СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ВОЗДУХА ДВИЖЕНИЮ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ВНУТРИ ТРАНСПОРТОПРОВОДА ТОННЕЛЬНОГО И ТРУБНОГО ТИПА ЗА СЧЁТ ОРГАНИЗАЦИИ ВНЕШНЕГО ВОЗДУХООБМЕНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF REDUCING SHAPED RESISTANCE OF AIR TO MOVEMENT OF VEHICLE INSIDE TUNNEL AND PIPE TYPE TRANSPORT PIPELINE OWING TO ARRANGEMENT OF EXTERNAL AIR EXCHANGE AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к сфере высокоскоростных транспортных систем тоннельного и трубного типа, в которых для снижения профильного сопротивления движению транспортного средства организуется процесс воздухообмена между передней и задней частями внутренней полости транспортопроводящей конструкции
Уровень техники
На сегодняшний день известны различные концептуальные варианты высокоскоростных транспортных систем тоннельного и трубного типа, которые проектируются для перевозки грузов и пассажиров со скоростью более одной тысячи километров в час. Наибольшей популярностью в среде разработчиков пользуются вакуумные транспортные системы с герметичными транспортопроводами, из которых воздух, создающий сопротивление движению транспортного средства в изолированном пространстве, откачивается при помощи компрессорных установок (Evacuated tube transport). Для безопасной перевозки грузов и пассажиров в вакуумные транспортные системы необходимо использовать специализированный подвижный состав с прочным герметичным корпусом, способным сохранять атмосферное давление внутри салона при значительно ниже атмосферного давлении снаружи корпуса - внутри транспортопровода. К главным конкурентным преимуществам вакуумных транспортных систем, по сравнению с другими видами транспортных систем, относятся: высокая скорость движения транспортного средства при низких эксплуатационных расходах (так как в безвоздушном пространстве подвижной став не тратит энергию на преодоление силы сопротивления встречного воздушного потока); независимость работы от метеорологических условий (ветра, тумана, осадков); исключение столкновений движущихся транспортных средств.
Преимущественной сферой применения вакуумных транспортных систем являются перевозки грузов и пассажиров на магистральных сообщениях между крупными мегаполисами. На таких маршрутах вакуумные транспортные системы способны конкурировать с воздушным транспортом, потому что самолет тратит время и энергию для подъема на высоту с низкой плотностью воздушной среды. В свою очередь транспортное средство при движении в вакуумных транспортных системах переходит в аналогичный режим работы (с низкой плотностью встречного воздушного потока) без дополнительных потерь времени, так как транспортопровод располагается на поверхности или незначительно ниже уровня земли. Наибольший эффект от эксплуатации вакуумных транспортных систем может быть получен при их интеграции с городскими транзитными системами, в частности, метрополитеном, пригородными поездами [1-3].
Общая структура вакуумных транспортных систем и принцип их работы раскрываются при помощи графических изображений, приведенных на фиг. 1, 2 и 3. Изолированный от внешней окружающей среды транспортопровод состоит из корпуса (1) и транспортопроводящего пути (2), по которому происходит движение транспортного средства (3). Стрелка (9) показывает направление движения транспортного средства. Компрессорная установка (10) откачивает воздушную смесь (7) из внутренней полости транспортопровода.
Транспортопровод разделяется на два типа участков - станционные (12) и скоростные (14). Станционные участки могут быть совмещенными со скоростными участками, как показано на фиг. 2, и располагаться на одной оси с ними, либо, могут быть обособлены от скоростных участков, как показано на фиг. 3, и соединяться с ними посредством переходных тоннелей (19). Станционные участки представляют собой герметичные шлюзовые камеры, соединяющие скоростные участки с внешними терминалами (16). Станционные участки отгорожены входными и выходными воротами (15) и (18) гильотинного типа.
Процесс транспортировки в вакуумных транспортных системах начинается с поступления пассажиров (грузов) из терминала (17) через ворота (18) на станционный участок (12) для их посадки-высадки (погрузки-разгрузки) в транспортное средство. В этот момент ворота (15) станционного шлюза (12) закрыты. После завершения указанных выше начально-конечных операций ворота терминала (18) перекрываются. Со стороны направления движения транспортного средства открываются ворота станционного участка (15), через них транспортное средство переходит в скоростной участок (14). Затем ворота (15) закроются, и транспортное средство начнет движение по скоростному участку в разреженной воздушной среде. Для этого предварительно, то есть до начала движения транспортного средства, из внутренней полости скоростного участка транспортопровода должен быть откачан воздух. Пределы снижения давления устанавливаются конструктивными особенности вакуумных транспортных систем.
Первые прототипы вакуумных транспортных систем, основанные на вакуумном способе снижения силы сопротивления воздуха движению транспортного средства в герметичном транспортопроводе, появились более ста лет назад. Например, российский ученый Борис Вейнберг и американский инженер Роберт Годдард (Robert Н. Goddard) независимо друг от друга предложили организовать движение транспортного средства на высокой скорости внутри трубы, из которой должен быть откачен воздух [4-5].
В течение двадцатого века концептуальные подходы к проектированию вакуумных транспортных систем активно развивалась. Предлагались различные модификации конструкций транспортопровода, адаптировались инновационные силовые установки для привода транспортного средства. Например, американский изобретатель Дэрил Остер (Daryl Oster) запатентовал совмещенную конструкцию из нескольких вакуумных трубопроводов, по которым должно осуществляться движение транспортного средства по встречным направлениям [7-8].
Современные модели вакуумных транспортных систем, которые предусматривают использование вакуумного способа снижения силы воздушного сопротивления движению транспортного средства, разделяются на два основных конструктивных типа в зависимости от степени снижения давления воздушной среды во внутренней полости транспортопровода. Во-первых, системы с глубоким вакуумом (hard vacuum), внутри которых давление снижается менее 1 Па. Во-вторых, системы с форвакуумом (vorvakuum), в которых давление снижается ниже 100 Па. По мнению многих экспертов, наиболее перспективными являются форвакуумные транспортные системы, так как затраты на их создание и эксплуатацию значительно меньше по сравнению с необходимыми капитальными вложениями в глубоковакуумные транспортные системы, а различия между двумя типами данных транспортных систем по технико-эксплуатационным показателям работы несущественны. При этом наибольшим потенциалом обладают форвакуумные транспортные системы, использующие для движения транспортного средства магнитол евитационную технологию (MagLev). Такие конструкции по экологическим и экономическим показателям способны превзойти все существующие альтернативные системы транспортировки [9].
Однако скоростные возможности и экономическая эффективность форвакуумных систем ограничиваются фундаментальными факторами, которые известны в теории газовой динамики как «предел Кантровица». Данные факторы проявляются при движении транспортного средства со сверхзвуковой скоростью в изолированной среде и характеризуются тем, что воздух перестает просачиваться из передней части (5) внутренней полости транспортопровода (расположена перед головной частью движущегося подвижного состава) в заднюю часть (6) внутренней полости транспортопровода (расположена за хвостовой частью движущегося подвижного состава) через межстеночное пространство (11), которое формируется корпусом транспортопровода и транспортного средства. Оставшийся (не просочившийся) воздух создает избыточное давление перед транспортным средством и усиливает сопротивление его движению по транспортопроводу.
Для обеспечения свободного перетока воздуха через межстеночное пространство в форвакуумных системах предлагается увеличивать диаметр транспортопровода до такого значения, при котором весь объем остаточного воздуха (7), независимо от скорости движения транспортного средства, будет беспрепятственно проходить из передней части (5) в заднюю часть (6) транспортопровода и заполнять разряженное пространство (8). Однако данный способ не лишен недостатков. В частности, создание и эксплуатация вакуумных транспортных систем с большим диаметром транспортопровода приводит к росту затрат и негативно отражается на окупаемости инвестиций в подобные проекты.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения является применяемый в форвакуумных транспортных системах «Hyperloop» и «TransPod» способ снижения силы сопротивления встречного воздушного потока движению транспортного средства посредством принудительного перераспределения воздуха из передней части (5) в заднюю часть (6) транспортопровода. В контексте описания предлагаемого изобретения совокупность действий, которые обеспечивают перераспределение воздуха из передней части в заднюю часть транспортопровода, называется процессом воздухообмена.
Основная особенность форвакуумных транспортным систем «Hyperloop» и «TransPod» в части организации процесса воздухообмена заключается в том, что в них перераспределение воздуха из передней части в заднюю часть осуществляется в границах внутренней полости транспортопровода при помощи устройств, входящих в конструкцию транспортного средства. Поэтому данный способ назван «внутреннем воздухообменом». Основным конструктивным элементом, применяемым для «внутреннего воздухообмена» в вакуумных транспортных системах, является компрессорная установка, которая располагается в головной части подвижного состава. В «Hyperloop» компрессорная установка перераспределяет встречный поток воздуха (7) под днище транспортного средства для создания воздушной подушки, облегчающей движение подвижного состава [6]. В «TransPod» компрессорная установка перекачивает воздушную смесь по каналам в корпусе подвижного состава и выбрасывает ее через выпускное сопло в заднюю часть транспортопровода. При этом на выходе из сопла создается реактивная тяга, которая используется для дополнительного ускорения транспортного средства [10].
Однако организация «внутреннего воздухообмена» по примеру «Hyperloop» и «TransPod» снижает провозную возможность и эффективность работы транспортных систем тоннельного и трубного типа, так как размещение на подвижном составе дополнительного оборудования (компрессорных установок, воздуховодов и пр.) приводит к сокращению вместимости и грузоподъемности транспортного средства. Более того, конструкции «Hyperloop» и «TransPod» имеют еще ряд недостатков, которые характерны для всех моделей вакуумных транспортных систем, в том числе, форвакуумного и глубоковакуумного типа. В частности, снижение силы сопротивления воздуха движению транспортного средства за счет создания вакуума в транспортопроводе сопряжено с риском повреждения пассажиров или грузов в случае разгерметизации корпуса транспортного средства. Кроме того, на создание и эксплуатацию вакуумных транспортных систем требуется сравнительно больший объем инвестиций, так как конструкции транспортопроводов и подвижного состава, предназначенных для работы в условиях с большими перепадами давлений, должны обладать повышенной прочностью.
Раскрытие сущности изобретения
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении эффективности и безопасности процесса транспортировки грузов и пассажиров в герметичных транспортопроводах на основе применения «безвакуумного» способа снижения силы сопротивления воздуха движению транспортного средства путем организации внешнего воздухообмена между передними и задними частями транспортопроводов. Для характеристики общего принципа осуществления процесса внешнего воздухообмена и конструктивных элементов устройства, применяемого для осуществления этого процесса, используются графические изображения, приведенные на фиг. 4, 5, 6 и 7.
Движение транспортного средства в изолированном пространстве с естественным атмосферным давлением воздушной среды сопровождается потерями энергии на непроизводительную работу по преодолению профильных сопротивлений со стороны фронтальной и тыльной поверхностей подвижного состава, обусловленных нежелательным изменением давления в транспортопроводе - в передней части транспортопровода (30) происходит нагнетание давления и уплотнение воздуха, в задней части (31) отмечается уменьшение давления и плотности воздушной среды. Характерные изменения параметров воздуха в связи с движением транспортного средства называются поршневым эффектом. При этом также отмечается значительное увеличение затрат энергии на преодоление растущей силы встречного сопротивления воздуха, величина которой пропорциональна квадрату скорости движения транспортного средства [11].
Для исключения указанных потерь предлагается организовать синхронное и сбалансированное по объемам откачивание воздуха из передней части транспортопровода и нагнетание воздуха в заднюю часть транспортопровода. При этом перераспределение воздушного потока между передней и задней частями целесообразно осуществлять путем организации внешнего воздухообмена через обособленный по отношению к транспортопроводу воздухонакопитель (22), представляющий собой типичный резервуар для хранения газов, как правило, цилиндрической формы, сварной конструкции с повышенными требованиями к материалам, применяемым для их изготовления.
Для организации внешнего воздухообмена в корпусе транспортопровода, относящегося к скоростному участку (14), делается, по меньшей мере, одно сквозное отверстие (29) для откачки воздуха, и, по меньшей мере, одно сквозное отверстие (36) для нагнетания воздуха. Отверстия изготавливаются, как правило, округлой формы в поперечном сечении. Если в корпусе транспортопровода сделано только одно отверстие для откачки воздуха (29), то оно располагается в месте, которое максимально удаленно от станционного участка (12), откуда отправляется транспортное средство. Если в корпусе транспортопровода сделано только одно отверстие для нагнетания воздуха (36), то оно располагается в месте, которое максимально приближено к станционному участку, где начинается движение транспортного средства. Если в корпусе транспортопровода делаются дополнительные отверстия (29) и (36), то они, как правило, равномерно распределяются по корпусу транспортопровода вдоль всего скоростного участка (14). Рекомендуется дополнительные отверстия разных типов (для откачки (29) и нагнетания (36) воздуха) располагать попарно в непосредственной близости друг от друга, насколько допускают габариты конструкции транспортопровода (см. фиг. 4).
Устройство внешнего воздухообмена состоит из: обособленных отводящих (20) и нагнетающих (21) воздуховодов, по которым соответственно осуществляется откачка воздуха из транспортопровода и подача воздуха в транспортопровод; воздухонакопителя (22), в который откачивается воздух из передней части транспортопровода, и откуда отбирается воздух для нагнетания в заднюю часть транспортопровода; компрессорных установок (23) и (24), выполняющих работу по перекачке воздуха; задвижек, которые используются для предотвращения перетока воздуха между транспортопроводом и воздухонакопителем при отключенных компрессорных установках. На фиг. 4 задвижки (25) и (33) показаны в открытом положении, когда компрессоры (23) и (35) включены, а задвижки (26) и (32) показаны в закрытом положении, когда компрессоры (24) и (34) отключены. Отводящие (20) и нагнетающие (21) воздуховоды герметично прикрепляются (свинчиванием, сваркой или другими надежными способами) к транспортопроводу по периметру соответствующих сквозных отверстий (29) и (36). Аналогичным образом отводящие и нагнетающие воздуховоды прикрепляются к воздухонакопителю (22) по периметру соответствующих сквозных отверстий (41) и (37) в его корпусе. Герметичное соединение транспортопровода и воздухонакопителя позволяет создавать высокоскоростные транспортные системы подземного и подводного исполнения.
Совокупность отводящих воздуховодов с задвижками и компрессорными установками образуют отводящую систему. Аналогично совокупность нагнетающих воздуховодов с задвижками и компрессорными установками образуют нагнетающую систему. Конструктивно и функционально соединенные в единое устройство отводящие воздуховоды, задвижки и компрессорные установки, равно как соединенные нагнетающие воздуховоды, задвижки и компрессорные установки, образуют обособленный узел (далее - компонент) соответствующих воздухоотводящей или воздухонагнетающей систем (далее - воздухообменные системы).
На фиг. 4 показано устройство внешнего воздухообмена, в котором каждый отводящий (20) и нагнетающий (21) воздуховоды обособленно присоединяется к транспортопроводу. При необходимости повышения интенсивности воздухообмена за счет добавления дополнительных откачивающих и нагнетающих воздуховодов возможна модификация устройства внешнего воздухообмена путем совмещенного присоединения воздуховодов (20) и (21) к транспортопроводу. Конструктивная схема такого устройства, в котором несколько отводящих и нагнетающих воздуховодов совместно присоединяются к транспортопроводу через соединительный патрубок (38), показана на фиг. 5. Аналогичным образом несколько откачивающих и нагнетающих воздуховодов могут совмещаться для присоединения к корпусу воздухонакопителя через общий соединительный патрубок (39). Устройство внешнего воздухообмена с соединенными воздуховодами на корпусе транспортопровода и воздухонакопителя показано на фиг. 6. Такое конструктивное решение, при необходимости, позволяет уменьшить габаритные размеры воздухонакопителя.
В целях наиболее полного использования поверхности транспортопровода для организации воздухообменных процессов предлагается отводящие и нагнетающие воздуховоды (как с обособленными, так и совмещенными конструкциями) присоединять к корпусу транспортопровода в нескольких местах. Пример подобного устройства показан на фиг. 7. При таком расположении воздуховодов (40) каждая отводящая (34) и нагнетающая (35) компрессорная установка получает доступ к нескольким областям (верхним, средним, нижним) внутренней полости транспортопровода, что позволят повысить равномерность перекачки воздуха и будет способствовать предотвращению турбулентных эффектов.
На фиг. 7 показан вариант присоединения устройства внешнего воздухообмена к корпусу транспортопровода в нескольких местах.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Общая структура вакуумной транспортной системы (не в масштабе)
1 - корпус транспортопровода; 2 - транспортопроводящий путь; 3 - корпус транспортного средства; 4 - основание транспортного средства; 5 - передняя часть внутренней полости транспортопровода; 6 - задняя часть внутренней полости транспортопровода; 7 -воздушная среда в передней части транспортопровода; 8 - воздушная среда в задней части транспортопровода; 9 - стрелка показывает направление движения транспортного средства; 10 - компрессорная установка; 11 - межстеночное пространство
Фиг. 2. Общая структура транспортопровода с совмещенными станционными и скоростными участками (не в масштабе)
12 - станционный участок; 13 - транспортное средство находится на станционном участке; 14 - скоростной участок; 15 - ворота шлюза между станционным и скоростным участками; 16 - терминал подачи пассажиров (грузов) на станционный участок; 17 - пассажиры (грузы) находятся на терминале;
Фиг. 3. Общая структура транспортопровода с раздельными станционными и скоростными участками (не в масштабе)
18 - ворота шлюза между станционным участком и терминалом; 19 - переходный тоннель;
Фиг. 4. Общая структура и принцип действия устройства внешнего воздухообмена с обособленными воздуховодами (не в масштабе)
20 - обособленный отводящий воздуховод; 21 - обособленный нагнетающий воздуховод; 22 - воздухонакопитель; 23 - отводящие компрессорные установки включены; 24 -нагнетающие компрессорные установки выключены; 25 - задвижка отводящего воздуховода в открытом положении; 26 - задвижка нагнетающего воздуховода в закрытом положении; 27 - направление движение воздуха из транспортопровода в воздухонакопитель; 28 - направление движение воздуха из воздухонакопителя в транспортопровод; 29 - сквозное отверстие в корпусе транспортопровода для откачки воздуха; 30 - область повышенного давления воздуха; 31 - область пониженного давления воздуха; 32 - задвижка отводящего воздуховода в закрытом положении; 33 - задвижка нагнетающего воздуховода в открытом положении; 34 - отводящие компрессорные установки выключены; 35 - нагнетающие компрессорные установки включены; 36 - сквозное отверстие в корпусе транспортопровода для нагнетания воздуха; 37 - сквозное отверстие в корпусе воздухонакопителя для нагнетания воздуха; 41 - сквозное отверстие в корпусе воздухонакопителя для откачки воздуха;
Фиг. 5. Общая структура и принцип действия устройства внешнего воздухообмена с соединенными воздуховодами на корпусе транспортопровода (не в масштабе)
38 - соединительный патрубок для отводящих и нагнетающих воздуховодов на корпусе транспортопровода;
Фиг. 6. Общая структура и принцип действия устройства внешнего воздухообмена с соединенными воздуховодами на корпусе транспортопровода и воздухонакопителя (не в масштабе)
39 - соединительный патрубок для отводящих и нагнетающих воздуховодов на корпусе воздухонакопителя;
Фиг. 7. Вариант присоединения устройства внешнего воздухообмена к корпусу транспортопровода в нескольких местах (не в масштабе)
40 - дополнительные патрубки воздуховодов для присоединения к корпусу транспортопровода.
Осуществление изобретения
O
H
Скоростной участок транспортопровода характеризуется наличием определенного количества компонентов отводящей (N) и нагнетающей (N) систем. Данные компоненты в зависимости от своего местоположения на скоростном участке относительно движущегося транспортного средства (с фронтальной или тыльной стороны) принимают одно из состояний - активность (перекачивают воздух), либо бездействие (выключены).
Oa
O
В момент начала движения транспортного средства по скоростному участку все компоненты отводящей системы расположены с фронтальной стороны транспортного средства и находятся в активном состоянии (задвижки (25) открыты, компрессоры (23) включены) и обеспечивают откачку воздуха из внутренней полости транспортопровода (5) в воздухонакопитель по воздуховодам (20). В этот момент число активных компонентов отводящей системы (N) равно их общему количеству (N). В свою очередь компоненты нагнетающей системы, расположенные в передней части транспортопровода, бездействуют - компрессоры (24) выключены, задвижки (26) перекрыты.
По мере передвижения транспортного средства по скоростному участку количество активных компонентов отводящей системы будет уменьшаться, так как после их перехода из передней в заднюю часть транспортопровода они должны прекратить работу - задвижки (32) закрываются, компрессоры (34) выключаются. Это необходимо, чтобы предотвратить откачку воздуха в воздухонакопитель из задней части скоростного участка, где воздушная среда и так будет разряженной в связи с увеличивающимся объемом внутренней полости за счет перемещения подвижного состава. В то же время бездействующие компоненты нагнетающей системы, при их переходе из передней в заднюю часть транспортопровода, будут переводиться в активное состояние, то есть начнут работать - задвижки (33) откроются, компрессорные установки (35) включатся и начнут нагнетать воздух во внутреннюю полость задней части транспортопровода (6).
Ha
H
В момент, когда транспортное средство завершит движение и дойдет до конца скоростного участка, тогда все распложенные с тыльной стороны подвижного состава компоненты отводящей системы будут бездействовать, и все компоненты нагнетающей системы будут находиться в активном состоянии, а их количество (N) сравняется с общим числом компонентов данной группы (N).
Основные конструктивные и рабочие параметры составных частей устройства внешнего воздухообмена, в том числе, общее количество компонентов отводящей и нагнетающей систем, порядок работы и производительность компрессорных установок, определяются таким образом, чтобы обеспечивалось синхронное перераспределение воздуха из передней части в заднюю часть транспортопровода, при котором транспортное средство не будет тратить дополнительную энергию на преодоление профильных сопротивлений.
Oa
O
Ha
H
Для выполнения данного требования необходимо соблюдение двух основных условий. Во-первых, в каждый момент времени численное значение фактической производительности всех активных компонентов отводящей системы (Q) должно быть не менее значения интенсивности изменения объема внутренней полости в передней части транспортопровода (I), которое происходит в связи с движением транспортного средства. Во-вторых, при том же движении транспортного средства численное значение фактической производительности всех активных компонентов нагнетающей системы (Q) в каждый момент времени должно быть не менее значения интенсивности изменения объема внутренней полости в задней части транспортопровода (I). Производительность и интенсивность измеряются в количестве кубических метров воздуха за секунду (куб.м/с) [12-14].
O
H
TC
TC
При отсутствии просачивания воздуха между передней и задней частями транспортопровода через межстеночное пространство численные значения интенсивностей I и I будут равны произведению скорости движения транспортного средства (V) на площадь поперечного сечения подвижного состава (S):
H
TC
TC
Io=I=V ⋅ S.
O
H
Oe
He
Совокупные (потенциальные) производительности отводящей (Q) и нагнетающей (Q) систем определяются как произведение производительностей входящих в их состав компонентов Q и Q на общее количество последних:
O
Oe
O
Q=Q ⋅ N, (куб.м/с),
H
He
H
Q=Q ⋅ N, (куб.м/с).
O
H
O
H
где N и N - общее количество компонентов в отводящей Q и нагнетающей Q системах соответственно, ед.
Oe
He
Производительность отдельного компонента отводящей (Q) и нагнетающей (Q) систем определяется номинальной производительностью входящих в их состав компрессорных установок (куб.м/с).
Oa
Ha
Фактические (текущие) производительности отводящей (Q) и нагнетающих (Q) систем определяются с учетом количества входящих в их состав компонентов, находящихся в активном состоянии:
Oa
Oe
Oa
Q=Q ⋅ N, (куб.м/с),
Ha
He
Ha
Q=Q ⋅ N, (куб.м/с),
Oa
Ha
O
H
где N и N - общее количество активных компонентов отводящей Q и нагнетающей Q систем соответственно, ед.
E
Oai
Hai
E
O
Ei
Oi
Oai
Hai
Ei
Так как активные компоненты отводящей системы располагаются в передней части транспортопровода, а нагнетающей системы - в задней части, то по мере продвижения транспортного средства по скоростному участку число активных компонентов изменяется. Однако на каждом i-м отрезке скоростного участка транспортопровода (индекс «i» изменяется в диапазоне от 1 до N) количество активных компонентов отводящей (N) и нагнетающей (N) систем является фиксированной величиной. Данные отрезки в общем количестве (N) образуются между последовательно расположенными компонентами отводящей системы и равно числу таких компонентов (N). В обозначении отрезка (N) i-й индекс соответствует порядковому номеру компонента отводящей системы (N). Отсчет ведется от начала скоростного участка, откуда отправляется транспортное средство. Количество активных компонентов отводящей (N) и нагнетающей (N) систем на N отрезке определяется путем суммированием всех находящихся в рабочем состоянии компонентов данных систем, расположенных соответственно в передней и задней частях транспортопровода в тот момент, когда головная часть подвижного состава пребывает в границах данного отрезка.
Hai
Oai
Hai
На каждом i-м отрезке фактическая производительность отводящей (Qoai) и нагнетающих (Q) систем, обеспечивающих воздухообмен между передней и задней частями транспортопровода, определяется с учетом количества активных компонентов N и N:
Oai
Oe
Oai
Q=Q ⋅ N, (куб.м/с),
Hai
He
Hai
Q=Q ⋅ N, (куб.м/с).
Oai
Hai
Для синхронного воздухообмена фактические производительности отводящей Q и нагнетающих Q систем на каждом i-м отрезке должны быть равны между собой.
Oai
Hai
maxi
Oai
Hai
Oi
TCi
Oai
Hai
maxi
Величины фактических производительностей Q и Q выступают в качестве ограничения для максимально допустимой скорости движения транспортного средства (V) на соответствующем i-м отрезке скоростного участка транспортопровода. По условиям, сформулированным выше, фактические производительности Q и Q воздухообменных систем не должны быть меньше интенсивностей изменения объема внутренних полостей в передней (I) и задней частях, создаваемых при движении транспортного средства по i-му отрезку. Так как соответствующие интенсивности напрямую зависят от скорости движения транспортного средства (V), то при известных параметрах Q и Q эта скорость не должна превышать значения (V), которое определяется через отношение фактической производительности воздухообменных систем на i-м отрезке к площади поперечного сечения транспортного средства:
TCi
maxi
V≤V, при
maxi
Oai
TC
V=Q/S,
либо
maxi
Hai
TC
V=Q/S
maxi
Если полученные результаты V различаются, то выбирается показатель с меньшим значением.
pi
Oapi
Hapi
Opi
Hpi
pi
TC
В том случае, когда требуется увеличить скорость движения транспортного средства по i-му отрезку до планового значения V, предварительно необходимо обеспечить повышение фактических производительностей воздухообменных систем до величин Q и Q, которые должны быть не менее новых значений интенсивностей (I) и (I), рассчитанных как произведение заданной скорости движения V на площадь поперечного сечения подвижного состава S:
Opi
pi
TC
I=V ⋅ S, (куб.м/с),
Hpi
pi
TC
I=V ⋅ S, (куб.м/с).
Oapi
Hapi
Oep
Hep
Opi
Hpi
Oai
Hai
Для повышения производительностей до Q и Q могут быть использованы два основных способа. Первый способ состоит в применении более мощных компрессорных установок в отводящих и нагнетающих системах. При этом новые компрессорные установки подбираются таким образом, чтобы их производительность (Q) и (Q) была не менее величины, которая рассчитывается через отношение новых интенсивностей I и I к количеству активных компонентов N и N на соответствующем отрезке транспортопровода:
Oepi
Op
Oai
V=I/N, (куб.м/с),
Hepi
Hp
Hai
Q=I/N, (куб.м/с).
Oai
Hai
Oapi
Hapi
pi
Opi
Hpi
Oe
He
Второй способ предусматривает увеличение фактической производительности воздухообменных систем Q и Q и заключается в добавлении дополнительных компонентов отводящих и нагнетающих систем. Требуемое количество активных компонентов N и N, при которых будет обеспечена возможность движения транспортного средства по i-му отрезку с плановой скоростью V, рассчитывается через отношение интенсивностей I и I к производительности отдельных компонентов соответствующих отводящей (Q) и нагнетающей (Q) систем:
Oapi
Opi
Oei
N=I/Q, (ед.),
Hapi
Hpi
Hei
N=I/Q, (еД.).
Oapi
Hapi
Если полученные результаты N и N различаются, то выбирается показатель с большим значением.
Организация внешнего воздухообмена предусматривает регулирование работы задвижек и компрессорных установок в автоматическом режиме на основе данных о фактическом местонахождении транспортного средства во внутренней полости транспортопровода и скорости его движения. Сбор соответствующей информации ведется при помощи электронных датчиков, встроенных в транспортопроводящий путь, корпус транспортопровода и подвижной состав [10, 15, 16].
Основные характеристики заявленного способа, отличающие его от прототипов. Во-первых, данный способ предназначен для повышения скорости движения транспортного средства внутри герметичного транспортопровода за счет снижения силы сопротивления воздуха при движении транспортного средства без создания вакуума.
Во-вторых, при движении транспортного средства осуществляется процесс принудительного внешнего воздухообмена, который предусматривает перераспределение воздуха из передней части транспортопровода в заднюю его часть относительно направления движения транспортного средства.
В-третьих, для перераспределения воздуха используется специальное устройство, состоящее из воздуховодов, компрессорных установок, задвижек, воздухонакопителя, расположенных обособленно от транспортного средства.
В-четвертых, процесс внешнего воздухообмена производятся только во время движения транспортного средства, для движения транспортного средства предварительная откачка воздуха не требуется.
В-пятых, процесс воздухообмена предусматривает автоматическое регулирование процесса перераспределения воздуха с учетом скорости движения транспортного средства и его местоположения в транспортопроводе.
В-шестых, скорость движения транспортного средства по каждому отрезку скоростного участка нормируется в зависимости от фактической производительности компонентов воздухообменных систем.
В-седьмых, использование герметичного воздухонакопителя позволяет создавать высокоскоростные транспортные системы подземного и подводного исполнения.
В-восьмых, движение транспортного средства по транспортопроводу с нормальным атмосферным давлением во внутренней полости обеспечивает условия для безопасной транспортировки грузов и пассажиров.
Изобретение обладает новизной, что следует из сравнения с прототипом, изобретательским уровнем, так как явно не следует из существующего уровня техники, практически осуществимо при строительстве новых высокоскоростных транспортных систем тоннельного и трубного типа.
Использование изобретения устранит отмеченные выше недостатки прототипа, в частности, исключит риск причинения ущерба пассажирам и грузам в связи с разгерметизацией корпуса транспортного средства, сократит расходы на строительство и эксплуатацию транспортопровода, способного выдерживать высокие перепады давления, повысит провозные возможности транспортной системы за счет увеличения вместимости и грузоподъемности подвижного состава.
Список источников:
1. Role and Position of ETT in the Future Comprehensive Transportation System. Available from // Интерент-портал Researchgate.net. URL: https://www.researehgate.net/publication/268600567 Role and Position of ETT in the Putin-с Comprehensive Transportation System (дата обращения 21.12.2018).
2. Evacuated tube transport technologies (ET3)tm: A maximum value global transportation network for passengers and cargo // Официальный сайт корпорации ET3. URL: https://www.researchgate.net/publication/285413820_Evacuated_tube_transport_technologies_ ET3tm_A_maximum_value_global_transportation_network_for_passengers_and_cargo (дата обращения 20.12.2018).
3. Closing the infrastructure gap through innovative and sustainable solutions // Официальный сайт корпорации ET3. URL: http://et3.eu/images/upload/Strategy%20innovation%20paper%20ET3(r).pdf (дата обращения 21.12.2018).
4. Robert Н. Godard's 'High-Speed Bet' // Сайт интернет-журнала EIR. 1991. 01 янв. URL: https://larouchepub.com/eiw/public/1991/eirv18n42-19911101/eirv18n42-19911101_034- robert_h_goddards_high_speed_bet.pdf (дата обращения 20.12.2018).
5. Вейнберг Б.П. Движение без трения (безвоздушный электрический путь) // Сайт о скоростном транспорте. URL: http://veinberg.o7.ru/pdf/no_friction_motion.pdf (дата обращения 20.12.2018).
6. Hyperloop Alpha // Официальный сайт компании Spacex. 2013. 12 авг. URL: https://www.spacex.com/sites/spacex/files/hvperloop_alpha-20130812.pdr (дата обращения 02.01.2019).
7. Evacuated tube transport system with interchange capability (Pub. No.: US 2014/0261054A1; Pub. Date: Sep.18, 2014) // URL: https://patents.google.com/patent/US20140261054/ (дата обращения 02.12.2018).
8. Evacuated tube and capsule having interchange capability (Pub. No.: US 2015/0360580 A1; Pub. Date: Dec. 17, 2015) // URL: https://patents.google.com/patent/US20140261055 A1/en?q=Evacuated&q=tube&q=capsule&q=interchange&q=rcapabilitv&oq=Evacuated+tube+and+capsule+having+interchange+capability (дата обращения 02.12.2018).
9. The Very High Speed Transit System // Официальный сайт корпорации Rand. 1972. 01 авг. URL: https://www.rand.org/pubs/papers/P4874.html (дата обращения 02.12.2018).
10. Ryan Janzen. TransPod Ultra-High-Speed Tube Transportation: Dynamics of Vehicles and Infrastructure. Procedia Engineering. 199 (2017). P. 8-17.
11. Чурков H.A., Битюцкий A.A., Кручек B.A. Влияние воздушной среды на поезд // Известия ПГУПС. - 2013. - Вып.2. - С.20-26.
12. Кокунина Л.Х. Основы аэродинамики. М: Транспорт, 1982.
13. Сазонов, Э.В. Вентиляция: теоретические основы расчета / Э.В. Сазонов. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2018.
14. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т.М. Башта, С.С.Руднев, Б.Б. Некрасов и др. - 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982.
15. Ruslan Nikolaev, Rinat Idiatuallin, Dinara Nikolaeva. Software system in Hyperloop pod. Procedia Computer Science. 126 (2018). P. 878-890.
16. ERTMS - Delivering Flexible and Reliable Rail Traffic. A major industrial project for Europe // // URL: http://europa.eu.int/comm/transport/rail/interoperability/crtms_en.htm (дата обращения 02.12.2018).