|
Вперед назад к звездам :) |
|
Маховичный накопитель |
3. Маховики для маховичного накопителя3.1. Обзор типов маховиков
В настоящее время, существуют пять основных типов маховиков:
Рис.3.1. Диск с отверстием;
Рис.3.2. Обод со спицами;
Рис.3.3. Диск равной прочности;
Рис.3.4. Кольцевой маховик;
Рис.3.5. Супермаховик.
3.2. Краткая характеристика и сравнительный анализ рассмотренных типов маховиков
Общеизвестно, что энергия каждого килограмма маховика зависит от его формы и прочности. Если сравнивать вышеуказанные типы маховиков по этим критериям, то сразу отпадает маховик в виде диска с отверстием как наиболее неэффективный. Как правило, это малая прочность материала, из которого он обычно изготавливается, т.е. стальные поковки или отливки. А крупные отливки или поковки даже из лучших сортов стали не слишком прочны. В таких изделиях невозможно избежать мельчайших дефектов, сильно уменьшающих прочность всего маховика. Чем прочнее литой или кованый маховик, тем опаснее его разрыв, если он приключится, и тем больший запас прочности понадобится, чтобы уберечь маховик от разрыва. Далее по эффективности накопления энергии идет маховик в виде обода со спицами. Такой маховик накапливал энергии в каждом килограмме своей массы раза в полтора больше. Однако потом точные расчеты показали, что выгоднее помещать массу не дальше от центра, а, наоборот, ближе к центру, вследствие чего появились маховики, тонкие по краям и утолщающиеся к середине, - диски «равной прочности». Энергии они могут накопить в два раза больше, чем обод со спицами, и в три раза больше, чем диск с отверстием, при той же массе маховика. Рассмотрим следующий вариант из нашего списка. Это супермаховик. Простейший пример, это кусок троса, зажатый в кольцевом зажиме – оправке, которая в свою очередь посажена на вал. В чем преимущества такого супермаховика? Если вращать вал с оправкой и тросом в ней, то трос, как и обычный маховик, накопит кинетическую энергию. При этом частицы троса, стремясь двигаться по инерции, будут все сильнее растягивать его, пытаясь разорвать. Наибольшая нагрузка тут приходится на середину троса. При увеличении скорости сверх меры трос начнет рваться, но рваться по частям, по одной проволочке, а тоненькие проволочки не способны пробить даже легкий защитный кожух, т.е. разрыв супермаховика происходит безопасно. Так как прочность проволоки (стальной струны) выше прочности монолитного стального куска примерно в пять раз, то супермаховик из струны при прочих равных условиях накопит энергии во столько же раз больше, чем обычный маховик стой же массой. Благодаря же большей безопасности, супермаховику не нужен слишком большой запас прочности, и его следует уменьшить примерно вдвое по сравнению с маховиком. Следовательно, супермаховик из троса может накопить в каждом килограмме массы в десять раз больше энергии, чем обычный стальной маховик. Большие перспективы сулят так называемые кольцевые супермаховики. Такой супермаховик представляет собой кольцо, навитое из высокопрочного волокна и помещенное в вакуумную камеру в форме бублика – тора. Поскольку кольцевой супермаховик лишен центра, в нем наиболее полно реализуются прочностные свойства волокон. Кольцевой супермаховик удерживается в камере в подвешенном состоянии с помощью магнитных опор, размещенных в нескольких местах по окружности. Само кольцо служит ротором мотор - генератора, а те места, в которых стоят обмотки магнитов, - статором. Это упрощает отбор энергии и зарядку супермаховика. Если сравнивать кольцевой супермаховик со стальным маховиком из самой прочной стали, плотность энергии кольцевого супермаховика в 2 – 3 раза больше и достигает 0,5 мегаджоуля на килограмм массы. Потери на вращение у него в 50 – 100 раз меньше, чем у стального. Так как отсутствуют самые большие потери – потери на трение в подшипниках. К сожалению, в нашем случае кольцевые маховики мы вынуждены исключить из рассмотрения по двум причинам: сложность подвесной системы и дороговизна изготовления. С учетом всего вышеизложенного из всех вариантов выбираем супермаховик. Опыт показал, что для супермаховиков, кроме прочности и размеров решающее значение имеет их масса. Как ни парадоксально, но чем легче супермаховик, тем лучше. Плотность энергии маховика определяется удельной прочностью, то есть отношением прочности к удельному весу материала. Поэтому в качестве материала маховика выберем борное волокно, как наиболее выгодное по показателю удельной прочности. Таблица 3.1.
3.3. Методика расчета маховика
Известно, что емкость супермаховика определяется частотой вращения, массой и его геометрическими размерами (внешним и внутренним радиусом). Энергия, запасенная супермаховиком, определяется по формуле:
W=E/3600, Вт*ч где Е определяется по формуле:
E=J/2*(w12-w22), Дж
где w12 – максимальная угловая скорость вращения супермаховика, рад/с; w22 – минимальная угловая скорость вращения супермаховика, рад/с; J – момент инерции, кг*м2; Момент инерции определяется по формуле:
J=M/2*(R2+r2), кг*м2;
где М – масса, определяется по формуле:
M=(p*(R2-r2)*h*g)/2, кг
где R – внешний радиус супермаховика, м; r – внутренний радиус супермаховика, м; h – толщина, м; g - плотность материала, из которого изготовлен супермаховик, кг/м3; Отсюда энергию, запасенную супермаховиком, можно определить по формуле:
3.4. Конструкция маховикаСупермаховик из борного волокна конструктивно представляет собой обод со ступицей, на который определенным образом намотано борное волокно (Рис.3.6.). Основной проблемой в данном случае является то, что на высоких оборотах предъявляются высокие требования к качеству и точности изготовления.
Борное волокно
Металлическая ступица
Наиболее важным моментом в изготовлении супермаховика является способ намотки борного волокна на металлическую ступицу, потому что намотка супермаховика должна начинаться со ступицы и на ней должна заканчиваться (Рис.3.7.).
Это объясняется тем, что крайние наружные витки подвергаются при вращении более сильным растягивающим усилиям, чем внутренние витки. Поэтому чтобы уменьшить вероятность разрыва волокна, намотка должна осуществляться подобным образом.
|
|
Рис.3.6. Супермаховик из борного волокна |
