/
Автор: Бут Д.А. Алиевский Б.Л.
Теги: электротехника энергетика электроэнергетика
ISBN: 5-283-00609-3
Год: 1991
Текст
ББК 31.15
Н 22
УДК 621.355(075.8)
Рецензенты: кафедра электромеханики МЭИ (зав. кафедрой проф.
И. П. Копылов) и доктор физико-матемашческих наук Ю. В. Афанасьев
Накопители энергии: Учеб. пособие для ву-
Н22 зов /Д. А. Бут, Б. Л. Алиевский, С. Р. Мизюрин,
П. В. Васюкевич; Под ред. Д. А. Бута.— М.: Энергоатом-
издат. 1991.—400 с.: ил.
ISBN 5-283-00609-3
Рассматриваю гея электрохимические, индуктивные, емкостные, механические,
электромеханические и электродинамические накопители энерти.
Основное внимание уделено физическим процессам в накопителях, особен-
ностям их характеристик и математических моделей, а также сопоставлению
накопи (елей различных типов. Изложены принципы технической реализации
накопи!елей энергии и рассмо!рены рациональные области их использования
Для с 1) центов электромеханических и элек i роэпергетических специальное гей
ноли 1схнических и электротехнических вузов.
2202020000-323
И —-------------51-90 ББК 31.15
051 (01>91
ISBN 5-283-00609-3
© Авторы, 199!
ПРЕДИСЛОВИЕ
Производство и потребление различных видов энергии
в .мире растет быстрыми темпами, определяя прогресс во
всех областях жизнедеятельности человека. Одновременно усло-
жняются процессы преобразования энергии, расширяется много-
образие энергетических установок и агрегатов, обеспечивающих
наиболее рациональные режимы энергопитания разнородных
потребителей. Наряду с ростом количественных показателей
энергообеспеченности промышленности, транспорта, сельского
хозяйства, быта и т. п. все большую роль начинают играть
показатели качества использования энергии, что связано с ра-
циональным согласованием параметров энергии на различных
стадиях ее преобразования. Значительное место в решении
возникающих при этом проблем отводится накопителям энер-
гии, являющимся важным промежуточным звеном между
системами генерирования и системами распределения и по-
требления энергии.
Актуальность проблем накопления энергии повышается
столь быстро, что их значимость в современной научно-техни-
ческой литературе отражается далеко не адекватно. Имеющиеся
публикации носят, в основном, либо общий обзорный характер,
либо посвящены отдельным, хотя и важным, но частным
вопросам разработки накопителей энергии.
Настоящая книга содержит относительно подробное описа-
ние широкого класса накопителей для стационарных и автоном-
ных энергетических установок, построенное на общей методи-
ческой основе.
Помимо анализа основных физических процессов в накопи-
телях энергии различного типа в книге приводятся математи-
ческие модели и расчетные соотношения, позволяющие
определять главные параметры и показатели накопителей,
а также выбирать эффективные режимы их работы. Большое
внимание уделено рассмотрению нестационарных процессов
в накопителях энергии, согласованному анализу электро-
динамических, механических, тепловых и других явлений,
определяющих рабочие характеристики накопителей. Описаны
з
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИИ
АБ — аккумуляторная батарея
БТЭ — батарея топливных элементов
ВАХ — вольт-амперные характеристики
ВГ — вентильный генератор
ВСУ — вспомогательная силовая установка
ГАУ — гидроаккумулирующая установка
ГАЭС — гидроаккумулирующая электростанция
ЕН — емкостный накопитель
ЗУ — зарядное устройство
ИН — индуктивный накопитель
ИОМ — ионообменная мембрана
ИП — избирательный перенос
КЗ — короткое замыкание
КЛА — космический летательный аппарат
КР — кратковременный режим
КПД — коэффициент полезного действия
ЛА — летательный аппарат
МДС — магнитодвижущая сила
МН — механический накопитель
МПТ — машина постоянного тока
НТЭ — накопитель тепловой энергии
НЭ — накопитель энергии
ПКР — повторно-кратковременный режим
РТЭ — регенеративный топливный элемент
РУ — разрядное устройство
РЭУ — регенеративная электроэнергетическая установка
СГ — синхронный генератор
СП — сверхпроводник
Т — трансформатор
ТЭ — топливный элемент
ТЭЦ — теплоэлектроцентраль
УГ — униполярный генератор
УНК — ускорительно-накопительный комплекс
УМ — униполярная машина
УТС — управляемый термоядерный синтез
ЭВ — электролизер воды
ЭДН — электродинамический накопитель
ЭДС — электродвижущая сила
ЭМ — электрическая машина
ЭМН — электромеханический накопитель
ЭС — электрическая станция
ЭХН — электрохимический накопитель
ЭЯ — электролизная ячейка
6
ВВЕДЕНИЕ
Для современной энергетики, как стационарной, так
и автономной, важное значение приобретают интенсивные
формы развития, выдвигающие повышенные требования к ка-
чественным показателям энергетических установок. В этом
плане возрастает роль накопителей энергии, обеспечивающих
решение целого ряда проблем накопления, хранения, пре-
образования энергии, реализацию оптимальных режимов
работы оборудования, питание потребителей с нестандартными
параметрами и т. п.
Накопители энергии находят все более широкое применение
в электроэнергетических системах, автономных энергетических
установках, транспортных системах, бортовом оборудовании,
технологической аппаратуре, электрофизических стендах и т. п.
В общем виде под накопителем энергии будем понимать
устройство, позволяющее накапливать в нем энергию како-
го-либо вида в течение периода заряда 73, а затем передавать
существенную часть этой энергии нагрузке в течение периода
разряда t Взаимосвязь параметров накопителя при заряде
и разряде определяется законом сохранения энергии, выража-
емым очевидным соотношением
Л'3п=Л>?Р- (ВП
где Р3 и Рр— средние значения мощностей зарядного и раз-
рядного процессов; т| — КПД накопителя.
Значения /3 и tp, а также энергетические показатели при
заряде и разряде могут сильно различаться. Соответственно,
существует несколько основных направлений использования
накопителей.
Во-первых, их основная роль может сводиться к аккумули-
рованию избыточной энергии при отключении значительной
части потребителей и последующему использованию накоплен-
ной энергии в периоды интенсивного энергопотребления. При
этом значения /, и t имеют примерно одинаковый порядок,
а показатели энергии при заряде и разряде достаточно близки.
Примером такого накопителя является гидроаккумулирующая
7
4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЯХ
ЭНЕРГИИ
Механическим накопителем (МН), или аккумулятором ме-
ханической энергии, называется устройство для запасания
и хранения кинетической или потенциальной энергии с по-
следующей отдачей ее для совершения полезной работы.
Как и для любого вида накопителей энергии (НЭ), харак-
терными режимами работы МН являются заряд (накопление)
и разряд (отдача энергии). Хранение энергии служит проме-
жуточным режимом МН. В зарядном режиме к МН подводится
механическая энергия от внешнего источника, причем конк-
ретная техническая реализация источника энергии определяется
типом МН. При разряде МН основная часть запасенной нМ
энергии передается потребителю. Некоторая часть накопленной
энергии расходуется на компенсацию потерь, имеющих место
в разрядном режиме, а в большинстве видов МН — и в режимах
хранения.
Поскольку в ряде накопительных установок время заряДа
может намного превосходить время разряда (z3»zp),
возможно существенное превышение среднеразрядной мой'
236
лости Рр над средней мощностью Р3 заряда МН. Таким
образом, в МН накапливать энергию допустимо с помощью
сравнительно маломощных источников.
Основные разновидности МН подразделяются на статичес-
кие, динамические и комбинированные устройства.
Статические МН запасают потенциальную энергию посред-
ством упругого изменения формы или объема рабочего тела
либо при его перемещении против направления силы тяжести
в гравитационном поле. Твердое, жидкостное или газообразное
рабочее тело этих МН имеет статическое состояние в режиме
хранения энергии, а заряд и разряд НЭ сопровождаются
движением рабочего тела.
Динамические МН аккумулируют кинетическую энергию
преимущественно во вращающихся массах твердых тел. Усло-
вно- к динамическим МН можно отнести также накопительные-
устройства ускорителей заряженных элементарных частиц,
в которых запасается кинетическая энергия электронов или
протонов, циклически движущихся по замкнутым траекториям.
Комбинированные МН запасают одновременно кинетическую
и потенциальную энергию. Примером комбинированного МН
может служить супермаховик из высокопрочного волокнистого
материала, имеющего относительно малый модуль упругости.
При вращении данного МН в нем наряду с кинетической
энергией запасается потенциальная энергия упругой дефор-
мации. При извлечении накопленной энергии из такого МН
достигается использование обоих ее видов.
По уровню удельной накопленной энергии, приходящейся
на единицу массы или объема аккумулирующего элемента,
динамические инерционные МН существенно превосходят не-
которые другие разновидности НЭ (например, индуктивные
и емкостные накопители). Поэтому МН представляют большой
практический интерес для многообразных применений в раз-
личных отраслях техники и научных исследований.
Отдельные виды МН нашли к настоящему времени круп-
номасштабное применение в электроэнергетике, например гид-
роаккумулирующие установки электрических станций. Зарядно-
Разрядный цикл их работы достигает десятков часов.
Для инерционных МН характерны кратковременные раз-
рядные режимы. Отбор энергии от МН сопровождается
Уменьшением угловой скорости маховика до допустимого
Уровня. В отдельных случаях торможение может происходить
вплоть до полной остановки маховика. Возможны «ударные»
Разряды, отличающиеся одноразовым или циклическим от-
бором запасенной энергии, причем вследствие большого ки-
нетического момента и малого времени разряда МН снижение
Угловой скорости его ротора относительно невелико, хотя
°тДаваемая мощность может достигать достаточно высоких
237
значений. В таком режиме МН особые требования предъяв-
ляются к обеспечению прочности вала. Под воздействием
крутящего момента в вале возникают опасные касательные
напряжения, ча.сть кинетической энергии ротора переходит
в потенциальную энергию упругих деформаций кручения вала.
Для преодоления указанных затруднений в отдельных конст-
рукциях МН предусматриваются упругие или фрикционные
муфты [4.4].
Статические МН сохраняют запасенную энергию, находясь
в неподвижном состоянии. Носителями потенциальной энергии
в них служат упруго деформированные твердые тела или
сжатые газы, находящиеся под избыточным давлением, а также
массы, поднятые на высоту относительно земной поверхности.
Типичными примерами статических МН являются: растянутые
или сжатые пружины, резины; газобаллонные аккумуляторы
и пневмоаккумуляторы; ударные устройства различных копров,
например для забивания свай, использующие энергию масс
в поднятом состоянии; водохранилища гидроаккумулирующих
электростанций, баки водонапорных установок. Приведем ос-
новные энергетические соотношения и характерные параметры
некоторых типовых устройств.
Рассмотрим МН с упругими элементами.
Полагаем твердотельную систему линейной, тогда упругий
накопительный элемент имеет постоянную жесткость (или
упругость) N=const. Действующая на него сила F=Nx пропор-
циональна линейной деформации х. Совершенная при заряде
МН элементарная работа dW=Fdx. Полная запасенная энергия
ДА ДА
W= f Fdx = f jWx = WA/z2/2 = FnA/z/2,
oo
где A/z — результирующая деформация, ограниченная, например,
допустимым напряжением <тр материала; Fn = NAh—приложен-
ная сила.
Оценим удельную энергию Wya=W/ М, приходящуюся на
единицу массы М = yV=ySh пружины или стержня объемом
V и сечением S, материал которых имеет плотность у и работа-
ет на разрыв в пределах закона Гука <y = xtE, причем
x*=xjh — относительная деформация, Е—модуль упругости
(Юнга), Введя d<s = Edx,, можем записать
dW=Fhdx,=Fhd<3/Е и dWya — dW/ySh = Fd<5ftSE, откуда при
o = F/S находим
^УД= f (о/уЕ)Лт = о2/(2уЕ).
о
Для стальных пружин примем Ор = 8-108Н/’*1’
Е=2,1 • 1011 Н/м2, у = 7800 кг/м3, тогда И/уд^200 Дж/кт. Ана-
238
логичный расчет для технической резины дает №уд 350 Дж/кг,
однако из-за гистерезисного характера зависимости F=F(x)
в цикле «заряд-разряд» возникающие потери и нагрев приводят
к постепенному старению (разрушению) резины, нестабильности
и ухудшению ее упругих свойств.
Газоаккумулирующая система находится в механически не-
равновесном состоянии по отношению к окружающей среде:
при равенстве температур системы и окружающей среды
(Г=710,с) давление системы р>р0,с, поэтому система может
совершать работу. Запас упругой энергии сжатого в баллоне
объемом V газа составляет
₽2
f Vdp=V{p2-Pi).. (4.1)
Pi
На единицу массы М любого сжатого газа согласно (4.1)
приходится удельная энергия
Wya=WIM=V(p2-P1)IM=\ply. (4.2)
На основании (4.2) при И=1м3 значение W— WyaM чис-
ленно равно перепаду давления Ар=р2 — Р\- Например, если
Ар = 250 105 Па (начальное давление /?! = 105Па), то
Ж=25-106 Дж независимо от химического состава газа. Мак-
симальное значение при расширении сжатого газа до
нулевого давления при данной температуре согласно уравнению
Менделеева — Клапейрона pV—MvRyT составляет
Wya=WIM=RyTI\y (4.3)
где ц = Л//Л/ц— молярная масса (кг/кмоль); RyK,
~8,314 кДж/(кмоль • К)— универсальная газовая постоянная
при Т«273 К; /?«105Па; Мц— количество киломолей в газе
массой М.
Из (4.3) видно, что наиболее эффективно применение в МН
легких газов. Для самого легкого газа — водорода
(ц = 2 кг/кмоль) при Т = 300 К удельная энергия №уд«
~ 1250 кДж/кг (или 1250 Дж/г). В (4.3) давление в явном
виде не входит, так как Wya определяется по (4.2) отношением
избыточного давления газа к его плотности. Последняя при
повышении давления и Т= const возрастает по линейному
закону (в изотермическом процессе J»I/=const). Следует заме-
тить, что целесообразные для эффективного применения рас-
сматриваемых МН высокие давления обусловливают по сооб-
ражениям прочности существенную массу газовых баллонов,
с учетом которой значение IV уд установки в целом может
снижаться почти на порядок по сравнению с №уд из (4.2),
(4.3). Оценку прочности баллонов можно провести, пользуясь
Расчетными соотношениями § 4.5.7.
239
Рассмотрим гравитационные накопители энергии.
Гравистатическая энергия притяжения Земли (на уровне
оря) оценивается достаточно высоким показателем
уД = 61,6 МДж/кг, который характеризует работу, необходи-
мую для равномерного перемещения тела массой = 1 Кг
с земной поверхности в космическое пространство (для срав-
нения укажем, что это значение приблизительно в ) ,4
раза больше химической энергии 1 кг керосина). При подъеме
груза массой М на высоту h = x2 — хг запасенная потенциальная
энергия
*2
W= J gMdx=gMh, (4.4)
где М=const, g=9,81 м/с2. Согласно (4.4) удельная энергия
Wy„ = W/M=gh зависит только от высоты h. Запасенная
энергия высвобождается при падении груза и совершении
соответствующей полезной работы в результате перехода
потенциальной энергии в кинетическую. Наибольшую удельную
кинетическую энергию в природе при падении могут развивать
метеориты, для которых ИС,Л~60 МДж/кг (без учета затрат
энергии на трение в атмосфере).
Непосредственное использование гравистатических сил, со-
здаваемых природными массами, практически невозможно.
Однако, перекачивая воду в поднятые искусственные водо-
хранилища или из подземных водохранилищ на поверхность,
можно накопить достаточно большое количество потенциаль-
ной энергии для крупномасштабных применений в электроэнер-
гетических системах. Если разность уровней h — 200 м, то
в расчете на массу воды Л/=103кг запасенная энергия по
(4.4) равна И7 =1962 кДж, удельная энергия
И7УД = W/M= 1,962 кДж/кг.
Рассмотрим инерционные кинетические МН.
Кинетическую энергию в принципе можно запасать при
любом движении массы. Для равномерного поступательного
движения тела массой Л/ со скоростью v кинетическая энергия
W=Mv2/2. Удельная энергия Wya=W/M = v2j2 зависит (квад-
ратично) только от линейной скорости тела. Тело, движущееся
с первой космической скоростью км/с, имеет удельную
энергию Жудх32 МДж/кг.
Для разнообразных энергетических и транспортных примене-
ний рациональны МН вращательного движения—инерционные
МН (маховики). Запасенная кинетическая энергия
определяется квадратом угловой скорости £1 = 2пп (п — частота
вращения) и моментом инерции J маховика относительно оси
вращения. Если дисковый маховик имеет радиус г и массу
M = yV (V—объем, у — плотность материала), т°
240 Л
j=Mr2/2 = уКг2/2 и 1С=п2Мг2п2 = л2уКг2п2. Соответствующая
удельная энергия (на единицу М или К) составляет
0/уд = W!M=it2r1n2, и Й/оуд= Wf V= п2уг2п2, Дж/м3.
Значения 12 и п при заданном размере г ограничиваются
линейной окружной скоростью г = 12г = 2пиг, связанной с до-
пустимым разрывающим напряжением материала ор. Известно,
что напряжение о в дисковом или цилиндрическом роторе
МН зависит от v2. В зависимости от геометрической формы
металлических маховиков для них характерны допустимые
предельные скорости на периферии приблизительно от 200
до 500 м/с.
Накопленная энергия, в частности для тонкого ободкового
маховика, W=Mv2/2 (М—масса вращающегося кольца).
Удельная энергия 1Ууд= W/M = v2/2 не зависит от размеров
кольца и определяется соотношением параметров о „/у его
материала (см. § 4.5.1, где показано, что г2 = ор/у). Следует
отметить, что аналогичная закономерность для ^yfl~ap/y
имеет место также в индуктивных накопителях энергии (см.
гл. 2), хотя они существенно отличаются от МН по физической
природе. В общем случае при изготовлении накопительных
элементов МН необходимо применять материалы с повышен-
ными значениями <тр/у> 10s Дж/кг. Наиболее подходящими
материалами являются высокопрочные легированные стали,
титановые сплавы, а также легкие алюминиевые сплавы (типа
«дюраль») и магниевые сплавы (типа «электрон»). Применяя
металлические материалы, можно получить удельную энергию
МН до Жуд = 200 = 300 кДж/кг [4.1].
Предназначенные для создания маховиков с особо боль-
шими удельными энергиями (супермаховиков) тонковолокнис-
тые материалы теоретически могут обеспечить следующие
уровни показателя стеклянные нити—650 кДж/кг, квар-
цевые нити — 5000 кДж/кг, углеродные волокна (со структурой
алмаза)—15000 кДж/кг [4.1—4.3]. Нити (или выполненные
из них ленты) и клеющие смолы образуют композитную
конструкцию, прочность которой ниже, чем у исходных
волокон. С учетом элементов крепления в реальных супер-
маховиках практически достигаются значения Жуд меньше
Указанных, но все же относительно более высокие, чем в других
Разновидностях МН. Супермаховики допускают окружные
скорости до v «1000 м/с. Техническая реализация таких
Устройств требует обеспечения специальных условий. Например,
йеобходима установка маховика в вакуумированном кожухе,
Так как указанные значения v соответствуют сверхзвуковым
скоростям в воздухе (число Маха Ма>1), которые в общем
случае могут вызывать целый ряд недопустимых эффектов:
йоявление скачков уплотнения воздуха и ударных волн, резкое
йовышение аэродинамического сопротивления и температуры.
241
Рис. 4.1. Комбинированные вращательные МН:
а—масса на жесткой струне; б—упругий обод
Многослойные волокнистые супермаховики обладают достаточ-
но высокой надежностью и безопаснее в эксплуатации, чем
сплошные маховики. При недопустимых нагрузках, обуслов-
ленных инерционными силами, разрушаются’ только наиболее
напряженные наружные слои волоконной композитной конст-
рукции супермаховика, тогда как разрушение массивного
маховика сопровождается разлетом его разорвавшихся частей.
Сочетание свойств статического и динамического МН имеет
место в различных устройствах. Простейшим из них является
колеблющийся маятник. Циклический процесс взаимного преоб-
разования потенциальной энергии в кинетическую может под-
держиваться достаточно длительно, если компенсировать по-
тери в маятниковом механизме.
Рассмотрим иллюстративные примеры МН, запасающих
при заряде одновременно кинетическую и потенциальную
энергию [2.1]. Они демонстрируют принципиальные возмож-
ности совместного практического использования обоих видов
накопленной механической энергии. На рис. 4.1, а показан
груз массой М, вращающийся вокруг центра О на абсолютно
жесткой струне длиной /, отклоненной от вертикального
положения на угол ср. Линейная скорость v соответствует
вращательному движению М по окружности радиуса г. Потен-
циальная энергия груза Wn=gMh обусловлена его подъемом
на высоту h в результате отклонения. Кинетическая энергия
груза составляет И/к = 0,5 Mv2. На груз действует сила
F = FH + Fr. Ее инерционная компонента равна Еи = Мг 1Г’
значение гравитационной компоненты Fr = gM. Поскольку
FH/Fr = i;2/rg = tg(D, постольку Wzn/Wzx = 2/i/rtg(p. Если учесть,
что А = 7(1 cos ср) и r = /sincp, то A/r = (1 — cos cp)/sin ср. Таким
образом, Wn/ FFK = 2cos(p/(l + cos(p), и в случае ср—>0 получаем
Жп/И^-И. Следовательно, при малых углах ср запасенная
энергия W=WK+W„ может распределяться на равные част
. 242
Значение И7П можно увеличить, если закрепить груз
на упругом подвесе (прутке или струне).
Другим примером совместного накопления W„ и WK служит
вращающийся тонкоободковый маховик (рис. 4.1, б), облада-
ющий упругостью (жесткостью) N. Натяжение в ободе
=NAl пропорционально упругому удлинению А/=2п(г —г0),
вызванному инерционными силами AFr = AMv2/r, распределен-
ными по окружности обода радиусом г. Равновесие элемента
обода массой 2АЛ/=2(Л//2п)Аф определяется соотношением
2AFr = 2AF9sinАф^2АГфАф, откуда 0,5 Mv2 = 2n2(r — r0)N. Сле-
довательно, кинетическая энергия обода 1УК = 2п 2 (г — r0)N. По-
скольку запасенная потенциальная энергия
)Рп = 0,5 .УА/2 = 2п2(г —r0)22V, то W„/ WK= 1 — (r0/r). Таким об-
разом, при малых начальных радиусах го~>0 энергия
0/= №„+ JVK может распределяться на равные части
и в данном устройстве. Из этих примеров видно, что
в отдельных случаях при заряде динамических МН следует
учитывать кроме W* дополнительно энергию Wn. Обе эти
формы энергии используются в режиме разряда.
В дисковом или цилиндрическом маховике из упругого
материала при разгоне с ускорением наряду с кинетической
энергией можно запасти потенциальную энергию, обусловлен-
ную деформацией маховика в тангенциальном направлении.
4.2. УСТРОЙСТВА И УСТАНОВКИ НА БАЗЕ МЕХАНИЧЕСКИХ
СТАТИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
4.2.1. УПРУГОСТНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ
Пружинные накопители. Наиболее распространенный тип механизмов с МН,
предназначенных для различных технических и бытовых устройств, содержит
МН со спиральной пружиной. Пружинный МН обычно применяется в механиз-
мах совместно с зубчатым редуктором и балансиром-регулятором, поддер-
живающим постоянную частоту вращения вала редуктора в режиме разряда
МН. Принципиальная схема простого пружинного МН показана на рис.
4-2, а. Выполненная из плоской стальной ленты пружина при изготовлении
закаливается и затем подвергается заневоливанию (эта технологическая
операция состоит в наворачивании пружины на вал и выдерживании в закручен-
ном состоянии в течение 100 ч для стабилизации упругих свойств). В механизме
Упругая стальная лента работает на изгиб, ближайшие к валу витки спирали
Напряжены сильнее, чем периферийные, которые накапливают’ относительно
Мало потенциальной энергии. Для более равномерного распределения запаса
Механической энергии и улучшения использования упругих свойств пружины
Целесообразно придавать ей двоякоизогнутую S-образную форму (рис. 4.2, б).
Повышение удельной энергии пружинных МН достигается приданием их
другой ленте желобчатого профиля. Такая лента испытывает при навивке
243
Рис. 4.2. Пружинные накопители: "
а—схема НЭ со спиральной пружиной (7—пружина, 2—корпус; 3—вал, 4—редуктор);
6—пружина S-образной формы; в—совмещенная компоновка пружинного НЭ и гидравли-
ческого устройства (1—винтовая пружина, 2—корпус, 3—поршень, 4— вентиль, 5—гид-
ромашина)
изгибную деформацию в продольном и поперечном направлениях. Пружины
со спиралью S-образнон формы из желобчатой ленты обеспечивают постоян-
ство вращающего момента на валу редуктора при разряде НЭ [4.2]. КПД
пружинных МН в зарядно-разрядном цикле превышает 0,9. Удельная энергия
этих МН сравнительно невелика: для единицы объема материала пружины
(стали) И''удо~1600 кДж/м3, для единицы массы ее материала И''удз:0,21 кДж/кг.
Применительно к МН в целом удельная энергия получается меньше, чем
непосредственно для пружины. Пружинные МН энергетически эффективны
при малых мощностях на валу. С увеличением мощности существенно
возрастает относительная доля объема и массы редуктора и регулятора
в устройстве МН.
На рис. 4.2, в показана принципиальная схема МН, содержащего винтовую
цилиндрическую пружину и гидравлическое устройство. При подобной ком-
поновке МН удельные показатели И'удо и И'ул получаются несколько лучше,
чем у собственно пружинных устройств. Гндромашина (рис. 4.2, в) работает
в обратимых режимах: при заряде МН — как компрессор для закачивания
масла и сжатия пружины, при разряде — как гидромотор, вращающийся за
счет использования запасенной энергии. Удельную энергию винтовой пружины
можно существенно увеличить, если снизить массу пружины, выполнив ее
из тонкостенной трубки. В проволочной пружине средние слои материала
работают на кручение и практически бесполезны для накопления упругой
энергии. Однако технологически изготовить трубчатые пружины сложнее, чем
проволочные [4.2].
Газобаллонные накопители. Наибольшие деформации с изменением объема
под действием внешнего давления допускают газообразные вещества. При
нцнпнальная схема устройства газобаллонного МН приведена на рис. 4-3, а-
В режиме заряда газ закачивается в баллон компрессором. Крупномасштабные
установки запасают в сжатом газе большую энергию. Отличительная черта
газобаллонных МН—возможность длительного хранения энергии. При заряДе
244
Рис. 4.3. Газобаллонные накопители:
а—принципиальная схема устройства (7 — баллон со сжатым газом, 2—вентиль,
J—пневмодвигатель, 4 — манометр); б—совмещенная компоновка газобаллонного НЭ
я гидравлического устройства (/—сжатый газ, 2—баллон, 3— эластичная перегородка,
. 4—масло, 5 — гндромашина, 6—масляный резервуар)
НЭ газ существенно нагревается, но в режиме хранения остывает до
температуры окружающей среды, теряя около 30—40% запасенной энергии
[4.2]. Недостаток рассматриваемых МН состоит в относительно низком
КПД: с учетом КПД компрессора 0,25-?-0,3 эффективный КПД заряда
tU«0,12.
В режиме разряда отбор энергии от газобаллонного МН производится,
например, с помощью пневмотурбины. При разряде максимальное значение
работы, совершаемой газом при расширении, достигается в изотермическом
процессе с уменьшением давления от рх до р2. Соответствующая удельная
работа составляет:
в расчете на 1 кг массы газа, Дж/кг, [4.2, 4.5]
Рг Р1
в расчете на 1 м3 объема баллона, Дж/м3,
>Гудо=/>1(1п—-1), (4.5)
Р2 Р1
пРИчем Я = /?у/р,—газовая постоянная [см. (4.3)].
Если принять в рассматриваемой установке, например, />, = 10*118,
/,2=Ю5Па, то по (4.5) 1Р>д0з:6 I08 Дж/м3 = 600 кДж/л. В действительности
из-за сравнительной кратковременности процесс разряда МН близок к али-
фатическому расширению, при котором значение IP^o, в частности для
двухатомных газов, получается приблизительно в 2 раза меньше, чем для
И3°термического процесса. Кроме того, высокие давления pY обусловливают
°Пережающее повышение массы стальных баллонов. Поэтому в установках
Энного типа целесообразны р,$300 105 Па с учетом потерь при дрос-
СеЛированин газа до давления впуска его в расширительную пневмомашину
Урбину). Обычно КПД такой турбины г]т<0,3. Рациональная верхняя граница
Мощности газовых устройств Рк 102 кВт. Подобные МН применяются,
245
например, в рудничных воздуховозах, перемещающих по рельсам составы
массой до 100 т. При общей емкости баллонов 2 м3 и давлении 22,5 МПа
длина пробега после однократной заправки составляет 5—6 км.
Один из путей повышения эффективности использования рассматриваемых
НЭ состоит в увеличении КПД данных установок посредством применения
газобаллонных накопителей, совмещенных с гидравлическим устройством (рис
4.3, б). В режиме заряда обратимая гидромашина 5 работает как насос (от
внешнего привода) и нагнетает в баллон 2 масло 4, с помощью которого
сжимается газ 1, отделенный от масла свободным поршнем или мембраной
3. Последняя предпочтительна в установках с относительно малыми перепадами
давления, так как упрощается конструкция уплотнений. При разряде потен-
циальная энергия сжатого газа преобразуется в кинетическую энергию роторной
гидромашиной, работающей как двигатель. Резервуар 6 служит для сбора
масла. Возрастание КПД в устройстве обусловливают следующие факторы:
меньшая степень расширения газа, чем в газовых МН; снижение тепловыделе-
ния при расширении газа; высокий КПД собственно масляной объемной
гидросистемы, в том числе гидромашины [4.2].
Гидрогазовые системы имеют преимущественное применение на практике
(в мощных промышленных прессах, стартерных устройствах транспортных
средств, рекуператорах энергии торможения и др. установках).
В целях уменьшения массы баллонов для сжатого газа их рекомендуется
изготавливать из высокопрочных легких композиционных материалов на основе
различных волокон (например, графитовых, стеклянных, полимерных) с эпоксид-
ным связующим. Рациональна сферическая форма баллона, обладающая
наименьшей площадью поверхности при заданном объеме (изопериметрическое
свойство). Срок службы НЭ повышается при использовании нейтральных газов, из
которых наименьшую стоимость имеет, азот (реже применяют гелий или аргон).
Перспективный способ повышения КПД газовых МН — их совместное
использование с накопителями тепловой энергии (НТЭ). Тепловые аккуму-
ляторы запасают энергию* в нагреваемом выше точки плавления рабочем
теле (соединении металла), размещенном в термостатированном резервуаре.
Накопленная за счет теплоемкости и фазового перехода энергия [4.6]
W=eM(T2-Tl) + Wnx,
гпе с, М—удельная теплоемкость и масса вещества; Ть Т2 — начальная
и конечная температура при заряде НТЭ; Wall— теплота плавления. При
разряде НТЭ охлаждение рабочего тела сопровождается его обратным
фазовым переходом в твердое состояние с выделением тепла, которое
подводится к газобаллонному МН.
Как известно, при расширении в режиме разряда баллона газ сильно
охлаждается и теряет значительную часть запасенной энергии. Поступают66
* При самостоятельном крупномасштабном применении НТЭ на ТЭП
заряд производится в ночное время с помощью электронагревателей, поТРе„о
ляющих энергию из энергосистемы. В качестве рабочего тела
использовать воду (Т3«368 К); при разряде НТЭ работает совместно с
как дополнительный источник тепла.
246
от НТЭ тепло компенсирует уменьшение запаса энергии н обусловливает
возрастание КПД установки. Приведем удельные значения И/уд0=И//К выделя-
емой при охлаждении перспективных для практического применения расплав-
ленных веществ, работающих в диапазоне температур Т= 720 4-1800 К. Соедине-
ниям Li (фтористому литию LiF и гидриду лития LiH) соответствуют
показатели И/удО = 4,23 • 103 кДж/л и 1Судо = 11,36 • 103 кДж/л; для оксида алюми-
ния значение И/удО = 7,13 • 103 кДж/л (для сравнения укажем теплоту сгорания
керосина в кислороде ГТ'удо 7 • i 03 кДж/л) [4.5].
Существуют проекты крупномасштабного применения газовых МН в эле-
ктроэнергетических системах для снятия пиков потребления. Главная часть
установки — подземная полость (резервуар) для запасания сжатого атмосфер-
ного воздуха с помощью агрегата обратимой пневмомашины с синхронной
электрической машиной, работающей в режиме двигателя (при заряде) нлн
генератора (при разряде НЭ) [1.1, 4.2].
4.2.2. ГРАВИТАЦИОННО-ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ
Гидроаккумулирующая установка (ГАУ). Неравномерность потребления
электроэнергии в энергосистемах в течение суточных или недельных циклов
(большие провалы нагрузок характерны для ночных часов или нерабочих
дней) обусловливает разделение электрических станций (ЭС) системы на
базовые и маневренные. Первые работают всегда в расчетном номинальном
режиме, который экономически наиболее выгоден. Маневренные ЭС в ночные
’часы имеют нагрузку около 50% номинальной, что снижает КПД этих ЭС.
Поэтому рационально использовать большинство ЭС как базовые, направляя
избыток электроэнергии (во время провалов потребления) для заряда ГАУ
на гидравлической аккумулирующей ЭС. Накопленная энергия после преоб-
разования поступает в энергосистему в часы наибольших нагрузок (режим
разряда). Время запуска ГАУ и смены, режимов измеряется всего несколькими
минутами. Гидроаккумулирующие станции работают во многих странах
(США, Франции, Японии и др.). Например, в США (шт. Калифорния)
работает ГАЭС мощностью 1050 МВт, имеющая в своем составе три ГАУ
с двигателями-генераторами на 350 МВт. Общая мощность всех ГАЭС в мире
в сумме приближается к уровню 108 кВт. К настоящему времени в СССР
Действует Киевская гидроаккумулирующая ЭС мощностью 225 тыс. кВт,
будут построены станции мощностью 1600 тыс. кВт (в Литве), Загорская
станция мощностью 1200 тыс. кВт около Москвы (эта ЭС рассчитана иа
Шесть генераторов-двигателей по 200/224 тыс. кВт при частоте вращения
'50 об/мин и напряжении 15750 В) и Каневская ЭС с 16 ГАУ общей
мощностью 3600 тыс. кВт в УССР. Разрабатывается проект еще более
мощной Панаярвинской ГАЭС в Карельской АССР [4.21].
Накопительные бассейны ГАУ сооружают на возвышенностях. В отдельных
Районах целесообразно строить ГАУ с подземными водяными резервуарами.
На рис. 4.4 показана принципиальная схема электрической станции с ГАУ
('']. Паротурбогенераторные блоки расположены в помещении 1. На общем
валу ГАУ расположены синхронная электрическая машина 2 и гидравлическая
л°пастная машина 3. Обе машины агрегата работают в обратимых режимах.
247
»-
it.
Рис. 4.4. Принципиальная
ЭС с ГАУ
При заряде ГАУ синхронная
машина действует как электро,
двигатель и потребляет энергию
из электрической системы 4
вращая машину 3—гидронасос
который поднимает воду нз
нижнего подземного резервуара
3 в верхний наземный резервуар
6. На ЭС могут действовать
несколько агрегатов машин
2 и 3. В режиме разряда ма-
шина 3 работает как гидрав-
лическая турбина и под воз-
действием напора падающей
воды вращает машину 2—син-
хронный генератор, который
отдает электроэнергию в систе-
му 4. Вода при разряде НЭ перетекает в резервуар 5.
Примем в иллюстративном примере мощность ЭС P=106kBt, число ГАУ
а=2. Пусть в течение ночных шести часов имеется избыточная мощность
РЯ=О,5Р=5 • 105 кВт. Тогда к каждой ГАУ за время заряда Г3=6 -3600=21,6-103 с
можно подвести электроэнергию И/3=Г’и13/а = 54-108 кДж. Если разность высот
между водяными поверхностями резервуаров /<=200 м, то согласно формуле
(4.4) для подъема единичной массы (М\ = 1 кг) необходима энергия
B/ya=gA = 9,81-200= 1962 Дж/кг. С учетом КПД т]а нагнетательного агрегата
1Г(Д = И/уд/т]а = 1,962/т]а кДж/кг. Таким образом, для утилизации всей избыточной
энергии за ночь каждый агрегат машин 2, 3 должен перекачать воду массой
М= Ц/3/1ГУД = 2,75 • 108г]а кг. Полагая г]а = О,88, получаем М=2420 тыс. т. Для
размещения такого количества воды необходим объем К=2,42 • 106 м3, что
эквивалентно, например, бассейну глубиной 20 м и радиусом около 200 м. Как
видим, для создания ГАУ необходимо возвести соответствующее гидротехническое
сооружение.
Водонапорная установка. В качестве еще одной разновидности гравитационно-
гидравлических МН рассмотрим водонапорную установку, принципиальная схема
которой приведена на рис. 4.5. Данный тип МН получил название «гидротаран»-
Такие накопительные установки предназначены для использования в сельском
хозяйстве и строительстве при создании систем водоснабжения относительно
небольшой мощности. В режиме заряда НЭ под действием гидравлического
удара вода поднимается в резервуар 1 по трубопроводу 2 на высоту Ai Д° ,м'
Резкое повышение давления в трубопроводе 3 с движущейся жидкостью
происходит при внезапном изменении скорости потока из-за быстрогО
перекрытия стока воды отбойным клапаном 4, который закрывается динамичес
ким напором при определенной скорости воды в наклонном трубопровод6.
При гидроударе открывается впускной клапан 5, расположенный практиче
248
рйС. 4.5. Принципиальная схема уст-
ройства гидротарана
ва глубине h2 ниже уровня источника
вОды 6. Для защиты трубопровода
j от разрушения вследствие удара
служит напорный бак 7. После подъ-
ема некоторого количества воды под
зоздействием инерционных сил в ре-
зервуар 1 'давление падает, клапан
5 закрывается, а клапан 4 открывается
приложенным извне усилием F. Затем
процедура заряда периодически по-
вторяется вплоть до заполнения бака
1. Разряд НЭ на систему водоснаб-
жения производится при отборе воды
из бака 1. С помощью выпускного
отверстия и отвода 8 вода направля-
ется к потребителям.
4.3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
ДИНАМИЧЕСКИХ ИНЕРЦИОННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
Динамические инерционные МН наряду с ЭХН обладают
наибольшей удельной энергией. Основным функциональным
элементом данных МН является вращающийся маховик. Рас-
смотрим вначале маховичные накопители, исключая упругую
энергию. Последняя под влиянием инерционных сил, дейст-
вующих на упругие вращающиеся элементы, может быть
запасена наряду с кинетической энергией в специальных
комбинированных устройствах, изучаемых в дальнейшем.
Уравнение движения маховика, справедливое в режимах
заряда и разряда НЭ, имеет вид
MBK = Jd£ll dt — М-,. (4.6)
В (4.6) внешний момент Мвн является активным (движущим)
Моментом при заряде или реактивным (тормозящим) моментом
ПРИ разряде МН. Динамический момент М1IKH = JdQFdt имеет
знак, определяемый угловым ускорением z = d£}.ldt. Момент
Дения МТ = МТ, а + Л/т. п равен сумме моментов аэродинамичес-
кого трения (А/т, а) и трения в подшипниковых опорах и уп-
лотнениях (Л/Т п). Умножая (4.6) на Qdt и интегрируя, получаем
^Равнение баланса энергии
«/ z--------------
г2 *2 «2
Q.My,adt— £lM?indt = QMB„dt,
!i h ч
249
(4-7)
где Qi, Q2— начальная и конечная угловые скорости маховика;
tv, t2—соответствующие значения времени.
Из (4.7) видно, что, например, в режиме разряда кинетичес-
кая энергия ^ = 0,57(0? — расходуется на отводимую от
МН энергию
!2
W= j QM^dt I
I
и энергию потерь трения , Н
н
= f Q.WT,a^+f НМТ,ПЛ. I
ц ч Ц
Для увеличения эффективности инерционных МН необ-
ходимо обеспечить наибольший возможный уровень начальной
кинетической энергии A/K1=JQi/2 и свести к минимуму потери
WT при помощи соответствующих конструктивных решений.
Металлические маховики. На рис. 4.6 изображены махович-
ные накопительные элементы различной формы. Как показано
в прочностном расчете (§ 4.5.1), для базовой модели в виде
тонкого ободкового МН допустима предельная окружная
Рис. 4.6. Металлические маховики инерционных НЭ
250
скорость п=х/<тр/у, следовательно, наибольшая запасенная
энергия W= Q,5Mv 2 = 0,5Л/ор/у. Удельная энергия
Wya = Ж/Л/=0,5ар/у.
Для диска постоянной толщины или цилиндра радиусом
R значение В/Уд = JQ2/2M = (ОТ?)2/4 = 0,25г2 определяется также
квадратом окружной скорости на периферии v2 = (ОТ?)2 ~ <др/у.
В общем случае для различных МН показатель И/уд = иар/у
при одинаковых параметрах материала ср и у пропорционален
коэффициенту формы и. Аналогичное соотношение справедливо
также для индуктивных НЭ (см. гл. 2). Ниже приведены
значения и, соответствующие различным конструкциям махо-
виков по рис. 4.6, а—з, на основании данных [4.1, 4.20].
.Наибольший коэффициент и->1 имеет диск (рис. 4.6, е)
с квадратично-экспоненциальным профилем (равной прочно-
сти). Толщина этого диска 6 = 6(г) изменяется по радиусу как
b = Ьо ехр (— 0,5уП2г2 / о),
где Ьо = Ь(0)—толщина диска на оси при г = 0; при наличии
на периферии пояска разрывающее напряжение о одинаково
на всех цилиндрических поверхностях г = const диска [4.1, 4.7].
Такие диски из прочной стали при о = ор допускают на
внешней окружности скорость v = Qr = 400 ~ 500 м/с и обуслов-
ливают показатель Wya к 200 кДж/кг.
Коэффициенты формы х дли различных маховиков
дискового, ободкового и стержневого типов
Диск постоянной толщины с малым отверстием в центральной
зоне (рис. 4.6, а) .............................. 0,3
Тонкий обод (рис. 4.6, б) ....................... 0,5
Диск с ободом (рис. 4.6, в) ...................... 0,3<х<0,5
Диск постоянной толщины без центрального отверстия
(рис. 4.6, г) ................................... 0,6
Конический и гиперболический диски без отверстия
(рис. 4.6, д, ж) ................................. х»0,8
Диск равной прочности (рис. 4.6, е) ............ х->1
Стержень равной прочности (рис. 4.6, з) ......... 0,5
Примечание. При наличии обода у диска с профилем равной прочности 0,6<х<1
> зависимости от размеров обода.
Предельное значение запасаемой энергии единичного метал-
лического маховика определяется конструктивно-технологичес-
кими ограничениями по массе и габаритам. Наиболее крупные
стальные поковки (до 250 т), удовлетворяющие заданным
требованиям металлургического качества, изготавливаются из
слитков массой 500 т. Поковки подвергаются термообработке
и ультразвуковому контролю дефектов. В случае выполнения
Маховиков без центрального отверстия возможна их работа
£ частотой вращения 3000 об/мин при диаметре до 2 м.
“еально достигнутый уровень запасенной энергии в МН
251
с горизонтальным расположением вала составляет 3,6 —
36 МДж. Удельная стоимость МН в США равна 0,02 —
0,04 доллар/кДж по запасенной энергии [4.12].
Если необходимо накопить энергию в диапазоне 103 —
104 МДж и более, целесообразны вертикальные конструкции
МН с составными (сборными) маховиками.
Наряду с дисками для маховиков используют иногда
стержни равной прочности, симметричные относительно своей
продольной оси (рис. 4.6, з). Площадь круга в сечениях такого
профилированного стержня [4.1]
S(r) = Soexp( —0,5yQ2r2/o),
где So — площадь в средней плоскости стержня (на поперечной
оси вращения г = 0).
Коэффициент формы этого стержня к = 0,5. Для проведения
сравнительных предельных оценок Шуд представляет интерес
сводка характерных механических параметров лучших сортов
металлических (массивных) материалов, имеющих перспективы
для изготовления маховиков (табл. 4.1).
Таблица 4.1. Механические свойства металлических материалов
для изготовлеиия маховиков |4.81
Параметр материала Легированные стали Титановые сплавы (ВТ) Алюминиевые сплавы (В95) Магниевые сплавы (МА)
Плотность у, кг/м3 Коэффициент Пуас- сона V Модуль упругости Е, Н/м2 Предел прочности о„. Н/м2 Допустимое напря- ние <тр, Н/м2 Наибольшее отно- шение ов/у, м2/с2 (или Дж/кг) 7900 0,24-0,28 (2-2,2) 10“ (8-13) 108 (2-4) 108 1,65-10’ 4600 0,3-0,31 (1,15-1,2)10“ (8—14) 108 (2-4) 108 3 10’ 2800 0,32-0,36 7,2-Ю10 (2-5) 108 5 • 107-2 • 108 1,8-105 1800 0,31-0,34 3,5-1010 (2-5) Ю8 5-107-2-108 2,7 • Ю’
Примечание. Коэффициент
запаса прочности /сэ = ая/ар^2ч-4.
Многослойные маховики. Исследования по увеличении)
удельной энергии привели к созданию различных конструкций
супермаховиков на основе металлических проволок и лент,
а также композитных волокнистых неметаллических матери-
алов. Известно, что стальная проволока или лента (вследствие
своей внутренней структуры, образованной волочением или
холодной прокаткой) допускает ор, в несколько раз превос-
ходящие предельные напряжения массивных изделий из тог
же металла. Следовательно, в навитом из проклеенных слое
непрерывной ленты маховике (рис. 4.7, а) можно получит
252
Рис. 4.7. Конструктивные типы основных разновидностей супермаховиков:
а—ленточный (7 металлическая лента, 2 — кожух, 3—легкий диск); б — стержневой
(I—волоконные стержни, 2—обойма); в — ободковый (/—волоконный обод, 2—бандаж,
3—легкий диск); г — дисковый (квазиизотропная композитная конструкция из волокон);
д- ободково-дисковый (I—волоконный обод, 2 — ленточные спицы)
соответственно более высокие значения №уя, чем в сплошных
дисках. Ленточные маховики оказываются безопасными при
разрыве на сверхугонных скоростях: потерявшие прочность
наиболее напряженные периферийные * витки выполняют роль
предохранительного элемента, тормозя маховик трением о за-
щитный кожух [4.1].
Дальнейшее увеличение уровня удельной энергии обуслов-
ливается использованием неметаллических волокон с , малой
плотностью и высокой прочностью [4.1—4.3], которые вместе
с эпоксидными связующими составляют композитные тех-
нологические изделия, идущие на изготовление супермаховиков.
Распространены три основные конструктивные разновидности
таких супермаховиков — стержневая, ободковая и дисковая
с перекрестно скрепленными волокнами (рис. 4.7,6—г соответ-
ственно). Здесь применяют три типа исходных пластиковых
Материалов: органоволокно (кевлар) как наиболее легкий
Материал, стекловолокно как материал наименьшей стоимости
й графитоволокно (углеродные нити) как материал с наиболь-
шей относительной прочностью (бр/у). Некоторые механические
свойства композитов (для случая окружной намотки) охарак-
теризованы в табл. 4.2. Уровень удельной энергии определяется
Параметрами композитов для продольного направления, ко-
торое в ободковых маховиках — окружное, а в стержневых—
253
радиальное. Созданные ободковые маховики из органопласти-
ковых или графитопластиковых композитов имеют показатель
И/уд = 510 кДж/кг, а из стеклокомпозитов—до И/уд = 4000 кДж/кг.
Таблица 4.2. Механические параметры композитов на основе волокнистых
материалов с эпоксидным связующим [4.16—4.18)
Параметр Волокнистая основа композита:
графитово- локно органово- локно (кевлар) стеклово- локно
Плотность у, кг/м3 1500 1380 2000
Коэффициент Пуассона v 0,27 0,34 0,25
Модуль упругости при растяжении Е, Н/м .
в окружном направлении 12,4 1ОВ * 10 7,6 Ю10 5,4 Ю10
в радиальном направлении 8,8 • 10’ 4,5 • 10’ 2,1 Ю10
Допустимое напряжение при растяжении ср, Н/м2:
в окружном направлении 1,52 -10’ 1,38 10’ 1,56 10’
в радиальном направлении 3,31 107 1,59 107 4107
Отношение ср/у, Дж/кг:
в окружном направлении 1,01-10® 106 7,8 • 105
в радиальном направлении 2,2 • 104 1,15 • 10* 2-104
В легких композитных маховиках, несмотря на большую
удельную энергию И'уд = WfM, затруднительно достижение
высокого абсолютного уровня запасенной энергии. Предельный
диаметр этих маховиков ограничен значением порядка 3—4м
по условиям работы современного технологического оборудова-
ния для намотки ленты. Однако известны проекты крупных
МН, предназначенных для использования в электроэнергетичес-
ких системах, со стеклопластиковыми маховиками диаметром
до 18 м и толщиной 3—6 м. Четыре таких маховика рас-
считаны на накопление суммарной энергии И7=36 • 104 МД*
[4.2]. При преобразовании в электроэнергию с КПД порядка
0,8 этот запас кинетической энергии может обеспечить работу
потребителей мощностью 1000 кВт в течение 80 ч.
Комбинированные маховики. Один из перспективных путей
увеличения удельной энергии маховиков состоит в использова-
нии упругих свойств волокнистых материалов, которые удлиня-
ются под растягивающим действием инерционных сил в0
вращающемся маховике и запасают кроме кинетической энер-
гии еще дополнительно потенциальную энергию. Последняя
определяется относительной деформацией волокон
и теоретически может оказаться соизмеримой по уровн
с кинетической энергией маховика, если его материал обладае
большим отношением ор/£ [4.3]. Практически такой махов»
254
способен выделять значительную 'часть суммарного запаса
энергии при сравнительно небольшом уменьшении угловой
скорости в процессе торможения (разрядном режиме МН).
ца рис. 4.7, д показана одна из разновидностей маховиков
данного типа с некруглым волокнистым ободом (в исходном
неподвижном состоянии) и ленточными спицами. При вращении
волокна обода растягиваются и обод маховика приобретает
круглую форму. В этой конструкции предотвращается рас-
слоение обода в радиальном направлении при вращении, что
обычно свойственно композитным маховикам и может при-
водить к их разрушению.
Особыми упругими качествами обладает техническая резина.
Известно, в частности, что для нее ар/£’>1, поэтому даже
при невысоких допустимых окружных скоростях можно по-
лучить в резиновом маховике удельную энергию, соизмеримую
с показателем монолитных стальных маховиков. Следует
учитывать, что при растяжении данного маховика его диаметр
увеличивается примерно вдвое.
Потерн на тренне н пути нх уменьшения в МН. Для всех
типов маховиков в режимах заряда и разряда целесообразно
снижать потери на трение. На основании (4.7) КПД заряда
43= 1К/( WK + WT), КПД разряда г]р= 1 —( WT/WK). Если маховик
вращается в воздушной среде нормального давления и установ-
лен в обычных опорах качения либо скольжения, то учитыва- J
емые посредством г|р, г|3 потери могут оказаться недопустимо
большими (г|р%0,7).
Энергия потерь трения в расчете на пару подшипников.
Г2
п = фс Л/т, п = Л/т, п f Q (г) dt,
где <рс—суммарный угол поворота* маховика за время
—?i.
Момент трения (для пары подшипников)
MT.n = 0,5gM/T,ndB, (4.8)
гДе /т.п—коэффициент трения подшипника; dB—диаметр вала
8 опоре; М—масса маховика; g = 9,81 м/с2.
Для опор качения /т>п = 0,001-^0,004, для опор скольжения
А, п = 0,015 — 0,02 в зависимости от качества подшипника. При
^Данной угловой скорости Q = 2nn мощность потерь в двух
Подшипниках Рт п = 2ттМт п.
х Момент потерь аэродинамического трения цилиндрического
из момента
и момента
диаметром
Рт>д могут
^ховика в кожухе Л/т.а = Л/т> Ц + Л/Т> д складывается
р.ц на цилиндрической поверхности шириной L
Дт.д на двух торцевых дисковых поверхностях
Соответствующие мощности потерь Рт,ц,
255
быть рассчитаны на основе классической модели течения
Куэтта (оно наблюдается в канале, у которого одна из стенок
движется; теоретически течение Куэтта не имеет пограничных
слоев у стенок канала). В случае турбулентного течения расчет
с учетом эмпирических коэффициентов дает
Л,ц = 2лиЛ/т.ц = 0,458£>42л3; )
Л,д = 2лиЛ/т.д = 3,82- 102СмуаР5т?3,)
причем коэффициент момента аэродинамического сопротивле- i
ния CM = 0,0277Re70,2 (<5Т/Т?)0,2. дисковое число Рейнольдса
Refl = Q7?2/va; 8Т—торцевой зазор между маховиком и кожухом
(уа, va—плотность и кинематическая вязкость среды, окру-
жающей вращающийся маховик).
Известны также эмпирические формулы [4.1 ] для расчета
Мт а дисковых маховиков в различных средах, которые можно
свести к общему выражению
А/т>а = /са • 10“3£р* [1+ Х(4+у)] Z)4+yn1+z, (4.10)
где р^=Р!Ро—относительное давление среды, р0—нормальное
атмосферное давление; Е,%0,8 при наличии кожуха и £=1
в отсутствие кожуха; k — L'iD.
Для воздушной среды ка= 10,6; р = 0,4; z = 0,7; для водород-
ной среды ка= 1,69; г = 0; z = 0,5; для гелиевой среды fca=3,54;
у — 0; z = 0,5.
Из приведенных соотношений видны пути повышения КПД
инерционных МН. Согласно (4.8) для уменьшения потерь
в подшипниках следует снижать массу маховика и коэффициент
трения /т, п. С этой целью выбирают легкие материалы для
изготовления маховика; наряду с традиционными подшип-
никами качения или скольжения применяют специальные
конструкции опор. Для МН представляют интерес опоры
с использованием явления избирательного переноса (ИП).
эффекта аномально низкого трения (АНТ), газовые и магнитные
опоры. Приведем их краткую характеристику.
Явление ИП представляет собой особый вид трения с об-
разованием на одной или обеих трущихся поверхностях тонкой
пластической пленки металла, в которой происходит сдвиговая
деформация. Возникает ИП при наличии синтетической смазка
например в высоконагруженном узле трения стали по бронзе,
на которой появляется слой меди толщиной .$<1 мкм. При
ИП коэффициент трения скольжения fT п<0,01, относительны
износ на порядок меньше, чем в обычных опорах с гранично
смазкой [4.9]. <
Эффект АНТ проявляется в условиях вакуума при 0
лучении а-частицами или р-частицами поверхности трен
элементов опоры — металлического вала и полимерного вк;1
256
дыша (например, из политетрафторэтилена) либо вкладыша,
покрытого слоем твердой смазки — молибденитом (MoS2).
Обычно в вакууме работа узлов трения традиционной конст-
рукции существенно затруднена. Эффект АНТ интенсифициру-
ется при низкотемпературном (азотном) охлаждении опоры,
обусловливая коэффициент трения порядка 10 ~4. для измерения
которого требуются специальные методы. Необходимый при
работе опоры с АНТ источник облучения может быть выполнен
небольших размеров с малым потреблением электроэнергии
для разгона а-частиц [4.10].
Опоры с газовой смазкой. Различают газостатические и га-
зодинамические опоры. Газостатические опоры работают с по-
мощью внешнего напорного устройства, подводящего к опор-
ной поверхности газ под давлением для создания смазочного
клина. Эти опоры при определенном расходе газа могут
обеспечить «всплытие» вала при его неподвижном состоянии.
Достоинство газостатических опор в том. что они обеспечивают
работоспособность узла трения в условиях пуска и останова,
имеют достаточно большой ресурс. Их недостаток состоит
в необходимости применения специального компрессора для
нагнетания газа в опору (рис. 4.8. в).
Газодинамические опоры имеют специальный профиль повер-
хности трения, который обеспечивает создание напора газа,
поступающего из окружающей среды при вращении вала.
Достоинство этих опор состоит в простоте и компактности
конструкции, а также в том, что для их работы не требуется
внешнее напорное устройство. Недостаток газодинамических
опор определяется затруднениями при их работе в режимах
пуска и останова: из-за отсутствия смазывающего газового
клина при трогании вала и в момент остановки имеет место
сухое трение, которое обусловливает повышение износа повер-
хностей элементов опоры. Поэтому ресурс данных опор
определяется числом рабочих циклов «пуск — останов». Для
Увеличения ресурса (при Q--»0) используется твердая смазка,
работающая на стадии пуска маховика и его остановки.
Газодинамические опоры выполняю 1ся с цилиндрическими,
коническими, сферическими или плоскими (для подпятников)
Поверхностями неподвижного и вращающегося элементов, раз-
деленных зазором б^Юмкм. Образующийся при вращении
вала газовый клип обусловливает подъемную силу, приложен-
ную к ротору, и работает подобно масляной смазке подшип-
ников скольжения. Схемы устройства газодинамических опор
Приведены на рис. 4.8, а, б. Эти опоры допускают вращение
Ротора с высокими угловыми скоростями, причем потери
тРения в опорах незначительны. Вследствие малых зазоров
МеЖду элементами опоры необходима повышенная точность
При их изготовлении (размер зазора определяется требуемыми
257
з JO37
Рис. 4.8. Схемы устройства опор и уплотнений:
а -в газовые опоры с цилиндрической (а), сферической (й) и подпятнико-подшипниковой
плоской и цилиндрической (в) формой опорных поверхностей; г — магнитный подшипник;
д — магнитный подпятник; е. ж -магнитные уплотнения с возбуждением от постоянного
магнита (е) и электромагнита (ж); 1 - вращающаяся часть опоры или уплотнения;
2 - неподвижная часть; 3- - постоянный магнит; 4 - обмотка возбуждения электромагнита;
5 камера с феррожидкостью
эксплуатационными показателями опоры: ее несущей способ-
ностью, жесткостью).
Магнитные опоры (подшипники и подпятники) перспективны
для высокоскоростных МН, выполненных на базе волокнистых
супермаховиков, которые даже при больших диаметрах имеют
относительно малую массу вследствие низкой плотности ма-
териала органоволокон. Действие опор основано на принципе
магнитного парения (левитации).
Опоры выполняются на постоянных магнитах и электромаГ"
нитах постоянного либо переменного тока (индукционног°
типа), а также в виде различных комбинированных устройств-
Крупномасштабное применение магнитных опор в современной
258
г
технике реализовано, например, при создании высокоскорост-
ных наземных транспортных средств на магнитном подвесе
[5.5].
В подвесах малых МН гироскопических устройств, а также
в подвесах приборов наряду с магнитными используются
также электростатические опоры.
Для МН в зависимости от конструкции опор [4.11] могут
. использоваться силы притяжения разноименных или оттал-
кивания одноименных магнитных полюсов. В индукционных
опорах обычно используются силы отталкивания, обусловлен-
ные электромагнитным взаимодействием намагничивающего
। (первичного) элемента опоры с полем вихревых токов, наведен-
' ных в проводящем (вторичном) элементе опоры.
Схемы, поясняющие устройство простейших видов магнит-
ных опор, показаны на рис. 4.8, г, д. Эти опоры являются
саморегулируемыми. Например, при появлении эксцентриситета
в опоре по рис. 4.8, г возрастает сила отталкивания одноимен-
ных полюсов магнитов, которая центрирует вал. Если предъяв-
ляются повышенные требования к соосности элементов опоры,
то для уменьшения погрешности центрирования в схему
управления работой опоры вводятся обратные связи, посред-
ством которых осуществляется воздействие на электромагнит-
ные силы (например, в комбинированной опоре варьируется
ток возбуждения электромагнита).
Удельная сила, приходящаяся на единицу площади меж-
полюсного зазора в опоре, составляет Fya = Bj/2p0. Здесь
В6—усредненное значение магнитной индукции в зазоре;
Ио = 4я• 10“7 Гн/м — магнитная постоянная.
Достоинство магнитных опор различных типов состоит
в том, что в них отсутствуют механические потери на трение,
i Затраты мощности при работе опор определяются магнитными
I и электрическими потерями в соответствующих элементах
конструкции. Недостатком магнитных опор является в общем
। случае неустойчивое положение ротора, особенно при внешних
I Динамических воздействиях на ротор (например, в случае
Ускорения автономной установки с МН). Для обеспечения
Устойчивости применяются различные вспомогательные устрой-
ства, в том числе механические. Эффективными средствами
борьбы с неустойчивостью служат устройства автоматического
Регулирования, корректирующие пространственное распределе-
ние магнитного поля в рабочем зазоре опоры с помощью
электромагнитов (в частности, устройства, действующие на
Принципе резонанса тока в индуктивно-емкостной электрической
I Цепи).
С помощью магнитных опор можно оказывать активное
влияние на вращение ротора, практически устраняя его
Дисбаланс регулированием магнитных сил. В современных
259
ж
магнитных опорах допускаются окружные скорости на по-
верхности вала порядка 102 м/с. Опоры надежно работают
при неблагоприятных условиях внешней среды. Для управления
электромагнитными опорами в крупных установках испо-
льзуются компьютерно-микропроцессорные средства [4.19].
Высокочувствительные датчики обеспечивают измерения по-
ложения ротора до 104 раз за секунду, по их сигналам
ЭВМ рассчитывает значения корректирующих токов, которые
через усилители подаются в обмотки электромагнитов: каждая
из радиальных опор содержит по четыре электромагнита,
равномерно распределенных вокруг вала. Для стабилизации
вала в осевом направлении используются аксиальные эле-
ктромагнитные опоры. Качество работы системы регули-’
рования существенно зависит от полноты программы ЭВМ.
Адекватная программа наряду с данными измерений положения
вала должна учитывать механические свойства ротора (про-
гибы, критические частоты вращения и г. п.).
Для уменьшения аэродинамических потерь при вращении
маховика согласно (4.9), (4.10) целесообразно создавать специ-
альную среду внутри кожуха. Применяют газообразные напол-
нители с малой плотностью — водород (уа = 0,0899 кг/м3). гелий
(уа = 0,178 кг/м3) и др. Для сравнения укажем, что плотность
воздуха уа= 1,29 кг/м3. Эффективно понижение давления р во
внутренней полости (вакуумирование кожуха). Важен тем-
пературный режим, влияющий па параметры среды. Например,
при Г=250 К потери уменьшаются приблизительно на 17%
по сравнению с Рт, а при Г=300 К для воздушной среды.
Минимизирующий Рт_ а рациональный размер 5Т зазора между
маховиком и кожухом зависит от толщины пограничного
слоя газа, практически имеющегося на внутренней поверхности
кожуха. Ориентировочно можно принимать 5r^s(0,01 s-0,03)D.
Необходима тщательная обработка поверхностей маховика
и кожуха, придание маховику аэродинамически обтекаемой
формы.
Представляет интерес конструкция МН с установленным
внутри неподвижного основного кожуха дополнительным лег-
ким кожухом, который увлекается движущейся средой (напол-
нителем) и вращается с промежуточной скоростью (£1'з:0,5О.
и'«0,5и). Это по (4.9) приводит к уменьшению Рт а. Однако
в данном случае следует учитывать удвоение площади повер-
хностей аэродинамического трения и некоторое возрастание
потерь Ртп из-за добавления пары опор [4.1]. Заметим, что
обычно А.п^Л.а-
Наиболее эффективные для уменьшения Р, средства-'
снижение р или уа требуют герметизации вращающегося
маховика. В высокоскоростных МН с супермаховиками необ-
ходимо вакуумирование внутренней полости кожуха. Значения
260
окружной скорости v >330 м/с на периферии супермаховиков
превышают скорость звука в воздухе, поэтому число Маха
Ма>1- что обусловливает резкое изменение аэродинамических
характеристик маховика (см. §4.1). Герметизация обусловли-
вает некоторые особенности конструкции МН: наличие соот-
ветствующих газовых или вакуумных уплотнений на свободном
конце вала, с помощью которого выводится механическая
энергия; применение гибких герметизирующих стенок для
отбора энергии посредством волновой передачи; осуществление
бесконтактной связи с потребителем через электромагнитную
муфту, ведущая и ведомая части которой расположены по
разные стороны разделительной стенки; использование повод-
ковой муфты с сильфоном; размещение МН и потребителя
(например, электрического генератора) на одном валу внутри
общего герметизированного объема и др. [4.1].
В настоящее время преимущественно распространены ла-
биринтные и манжетные уплотнения различных конструктивных
исполнений, которые подробно описаны в [4.14, 4.15].
Для вакуумированных МН перспективно применение маг-
нитных уплотнений. Они изготавливаются в виде пары коль-
цевых полюсных наконечников постоянного магнита (или
электромагнита), охватывающих вращающийся вал. В меж-
полюсную камеру помещена ферромагнитная жидкость, кото-
рая заполняет также уплотняемые зазоры с радиальным
размером 8^0,2 мм между валом и полюсами. Жидкость
представляет собой коллоидный раствор тонкодисперсных
(размером <7=0,01 мкм) частиц магнитодиэлектрика (феррита)
в органическом носителе, например керосине. Она удерживается
в рабочем зазоре силами магнитного поля, созданного намаг-
ничивающим устройством уплотнения. Достоинство феррожид-
костных уплотнений состоит в их высокой вакуумной плотности
и малых потерях трения. Недостаток данных устройств
определяется тем, что при повышенных линейных скоростях
на поверхности вала органический носитель испаряется вслед-
ствие нагрева, жидкость густеет и снижает свою уплотняющую
способность [4.1]. Преодолеть этот недостаток можно, на-
пример, с помощью охлаждающих каналов в конструкции
Уплотнения. На рис. 4.8, е, ж показаны простейшие схемы
Устройства магнитных уплотнений.
Наряду с магнитными уплотнениями представляют интерес
также электрогидродинамические, в которых коллоидный рас-
твор диэлектрических частиц в органической жидкости удер-
живается в рабочем зазоре силами электрического поля,
Сдаваемого посредством внешнего источника постоянного
Спряжения (как в конденсаторе) или с помощью электретов.
В целом с помощью указанных мероприятий создают
вЬ1сокоэффективные инерционные МН с КПД т|р>0,9.
261
4.4. УСТРОЙСТВА И УСТАНОВКИ НА БАЗЕ МЕХАНИЧЕСКИХ
ИНЕРЦИОННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
Применение маховиков в технике известно с древних времен
например в виде гончарного круга. Современные машины
и механизмы во многих случаях снабжены маховиками для
выравнивания хода при неравномерных нагрузках на валу,
что позволяет существенно уменьшить мощность привода’
Инерционные МН в настоящее время используются в раз-
личных отраслях техники. Примерами транспортных накопи-
тельных устройств служат: гироскопы Систем навигации и ори-
ентации; маховичные двигатели для малоразмерных вертолетов,
грузовых средств транспорта во взрывоопасных помещениях
(пороховых складах, шахтах и т. п.), а также для пассажирского
транспорта; электроинерционные стартеры самолетных двига-
телей; стартовые катапультирующие установки на авианосцах
для разгона самолетов при взлете [4.1] и др. Широко рас-
пространены маховичные МН в различных электрофизических
установках. Рассматривается крупномасштабное применение
инерционных МН совместно с электрическими машинами
в электроэнергетических системах [4.2]. Известно много на-
ходящихся в эксплуатации НЭ с инерционными МН и большое
число их перспективных проектов. В связи с ограниченным
объемом изложения рассмотрим только некоторые типовые
примеры накопительных установок с МН.
Автономные установки. Инерционные МН в автономных
электроэнергетических установках применяются в агрегатах
с электрическими генераторами, которые при разряде МН
преобразуют запасенную в маховике кинетическую энергию
в электрическую энергию для питания потребителей в системе
электроснабжения [5.19]. Конструктивно выполненные как
отдельные элементы маховики устанавливаются на общем валу
с генератором. Маховик и генератор могут иметь интегральную
конструкцию. Масса маховика обычно существенно превышает
(на 70—80%) массу генератора. При переводе генератора
в режим электродвигателя последний может использоваться для
заряда инерционного МН при наличии в установке соответству-
ющего источника электропитания. Подробнее электромеханичес-
кие установки рассматриваются в § 5.3, где приводятся констру-
ктивные схемы совмещенного исполнения МН с генератором-
Транспортные установки. Для транспортных установок харак"
терны режимы с рекуперацией энергии, т. е. возвратом
зарядному устройству при движении транспортного средств
под уклон или его торможении. На рис. 4.9 в качеств
поясняющего примера представлена функциональная схем
рекуперативной установки электромобиля. Для его движен
используется комбинированный источник энергии в виде
262
рис. 4.9. Структурная схема
комбинированной установки
с МН и АБ
регата инерционного
механического накопи-
теля МН и химической
аккумуляторной бата-
реи А Б. На ось веду-
щих колес ОВК вра-
щающий момент пе-
редается с помощью
блока трансмиссии БТ,
к которой энергия под-
водится от валов ма-
ховика МН и элект-
рических машин ЭМ±, ЭМ2, связанных внутри БТ со звеньями
планетарной передачи. Каждая из этих ЭМ может работать
в обратимом режиме как электродвигатель или генератор.
Направление потока энергии (от АБ к МН или обратно)
реверсируется с помощью блока управления БУ, получающего
сигналы от педалей акселератора НА и тормоза ПТ в за-
висимости от режима движения электромобиля. Например,
при торможении колес К, переключениями БТ с помощью
БУ переводят ЭМГ, ЭМ2 в генераторный режим, рекупериру-
емая энергия направляется для заряда АБ. Разработчик
установки—фирма «Гаррет» (США) [4.3].
Установки, применяемые на летательных аппаратах. Инер-
ционные НЭ используются для привода движителей беспилот-
ных и пилотируемых, вертолетов. Фирмой «Дорнье» (ФРГ)
построен малоразмерный вертолет для подъема на высоту
До 100 м фото- и телеаппаратуры [4.2]. Маховичный привод
выполнен в виде двух ободов кругового поперечного сечения,
вращающихся на общей оси в параллельных плоскостях.
Спицами верхнего маховика служат четыре лопасти несущего
винта, используемые также для осуществления взлета и посад-
ки. Для выполнения бокового перемещения вертолета на
четырех спицах нижнего маховика смонтированы поворотные
Допасти, которые управляются с помощью электрического
кабеля от передвижной наземной установки. Эта установка
Одержит агрегат для заряда МН. При диаметре ободов
®Коло 1,4 м маховики раскручиваются в течение 60 с до
^00 об/мин. Запасенная энергия достаточна для подъема
Вертолета вместе с оборудованием на 100 м (высота ограничена
протяженностью кабеля связи) и его полета продолжитель-
ностью до 1 мин, после чего вертолет опускается на платформу
'^земной установки для заряда МН.
263
Если общая масса ободковых маховиков составляет 50 кг
то согласно оценкам [4.2] МН запасает энергию около 2 МД^
и может развить мощность до 10 кВт, которая позволяет
выполнять полет с оборудованием массой 50 кт.
Достоинствами данного вертолета являются его малая
стоимость и простота конструкции, бесшумность работы
двигателя, быстрота запуска и взлета, отсутствие выхлопных
газов. Его недостаток, состоящий в неавтономное™ полета
при наличии кабеля, может быть устранен посредством пе-
рехода на радиоуправление.
Спасательный пилотируемый вертолет с инерционными МН
разработан фирмой «Локхид» (США). Его скороподъемность
в 5 раз выше, чем у вертолета с двигателем традиционного*
типа. Маховик в режиме заряда разгоняется с помощью
электродвигателя мощностью 1,5 кВт до 28 103 об/мин и запа-
сает энергию, которая может обеспечить девять циклов
«взлет— посадка» вертолета без подзарядки МН. Положитель-
ное качество маховичного двигателя состоит в том, что он не
нуждается в системе охлаждения и не требует наличия топлива
на борту вертолета; его недостаток определяется относительно
малой общей продолжительностью полета без подзарядки МН.
Инерционные двигатели для привода винтов легких само-
летов разрабатываются фирмой «Юнайтед эркрафт корпо-
рейшн» (США). Целесообразность применения МН на этих
летательных аппаратах (ЛА) обусловлена высокой удельной
мощностью, приходящейся на единицу массы маховика. Для
МН этот показатель существенно лучше, чем у обычных
авиадвигателей для легких самолетов, мощность которых, как
правило, не превышает 120 кВт вследствие ограничений по
массе двигателя [4.2].
Наряду с применением для привода винтов известно
использование МН в электроиперционных стартерах для пуска
авиационных тазотурбинных двигателей.
Предложены установки с МН для маховичного привода
планетоходов —транспортных средств, предназначенных для
исследования поверхности Луны и других планет [4.20].
Представляют интерес МН для ручного технологического
инструмента, используемого в условиях невесомости. Раз-
работанная в СССР дрель с приводом от МН при применении
на борту космического ЛА позволяет космонавту-оператору
не фиксироваться относительно обрабатываемого объекта, так
как оператор не ощущает действия реактивного вращающего
момента, который проявляется в подобных инструментах
с другими типами привода [4.20].
Установка с МН для привода катапульты. Катапульты
применяются для интенсивного ускорения объектов на от-
носительно коротком стартовом пути. На рис. 4.10 приведен3
264
Рис. 4.10. Схема устройства катапульты с инерционным МН
схема установки, используемой на авианосце для разгона
самолетов до начальных скоростей 300—400 км/ч при длине
разбега 100—150 м соответственно [4.1]. Электродвигатель
1 мощностью 0,9 МВт в режиме заряда МН раскручивает
маховик 2 массой 12 т, потребляя энергию от бортовой
электростанции авианосца. Запасенная механическая энергия
в режиме разряде! инерционного накопителя подводится к ле-
бедке 3, тяговый барабан которой связан с маховиком
посредством планетарной зубчатой передачи и гидромуфты
4, обеспечивающей постоянный вращающий момент на своем
выходном валу при убывающей скорости маховика. Трос
лебедки передает усилие стартующему самолету.
Стационарные установки. Для крупномасштабных примене-
ний характерны инерционные МН больших размеров и массы.
Они рассчитаны на сглаживание пиков потребляемой мощности
в электроэнергетических системах и предназначены для со-
вместной эксплуатации с обратимой электрической машиной,
смонтированной на общем валу с маховиком. Для таких
установок характерна вертикальная компоновка. Известны
разработки проектов перспективных МН на энергию от 70
До 200 ГДж с диаметрами наборов дисковых маховиков
4,5 —18 м и общей высотой до 6 - 10 м. На рис. 4.11 приведен
пример конструктивной схемы НЭ на 400 МДж, разработанного
в США. Маховик 1 сборного типа состоит из нескольких
дисков диаметром 1,2 м, общей высотой порядка 1 м и массой
4,35 т. В верхней части маховика находится направляющий
подшипник 2, а в нижней — опорный подпятник 3. Элект-
рическая машина 4 питается от системы переменного тока
(/=60 Гц) через умножитель частоты и разгоняет маховик
До 7200 об/мин в режиме заряда. При разряде МН эта
машина работает как генератор и отдает энергию в элект-
рическую систему [4.1 —4.3].
265
Современные разработки имеют тенденцию к применении)
бесцентровых ободковых композитных маховиков, допуска-
ющих высокие окружные скорости. Соответствующий пример
конструктивной схемы накопительной установки приведен на
рис. 4.12. Кольцевой супермаховик 1 из анизотропного волок-
нистого материала (органопластик кевлар) снабжен метал-
лическими вставками в виде ряда
секторов 2 и смонтирован в торо-
идальной глубоко вакуумированной
камере. Маховик поддерживается
на четырех магнитных опорах 3.
Каждая опора конструктивно со-
вмещена в общем блоке с одним
из четырех секторов статора дуго-
вой индукционной машины, кото-
рая работает в обратимом режиме
(как электродвигатель при заряде
и как асинхронный генератор при
Рис. 4.11. Инерционный НЭ для электроэнер-
гетической системы
Рис. 4.12. Ободковый еупермаховик на маг-
нитном подвесе, совмещенный с дуговой
индукционной (асинхронной) электрической
машиной
разряде МН). Секторные вставки 2 выполняют роль корот-
козамкнутых элементов ротора индукционной машины. Коль-
цевой супермаховик развивает окружную скорость 975 м/с,
поэтому даже при большой мощности электрическая машина
получается чрезвычайно легкой. Потери в МН определяются
только малой мощностью вихревых токов в магнитном подвесе
и незначительным аэродинамическим трением в вакуумной
камере. Основные параметры МН указаны в табл. 4.3, где
для сравнения приведены также показатели примерно по-
добного МН со стальным диском равной прочности. В пер-
спективе предполагается, что удельная мощность потерь су-
пермаховика будет уменьшена в 7,2 раза. Это приведет к
существенному возрастанию времени выбега, т. е. длитель-
ному инерционному хранению энергии (соответствующие
улучшенные параметры приведены в табл. 4.3 в скобках)
[4.2, 4.3].
Таблица 4.3. Параметры инерционных МН с высоким нснользоваиием
свойств материала маховиков соизмеримой энергии |4.31
Параметр МН Кольцевой маховик (кевлар) Дисковый маховик (сталь)
Запасенная энергия W, МДж 1,95 5,4
Масса маховика М, кг 4,12 54
Удельная энергия кДж/кг 475 100
Момент потерь трения М,. Н м 3,26 10 3 1610-2
Удельный момент трения Л/, уд, Нм/кг 7,9-10’4 29 10 4
Удельная мощность потерь Рп уд, Вт/кг 0,175(0,011) 0,815
Время выбега до полной остановки ч 750(12 • 103) 34
Накопитель энергии с использованием плазмы. Устройство, получившее
название «гомополярник», состоит из двух коаксиальных цилиндрических
электродов, скрепленных по торцам дисками из термостойкого диэлек-
трика. Внутренняя полость цилиндрической камеры между электродами
и торцевыми дисками заполнена ионизированным газом — плазмой. Гомопо-
лярник размещен в неизменяющемся во времени равномерном магнитном
поле Bz электромагнита, которое направлено параллельно центральной
оси симметрии z. Если электроды подключить к источнику постоянного
Напряжения, то через плазму потечет радиально направленный ток I.
Его взаимодействие с полем Bz приведет к появлению объемной плот-
ности электромагнитных сил = ориентированных в окружном направ-
лении. Плотность тока в плазме .7г = 7/2лгЛ, где h—осевой размер электродов.
Под влиянием /Эф плазма вращается вокруг оси z и запасает кинетическую
энергию
V
267
F
где V—объем полости, занятой плазмон; уср—усредненная по V плотность
плазмы; т>=г(г)—окружная скорость плазмы, являющаяся функцией от 'I
радиуса г. I
Магнитное поле В2 наводит во вращающейся плазме ЭДС I
е = j B.v (г) dr,
где гц, гп—радиусы центрального и периферийного электродов.
Если отключить от источника питания электроды гомополярника и замкнуть I
их на внешнее сопротивление нагрузки, то в цепи электродов под влиянием ЭДС I
е будет протекать ток разряда. При этом плазма будет тормозиться вследствие I
электромеханического преобразования энергии W\ в электроэнергию. I
Достоинст ва гомополярннка состоят в высоком быст родействии и большой I
удельной энергии, приходящейся на единицу массы плазменного накопителя I
(без учета массы электромагнита). Недостаток гомополярника в том, что I
абсолютное значение энергии И7 мало. I
Накопители энергии с использованием ускоренных элементарных частиц. I
Эти НЭ по физической природе примыкают к МН, поскольку запасают I
кинетическую энергию в потоке ускоренно движущихся элементарных частиц I
(электронов, протонов). Исследования фундаментальных свойств материи I
проводятся в физических экспериментах со встречными пучками элементарных I
частиц, имеющих одноименные или разноименные заряды. Для повышения I
эффективности взаимодействия частиц (увеличения вероятности их столкнове- I
ния) требуется: усилить ток в пучке, т. е. поднять интенсивность потока I
частиц; обусловить многократное возвращение не испытавших столкновения. I
частиц к месту встречи пучков. Оба эти приема реализуются в установках I
типа накопительных колец (4.13].
Сталкивать между собой можно, например, встречные электронные пучки I
или встречные протонные пучки. Предварительно ускоренные в линейных
или циклических (орбитальных) ускорителях частицы направляются в нако-
пительное кольцо.
Ускорение частиц осуществляется переменным или постоянным продоль-
ным электрическим полем, ориентированным по касательной к траектории
движения частиц. Поле создается соответствующей электрической установкой
высокого напряжения, питающей ускорительное устройство.
Накопительное кольцо (рис. 4.13,а) выполняется в виде вакуумной торо-
идальной камеры, размещенной между полюсами N, S электромагнита
постоянного тока. Вследствие глубокого вакуума (до 10“7— 10~8 Па) рассеяние
заряженных частиц на молекулах остаточного газа в камере практически
отсутствует. Поток частиц вводят в камеру по касательному направлению
с помощью каналов 7, идущих от линейного или орбитального ускорителя.
Постепенно заполняют НЭ частицами, увеличивая их концентрацию в кольпе,
т. е. электрический ток. Время заряда НЭ составляет несколько часов. При
движении по кольцевой орбите поток частиц теряет некоторую часть энергии
за счет электромагнитного излучения. С целью компенсации потерь вакуумную
полость кольца разделяют на несколько секторных камер 2, в промежутках I
между которыми устанавливают объемные резонаторы 3 высокочастотных «
268 f
Рис. 4.13. Кольцевые НЭ ускоренных элементарных частиц:
и. б--накопительные кольца (/—направляющий канал, 2 — камера, 3 —резонатор,
4 - зона столкновения); в — ускорительно-накопительный комплекс (/ — кольцо, 2—инжек-
тор, 3—камера ускорителя, 4, 5—поворотные электромагниты, б—неподвижная мишень,
7, 8—магнитные линзы)
электромагнитных колебаний. Энергия резонаторов используется для пери-
одического ускорения частиц электрическим полем. Магнитное поле полюсов
IV, S обусловливает движение частиц под действием центростремительной
силы Лоренца Рл = т/ухВ по круговым траекториям в плоскостях, ортогональ-
ных к направлению магнитного поля. Для частицы с массой т и модулем
заряда |</| период обращения Г=2лт/|</|В обратно пропорционален магнитной
индукции поля В и не зависит от скорости v, а радиус траектории составляет
| В.
Если установка предназначена для столкновения одноименно заряженных
Частиц (например, электронов), она должна содержать два накопительных
кольца, сопряженных в виде восьмерки (рис. 4.13,6). В каждом из колец
электроны вращаются по часовой стрелке. Управляя электромагнитными
отклоняющими устройствами, осуществляют соударение пучков в зоне 4. Где
расположена измерительная и регистрирующая аппаратура.
Столкновение частиц и античастиц можно организовать посредством
одного общего кольца 1 (рис. 4.13,в), поскольку разноименно заряженные
частицы закручиваются в противоположные стороны магнитным полем
заданного направления.
Кроме кольца 1 ускорительно-накопительный комплекс (УНК) встречных
электронных и позитронных пучков (ВЭПП) содержит инжектор 2, из которого
с помощью промежуточных устройств (поворотного магнита и фокусирующих
линз) пучок электронов вводят в ускорительную камеру синхротрона 5.,
Ускоренные электроны направляют в кольцо 1 по вакуумному каналу,
проходящему через поворотные магниты 4 и 5.
Для получения позитронов часть ускоренных в синхротроне электронов
сталкивают с вольфрамовой мишенью-конвертором 6. Далее позитроны вводят
в накопительное кольцо I навстречу потоку электронов. Заданные поперечные
размеры пучков в каналах обеспечиваются фокусирующими магнитными
линзами 7, 8. Соударение пучков осуществляется по сигналу воздействия на
систему, управляющую их отклонением внутри кольца I.
В мощных установках ВЭПП, имеющих радиус орбиты накопительного
кольца 6—18 м, запасенная каждым из пучков кинетическая энергия составляет
2—20 ГэВ, ток в пучке достигает 0,1 — 1 А. Более высокий уровень энергии
(порядка 270 ГэВ в пучке) получают в протонных установках. Здесь в качестве
накопительного кольца используют камеру синхротрона, предварительный
разгон протонов осуществляют в линейном ускорителе. Подобный УНК
создан в Европейском центре ядерных исследований ЦЕРН (Женева) [4.13].
Заметим, что 1 ГэВ= 109 эВ® 1.61O-10 Дж.
4.5. ЭЛЕМЕНТЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ
МЕХАНИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
Проводимые далее для всех рассматриваемых случаев
расчеты на прочность МН справедливы для изотропных
металлических материалов, нагруженных в пределах упругих
деформаций. Расчеты главным образом ориентированы на
инерционные вращающиеся накопители в соответствии с ос-
новными формами маховиков (рис. 4.6).
4.5.1. ТОНКИЙ ВРАЩАЮЩИЙСЯ ОБОД
К имеющему угловую скорость Q свободному тонкообоД-
ковому маховику массой М, средним диаметром D и геомет-
рическим центром в точке О приложена распределенная
центробежная сила Гц. Вследствие симметрии на единицу
окружной длины обода действует сила f^Fjv.1). Условно
разрежем обод по диаметру и введем две равные междУ
270
рис. 4.14. К расчету на прочность ободково-
го маховика
собой силы Fpl = Fp2 = F реакции
растяжения (рис. 4.14). Под влия-
нием центробежной силы F'u =
= 0,5 Fp, приложенной в центре
массы Ц каждого полукольца, и сил
реакции Fpl, Fp2, приложенных
к плоскости разреза и направлен-
ных по касательным к средней
окружности, полукольцо будет находиться в равновесии
(Fy = 2Fp). Как известно [4.1], расстояние ОЦ составляет
ra = D/Tt, сила инерции Fu = M'rJ.11. причем М' = 0,5M = 0,5nDyS
(у, 5—плотность материала и площадь поперечного сечения
обода). Нормальное к S растягивающее обод в тангенциальном
направлении напряжение o<p = Fp/5 = 0.5Fp/5 = 0,25y(Q/))2. По-
скольку окружная скорость обода r = 0,5QD, то о(р = уг;2, откуда
допустимая линейная скорость ободковых маховиков т = х/ор/у.
Здесь ор = об/А'3 допустимое напряжение, к3^2 — ориентиро-
вочная величина коэффициента запаса, ов — предел прочности
(временное сопротивление разрыву).
4.5.2. ОБОДКОВЫЙ МАХОВИК СО СПИЦАМИ
Маховик в виде тонкого обода, связанного спицами с не-
деформируемой цилиндрической ступицей, вращается с угловой
скоростью Q. Число спиц, равномерно распределенных по
окружности, равно Nc. Обод имеет средний диаметр D и пло-
щадь поперечного сечения S=ab, причем а—радиальная тол-
щина обода, b — его ширина по оси. Средняя площадь
поперечного сечения спицы на длине 0,5 ф—d) составляет
Sc (d—диаметр наружной поверхности ступицы). Нормальная
растягивающая сила в сечении спицы у обода [4.14]
F = - у (Q D / 2)2_____________________
Здесь d* = d)D-, кх =0,25(a + ctga + actg2 а); к2 —кг — (1/2а),
а=л/Лс; у — плотность материала маховика; /=а3/>/12— осевой
момент инерции сечения 5 обода. В частности, /ц%0,8,
~0,003 при yVc = 5 и ^[^1,59, /<2~0,00035 при 7Vc=10.
Наибольшие значения растягивающей силы и изгибающего
момента на участках обода составляют:
Fp = у (QD / 2)2 5 - 0,5Ft ctg а,
Ми = 0,25FcD (esc а — а).
271
Максимальное нормальное напряжение в поперечном сече-
нии обода
om^(Fp/S)+(MJWo6),
где И/об = //0,5а = а2/>/6—момент сопротивления сечения 5 обо-
да.
На основании приведенных соотношений можно проверить
условие прочности маховика ат стр и определить наибольшую
допустимую окружную скорость r = QD/2.
4.5.3. ВРАЩАЮЩИЙСЯ ДИСК ПОСТОЯННОЙ ТОЛЩИНЫ
Маховик в виде плоского диска диаметром D = 2R на
периферии имеет не зависящую от радиуса г толщину 6<0,5R
и круглое отверстие диаметром D0 = 2Rn в центральной зоне.
В общем случае диск может быть равномерно нагружен
распределенным давлением р0 на внутренней поверхности
(например, вследствие посадки диска на вал) и распреде-
ленной нагрузкой р (Н/м2) на внешней цилиндрической
поверхности. При наличии периферийных деталей конструк-
ции р>0 — растягивающая нагрузка; если имеется насажен-
ный на диск бандаж, то /?<0 — сжимающая нагрузка. Функ-
циональные зависимости от г для радиальной и танген-
циальной <т составляющих напряжения в материале диска
с коэффициентом Пуассона v определяются из решения си-
стемы двух дифференциальных уравнений: силового равно-
весия элемента диска и совместности его деформаций
(второе уравнение можно заменить соотношением непрерыв-
ности напряжения <>,. или на границах элемента, что
несколько упрощает выкладки). Расчетные выражения получа-
ются в виде [4.7, 4.14]
сг = С1уП2(/?2--г2)(г2 — 7? о) г-2— Л1Г-2-|-Л2; (4.11)
пф = С1уП2(Л2 + /^ + Л2Л^“2-С2г2)+Л2, (4.12)
где C1=(3 + v)/8; С =(1+3v)/(3 + v); А, = (p0+p)R2/(l -R20J,
A2=(p„R20*+p)/(\-R-Q*): R0*=R0/R=D^D.
Для многих конструкций маховиков р = 0 или ро = 0, тогда
(4.11), (4.12) соответственно упрощаются; Д(=Л2 = 0, если
р=ро = 0. При отсутствии р, р0 согласно (4.11)
при r = R0 и r = R; по (4.12) на поверхности отверстия
при г = Ro имеет место наибольшее (опасное) значение на-
пряжения;
av(Ro) = a<l>m = 0,25-yv2(3 + v-i-Ro*-vRo*)- (4-1^
Здесь v — SIR — периферийная скорость. Нетрудно установить,
что
(А)=0,25 у v2 (1 — v 4- 37? о* + vR о*) < (7?0).
272
Определим для данного случая (р=ро = 0) наибольшее значение
сгДг) = стгт, наблюдающееся при R0<r<R. На основании (4.11)
дз выражения dar!dr = Q находим радиус r = rm = ^/RQR, на
котором также
CTr(rm) = CTrm=C1Yt;2(l — ^0*)2<CT<p(^o)-
Таким образом, с помощью (4.13) проверяется выполнение
условия прочности стф„,<стр и рассчитывается допустимая
скорость v. Заметим, что при > 1 (4.13) переходит в соот-
ношение стф = уг2 для тонкого обода, а при очень малых
отверстиях (2?о*~*О)—в соотношение
<уф(Яо) = 0,257г2(3 + 4 (4.14)
4.5.4. ВРАЩАЮЩИЙСЯ ПЛОСКИЙ ДИСК БЕЗ ОТВЕРСТИЯ
В сплошном диске (Do = 0) толщиной b — const и диаметром
D = 2R при наличии на его периферии растягивающей нагрузки
р=const компоненты напряжения в материале на расстоянии
г от центра равны [4.14]:
стг = С1уО2(«2-г2)+р; стф = С17О2(/?2-С2г2)+р, (4.15)
где Ср С2 — такие же коэффициенты, как в (4.11), (4.12).
Если р = 0, то имеющие место на оси г = 0 наибольшие
(опасные) значения напряжения составляют
arm = = C17Q27?2 = 0,125ур2 (3 + v). (4.16)
При р = 0 для r = R получается стг(7?) = 0, стф(7?) = 0,25уг2(1 —v)<
Сопоставление (4.14) и (4.16) показывает, что у диска
с «выколотым» центром (Ro-»0) значение стф(Яп) вдвое превыша-
ет напряжение стф(0) диска без отверстия (Яо = 0). Следователь-
но, при одинаковых материалах (одних и тех же параме>рах
7- v) и предельных напряжениях стП1 = ст в сплошном диске
Можно допустить наибольшую окружную скорость vm = v'„,x/2,
которая в 1,42 раза превосходит соответствующее значение
скорости v’m диска с очень малым отверстием.
С помощью (4.11), (4.12) можно провести также расчет
На прочность маховика, выполненного в виде плоского диска
с ободом и центральной втулкой. Влияние обода и втулки
Учитывается посредством соответствующих распределенных
Сгрузок д', дф которые вычисляются по [4.14].
Если допустить, что ст, стф мало изменяются в осевом
Управлении, т. е. ст=£ст(), то соотношения (4.11)-- (4.16)
°стаются справедливыми для приближенного расчета на про-
чность вращающихся массивных или толстостенных полых
Улиндров с плоскими торцами.
273
4.5.5. ВРАЩАЮЩИЙСЯ РАВНОПРОЧНЫЙ ДИСК
Во вращающемся диске переменной толщины
Z>(r) = Z>0 ехр( —0,5yQ2r2 /о), (4.17)
не имеющем отверстия в центре, возникают независимые от
радиуса г напряжения стг = стф = ст = соп51. Подобный маховик
называется диском равного сопротивления или равной про-
чности. Он выполняется как одно целое с относительно узким
пояском на периферии (участком с плоскими торцами малой
радиальной протяженности) либо с расширенным кольцевым
ободом. Толщина диска /?(/•) на оси г = 0 составляет
6о = 6ехр(0,5уП2Л2 /ст), (4.18)
причем R — его габаритный радиус, b—ширина на периферии.
При наличии явно выраженного обода размер
Ьо = (аЬ/стЛв) [yQ2 R2 + (pHRJa) - (1 - v) ст] e^R2J2°, (4.19)
где а, b—толщина (по г) и ширина (по г) обода; RH, RB,
R—его наружный, внутренний и средний радиусы; рн— рас-
тягивающая нагрузка, равномерно распределенная на внешней
цилиндрической поверхности обода [4.14].
Согласно (4.17), (4.18) при малых Q или v = QR маховик
по профилю приближается к диску постоянной толщины: Ь(г)-+
->Z>0=const, если Q-»0, г-»0. Наибольшие значения окружной
скорости г = ПЛ <400 — 500 м/с практически ограничиваются ра-
циональным соотношением Ьо и b(R}. По конструктивным
соображениям следует принимать b0/b(R)< 10ч-12, чтобы ма-
ховик не приобретал вырожденную эллипсоидальную форму.
Таким образом, если выбран материал с параметрами у, V,
стр, заданы скорость Q, размеры b, R (или Лв, Лн) и нагрузка
/<<0, то по (4.17) — (4.19) можно спроектировать соответст-
вующий профиль маховика.
4.5.6. ГИПЕРБОЛИЧЕСКИ ПРОФИЛИРОВАННЫЙ ВРАЩАЮЩИЙСЯ ДИСК
Маховик, толщина которого изменяется вдоль радиуса г по
закону й(г) = Р/-“Е, называется диском гиперболического про-
филя. Постоянные Р и е можно определить, если заданы,
например, размеры />0 = /?(Л0) в осевом отверстии радиусом
Ro и b = b\R\ на периферии диска (R— габаритный радиус)-
Из уравнении />о = рЛо£ и b = fiR~E находим:
е = 1п(/?/7?0)/1п Ло*, р = /г0/Л0Е = й/Л-Е; Ro* = RoiR-
Прочностной расчет подобных маховиков выполняют ме-
тодом разбивки на участки по радиусу г [4.7, 4.14]. Метод
сводится к следующему. Условно разделяют интервал
R ] на Q коаксиальных кольцевых участков. Выражают ко
поненты напряжения через функции s(r) и у (г):
. 274
<*г=(з-у)/(к-с), <\=у-саг; (4.20)
Л = 0,5е-|-Д, с=0,5е —Д; Д = 4/0,25e2-|-ve-|-1. (4.21)
На 1-м участке, ограниченном радиусами r;, ri+1, функции
s или у связаны равенствами
S, +1 = (г, +1 / r,)k “1 + mr ?) - mr ?+1, (4.22)
y’i + 1=(ri+1/ri)c~1 (у,- + qr ?) - qrU 11 (4.23)
«7 = yQ2(v-|-£)/(3 — k), 9 = yQ2(v+c)/(3 —c). (4.24)
По напряжениям стДгф стф(г;), заданным, например, гранич-
ными условиями на г-м участке, с помощью (4.20) находят
\ = + Л = е<Уг(г;) + стф(г;). (4.25)
Далее по (4.22), (4.23) определяют функции s, у для радиуса
ri+,, после этого на основании (4.20) вычисляют стг(г, + 1),
оф(<+1). Аналогичный расчет проводят для всех участков
и проверяют условие прочности: наибольшее напряжение не
должно превосходить допустимое значение стр. При необ-
ходимости проводят коррекцию профиля диска. Процесс вычис-
лений целесообразно автоматизировать с помощью ЭВМ.
Изложенный метод можно распространить на расчет дисков
произвольного криволинейного профиля, участки которого
приближенно заменяют гиперболами [4.14]. По технологичес-
ким соображениям проще изготавливать конические маховики
с прямолинейными образующими. Для таких дисков тоже
допустим расчет по приведенным выше соотношениям. Если
принять е = 0, то расчет будет справедлив для диска постоянной
толщины. Таким образом, рассмотренный метод является
Достаточно универсальным. Существенное облегчение расчетов
маховиков гиперболического, конического, а также произволь-
ного профиля достигается при использовании различных номог-
рамм, приведенных, например, в [4.14, 4.15]. Простой способ
оценки максимальных напряжений в маховиках различной
формы и подбора подходящего профиля диска, обеспечива-
ющего наибольшую удельную энергию И'/,,, при заданной
окружной скорости г = Пг, указан в [4.1]. Необходимые па-
раметры определяются с помощью графиков х/у=/(г), причем
х== ^удУ/ст — коэффициент формы (см. § 4.2).
4.5.7. УПРУГОСТНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ГАЗОБАЛЛОННЫЕ И
ПРУЖИННЫЕ УСТРОЙСТВА
Применительно к статическим МН рассмотрим элементы
Расчета на прочность отдельных видов тонкостенных оболочек,
Сгруженных постоянным внутренним давлением, а также
Простейших пружин.
275
Сферическая оболочка. Нормальное напряжение в материале
оболочки <5=pR!2h определяется наибольшим давлением
р в баллоне, радиусом R и толщиной Л сферической стенки.
Условие прочности имеет вид ст^стр, причем стр— допустимое
напряжение материала [4.14].
Цилиндрическая оболочка. Без учета влияния торцевых с генок
(днищ) наибольшее нормальное напряжение avm—pR!h. Здесь
р — давление, R, h—радиус и толщина цилиндрической сченки.
Условие прочности ст^ССТр. Если днища выполнены полусфери-
ческой формы и имеют такую же толщину А, как у цилиндра, то
напряжение в цилиндрической стенке баллона практически
не изменяется. При этом напряжение в днище ст=pRj 2А
рассчитывается гак же, как для замкнутой сферы. Учет влияния
плоских днищ приводит к громоздким выражениям [4.14].
Цилиндрическая винтовая пружина. Пружина растяжения —
сжатия изготавливается путем навивки из стержня круглого
сечения. При малых углах подъема винтовой линии витков
12-? 15“ напряженное состояние пружины практически соот-
ветствует чистому сдвигу. Приложенная к торцу пружины
осевая сила Fx вызывает в опасных точках поперечного сечения
изогнутого стержня, расположенных обычно на внутренней
стороне витков, наибольшие касательные напряжения
тт = 8^Е3Е)/ят/3 [4.14]. Результирующая сила Fs = 2WJh опре-
деляется заданной запасенной энергией W3 и полным осевым
перемещением h. Коэффициент 0.615т/*4-0,25(4 — с/*)/(1 -d^
зависит от параметра d =d!D, причем d—диаметр сечения
стержня, D—средний диаметр навивки (рекомендуется
<7* = 0,1 4-0,2). Перемещение h=nD2wxm!(fid. причем )г—число
витков, G — модуль сдвига (для легированных сталей
G>8 Ю10 Н/м2). В итоге расчета но приведенным соотноше-
ниям устанавливается выполнение условия прочности т,„^тс.
У применяемых для изготовления пружин сжатия легированных
сталей тс = (8 — 10) 108 Н/м2.
Плоская спиральная пружина. Расчет наибольшего нормаль-
ного напряжения стт при нагружении производится граф»'
аналитическим способом с учетом изгибающего момента,
приложенного в процессе заневоливания [4.14].
4.6. РАСЧЕТ ВАЛА ИНЕРЦИОННОГО НАКОПИТЕЛЯ
НА ЖЕСТКОСТЬ
Цель расчета — определение критического значения углов»
скорости Q = QK. при котором вращение МН в виде дисковод
маховика, укрепленного на вале, становится динамическ
неустойчивым. Если Q-*QK, вал стремится к недопустш
большим поперечным отклонениям А от положения равновеси ’
что может привести к его разрушению (теоретически А-* i
276
когда Q = £!*). Равенство Q==QK соответствует механическому
резонансу, т. е. совпадению вынужденной скорости Q с угловой
частотой собственных поперечных колебаний вала.
Рассмотрим достаточно гонкий упругий вал с маховиком,
установленный вертикально в абсолютно неподатливых подши-
пниковых опорах. Масса вала пренебрежимо мала по сравнению
с массой М маховика. Такой вал характеризуется жесткостью
(упругостью) N [4.14], т. е. коэффициентом пропор-
циональности между отклоняющей силой F и поперечным
прогибом (F=Nh). Длина вала между опорами /=/j + /2, причем
/2 — расстояния от опор до плоскости установки маховика.
Осевой момент инерции сечения круглого вала диаметром Do
составляет /=я£>о/64%0,05А>о. Значения модуля продольной
упругости Е различных материалов даны в табл. 4.1.
Вследствие неизбежных конструктивно-технологических по-
грешностей (даже после соответствующей балансировки) центр
тяжести маховика практически смещен относительно геомет-
рического центра диска на расстояние е. При наличии такого
эксцентриситета на вращающийся вал действует центробежная
сила F'u — Ме£12, под влиянием которой возникает прогиб Л.
Для изогнутого вала центробежная сила £ц = M(e+h)Q.2, она
уравновешивается восстанавливающей упругой силой F=Nh.
Если /j=/2, то N = ^EI,F. а прогиб Л = FJ3/48£/. Из равенства
FU = F находим Q2 = Nh/М(е + Л). Применяя к данному выраже-
нию правило Лопиталя при раскрытии неопределенности для
случая Q->QK, получаем Q2 — У/.У. Таким образом,
критическая скорость равна QK = х/N/М. Учитывая, чт о N опре-
деляется как сила, под влиянием которой вал имеет единичный
прогиб, представим QK в несколько видоизмененной форме,
Удобной для практических расчетов. Статический прогиб го-
ризонтального вала от действия веса F0=gM маховика равен
Ло= Fu!N=gMi N, следовательно, можно полагать QK = ,/g//!0,
причем g = 9,81 м/с2. В общем случае /z0 = F0/2/f/3£7/ , для
^i = /2 = Z/2 прогиб_Л0 = £0/3/48£7. Критическая частота вращения
Возвращаясь к исходному уравнению равновесия ГУЛ7(е + Л) =
можем записать h=£reM/(N—Q2M), откуда при рас-
крытии неопределенности для случая Q-->oo получаем
Зю означает следующее: после прохождения резонанса (Q = QK)
8 результате повышения скорости Q маховика (Q>QK) его центр
^ассы автоматически приближается к оси вращения. Таким
образом, если согласно проекту МН невозможно обеспечить
Работу с «жестким» валом (Q<QK), то допустимы режимы
с «гибким» валом (Q>QK), когда установившаяся скорость
сУщественно превосходит при соблюдении условия прочности
4йска.
277
г
5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
НАКОПИТЕЛЯХ ЭНЕРГИИ
Электромеханическим накопителем (ЭМН) называется
устройство для запасания и хранения механической энергии
с последующим ее преобразованием и отдачей в форме
электрической энергии для дальнейшего использования.
Запасается, как правило, кинетическая энергия вращатель-
ного движения маховика, который при заряде ЭМН рас-
кручивается с помощью механического или электрического
привода: пружины; турбины, использующей энергию сжать»
газов, сгорания топлива или порохового заряда и т. п.; элек-
трической машины (ЭМ), работающей в режиме двигателя-
В устройствах ЭМН может отсутствовать маховик как самосто-
ятельный элемент, соединенный посредством жесткой
упругой связи с ЭМ. В этом случае инерционным накопитель-
ным элементом ЭМН служит ротор ЭМ (наряду со своим
функциональным назначением в электромеханическом процесс
машины). Ротор ЭМ в некоторых вариантах НЭ может бы**
конструктивно совмещен с дополнительным маховиком. ПР
разряде ЭМН механическая энергия преобразуется в элект
278
рическую посредством ЭМ, работающей в режиме генератора,
g качестве генератора применяется та же ЭМ, которая служит
электродвигателем для разгона маховика, или другая ЭМ,
также установленная на валу ЭМН [5.1].
Таким образом. ЭМН представляет собой конструктивно
объединенные в одной установке механический инерционный
накопитель и ЭМ (генератор, двигатель), причем при заряде
и разряде ЭМ допускает работу как обратимый преобразова-
тель. Для ЭМН справедливо уравнение энергетического баланса
типа (В.1). Согласно (В.1) ЭМН можно рассматривать как
усилитель электрической мощности. При заряде накопителя
ЭМ (двигатель) потребляет относительно небольшую усред-
ненную мощность от источника питания в течение времени
!з. В режиме разряда ЭМ (генератор) отдает усредненную
мощность Рр> Р3 за время
В зависимости от вида и назначения ЭМН в его состав
входят различные ЭМ. Согласно общей классификации ЭМ
можно выделить ЭМН на основе машин переменного тока
(синхронных или асинхронных) и машин постоянного тока
(МПТ), включая коллекторные или вентильные разноимен-
нополюсные МПТ и униполярные (одноименнополюсные) ма-
шины. Общие принципы работы, конструкция, теория и расчет
ЭМ, применяемых в промышленных и автономных (транспорт-
ных) установках, изложены в соответствующих учебных ру-
ководствах, например в [2.36, 5.2—5.6], а также в монографиях
[5.7 - -5.9] и др.
Первые ЭМН для использования в электрофизических
установках предложены академиками П. Л. Капицей
иМ. П. Костенко. В зависимости от назначения ЭМН, разновид-
ностей потребителей их энергии и устройств электропривода
в состав ЭМН входит одна или несколько ЭМ постоянного
и (или) переменного тока. Например, в промышленных установ-
ках распространены ЭМН с асинхронными приводными двигате-
лями и трех- или однофазными синхронными генераторами
с Демпферными обмотками [5.1]. При разряде ЭМН для их
Операторов переменного или постоянного тока характерен
Кратковременный отбор электрической мощности в нагрузку.
° зависимости от значений t могут иметь место две основные
Разновидности разрядного режима: относительно длительное (от
4,5-—1 до 10 с) динамическое торможение ротора электромагнит-
ами силами в активной зоне ЭМ и кратковременный (от 10-3
Ю' 2 с) пиковый режим ударного разряда, также сопровожда-
ющийся торможением ротора. В обоих случаях, с учетом потерь
^Рения агрегата, а также электрических и магнитных потерь
& генераторе, преобразуется в электроэнергию часть запасенной
Ротором кинетической энергии, . которая составляет
а^к = 0,5/(О2 —Q2) (см. гл. 4). При этом угловая скорость
279
ротора генератора уменьшается на AO = Oj — О2. Допустимые
начальное Oj и конечное О2 значения скорости определяют при
проектировании ЭМН, исходя из системы технических ограниче-
ний и заданных условий работы НЭ. Предельная длительность
режима динамического торможения ЭМН определяется допусти-
мым уровнем уменьшения О и управляется посредством
коммутатора в разрядной цепи.
При ударном разряде крупного ЭМН вследствие большого
кинетического момента МКИН = 1О1 снижение скорости Ай
незначительно, однако из-за кратковременности разряда от-
даваемая электрическая мощность достаточно высока. При
торможении ротора генератора и наличии на валу ЭМН
отдельного маховика последний практически не снижает со-
бственную угловую скорость в ударном режиме разряда.
Кинетическая энергия маховика частично переходит в потен-
циальную энергию упругой крутильной деформации вала. Во
избежание разрушения вала возникающими касательными на-
пряжениями предусматривают для ЭМН в необходимых случа-
ях соединение валов маховика и ротора генератора посредством
упругой муфты. В частности, если ЭМН работает в цикличес-
ком режиме ударной нагрузки, то накопленная в маховике
кинетическая энергия и энергия упругости муфты и вала
препятствуют значительному торможению ротора ЭМН. В те-
чение паузы упругая энергия преобразуется в кинетическую
энергию разгона ротора [4.4].
Длительность ударного режима разряда ЭМН с генерато-
ра.ми переменного тока ограничена временем порядка одного
периода Г= 1 ;/ = 2я/рО, причем р — число пар полюсов гене-
ратора. Для ЭМН с генераторами постоянного тока, в том
числе вентильными, коллекторными и униполярными, длитель-
ность ударного режима определяется временем замкнутого
состояния коммутатора в разрядной цепи, задаваемым систе-
мой управления. Это время существенно меньше, чем в режиме
динамического торможения. Быстродействие коммутатора
должно быть высоким: время его срабатывания /С<&:Г.
При заряде ЭМН посредством относительно медленного
разгона ротора с /3»Гр и потреблением P3<$zPp восполняется
убыль кинетической энергии, обусловленная ударным разрядом
ЭМН или динамическим торможением его ротора, для ко-
торого в предельном случае возможна полная остановка.
Общая структурная схема электроэнергетической установки
с ЭМН представлена на рис. 5.1. В режиме заряда электрически
машина ЭМ работает как двигатель, получая электроэиерги
ЭЭ от источника питания ИГ1 постоянного или переменно1”
тока, и раскручивает маховик М. После достижения роторо
агрегата заданной скорости 0 = 0! ЭМН может Ра^°1а я
в режиме хранения энергии. По сигналу системы управлен
280 J
рис. 5.1. Структурная схема электроэнергетиче-
ской установки с ЭМН
СУ срабатывает переключатель режи-
мов ПР и ЭМН переводится в раз-
рядный режим, в котором ЭМ работа-
ет как генератор и питает потребитель
электроэнергии ПЭЭ. Наличие обра-
тимого коммутатора К характерно
для ЭМН с ЭМ постоянного тока.
В машинах классической конструкции
К выполнен как электромеханический
щеточно-коллекторный узел ЭМ,
а в бесконтактных вентильных блок
К -представляет собой управляемый
полупроводниковый преобразователь. ! --------- I
Последний действует как инвертор j -----------' I
при работе ЭМ в режиме двигателя ’--------------1
и как выпрямитель при генераторном режиме работы ЭМ.
Если ЭМ используется в качестве двигателя или генератора
переменного тока, то блок К может отсутствовать (этому
случаю соот ветствует штриховая линия связи на схеме рис. 5.1).
Для такого варианта характерен блок стабилизации частоты
БСЧ, который исключается в установках постоянного тока
и некоторых установках переменного тока (см. штриховую
линию связи на рис. 5.1).
Конкретные установки с ЭМН могут содержать некоторые
Дополнительные элементы, например пусковые устройства эле-
ктродвигателей, блоки для стабилизации и регулирования
частоты и напряжения генераторов и др. В целом выбор
структуры ЭМН и типа ЭМ определяется техническими
требованиями, предъявляемыми к установке в отношении
номинальных параметров, быстродействия, показателей качест-
ва электроэнергии, особенностей зарядно-разрядных режимов,
массогабаритных ограничений, ресурса, аппаратурной надеж-
ности и т. д.
Рассмотрим кратко основные свойства ЭМ, входящих
в состав ЭМН.
ЭМ постоянного тока. Достоинство коллекторных или
вентильных МПТ -простота и гибкость регулирования угловой
скорости и вращающего момента двигателя или напряжения
генератора. Недостатки коллекторных МПТ — небольшая пре-
дельная (габаритная) мощност ь при частоте вращения
3000 об/мин (порядка 1 МВт в установившемся режиме)
И ограничения по току, снимаемому с коллектора (до
^—-60 кА в крупных МПТ). Для тихоходных МПТ при
/?^75О об/мин предельная мощность единичной машины
281
двухъякорного исполнения с многоходовой обмоткой может
достигать 25 МВт в повторно-кратковременном режиме работы
[5.3]. Однако такие МПТ имеют удельную массу Муд> К) кг/кВт.
Недостатки вентильных МПТ—сравнительно большие габариты
и масса полупроводникового коммутатора, сложность обеспече-
ния совместной работы вентилей в многоэлементных преоб-
разователях.
Достоинство униполярных машин (УМ) — отсутствие обмо-
ток на якоре, малое его внутреннее сопротивление и низкая
индуктивность, возможность существенного повышения уровня
тока якоря и предельной мощности (но сравнению с анало-
гичными параметрами разноименнополюсных МПТ), высокая
окружная скорость, допускаемая по условиям прочности яко--
ря. Недостатки УМ — относительно низкое напряжение якоря,
принципиальная невозможность бесконтактного исполнения.
ЭМ переменного тока. Достоинством синхронных и асинх-
ронных машин является возможность бесконтактного испол-
нения ротора. Отсутствие щеточного токосъема обусловливает
повышение ресурса ЭМ и упрощает их эксплуатационное
обслуживание. Данные ЭМ могут также применяться в сочета-
нии с управляемыми (тиристорными, транзисторными) и неуп-
равляемыми (диодными) полупроводниковыми преобразова-
телями.
Предельная мощность, получаемая в крупных единичных
ЭМ переменного тока, достаточно высока. Например, в со-
временных синхронных турбогенераторах она достигает
1200 МВ-А в длительном режиме работы при частоте вращения
ротора 3000 об/мин и удельной массе Л7улдг0,6 кг/(кВ • А) [5.3].
Недостаток ЭМ переменною тока состоит в сравнительно
большом внутреннем индуктивном сопротивлении взаимной
индукции обмоток возбуждения и якоря, что обусловливает
существенное падение напряжения при питании активно-индук-
тивных нагрузок в ударных режимах генераторов и режимах
динамического торможения. Кроме того, в отсутствие полу-
проводниковых преобразователей затрудняется регулирование
синхронных ЭМ с постоянными магнитами и асинхронных
ЭМ. Для самовозбуждения автономных асинхронных генера-
торов требуется применение конденсаторов значительной ем-
кости, увеличивающих габариты и массу установки ЭМН.
Управляемый коммутатор, применяемый в ряде установок
с использованием синхронных или асинхронных ЭМ, при
разряде ударных ЭМН работает в режиме выпрямителя,
а после достижения максимального ударного тока разряда
переводится в инверторный режим. Изменение полярности
напряжения при нагрузке, имеющей в отдельных установках
активно-индуктивный характер, приводит к уменьшению тока
цепи якоря и переходу ЭМ к работе в режиме электродвигателя-
282
При этом ротору ЭМН возвращается значительная часть
кинетической энергии, т. е. осуществляется ее рекуперация.
Для ЭМН характерна специфика работы их синхронных
или асинхронных ЭМ как генераторов ударного действия: отбор
электрической мощности происходит в условиях, соответству-
ющих переходному процессу внезапного несимметричного (для
однофазных машин) либо симметричного (например, для трех-
фазных машин) короткого замыкания (КЗ) генератора из
предшествующего режима холостого хода. Под ударной мощ-
ностью подразумевают максимум мгновенной мощности за
время первой полуволны тока внезапного КЗ. Практически
целесообразно использовать, как правило, первый максимум
тока (пиковое значение) с учетом апериодической составляющей.
При этом разряд генератора, рассчитанного на промышленную
частоту /=50Гц, длится менее 0,02 с. За такое малое время
возможен отбор от ЭМН и преобразование в электроэнергию
сравнительно небольшой части запасенной кинетической энергии
(менее 10—20%).
Для повышения эффективности ударных синхронных гене-
раторов их активную зону следует проектировать так, чтобы
якорная и мощная демпферная обмотки имели малые индук-
тивные сопротивления рассеяния Уо, Хаа. При этом увеличива-
ется максимальное значение тока разряда.
В режиме заряда ЭМН (разгона ротора) оценочные показа-
тели удельной энергии Wya получаются меньше значений,
указанных для МН (см. гл. 4) на основе металлических
маховиков. В состав ЭМН входят ЭМ, роторы которых в ряде
случаев имеют зубцово-пазовую структуру с токо-
проводящими обмотками. Эта конструктивная особенность
приводит к ограничению допустимой окружной скорости ро-
торов ЭМ, которая заметно меньше, чем у монолитных
маховиков. Согласно различным оценкам, обобщенным в [5.1],
Удельная кинетическая энергия ЭМ составляет: на единицу
объема и массы ротора Р7уд0 = 2 • 104-н5 • 105 кДж/м3
и Ю-100 кДж/кг соответственно; на единицу массы ЭМ
в целом И/'уд = 2 — 20 кДж/кг. Удельные показатели по энергии
электромагнитного поля в рабочем зазоре между статором
и ротором ЭМ при предельной оценке для ударного режима
с форсировкой возбуждения в расчете на единицу активного
объема и массы якоря ЭМ определяются значениями ИДд0~
1,5 • 104 кДж/м3 и ИДЯ~2 кДж/кг (средняя плотность матери-
алов якоря принята равной уср = 8 • 103 кг/м3). Как указывалось,
в Ударном режиме разряда в нагрузку передается электроэнергия,
Не превышающая 10—20% запасенной ротором кинетической
Сергии. В кратковременном разрядном режиме динамичес-
кого торможения в нагрузку передается электроэнергия, до-
жигающая 80% запасенной кинетической энергии. Таким
283
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
К гл. ]
1.1. Стырнкович М. А., Шпильрайн Э. Э. Энергетика. Проблемы и перс-
пективы. М.: Энергия, 1981.
1.2. Лидоренко Н. С., Мучник Г. Ф. Электрохимические генераторы. М,:
Энергоиздат, 1982.
1.3. Основы электрооборудования летательных аппаратов. 4.1 /Под ред£
Д. Э. Брускина. М.: Вмещая школа, 1978. »
1.4. Сивдеев И. М. Электроснабжение летательных аппаратов. М.: Тран<>
порт, 1982. '
1.5. Коровин Н. В. Электрохимические генераторы. М.: Энергия, 1974. р
1.6. Кокорев Л. С., Харитонов В. В. Прямое преобразование энергии и те-!
рмоядерные энергетические установки. М.: Атомиздат, 1980. \
1.7. Энергетические установки космических аппаратов / С. А. Подшивало^
Э. И. Иванов, Л. И. Муратов и др. М.: Энергоиздат, 1981.
1.8. Теория и расчет энергосиловых установок космических летательных
аппаратов/Л. А. Квасников, Л. А. Латышев, Д. Д. Севрук, В. Б. Тихонов. М.:
Машиностроение, 1984.
1.9. Бэгшоу Н. Е. Судовые батареи. М.: Судостроение, 1986.
1.10. Максимов Ю. И. Новые источники и преобразователи электрической
энергии на судах. Л.: Судостроение, 1980.
1.11. Прямое преобразование энергии. Вопросы космической энергети-
ки./Под ред. Н. С. Лидорепко, В. М. Бродянского, А. А. Куландина, С. В. Ти-
машова. М.: Мир, 1975.
1.12. Куландин А. А., Тимашов С. В., Иванов В. П. Энергетические системы
космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1979.
1.13. Коровин Н. В. Новые химические источники тока. М.: Энергия, 1978.
1.14. Садуорс Д., Тилли А. Сернонатриевые аккумуляторы. М.: Мир, 1988.
К гл. 2
2.1. Накопление и коммутация энергии больших плотностей/Под ред.
У. Бостика, В. Нарди, О. Цукера. М.: Мир, 1979.
2.2. Импульсные источники энергии на основе индуктивных накопите-
лей/В. А. Глухих, О. А. Гусев, А. И. Костенко и др. Препринт Б-0299. Л.:
НИИЭФА, 1976.
2.3. Сверхпроводящие машины и устройства/Под ред. С. Фонера, Б. Швар-
ца. М.: Мир, 1977.
2.4. Калантаров П. Л., Цейтлив Л. А. Расчет индуктивностей. Л.: Энерго-
атомиздат, 1986.
2.5. Тамм И. Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1989.
2.6. Алиевский Б. Л., Орлов В. Л. Расчет параметров магнитных поле
осесимметричных катушек (справочник). М.: Энергоатомиздат, 1983.
2.7. Том Р., Тарр Дж. Магнитные системы МГД-генераторов и термояде]
ных установок. М.: Энергоатомиздат, 1985.
2.8. Карасик В. Р. Физика и техника сильных магнитных полей. М.: Наука, 196
388
1
2.9. Холявский Г. Б. Расчет электродинамических усилий в электрических
аппаратах. Л.: Энергия, 1971.
2.10. Grover F. W, Inductance Calculation. N.-Y.: Van-Nostrand. 1946.
2.11. Монтгомери Д. Б. Получение сильных магнитных полей с помощью
соленоидов. М.: Мир, 1971.
2.12. Казовский Е. Я., Карцев В, П., Шахтарин В. Н. Сверхпроводящие маг-
нитные системы. Л.: Наука, 1967.
2.13. Зенкевич В, Б., Сычев В. В. Магнитные системы на сверхпроводниках.
М.: Наука, 1972.
2.14. Комин А. В., Кучинский В. Г. Мощные импульсные источники питания.
Обзор ОК-21. Л.: НИИЭФА, 1978.
2.15. Sadedin D. R. Geometry of a Pulse Transformer for Electromagnetic
Launching//IEEE Transactions on Magnetics, 1984. Vol. MAG-20, N 2, P. 381 —
384.
2.16. Егоров С. А., Костенко А. И. К применению сверхпроводящих сфе-
рических катушек в качестве индуктивных накопителей энергии. Препринт
БФ329. Л.: НИИЭФА, 1977.
2.17. Брехиа Г, Сверхпроводящие магнитные системы. М.: Мир, 1976.
2.18. Некоторые вопросы активного экранирования накопителей цилин-
дрической геометрии / Ф. 3. Гальчук, А. С. Дружинин, В. Г. Кучинский,
Б. А. Ларионов. Доклады 2-й Всесоюзной конференции по инженерным про-
блемам термоядерных реакторов (23—25 июня 1981 г.). Т. III. Л.: НИИЭФА,
1982. С. 125-132.
2.19. Конеев С. М.-А. Магнитная система со сферическими катушками
конечной толщины//Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт. 1980. №4.
С. 163—166.
2.20. Fabrication of Compact Storage Inductor for Railguns/M. L. Spann,
S. B. Pratap, J. H. Gully e.a.//IEEE Transactions on Magnetics. 1984. Vol. MAG-20,
N 2. P. 215—218.
2.21. Лейтес Л. В, Тороидальный реактор без сердечника для энергосис-
тем//Электричество. 1960. № 11. С. 76—81.
2.22. Шафранов В. Д. Об оптимальной форме тороидальных соленои-
дов//ЖТФ, 1972. Т. XLII, №9. С. 1785—1791.
2.23. Колядин Н. М., Касабова И. В. Расчет геометрических, электромаг-
нитных и прочностных параметров D-образной тороидальной магнитной
системы с учетом реальных особенностей конструкции. Препринт ИАЭ-3155,
ИАЭ им. Курчатова. М.: 1979.
2.24. Лейтес Л. В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реак-
торов. М.: Энергия, 1981.
2.25. Киопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.:
Мир, 1972.
2.26. Экспериментальное изучение импульсных источников энергии на
основе многосекционных индуктивных накопителей с умножением
тока/Э. А. Азизов, Ю. Г. Гендель, И. В. Кочуров и др. Доклад № 19 на
семинаре СССР—США "Индуктивные накопители энергии и коммутационная
аппаратура для термоядерных установок». Л.: НИИЭФА, 1974.
2.27. Бут Д. А. Индуктивные накопители энергии//Электричество. 1987.
№ 10. С. 14—24.
2.28. Импульсные источники питания на основе трансформаторных ин-
дуктивных накопителей с нелинейными элементами / М. Н. Быстров, Б. А. Лари-
онов, В. П. Силин и др. Доклад № 2 на семинаре СССР—США «Индуктивные
накопители энергии и коммутационная аппаратура для термоядерных уста-
новок». Л.: НИИЭФА, 1974.
2.29. Верещагин И, П. Анализ трансформаторной схемы индуктивного на-
копителя энергии//Труды МЭИ, 1963. Вып. 45. С. 183 — 245.
2.30. Юдас В. И., Маркина Т. А. Повышение коэффициента связи обмоток
трансформаторных тороидальных индуктивных накопителей энергии//Вопросы
атомной науки и техники. Серия Термоядерный синтез, 1986. Вып. 1. С. 69—72.
389 :
2.31. Zucker О., Wyatt J., Linder K. The Meat Grinder: Theoretical and Practical
Limitations//IEEE Transactions on Magnetics. 1984. Vol. MAG-20, N 2. P. 391-394.
2.32. Особенности построения индуктивных накопителей для генерирования
коротких импульсов/М. Н. Быстров, Ф. 3. Гальчук. Б. А. Ларионов, А. М. Сто-
лов. Доклад № 3 на семинаре СССР — США «Индуктивные накопители
энергии и коммутационная аппаратура для термоядерных установок». Л
НИИЭФА. 1974.
2.33. Проблемы накопления и преобразования электромагнитной энергии
в импульсных системах питания с индуктивными накопителями / Б. А. Лари-
онов, Ф. М. Спевакова, А. М. Столов, Э. А. Азизов//Сб. статей «Физика
н техника мошных импульсных систем»/Под ред. Е. П. Велихова, М.:
Энергоатомиздат. 1987. С. 66 104.
2.34. Фастовский В. Г., Петровский Ю. В., Ровинскнй А. Е. Криогенная
техника. М.: Энергия, 1974.
2.35. Справочник по физико-техническим основам криогеники/М. П. Мал-
ков, И. Б. Данилов, А. Г. Зельдович и др. М.: Энергоатомиздат, 1985.
2.36. Специальные электрические машины /А. И. Бертинов, Д. А. Бут,
С. Р. Мизюрин и др. М.: Энергоиздат, 1982.
2.37. Жебнт В. А. Разработка сверхпроводниковых накопителей энергии
для энергетических систем за рубежом//Электротехническая промышленность.
Серия Электрические машины, 1979. Вып. 7(101).
2.38. Егоров С. А., Костенко А. И. Расчет и анализ параметров магнитной
системы сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии в форме круговой
катушки. Препринт Б-0288. Л.: НИИЭФА, 1976.
2.39. Егоров С. А. Магнитные системы сверхпроводящих индуктивных
накопителей энергии без внешних полей. Доклады II Всесоюзной конференции
пО инженерным проблемам термоядерных реакторов (23—25 июня 1981 г.),
Т. II, Л.: НИИЭФА, 1982.
2.40. Егоров С. А., Костенко А. И. К применению системы из двух
сверхпроводящих эллипсоидальных катушек, не имеющей внешнего магнитного
поля в качестве индуктивного накопителя энергии (ч. 1). Препринт Б-0310. Л.:
НИИЭФА, 1976.
2.41. Егоров С. А., Костенко А. И. Расчет, сравнение и оптимизация
магнитных систем сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии с раз-
личными геометрическими формами. Доклад № 1 на семинаре СССР — США
«Индуктивные накопители энергии и коммутационная аппаратура для тер-
моядерных установок». Л.: НИИЭФА, 1974.
2.42. Веников В. А., Зуев Э. Н., Околотнн В. С. Сверхпроводники в энер-
гетике. М.: Энергия, 1972.
2.43. Электротехнический справочник / Под общ. ред. профессоров МЭИ
(гл. ред. И. Н. Орлов), т. 2. М.: Энергоатомиздат, 1986.
2.44. Азизов Э. А,, Ахмеров Н. А., Годонюк В. А. Исследование макета
коммутатора многократного действия с гашением дуги жидкой шсстифтористой
серой. Доклады II Всесоюзной конференции по инженерным проблемам
термоядерных реакторов (23—25 июня 1981 г.), т. III, Л.: НИИЭФА. 1982.
2.45. Ларионов Б. А., Михайлов Н. А. Быстродействующий размыкатель
многократного действия с электродинамическим приводом. Там же.
2.46. Вишневский А, И., Руденко В. С., Платонов А. П. Силовые ионные
и полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1975.
2.47. Мощные сверхпроводящие размыкатели из фольги, управляемые
перпендикулярным магнитным полем / Колядин Н. М.. Куроедов Ю. Д-,
Пичугин В. Д. и др. Доклады II Всесоюзной конференции по инженерным
проблемам термоядерных реакторов (23—25 июня 1981 г.), т. III Л.: НИИЭФА,
1982. С. 227—232.
2.48. Мощный двухступенчатый размыкатель постоянного тока / В. Р. Ан-
дреев, М. М. Аталиков, И. Ю. Бенескриптов и др. Там же.
2.49. Бут Д. А. Анализ и расчет вентильных генераторов//Электричество.
1987. №7.
390
2.50. McCee В. D., McNab I. R. A 10-MJ Compact Homopolar
Generator//IEEE Transactions on Magnetics, 1986. Vol. MAG-22, N 6. P. 1619—
1622.
2.51. Gully J. H., Aanstoos T. A., Natly K., Walls W. A. HPG Operating
Experience at CEM-UT//IEEE Transactions on Magnetics. 1986. Vol. MAG-22,
N 6. P. 1489—1494.
2.52. New High Current Meat Grinder Experiments/ D. Giory, J. Long
e.a.//IEEE Transactions on Magnetics, 1986. Vol. MAG-22, N 6. P. 1485—1488.
2.53. Андрианов В. В., Копылов С. И. Определение параметров сверхп-
роводниковых катушек с параллельным соединением секций //Электричество,
1983. № 12.
2.54. Потерн в комбинированных сверхпроводниках при неизотермических
условиях/В. В. Андрианов, В. П. Баев, В. Б. Зенкевич н др. ДАН СССР. 1978,
т. 241, № 5.
2.55. А 10 mJ Cryogenic Inductor/D. T. Hackworth, D. W. Deis. P. W. Eckels,
D. Marchik//IEEE Transactions on Magnetics, 1986. Vol. MAG-22, N 6.
2.56. Фишер Л. M., Петровский Ю. В. Высокотемпературная сверхпрово-
димость. Успехи и перспективы//Электротехника. 1987. №11. С. 59 62.
2.57. Design and Optimization of Hydrogen Cooled Pulsed Storage Inductors
for Electromagnetic Launchers/Y. M. Eyssa, M. K. Abdelsalam, R. W. Boom
e.a.//IEEE Transactions on Magnetics. 1988. Vol. MAG-25. N 1. P. 174—179.
К гл. 3
3.1. Ермуратскнй В. В., Ермуратскнй П. В. Конденсаторы переменного тока
в тиристорных преобразователях. М.: Энергия, 1979.
3.2. Кучинский Г. С. Высоковольтные импульсные конденсаторы. Л.: Энер-
гия, 1973, 175 с.
3.3. Силовые электрические конденсаторы / Г. С. Кучинский, Н. И. Назаров,
Г. Т. Назарова и др. М.: Энергия, 1975.
3.4. Ануфриев Ю. Н., Гусев В. Н., Смирнов В. ф. Эксплуатационные
характеристики надежности и надежность электрических конденсаторов. М.:
Энергия, 1969.
3.5. Ренне В. Т. Электрические конденсаторы. М.: Энергия, 1969.
3.6. Rose М. F. Compact Capacitor Powered Railgun System//IEEE
Transactions on Magnetics. 1986. Vol. MAG-22, N 6. P. 1717—1721.
3.7. Импульсные источники света/Под ред. И. С. Маршака, М.: Энергия,
1978.
3.8. Кононов С. П., Скребнев Б. А. Анализ резонансной и квазирезонансной
зарядок емкостных накопителей в безразмерных параметрах//Изв. вузов.
Электромеханика. 1971. № 5. С. 473—479.
3.9. К расчету главных размеров синхронного генератора, работающего
на импульсную нагрузку /Бертинов А. И., Мизюрин С. Р. и др.//Электричество,
1968. № 12. С. 29—34.
3.10. Важное А. И. Переходные процессы в машинах переменного тока,
Л.: Энергия, 1980.
3.11. Мнзюрнн С. Р., Соколов В. С., Соловьева Т. В. Исследование заряд-
ного процесса емкостного накопителя энергии от синхронного генератора
через выпрямитель//Электротехника. 1973. №12. С. 14—17.
3.12. Рюденберг Р. Переходные процессы в электроэнергетических системах.
М.: Изд-во иностр, лит. 1955.
3.13. Воробьев Г. А., Месяц Г, А. Техника формирования высоковольтных
наносекундных импульсов. М.: Госатомиздат, 1963.
3.14. Разработка и создание емкостного источника питания импульсных
генераторов плазмы с энергией ЗМДж/ Д. А. Андреев, М. О. Знесин, В. А.
Коликов. Всесоюзный научно-исследовательский институт электромашиност-
роения. Источники электропитания кратковременных и импульсных нагрузок
большой мощности. Л.: 1981.
391
3.15. Техника больших импульсных токов и магнитных полей/Под ред
В. С. Комелькова. М.: Атомиздат, 1970.
3.16. Пеитегов И. В. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителе!
энергии. Киев: Паукова думка. 1982.
3.17. Емкостный накопитель большой энергии с использованием ссрийны:
тиристоров
С. Л. Зайенц,
в качестве
А. И. Кручинин
управляемых
и др. Всесоюзный научно-исследовательский
институт электромашиностроения. Источники электропитания кратковременных
и импульсных нагрузок большой мощности. Л.: 1981.
3.18. Энергетика процесса заряда конденсатора от генератора переменной
тока через выпрямитель / А. И. Вертинов, С. Р. Мизюрин, В. А. Серико!
и др.//Электричество 1967. №8. С. 54—61.
3.19. Аветисян Д. А., Мизюрин С. Р. Переходные процессы в авиационньп
генераторах и трансформаторах. Конспект лекций. М.: МАИ, 1972.
3.20. Мизюрни С. Р. Динамика и регулирование электромеханически;
преобразователей. М.: МАИ, 1982.
3.21. Прохоров Е. Н. Разрядник высокого давления с кольцевыми элект
родами//Доклады научно-технической конференции по итогам НИР за 1966—
67 гг. Секция электроэнергетическая. Подсекция «Техника высоких напряже
ний». МЭИ, 1967. С. 127—131.
• К гл. 4
4.1. Гулиа Н. В. Маховичные двигатели. М.: Машиностроение, 1976.
4.2. Гулиа Н. В. Накопители энергии. М.: Наука, 1980.
4.3. Гулиа Н. В. Инерция. М.: Наука, 1982.
4.4. Электромеханические накопители энергии с упругой муфтой/
/Б. Л. Алиевский, Д. А. Бут, П. В. Васюкевич, А. А. Юдаков//Вопросы при-
менения маховичных накопителей энергии. Свердловск: Институт машиноведе-
ния УОАН СССР. 1988. С. 48—54.
4.5. Алексеев Г. Н. Прогнозное ориентирование развития энергоустановок.
М.: Наука, 1978.
4.6. Алексеев Г. Н. Общая теплотехника. М.: Высшая школа, 1980.
4.7. Красовский Б. Н. Вопросы прочности электрических машин. М.: Изд.
АН СССР. 1951.
4.8. Справочник по авиационным материалам / Под ред. А. Т. Туманова,
т. 2. М.: Оборонгиз, 1958.
4.9. Избирательный перенос в тяжелонагруженных узлах трения/Под ред.
Д. Н. Гаркунова. М.: Машиностроение, 1982.
4.10. Силив А. А. Трение и его роль в развитии техники. М.: Наука, 1983.
4.11. Гиродвигатели/Под ред. И. Н. Орлова. М.: Машиностроение, 1983.
4.12. Глебов И. А., Катарский Э. Г., Рутберг Ф. Г. Синхронные генераторы
в электрофизических установках. Л.; Наука, 1977.
4.13. Быстров Ю. А., Иванов С. А. Ускорительная техника и рентгеновские
приборы. М.: Высшая школа, 1983.
4.14. Справочник машиностроителя. Т. З/Под ред. С. В. Серенсена
и Н. С. Ачеркана. М.: ГНТИМЛ, 1951.
4.15. Скубачевский Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Ма-
шиностроение, 1981.
4.16. Proceedings of the 1975 Flywheel Technology Symposium. California, 1976.
4.17. Flywheel Technology Symposium Proceedings. San Francisco, 1977.
4.18. 23-rd National SAMPE Symposium and Exhibition. California, 1978.
4.19. Traxler A., Salm J. Aktive magnetische Rotorlagerung//Technische
Rundschau. 1988, B. 80, N 22. S. 64—66.
4.20. Джеита Д. Накопление кинетической энергии/Пер. с англ, под ред.
Г. Г. Портнова. М.: Мир, 1988.
4.21. Астахов Ю. Н., Веников В. А., Тер-Газярян А. Г. Накопители энергии
в электрических системах. М.: Высшая школа, 1989.
392
К гл. 5
5.1. Глебов И. А., Катарский Э. Г., Рутберг Ф. Г. Синхронные генераторы
кратковременного и ударного действия. Л.: Наука, 1985.
5.2. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980.
5.3. Копылов И. П. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1986.
5.4. Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. Электрические машины.
Ч. 1 и 2. М.: Высшая школа, 1987.
5.5. Винокуров В. А., Попов Д. А. Электрические машины железнодорож-
ного транспорта. М.: Транспорт, 1986.
5.6. Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высшая
школа. 1990.
5.7. Сипайлов Г, А., Хорьков К. А. Генераторы ударной мощности. М.:
Энергия, 1979.
5.8. Ударные униполярные генераторы / В. А. Глухих, Г. А. Баранов,
Б. Г. Карасев, В. В. Харитонов. Л.: Энергоатомиздат, 1987.
5.9. Бертииов А. И., Алиевский Б. Л., Троицкий С. Р. Униполярные элект-
рические машины. М. — Л.: Энергия, 1966.
5.10. Нейман Л. Р,, Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники.
Т. 2. Л.: Энерюиздат, 1981.
5.11. Сипайлов Г. А., Кононенко Е. В,, Хорьков К. А, Электрические маши-
ны. М.: Высшая школа, 1987.
5.12. Лупкии В. М. Теория несимметричных переходных процессов синхрон-
ной машины. Л.: Наука, 1985.
5.13. Шереметьевский Н. Н. Электромеханика и мирный космос//Электро-
техника. 1987. № 6. С. 10—16.
5.14. Алиевский Б. Л. Основы нелинейной обобщенной теории униполярных
машин постоянного тока//Изв. вузов. Электромеханика. 1984. № 1. С. 67—73.
5.15. Алиевский Б. Л. Переходные процессы в униполярных машинах с мас-
сивным ротором//Изв. вузов. Электромеханика. 1986. № Ц. С. 33—38.
5.16. Манн Э. Г., Тиунчик В. М. Кольцевые электромеханические инерци-
онные аккумуляторы//Электричество. 1986. № 4. С. 19—24.
5.17. Проблемы создания кинетических аккумуляторов электрической энер-
гии /А. Н. Дедовский, П. И. Литвинов, М. Э. Новиков и др. Электричество.
1978. № 3. С. 41—44.
5.18. Ершевич В. В., Кирьянова Н. А. Крупные электроаккумулирую-
щие установки//Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1985. № 1.
С. 16—24.
5.19. Электрооборудование транспорта//Реферативный журнал «Электротех-
ника». 1986. № 7, рефераты 7Л167, 7Л183, 7Л184, 7Л235—7Л239.
5.20. Лившиц А. Л., Рогачев И. С., Отто М. Ш. Генераторы импульсов. М.:
Энергия, 1970.
5.21. А.с. 445969 (СССР). Униполярный генератор/Алиевский Б. Д.//БИ,
1974, № 37.
5.22. Homopolar generator as the energy store for a large laser//Nature,
1968. V. 220, N 11. P. 1121.
5.23. Deis D. W., McNab 1. R. A laboratory demonstration electromagnetic
launcher//IEEE Transactions on Magnetics, 1982. V. 18, N 1. P. 16—22.
5.24. Gully J. H. Compact homopolar generator//IEEE Transactions on
Magnetics, 1982. V. 18, N 1. P. 160—164.
5.25. Weldon W. F., Aanstoos T. The proposed CEM-UT 50MJ pulsed
homopolar generator power supply//IEEE Transactions on Magnetics, 1982. V. 18,
N 1. P. 165—169.
5.26. Weldon W. F., Pryor D. H. Producibility improvements and manufacture
of a prototype commercial compact pulsed homopolar generator//IEEE Transactions
on Magnetics, 1984. V. 20, N 2. P. 185—190.
5.27. 3-rd Symposium on Electromagnetic Launch Technology, 1986//IEEE
Transactions on Magnetics, 1986. V. 22, N 6. P. 1386—1388; 1793 —1798.
393
5.28. Zowarka R. C., Rech B. ML, Nalty К. E. Testing of a homopolar generator,
energy storage inductor, opening-switchrailgun system//IEEE Transactions on
Magnetics, 1986, V. 22, N 6. P. 1826 1832.
5.29. Noble W. L., Weldon J. M., Gully J. H. Final manufacture and assembly
of a modular 60 megajoule pulsed homopolar power supply//IEEE Transactions
on Magnetics, 1986. V. 22, N 6. P. 1623—1627.
5.30. 4-th Symposium on Electromagnetic Launch Technology. 1988//IEEE
Transactions on Magnetics, 1989. V. 25, № 1. P. 116—119, 210—217, 362—375,
387—392. 504—507.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
К гл. 6
6.1. Kapitza P. Further Developments of the -Method of Obtaining Strong
Magnetic Fields//Proc. Roy. Soc. London. 1927. V. 115A. P. 656.
6.2. Випф С. Обратимая передача энергии между индуктивностями//Накоп:
ление и коммутация энергии больших плотностей / Под ред. У. Бостика,
Bi Нарди, О. Цукера. М.: Мир, 1979. С. 421—434.
6.3. A rapid fire, compulsator-driven railgun system/ M. L. Spann e.a. //IEEE
Transactions on Magnetic, 1986. Vol. MAG-22, N 6. P. 1753—1756.
6.4. Future trends for compulsators driving railguns/S. B. Pratap e.a.//IEEE
Transactions on Magnetics, 1986. Vol. MAG-22, N 6. P. 1681—1683.
6.5. Advanced compulsator design/Driga M. D., Pratap S. B.,
Weldon W. F.//IEEE Transactions on Magnetics, 1989, Vol. 25, No. 1, p. 142—146.
6.6. Дружинин A. С., Кучинский В. Г., Ларионов Б. А. Компрессионные ге-
нераторы//Физика и техника мощных импульсных систем/Под ред.
Е. П. Велихова, М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 280—295.
6.7. Горев А. А. Переходные процессы синхронной машины. Л.: Наука, 1985.
6.8. А.с. № 352382 (СССР). Электромашинный источник
импульсов/П. В. Васюкевич, О. М. Глухов, Л.Д. Кочетков//БИ, 1972, № 28.
6.9. Васюкевич П. В. Ударный генератор с импульсным возбуждением
обмотки рогора//Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1983, №4.
С. 49 55.
6.10. А.с. № 904133 (СССР). Электромашинный импульсный генера-
тор/П. В. Васюкевич//БИ. 1982, № 5.
6.11. А.с. № 664264 (СССР). Электрический генератор/А. И. Вертинов,
Д. А. Бут, БИ, 1979, № 19.
6.12. High performance disk alternators/Mongeau Р. et al//.IEEE Transactions
on Magnetics, 1989, Vol. 25, No. 1, p. 376—380
6.13. Снпайлов Г. А., Лоос А. В., Чучалнн А. И.: Электромашинное гене-
рирование импульсных мощностей в автономных режимах. М.: Энергоато-
миздат, 1990.
6.14. А.с. № 1111233 (СССР). Ударный генератор/П. В. Васюкевич,
А. А. ЮдаковБИ. 1984. № 4.
6.15. Васюкевич П. В. Концентрация магнитного потока в электромехани-
ческом преобразователе энергии//Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт,
1985, № 4. С. 36—45.
6.16. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в эле-
ктрических машинах/А. В. Иванов-Смоленский, Ю. В. Абрамкин, А. И. Власов,
В. А. Кузнецов. Под ред. А. В. Иванова-Смолеиского. М.: Энергоатомиздат,
1986.
6.17. Математическое обеспечение ЕС ЭВМ. Вып. 2, ч. 2. Минск: Ин-т
математики АН БССР. 1973.
6.18. Соболь И. М., Статннков Р. Б. Выбор оптимальных параметров в за-
дачах со многими критериями. М.: Наука, 1981.
6.19. Демирчян К. С., Чечурнн В. Л. Машинные расчеты электромагнитных
полей. М.: Высшая школа, 1986.
6.20. Снпайлов Г. А., Лоос А. В. Математическое моделирование элект-
рических машин. М.: Высшая школа, 1980.
Аккумулятор 12
Активная зона 354
-----с гладким магнитопроводом 355, 360
-----с зубчатым магнитопроводом 356, 360
Батарея аккумуляторная 11
— топливных элементов 27
Бессиловая конструкция 112
— конфигурация 67
Вентиль магнитоуправляемый газоразряд-
ный 138
Вывод коаксиальный 166
Выпрями гель 182
— неуправляемый 182
— управляемый 182
Генератор вентильный 194
— магнитогидродинамический 144
— синхронный 279
— униполярный 143, 317, 319
— электрохимический 11
Гиродин 311
Гироскоп 311
Гомополярник 267
Давление 121, 122
— магнитное 85, 90
Двигатель асинхронный 309
Диффузия магнитного поля 127
Диэлектрик жидкий неполярный 162
-----полярный 162
Дозатор энергии емкостный 183
-----индуктивный 183
Емкость конденсатора 157
Жидкий азот 120
— водород 134
— гелий 128
Закон Био-Савара 64
— Гука 75
Инвертор 183
Индуктивность 61, 62
— взаимная 63, 103
— обмотки 354, 356
— собственная 63, 103
— удельная 108
Индукция магнитная 65, 70, 118
-----максимальная 71, 130
Источник питания 141
Кабель коаксиальный 106, 109, 112
-----высоковольтный 235
Катушка 69
— Брукса 69, 72, 106, 118
— кольцеобразная 78
— с круг овым сечением 79
— тороидальная 89
Катушка тороидальная дискретная 97
----------коаксиальная 93
----------с прямоугольным сечением 92
----------толстая 91
----------тонкая 89
Коммутатор 135 .
— взрывной 140
— 2здЛупроводниковый тиристорный 136,
— реостатный 141
— сверхпроводниковый 139
— с подвижными контактами 137
— элект ровзрывной 140
Компенсация реакции якоря 346
Коэффициент длительности цикла 146
— заполнения 62, 69, 90, 128, 132
— использования 143
— полезного действия 7
----------------заряда 98
— • коммутации 100
-------накопителя 7, 148
передачи энергии 104, 117
----------------полный 101
----------------разряда 100
— связи 103, 106, 108, НО
— теплоотдачи 120
— Фабри 121
— формы 69, 83
— форсировки 99
Криопроводник 134, 135
Критерий подобия 132
Машина электрическая 278
----- вентильная 279
-----переменного тока 279
-----постоянного тока 279
-----униполярная 279, 293
Мембрана ионообменная 19
Моделирование физическое 149 •
Модель математическая 288, 293
Модуль упругости 79
Мощность ударная 283
Муфта упругая 280
Нагрузка активная 98, 102
— индуктивная 98, 114
Накопитель емкостный 154
— индуктивный 4, 58
-----в виде кольцеобразных катушек 78
----------тонкого соленоида 72, 82
-----— — цилиндрических катушек 68, 72
----г криопроводниковый 128
-----линейный 68
— — сверхпроводниковый 128
------с переключением обмоток 101
-----сферический 72, 85
-----тороидальный 68, 89
-----трансформаторный 98, 102
— механический 236
-----динамический 237
-----инерционный 240, 262
394
395
Накопитель механический комбинирован-
ный 237, 242
----пружинный 243
---- статический 236
— - тепловой энергии 246
— электродинамический 333
— электромеханический 276
— электрохимический 11
Напряжение механическое 74, 85, 91, 146
----изгибающее 94, 95
----радиальное 92
----растягивающее 66, 94, 95
----сдвига 76, 78
----сжимающее 75
----тангенциальное 75, 92
Обмотка ротора 347, 352
Опора газодинамическая 257
— газостатическая 257
— магнитная 258
— электростатическая 259
Охлаждение конвективное 331
— эффективное 331
Плотность тока оптимальная 147, 149
Подвес магнитный 313, 315
----на постоянных магнитах 316
----на электромагнитах 316
Показатели установок системотехнические
,444
----экономические 144
Потенциал векторный 65
Потери при заряде 98
---- разряде 100
Поток магнитный 61, 107
Потокосцепление 61, 77
Преобразователь индуктивно-емкостный 186
Проводимость магнитная 363
— тепловая 331
Разряд ударный 279
Разрядник искровой 228
— тригатронного типа 230
Регенератор 30
Режим тепловой 329
----кратковременный 330
----повторно-кратковременный 330
----стационарный 123, 329
----термоинерционный 124
Ротор 347, 352
Сверхпроводник 128
Сила объемная 74
— радиальная 66, 74, 78, 88, 91
— тангенциальная 74
— электродинамическая 67
— электромагнитная 71, 90, 92
Системный подход 144
Слой токовый 80, 81, 86
Соленоид 82
— оптимальный 83
Сопротивление 171
— активное 98. 102
— волновое конденсатора 171
— индуктивное 98, 114
— тепловое 330, 331
Стабилизатор гиросиловой 312
Стирлинг 56
Стоимость удельная 148, 149
Схема включения обмоток 343
— расчета 367
— умножения второго рода 188
--- первого рода 188
Теплоемкость 124, 130
Теплопроводность 120, 123
Токи вихревые 118
Торможение динамическое 279
Тороидальность 56
Труба аэродинамическая дуговая 317
Угол коммутации 220
— управления 220
Уплотнение 261
— лабиринтное 261
— магнитное 261
— манжетное 261
— электрогидродинамическое 261
Уравнение Лагранжа 284
Установка водонапорная 248
— гидроаккумулирующая 247
— рефрижераторная 129
— ускорительная электродинамическая 320,
322
Устройство зарядное 154
— разрядное 154
— токосъемное 316
— — жидкометаллическое 316
---плазменное 316
---твердотельное 316
---щеточное 316
— трансформаторно-выпрямительное 194 й
Форсировка 99
Характеристика переходного процесса 383
— рабочего процесса 333
Хладагент 119, 121, 135
Холодильник-излучатель 28
Частота следования разрядов 156
Число Маха 317
— Нуссельта 120
— Прандтля 120
— Рейнольдса 121
---магнитное 119
Экранирование 88
Электролизер 30
Электромобиль 29, 55, 262
Элемент емкостный 113
— индуктивный 113
— топливный 11
Энергия индуктивного накопителя 58, 69, 89,
103, 112
--------магнитная 67
—-------переданная нагрузке 59, 115
--------удельная 69, 72, 87, 96
----------системная 145
Энергоустановка автономная 144
Эффект аномально низкого трения 256
Явление избирательного переноса 256
396
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................................ 3
Список основных сокращений........................................ 6
Введение........................................................... 7
Глава первая. Электрохимические накопители энергии
1.1. Общие сведения об ЭХН....... ................................ 11
1.2. Физико-химические процессы в электрохимических генераторах.. 16
1.3. Электроэнергетические установки с электрохимическими накопители-
ми, выполненными на базе ЭХГ...................................... 27
1.4. Регенеративные установки с водород-кислородными ЭХН.......... 30
1.5. Физико-химические процессы в аккумуляторных батареях......... 36
1.6. Динамические режимы АБ....................................... 48
1.6.1. Переходные процессы при заряде......................... 49
1.6.2. Переходные процесссы при разряде....................... 51
1.7. Электроэнергетические установки с электрохимическими накопителя-
ми, выполненными на базе АБ....................................... 53
Глава вторая. Индуктивные накопители энергии
2.1. Общие сведения об индуктивных накопителях энергии............ 58
2.2. Особенности расчета индуктивностей, магнитных полей и электроди-
намических усилий в ИН............................................ 61
2.3. Основные типы ИН, их параметры и показатели.................. 68
2.3.1. ИН в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения.... 68
2.3.2. ИН в виде кольцеобразных катушек....................... 78
2.3.3. ИН в виде тонкого соленоида............................ 82
2.3.4. Сферические ИН........................................ 85
2.3.5. Экранирование катушек дипольного типа..... 88
2.3.6. Тороидальные ИН....................................... 89
2.4. Энергетические процессы в ИН. Трансформаторные ИН..........' 98
2.4.1. Процессы заряда и разряда в ИН......................... 98
2.4.2. Трансформаторные ИН................................... 102
2.4.3. Использование ИН в цепях с емкостными и индуктивными
элементами................................................... 113
2.4.4. Роль вихревых токов н ИН.............................. 118
2.5. Тепловые процессы в ИН...................................... 119
2.5.1. Общие положения..................................... 119
2.5.2. Стационарные тепловые режимы ИН....................... 123
2.5.3. Термоинерционные режимы ИН......................... 124
2.6. Сверхпроводниковые и криопроводниковые ИН................ 128
2.7. Коммутаторы для цепей с ИН............;................'.....135
2.7.1. Полупроводниковые тиристорные коммутаторы........... 136
2.7.2. Коммутаторы с подвижными контактами.................. 137
2.7.3. Магнитоуправляемые газоразрядные вентили со скрещенными
электрическими и магнитными полями....................... .!. 138
397
2.7.4. Сверхпроводниковые коммутаторы.........................
2.7.5. Электровзрывные, взрывные и реостатные коммутаторы.....
2.8. Источники питания ИН.........................................
2.9. Системотехнические и экономические показатели установок с ИН.
2.10. Физическое моделирование ИН.................................
Глава третья. Емкостные накопители энергии
3.1. Общие сведения о емкостных накопителях и характеристика режимов
их работы........................................................
3.2. Конденсаторы для ЕН..........................................
3.2.1. Общие сведения о физических процессах в конденсаторах..
3.2.2. Диэлектрические материалы, используемые в конденсаторах ЕН
3.2.3. Устройство конденсаторов ЕН.......:....................
3.2.4. Удельная энергия и параметры конденсаторов ЕН..........
3.2.5. Потери мощности в конденсаторах ЕН.....................
3.2.6. Тепловые процессы в конденсаторах ЕН...................
3.2.7. Выбор конденсаторов ЕН.................................
3.3. Основные типы зарядных устройств ЕН..........................
3.4. Математические модели зарядных устройств ЕН..................
3.4.1. Математическое описание выпрямителя с ЕН....:..........
3.4.2. Зарядные процессы ЕН от ЗУ трансформаторно-выпрямитель-
ного типа с неуправляемым выпрямителем........................
3.4.3. Процесс заряда ЕН от вентильного генератора с неуправляемым
выпрямителем..................................................
3.4.4. Полунатурная (комбинированная) модель ЕН...............
3.4.5. Приближенное математическое описание ЗУ с зарядом ЕН пере-
менным током..................................................
3.5. Регулирование зарядных процессов в ЕН........................
3.6. Разрядные процессы в ЕН......................................
3.7. Разрядные устройства ЕН.............................,........
Глава четвертая. Механические накопители энергии
4.1. Общие сведения о механических накопителях энергии............
4.2. Устройства и установки на базе механических статических накопителей
энергии..........................................................
4.2.1. Упругостно-механические накопители энергии.............
4.2.2. Гравитационно-гидравлические накопители энергии........
4.3. Общие принципы технического применения динамических инерцион-
ных накопителей энергии..........................................
4.4. Устройства и установки на базе механических инерционных накопи-
телей энергии....................................................
4.5. Элементы расчета на прочность механических накопителей энергии....
4.5.1. Тонкий вращающийся обод................................
4.5.2. Ободковый маховик со спицами...........................
4.5.3. Вращающийся диск постоянной толщины....................
4.5.4. Вращающийся плоский диск без отверстия.................
4.5.5. Вращающийся равнопрочный диск..........................
4.5.6. Гиперболически профилированный вращающийся диск........
4.5.7. Упругостно-механические газобаллонные и пружинные устрой-
ства .........................................................
4.6. Расчет вала инерционного накопителя на жесткость.............
Глава пятая. Электромеханические иакопигели энергии
5.1. Общие сведения об электромеханических накопителях энергии....
5.2. Теоретические основы электромеханических накопителей энергии.
5.2.1. Описание процессов в ЭМН на основе уравнений аналитической
механики......................................................
5.2.2. Математическая модель ЭМН, выполненных на базе синхрон-
ных электрических машин........................................
236
243 '
243 ;
247
249
262 Н .
270 (
270 ,
271 I
272 !
273 .'!
274
274 I
276 п
278 Ml
284 ИI
284 м
288 Я "
144
149
154
157
157
161
164
168
171
174
179
210
213
216
222
227
5.2.3. Разгон роторов ЭМН, выполненных на базе электрических ма-
шин переменного тока........................................... 291
5.2.4. Математическая модель ЭМН, выполненных на базе униполяр-
ных электрических машин........................................ 293
5.2.5. Процесс заряда ЭМН, выполненных на базе машин постоянного
тока......................................................... 296
5.2.6. Процесс разряда ЭМН с генератором постоянного тока на цепь
нагрузки, содержащую индуктивность и сопротивление............. 298
5.2.7. Основные энергетические соотношения в ЭМН............... 300
5.3. Устройства и установки с электромеханическими накопителями энер-
гии ............................................................... 305
5.3.1. Устройства и установки с ЭМН на базе электрических машин
переменного тока и вентильных машин............................ 305
5.3.2. Устройства и установки с ЭМН на базе униполярных электричес-
ких машин...................................................... 316
5.4. Основные сведения о тепловых режимах электромеханических накопи-
телей ............................................................. 329
Глава шестая. Электродинамические накопители энергии
6.1. Общая характеристика рабочих процессов в электродинамических на-
копителях энергии.................................................. 333
6.2. Схемы включения обмоток ЭДН................................... 343
6.3. Активная зона ЭДН............................................. 354
6.4. Расчет индуктивностей обмоток с учетом нелинейных свойств актив-
ной зоны........................................................... 363
6.5. Алгоритм электромагнитного расчета ЭДН........................ 373
6.6. Характеристики ЭДН.......................................... 379
Список литературы................................................. 388
Предметный указатель...................,........’................ 395
398