подвижного элемента. При работе виброгасителя осуществляется преобразование энергии колебаний объекта виброзащиты во вращательное движение подвижного элемента. Энергия удара плавно преобразуется в кинетическую энергию вращения подвижного элемента за счет однонаправленности ворса, анизотропии фрикционного покрытия и скругленности торцов направляющего канала.
В патенте RU 2572183, опубл. 27.12.2015, раскрыт способ гашения вибрации, основанный на применении комбинированного виброизолятора с сетчатым демпфером, установленным в корпусе, и упругим элементом, взаимодействующим с виброизолируемым объектом. При колебаниях виброизолируемого объекта упругий резиновый элемент воспринимает вертикальные нагрузки, ослабляя тем самым динамическое воздействие на опору. Горизонтальные колебания гасятся за счет нестесненного расположения упругого элемента, что дает ему определенную степень свободы колебаний в горизонтальной плоскости. При этом упругий сетчатый элемент также воспринимает как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки, ослабляя тем самым динамическое воздействие на виброизолируемый объект, т.е. обеспечивается пространственная виброзащита и защита от ударов.
В патенте RU 2438052, опубл. 06.07.2010, описан способ, в котором гашение вибрации осуществляют упругими элементами, работающими на коаксиальный сдвиг. Упругие элементы подвергают предварительной нагрузке, величина которой кратна отношению массы оборудования к количеству используемых упругих элементов. Фиксируют деформацию упругих элементов и устанавливают оборудование. В процессе гашения вибрации упругие элементы подвергают деформациям сжатия, коаксиального и радиального сдвига независимо от направления знакопеременных нагрузок.
В описанных выше, как и в других известных многочисленных способах гашения вибрации, основанных на применении демпфирующих устройств, поглощаемая ими энергия не используется, а превращается в тепло, то есть механическая энергия, переносимая в демпфер, по существу, теряется.
Однако энергия, которую несет вибрация, может быть использована. Известны способы, основанные на применении устройств, которые одновременно решают задачу поглощения энергии колебаний и ее преобразование в электроэнергию. В качестве прототипа выбран способ, описанный в патенте RU 2421629, опубл. 20.06.2011, основанный на функционировании демпфера. Демпфер машины подключают к источнику механической энергии, и он преобразует одну часть механической энергии в тепловую энергию, а другую часть - в электричество. Для этих целей демпфер содержит электродвижущий модуль генерирования энергии, пьезоэлектрический модуль генерирования энергии и подключенное к ним аккумулирующее энергию устройство. Таким образом, процесс демпфирования сопровождается генерированием энергии на основе использования пьезоэлектрического эффекта. В этом же патенте описан второй вариант - устройство для генерирования электроэнергии на основе вибрации. Это устройство содержит подключенный к источнику вибрации корпус, постоянные магниты кольцевого типа, расположенную между ними одну часть звуковой катушки, а также подключенную к этой части и обеспечивающую ее движение в ответ на вибрацию гибкую конструкцию. Таким образом, прототип позволяет непосредственно в демпфере получать электроэнергию за счет механической вибрации.
Недостатками соответствующего способа являются:
1) относительно малая доля используемой энергии колебаний; значительная часть поглощаемой энергии превращается в тепло, что отмечено в тексте описания к патенту;
2) относительная сложность устройства;
3) генерируемая при таком способе электроэнергия пропорциональна частоте вибрации, что делает его неэффективным в случае низкочастотной вибрации.
В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала средств и создание нового способа генерации энергии за счет использования и одновременно с этим частичного гашения вредной вибрации опоры. Достигаемый технический результат - повышение эффективности генерации энергии.
Поставленная задача в первом варианте изобретения решается тем, что способ генерации энергии, при котором используют и одновременно с этим частично гасят вредную вибрацию опоры, характеризуется тем, что осуществляют раскрутку неуравновешенного ротора, установленного на опоре, до частоты, равной или превосходящей частоту вибрации опоры, после чего раскрутку неуравновешенного ротора прекращают и осуществляют съем энергии. Осуществлять раскрутку неуравновешенного ротора можно любым приемлемым для этих целей способом, например, с помощью закрученной (напряженной) спиральной пружины или направленного толчка, вызываемого реактивной силой, создаваемой пороховым зарядом.
В предпочтительном варианте по этому способу раскрутку неуравновешенного ротора осуществляют при помощи электродвигателя, вал которого соединен с валом неуравновешенного ротора, после прекращения раскрутки неуравновешенного ротора электродвигатель переводят в генераторный режим, после чего осуществляют съем электрической энергии с обмоток электродвигателя. При этом неуравновешенный ротор и электродвигатель могут быть объединены в одном агрегате - мотор-вибраторе.
Поставленная задача во втором варианте изобретения решается тем, что способ генерации энергии, при котором используют и одновременно с этим частично гасят вредную вибрацию опоры, характеризуется тем, что осуществляют раскрутку двух неуравновешенных роторов, установленных на опоре так, что их оси параллельны, и вращающихся в противоположных направлениях с обеспечением синхронности и синфазности вращения, и обеспечением направленности вынуждающей силы параллельно направлению вибрации опоры, при этом раскрутку каждого неуравновешенного ротора осуществляют до частоты, равной или превосходящей частоту вибрации опоры, после чего раскрутку неуравновешенных роторов прекращают и осуществляют съем энергии.
Как и в первом варианте изобретения, осуществлять раскрутку неуравновешенного ротора можно любым приемлемым для этих целей способом, например, с помощью закрученной (напряженной) спиральной пружины или толчка, вызываемого реактивной силой, создаваемой пороховым зарядом.
В предпочтительном варианте по этому способу раскрутку неуравновешенных роторов осуществляют при помощи двух электродвигателей, вал каждого из которых соединен с валом одного из неуравновешенных роторов, после прекращения раскрутки неуравновешенных роторов электродвигатели переводятся в генераторный режим, после чего осуществляют съем электрической энергии с обмоток электродвигателя.
При этом неуравновешенные роторы и электродвигатели могут быть объединены в одном агрегате - мотор-вибраторе.
В обоих вариантах изобретения осуществлять съем механической энергии с вала неуравновешенного ротора (валов неуравновешенных роторов) можно любым приемлемым для этих целей способом, например, с применением дополнительных передаточных механизмов, конструкция которых не является предметом настоящего изобретения.
При этом механическая энергия, снимаемая с вала неуравновешенного ротора или с другого соединенного с ним вала (вал двигателя), может быть использована либо непосредственно для работы различных устройств (вентиляторы, насосы и т.д.), либо для работы дополнительного электрогенератора, преобразующего механическую энергию в электрическую, причем генерируемая электроэнергия направляется либо для работы различных устройств, либо накапливается в аккумуляторе.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлены схемы реализаций с применением электродвигателей (двигатель-генераторов):
Фиг. 1 - схема, реализующая способ, при использовании одного неуравновешенного ротора и одного электродвигателя.
Фиг 2 - схема, реализующая способ, при использовании двух неуравновешенных роторов и одного электродвигателя.
Фиг. 3 - схема, реализующая способ при использовании двух неуравновешенных роторов, попарно соединенных с двумя электродвигателями.
Фиг. 4 - схема установки электродвигателей или двигатель-генераторов на виброизолированной опоре.
На чертежах обозначено: вибрирующая опора 1, на которой установлен неуравновешенный ротор 2, соединенный с электродвигателем 3, например, асинхронным. В контексте данной заявки техническим эквивалентом электродвигателя является двигатель-генератор - это объединенные в одном агрегате двигатель и генератор. Поэтому везде, где нет специальной оговорки, термин "электродвигатель" следует отождествлять с термином "двигатель-генератор". Валы неуравновешенного ротора 2 и электродвигателя 3 в случае их соосной установки соединены при помощи муфты 4. В случае если валы устройств расположены под углом друг к другу, в том числе, в случае, если электродвигатель 3 расположен не на вибрирующей, а на виброизолированной опоре 6, что возможно (показано на Фиг. 4) вместо муфты 4 применяют карданный вал.
Съем электрической энергии осуществляется с обмоток электродвигателя. Для подключения потребляющих полученную электрическую энергию аккумулятора и/или потребителя энергии (полезной нагрузки) используется блок управления (не показаны), который может быть выполнен автоматическим или полуавтоматическим (с применением ручного управления с пульта оператора).
Как показано на Фиг. 2, на вибрирующей опоре могут располагаться два неуравновешенных ротора 2, оси которых параллельны, и которые в процессе реализации способа вращаются синхронно-синфазно, и при вращении которых развивается вынуждающая сила, направленная параллельно направлению вибрации опоры. Один из неуравновешенных роторов соединен с электродвигателем 3, подобно тому, как описано выше. При этом съем механической энергии может осуществляться с вала ротора или с вала электродвигателя (вала 5 двигатель-генератора), что эквивалентно.
Как показано на Фиг. 3, на вибрирующей опоре 1 могут располагаться два неуравновешенных ротора 2 и два электродвигателя 3, соединенных попарно. Оси неуравновешенных роторов 2 параллельны, в процессе реализации способа роторы вращаются синхронно-синфазно.
Возможность установки электродвигателей 3 на виброизолированной опоре показана на Фиг. 4, где 6 - виброизолированная опора, 7 - виброизоляторы, 8 - неподвижная опора.
Предлагаемый способ основан на использовании двух физических явлений, связанных с поведением неуравновешенного ротора на вибрирующей опоре [(1). Блехман И.И. Теория вибрационных процессов и устройств. Вибрационная механика и вибрационная техника. - СПб., Издательский дом «Руда и Металлы», 2013, стр. 26-28, рис. 1.3; стр. 152-154, рис. 4.1].
1) Явление вибрационного поддержания вращения неуравновешенного ротора.
max
Это явление состоит в том, что вибрация оси вращения неуравновешенного ротора устойчиво поддерживает его вращение со средней скоростью, равной частоте колебаний. При этом величина энергии, которая передается от вибрирующего основания (опоры) на вал ротора, может быть достаточно велика. Максимальное значение этой энергии (N) в простейшем случае прямолинейных гармонических колебаний опоры определяется формулой
где me - статический момент неуравновешенных грузов ротора (m - масса ротора, e - эксцентриситет);
А - амплитуда колебаний;
ω - частота колебаний оси ротора (опоры).
max
max
-1
Оценки показывают, что мощность N может быть достаточно большой. Например, при вибрации с амплитудой A=0,05 м, при частоте колебаний n=3000 кол/мин (угловая частота ω=314 с), m=2 кг, e=0.1 м получаем N≈150 кВт.
Существенно, что вращение ротора с частотой колебаний основания, на которое он установлен, не является самовозбуждающимся: для его возникновения ротор необходимо либо раскрутить до частоты, близкой к ω, либо сообщить ему некоторый толчок для вращения.
2) Явление вибрационного захватывания вращения неуравновешенного ротора.
0
s
s
s
1
2
0
Это явление состоит в следующем. Допустим, что неуравновешенный ротор установлен на неподвижном основании (опоре) и приводится во вращение от асинхронного электродвигателя и пусть частота вращения ротора равна ω. Эта частота вследствие скольжения меньше синхронной частоты ω. Пусть теперь тот же неуравновешенный ротор установлен на основании, вибрирующем с некоторой частотой ω. Тогда при определенных условиях вращение ротора «захватывается» частотой ω, то есть неуравновешенный ротор, а также связанный с ним ротор электродвигателя начинают вращаться с частотой ω. При этом если ω>ω, то вибрация подкачивает энергию в двигатель, и он работает в генераторном режиме, превращая энергию вибрации в электроэнергию. Если же ω<ω, то вибрация тормозит двигатель, нагружая его. Полосой захватывания Δ=Δ+Δназывают интервал значений разности частот ω-ω, внутри которого оно происходит
1
2
где Δ и Δ - некоторые положительные величины.
1
2
0
Значения Δ и Δ легко определяются с учетом характеристик электродвигателей. Эта полоса может быть достаточно широкой. Явление вибрационного поддержания вращения можно рассматривать как частный случай данного явления, соответствующий ω=0, то есть может захватываться во вращение с частотой вибрации ω и устройство с отключенным электродвигателем.
Существенны для предлагаемого способа также два следующих обстоятельства.
- Работа асинхронного электродвигателя двигателя в генераторном режиме.
s
Как отмечалось, если ротор асинхронного электродвигателя вращается с частотой, большей синхронной частоты ω, то он работает как генератор.
- Поглощение энергии колебаний.
max
При работе в генераторном режиме в режиме захватывания устройство, показанное на Фиг. 1-3, поглощает энергию колебаний. Величина максимальной энергии, поглощаемой в единицу времени, равна мощности N, определяемой по формуле (1).
Вибрация опоры предполагается прямолинейной, перпендикулярной поверхности опоры, что соответствует наиболее часто встречающимся случаям. С несущественными видоизменениями предполагаемый способ охватывает и более сложные случаи, например случай эллиптической вибрации с произвольно направленными осями (практически наиболее общий случай).
Предлагаемый способ состоит из следующей последовательности действий (рассмотрено на примере применения электродвигателя).
По первому варианту изобретения (Фиг. 1).
1. Неуравновешенный ротор 2 устанавливают и жестко закрепляют на вибрирующей опоре 1.
2. Ротор 2 раскручивают посредством электродвигателя 3, соединенного с ротором 2 посредством муфты 4, до частоты, равной или большей частоты вибрации опоры ω. В результате происходит захватывание вращения ротора 2 частотой вибрации опоры ω. Оно происходит либо в процессе пуска электродвигателя 3 при достижении частотой вращения значения ω, либо после выключения электродвигателя 3 в процессе его выбега (см. п. 3).
3. Электродвигатель 3 выключается либо, если захватывание частоты произошло в процессе пуска, либо при достижении частотой вращения значения, большего ω - тогда захватывание происходит при выбеге.
4. Неуравновешенный ротор 2 продолжает устойчиво вращаться с частотой ω вследствие явления вибрационного поддержания вращения. Съем электрической энергии осуществляется после перевода электродвигателя 3 в генераторный режим путем подключения к его обмоткам полезной нагрузки либо аккумулятора. Такое подключение производится с использованием управляющего устройства и узла связи с управляющим устройством. При вращении ротора 2 с частотой вибрации ω одновременно со съемом энергии происходит частичное гашение вибрации опоры. Наибольшая величина поглощаемой энергии, как должно быть в силу закона сохранения энергии, равна величине снимаемой энергии, определяемой формулой (1). Возможен съем механической энергии с вала ротора, как это описано выше.
По второму варианту изобретения (Фиг. 2, 3).
В первом варианте при вращении неуравновешенного ротора 2 одновременно с центробежной силой инерции, направленной параллельно направлению вибрации, возникает также сила, направленная перпендикулярно направлению вибрации. Во многих случаях это обстоятельство не имеет существенного значения. Однако в случаях, когда такая побочная сила нежелательна, можно избежать ее возникновения. Это достигается путем использования двух вращающихся в противоположных направлениях роторов 2, установленных так, что их оси параллельны, с обеспечением синхронности и фазировки, при которых развивается вынуждающая сила, параллельная направлению вибрации. Такой агрегат называют вибратором направленного действия [(1), стр. 178, рис. 7.2, а)]. При этом раскручивание роторов 2 может осуществляться как от одного (Фиг. 2), так и от двух электродвигателей 3 (двигатель-генераторов) (Фиг. 3). Последовательность действий при этом остается такой же, как в описанном выше варианте.
Роторы 2 и электродвигатели 3 могут быть объединены в одном агрегате - мотор-вибраторе. Подобные агрегаты выпускаются промышленностью.
Пункты 2-4 последовательности действий при использовании способа могут осуществляться как с помощью оператора по показаниям соответствующих приборов, так и при помощи автоматического управляющего устройства и узла связи с управляющим устройством.
Приведенные выше примеры не имеют какого-либо ограничительного характера и описывают предпочтительные варианты реализации.
Таким образом, заявляемый способ позволяет осуществлять генерацию энергии за счет использования и одновременно с этим частичного гашения вредной вибрации опоры.
Предлагаемое изобретение имеет следующие преимущества:
- генерирование энергии (механической или электрической) осуществляется без существенных потерь на тепло, а потому является более эффективным;
- относительная простота конструкции, реализующей способ;
- в отличие от прототипа генерируемая электроэнергия пропорциональна не частоте вибрации ω, а кубу этой частоты, что делает возможным его использование при низкой частоте вибрации и особенно эффективным в случае высокочастотной вибрации;
- способ экономичен, поскольку предполагает в основном использование стандартных элементов, выпускаемых промышленностью. Затраты на его реализацию несоизмеримы с потерями, вызываемыми вредной вибрацией. Кроме того, затраты при данном способе частично компенсируются генерируемой энергией.