ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ
ENERGY AIR FLOW INSTALLATION

Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для рекуперации кинетической энергии торможения высокоскоростных железнодорожных составов.
Известен самоориентируемый ветроагрегат, который содержит наклонный к горизонтальной поверхности шнековый ротор, который состоит из ступицы и закрепленных на ней винтовых лопастей (см патент на изобретение №: 2115019, F03D 5/00, дата публикации 10.07.1998). Аналог содержит шнековый ротор, за счет подъема которого над землей он смонтирован на поворотной конструкции. Поворотная конструкция установлена на мачте и образована шнековым ротором, вертикальной стойкой с возможностью поворачиваться вокруг мачты и распоркой. Все три элемента поворотной конструкции соединены между собой с помощью шарниров. Данный аналог не допускает конструктивно его размещение в пространстве между вагонами с целью использования энергии набегающего воздушного потока при движении железнодорожного состава.
Известна также ветроэнергетическая установка в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего турбину, механически связанную с генератором, кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой входной и выходной воздушные каналы, а также направляющие ребра для закручивания воздушного потока (см. патент RU №2186244, F03D 1/04. дата публикации 27.07.2002). Существенным недостатком прототипа является его громоздкая и сложная конструкция, не позволяющая размещать устройство в пространстве между соседними вагонами железнодорожного состава.
Технической задачей изобретения является обеспечение конструктивного размещения устройства в пространстве между вагонами железнодорожного состава и упрощение конструкции энергетической установки с целью рекуперации кинетической энергии воздушного потока.
в
c
c
Для решения технической задачи энергетическая установка на воздушном потоке (далее по тексту «ЭУВП» или «установка»), содержащая турбину (ротор), механически связанную с электрическим генератором, кольцевую наружную оболочку, входной и выходной воздушные каналы и направляющие ребра для закручивания воздушного потока, дополнена вторым электрическим генератором, оси роторов электрических генераторов соединены с торцами центральной оси турбины, выполненной в виде спирали (шнека), а наружная кольцевая оболочка корпуса ЭУВП своими торцами жестко скреплена с корпусами электрических генераторов, причем направляющие ребра для закручивания воздушного потока дополнены секторами, прилегающими к наружной кольцевой оболочке и подвижно закрепленными на общей или отдельных осях, которые своими торцами жестко прикреплены к верхней части наружной кольцевой оболочки (корпуса), кроме того входной и выходной воздушные каналы выполнены в виде проемов в наружной кольцевой оболочке и закрываемые подвижными секторами этой оболочки. Выходы электрических генераторов соединены последовательно и подключены к первому выходному разъему, а через автоматическое зарядное устройство подключены к батарее аккумуляторов и ко второму выходному разъему. Подвижно закрепленные на оси и прилегающие к наружной кольцевой оболочке секторы снабжены магнитными защелками с электромагнитным приводом для их деблокирования по сигналам дистанционного управления. Кроме того, направляющие ребра для закручивания воздушного потока жестко присоединены к наружным боковым поверхностями цилиндрического корпуса, причем одно из направляющих ребер совмещено с кронштейном с постоянными магнитами для крепления ЭУВП к выполненной из ферромагнитного материала торцевой поверхности вагона. К тому же электромагнитные деблокираторы магнитных защелок подключены к выходам формирователя управляющих импульсов с двумя входами управления, подключенными к выходам приемника сигналов дистанционного управления ЭУВП, а выполненные в виде отверстий в центральном цилиндрическом корпусе входной и выходной воздушные каналы имеют площадь сечения S=(0.2-0,4)⋅S, где S - площадь поверхности сектора, прилегающего к отверстию.
На фиг. 1 показан эскиз ЭУВП в аксонометрии, на фиг. 2 показан торцевой разрез установки с турбиной в виде трехзаходного шнека при поджатых к наружной цилиндрической кольцевой оболочке подвижных секторах, а торцевой разрез с открытыми к воздушному потоку секторами изображен на фиг. 3. На фиг. 4 представлена зависимость энергии воздушного потока, воздействующего на установку, от его скорости. На фиг. 5 показаны в аксонометрии положение правого подвижного сектора в открытом состоянии и конфигурация воздушного канала, выполненного в наружной кольцевой оболочке ЭУВП. Вариант исполнения схемы размещения деблокираторов и магнитных защелок установки показан на фиг. 6. На фиг. 7 представлена структура электрической части ЭУВП.
На фиг. 1 между вагонами 1 и 2 показан корпус 3 ЭУВП. выполненный в виде полого тонкостенного цилиндра - (наружной кольцевой оболочки) с жестко присоединенными к торцам корпуса электрическими генераторами 4 и 5. Сверху к цилиндрическому корпусу 3 прилегают секторы 6 и 7, подвижно присоединенные к корпусу 3 через ось 8. Выходящие внутрь корпуса 3 роторы электрических генераторов 4 и 5 присоединены к торцам центральной оси 9 ротора, выполненного в виде шнека - двух или многозаходной спирали. Набегающий от вагона 1 к вагону 2 воздушный поток ν от сектора 6 попадает через входной воздушный канал 10 на спиральный ротор, приводя ось 9 во вращательное движение. Через выходной воздушный канал 11 и сектор 7 воздушный поток вылетает в сторону вагона 2 и далее по ходу движения состава. Вращающий момент передается от оси 9 ротора на оси электрических генераторов 4 и 5, которые вырабатывают электрическую энергию за счет вращения ротора от воздействия воздушного потока.
На фиг. 2 показан разрез торца установки при стоянке или при движении железнодорожного состава без торможения. Воздушный поток ν плавно обтекает пространство между вагонами 1 и 2 и наружные поверхности секторов 6. и 7, поджатые к корпусу 3 как силой тяжести неуравновешенных секторов 6 и 7, так и силой магнитного удержания защелок 12 и 13. Корпус 3 надежно прижат к стальной торцевой стенке вагона 1 магнитными башмаками 14 и 15, жестко закрепленными на кронштейне 16. Кронштейн 16 снабжен направляющим ребром 17 для завихрения воздушного потока, усилия которого недостаточно для отрыва сектора 6 от корпуса 3 ниже сектора 7 Аналогично недостаточно жестко присоединенного к корпусу 3 направляющего ребра 18 для отрыва сектора 7 от корпуса 3 за счет блокировки магнитной защелкой 13. На спирали 19-21 шнекового ротора и на его ось 9 нет внешнего момента вращения, оси электрических генераторов неподвижны и на их выходах отсутствует электрическое напряжение и ток. Деблокираторы 22 и 23 магнитных защелок 12 и 13 обесточены. Конструктивно ЭУВП размещена верхней частью на уровне крыши вагона 1, а нижней частью находится выше тамбуров 24 и 25 вагонов 1 и 2 соответственно.
min
При необходимости торможения состава на деблокираторы 22 и 23 ЭУВП подаются внешние сигналы управления (см. фиг. 3), деблокираторы 22 и 23 вырабатывают импульсы разблокировки магнитных защелок 12 и 13. При этом магнитные защелки приобретают импульсы силового отталкивания от корпуса 3 - происходит приоткрытие секторов 6 и 7 от поверхности корпуса 3. В возникшие при этом за счет направляющих ребер 17 и 18 воздушные зазоры и воздушные каналы 10 и 11 в корпус 3 врываются воздушные потоки, поддерживающие открытое состояние секторов 6 и 7, как это показано на торцевом разрезе фиг. 3. Происходит интенсивное вращение оси 9 ротора ЭУВП и присоединенных к ней осей электрических генераторов - на выходах электрических генераторов вырабатывается электрическая энергия. Секторы 6 и 7 остаются открытыми до момента снижения скорости воздушного потока ν до минимального значения ν, при котором сила тяжести неуравновешенных секторов 6 и 7 превышает силы воздействия воздушных потоков на поверхности секторов 6 и 7. Секторы 6 и 7 за счет подвижного крепления к оси 8 опускаются вниз к корпусу 3, срабатывают магнитные защелки 12 и 13 и секторы 6 и 7 надежно прижимаются к корпусу 3 - активная фаза торможения состава и выработки установкой электрической энергии завершена до момента следующего торможения состава.
л
т
л
т
л
л
л
3
3
2
2
Для эффективного аэродинамического торможения состава необходимо значительное увеличение поверхности S его лобового сопротивления, поскольку известна аналитическая зависимость энергии торможения набегающего на состав воздушного потока: Е=ξ⋅ν⋅S/2, где ξ - плотность воздуха (при атмосферном давлении ξ≈1,225 кг/м), ν - скорость воздушного потока, воздействующего на состав в м/сек, Е - энергия торможения в джоулях. Применительно к рассматриваемой ВЭУ поверхность S ее лобового сопротивления воздушному потоку составит: S≈1,0 м при высоте секторов 6 и 7 около 0,35 м и длине около 2,5 м. На фиг. 4 представлена зависимость энергии воздействующего на ортогональную поверхность S=1 мвоздушного потока от его скорости ν в диапазоне скоростей от 50 до 250 км/час. Фактическое тормозящее воздействие открытых секторов 6 и 7 на состав и кинетическая энергия движения, преобразуемая в электрическую составят около 35% от показанных на фиг. 4 значений. При скорости 50 км/ч эта величина близка к 600 Дж, а при скорости 250 км/ч энергия торможения и рекуперации в электрическую близка к 75 кДж.
л
т
На фиг. 5 показан в аксонометрии вариант выполнения воздушных каналов и секторов 6 и 7 по всей длине корпуса 3. Позиционные обозначения на фиг. 5 в скобках справедливы при направлении набегающего воздушного потока от вагона 2 к вагону 1 - иными словами предложенная ЭУВП инвариантна к направлению движения состава как от первого вагона за локомотивом, так и от последнего вагона за локомотивом. Исполнение секторов 6 и 7 по всей длине корпуса 3 вызвано стремлением обеспечить повышенное значение поверхности S лобового сопротивления ВЭУ как с позиций обеспечения высокого тормозящего эффекта, так и обеспечения высокой энергетической эффективности установки. Приемлемые варианты геометрической формы воздушных каналов 26 и 27 - прямоугольная или овальная по одной, например правой, части корпуса с целью обеспечить движение воздушных потоков внутри корпуса через шнековый ротор. Секторы 6 и 7 могут быть размещены как на общей оси 8, как это показано фигурах 1 и 5, так и на двух отдельных осях 8, размещенных параллельно по верхней части корпуса 3. Вариант исполнения деблокираторов 22 и 23 магнитных защелок 12 и 13 представлен на фиг. 6. При подаче с пульта машиниста на формирователь 28 сигнала торможения U на его выходах 29 и 30 формируются управляющие импульсы, которые подаются на электромагниты 31 и 32, расположенные в зоне магнитного взаимодействия с защелками 12 и 13 установки. В электромагнитах 31 и 32 возникает магнитный поток одноименной направленности с постоянными магнитными потоками защелок 12 и 13. Как следствие, между магнитными защелками 12 и 13 и электромагнитами 31 и 32 возникают силы взаимного отталкивания. Между корпусом 3 и секторами 6 и 7 возникают воздушные зазоры, в которые мгновенно врывается воздушный поток, открывающий сектор 6 до верхнего крайнего положения и надежно удерживающий сектор 6 в этом положении. Сектор 7 также открывается и удерживается в состоянии равновесия между выходящим из корпуса 3 в воздушный канал 11 воздушным потоком и набегающим на внешнюю поверхность сектора 7 наружным воздушным потоком. Абсолютное давление в выходном канале корпуса 3 фактически существенно ниже абсолютного давления во входном воздушном канале 10.
min
Снижение скорости ν движения состава при торможении влечет за собой снижение напора на сектор 6 и снижение разности абсолютных давлений в воздушных каналах 10 и 11 устройства - неуравновешенная на оси 8 масса секторов 6 и 7 обеспечивает их призакрывание за счет силы тяжести. При скорости ν происходит автоматический захват (притягивание) секторов 6 и 7 с помощью магнитных защелок 12 и 13 к электромагнитам 31 и 32 деблокиратора, чем обеспечено полное закрытие секторами 6 и 7 входного 10 и выходного 11 воздушных каналов корпуса 3. Таким образом завершен процесс аэродинамического торможения и рекуперации электрической энергии с помощью ЭУВП.
c
min
0
c
min
В случае необходимости прекращения процесса аэродинамического торможения состава при скорости ν его движения, превышающей ν, на вход формирователя 28 с пульта машиниста подается сигнал U, по которому на электромагнитах 31 и 32 формируется импульс, создающий дополнительное усилие притяжения магнитных защелок 12 и 13 - как следствие притяжение секторов 6 и 7 к магнитным защелкам 12 и 13 происходит при скорости ν>ν набегающего на секторы воздушного потока.
т
т
На фиг. 7 представлена структура подсистемы бесперебойного питания ЭУВП. В состав подсистемы кроме электрических генераторов 4 и 5 с выводами 33…36 и элементов 28…32 деблокиратора введено адаптивное зарядное устройство 37, батарея электрических аккумуляторов 38, приемник 39 сигналов U деблокирования магнитных защелок и выходные разъемы 40 и 41. Электрическая энергия с выводов 33…36 генераторов 4 и 5 подается через зарядное устройств 37 на входы батареи 38 электрических аккумуляторов после подачи на вход подсистемы деблокирующего импульса U с выхода приемника 39 на вход запуска формирователя 28 и открывания подвижных секторов 6 и 7. Открытие секторов 6 и 7 и их принудительный переход в верхнее положение происходит за счет высокой скорости набегающего воздушного потока после деблокирования магнитных защелок 12 и 13 с помощью электромагнитов 31, 31' и 32, 32. Автоматическое зарядное устройство 37 обеспечивает эффективное накопление электрической энергии в аккумуляторах при торможении состава и исключает перезаряд батареи аккумуляторов. Ненормированная электрическая энергия с выводов электрических генераторов 4 и 5 и накопленная в батарее 38 нормированная электрическая энергия может сниматься с выходных разъемов 40 и 41 для использования в вагоне по назначению. Для полностью автономного варианта предложенной ЭУВП батарея 38 электрических аккумуляторов конструктивно может быть размещена на нижней полочке кронштейна 16 между торцевой стенкой вагона и наружной поверхностью цилиндрического корпуса установки (см. фиг. 2). Это пространство защищено сверху направляющим ребром 17 от попадания атмосферных осадков.
В качестве электрических генераторов 4 и 5 в предложенной ВЭУ конструктивно пригодны электрические машины с постоянными магнитами и с компенсацией сил магнитного удержания ротора (см. патент RU №2340068 от 27.11.2008; патент RU №2394336 от 10.07.2010 и патент KZ №26179 от 14.09.2012, Н02K 57/00, Б.И. №9). Их достоинствами являются повышенная энергоотдача и малый тормозящий момент в широком диапазоне угловых скоростей вращения. Магнитные башмаки 14 и 15 целесообразно выполнить на основе постоянных магнитов из NeFeBr, которые обеспечивают силу притяжения к ферромагнитной торцевой стенке вагона на уровне до 2000 Ньютон. При использовании в каждой установке 4х таких магнитов нет необходимости в дополнительном креплении ЭУВП к вертикальной стенке вагона. Предложенная установка может также использоваться в большегрузных автомобилях и автопоездах как для рекуперации кинетической энергии в электрическую, так и для снижения нагрузки на тормозную систему автопоезда или большегрузного автомобиля. Основными преимуществами данной ЭУВП являются ее полная законченность и простота конструкции, а также инвариантность к вектору движения воздушного потока, как в прямом, так и в обратном направлениях.