ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Супермаховик — перспективный инерционный аккумулятор из "Инерция " Как известно из физики, любое движущееся тело является носителем кинетической энергии. Тела могут двигаться по-разному поступательно, вращательно, произвольно в плоскости, вращаться вокруг неподвижной точки (как, например, волчок), двигаться произвольно в пространстве. Самый простой вид движения — поступательное при этом все точки описывают одинаковые траектории, имеют одинаковые скорости и ускорения. [c.100] Вот идеальные аккумуляторы энергии, плотность энергии которых во много раз превышает плотность энергии лучших электрических аккумуляторов. Но как привязать этот аккумулятор к месту Надо как-то привязать несущийся аккумулятор к неподвижной оси, а уже с нее снимать энергию. [c.100] Смысл таков если нужно накопить больше энергии, то в столько же раз приходится увеличивать прочность материала маховика. [c.101] Теперь, зная, каким образом накапливается кинетическая энергия во вращающемся маховике, зададимся вопросом до какого же предела можно накачивать в маховик энергию Что мешает беспредельному повышению плотности его энергии Ответ только один — прочность материала маховика. Повышая во сколько-нибудь раз плотность энергии маховика конкретной формы, мы должны расплачиваться таким же увеличением его прочности. Например, изготовив маховик — кольцо из стали (р=7,8 т/м ) и высчитав напряжения в материале, получаем, что для плотности энергии 385 Дж/кг надо иметь кольцо прочностью не менее 0,6 кН/см , для плотности 38,5 тыс. Дж/кг — 0,06 MH/ м а для 50 млн. Дж/кг — 78 МН/см . Современная техника пока может удовлетворить требованиям прочности материалов только для первых двух случаев, но это только пока .. [c.101] Испытания таких витых маховиков на разрыв при вращении показали, что плотность энергии в них почти в 6 раз выше, чем у маховиков, изготовленных из высококачественной, но монолитной стали. Однако самое главное в том, что витой маховик совершенно безопасен при разрыве. [c.102] Маховики, изготовленные из слоисто-волокнистых композиционных материалов высокой прочности, накапливающие энергию с гораздо большей плотностью, чем обычные монолитные, и обладающие безопасным разрывом, получили название супермаховиков. Идея и устройство безопасного витого маховика — супермаховика — были заявлены независимо и практически одновременно в СССР и США в мае 1964 г. автором книги и в январе 1965 г. американцем Т. Рейнхартом. Первая публикация по этому вопросу относится к 1965 г. Надо заметить, что витые маховики известны с 1883 г., но по устройству и достигаемой цели они не имели отношения к супермаховикам. [c.102] Как бороться с этим явлением Об одном из решений мы уже упоминали — под обод, намотанный из ленты или волокна, подкладывается балласт — тяжелые сегменты из стали или свинца либо порошок из этих металлов на упругом связующем. Одна из конструкций балластированного супермаховика представлена на рис. 18. Упругое кольцо, установленное между балластом и центральным диском супермаховика, служит для компенсации зазора из-за неодинакового упругого расширения диска и обода и надежной фиксации обода и балласта на диске. Балласт как бы поджимает при вращении внутренние витки к внешним, обеспечивая намотке плотность и нерас-слоение. Сам балласт тоже накапливает достаточную энергию при вращении. [c.104] Суть этого метода состоит в том, что плотность навивки обеспечивается поджатием не внутренних витков к внешним, а наоборот — внешних к внутренним. Достигается это навивкой ленты или волокна (проволоки) с расчетным натягом на упругую центральную часть — ступицу. Натяг зависит от многих факторов — податливости ступицы, формы сечения наматываемого элемента, толщины слоя навивки и т. п. В среднем этот натяг равен половинному от максимального натяга внешнего витка супермаховика при вращении. [c.105] После намотки ступица и часть внутренних витков сжаты, а внешние витки растянуты, причем максимально растянут самый внешний виток, и напряжение в нем при этом составляет всего лишь половину от рабочего. При разгоне супермаховика зона растяжения постепенно переходит на внутренние витки, а затем и на ступицу. Внешний же виток повышает свое напряжение до рабочего. Чтобы весь обод не отслоился от ступицы, материал последней выбирается так, чтобы его упругое удлинение при вращении было больше, чем у обода. Такие материалы имеются — это алюминиевые и магниевые сплавы, пластмассы. Описанный метод позволяет сохранить плотность навивки и посадки обода на ступицу на всем диапазоне рабочих скоростей супермаховика. При этом первым будет разрываться внешний, наиболее нагруженный виток. [c.105] Внешние витки ленты даже в случае супермаховика с преднатягом крепятся склейкой. Однако крепление только склейкой обосновано опять-таки лишь для крупных супермаховиков, где нормальное ускорение при той же окружной скорости меньше, чем на малых. Снова влияние инерции на малых маховиках, вращающихся с высокой угловой скоростью, материальная точка сворачивает с естественного, инерционного движения резче, чем на крупных, но медленно вращающихся маховиках. А окружная скорость, определяющая плотность энергии маховика, в обоих случаях одинакова. Поэтому в крупных супермаховиках конец ленты будет стремиться отклеиться от его обода меньше, чем в мелких. Вращающуюся Землю можно уподобить очень крупному маховику она так плавно уводит лежащие на ней предметы от инерционного прямолинейного движения, что мы не чувствуем ее вращения, а ведь, находясь на экваторе, мы мчимся с окружной скоростью около 500 м/с, накапливая кинетическую энергию, соизмеримую с хорошим супермаховиком той же массы. [c.106] На малых супермаховиках приклеенный конец ленты при вращении обязательно отслоится. Поэтому внешние витки ленты приходится бандажировать витками проволоки или волокна. Материал бандажа должен иметь упругое удлинение при вращении (в отличие от материала ступицы) чуть меньшее или равное таковому у материала ленты. В качестве такого бандажного материала для ленты из стали и метгласса может служить тонкая высокопрочная пружинная проволока, кевлар. [c.106] Схема супермаховика, намотанного из ленты с преднатягом и бандажированными внешними витками, представлена на рис. 19. [c.106] Как было сказано выше, проволоку целесообразно мотать так, чтобы оба свободных конца оказались у внутренней части намотки, т. е. у ступицы. Несмотря на кажущуюся нереальность осуществления такой навивки. [c.107] Стремление обеспечить нерасслоение витого обода привело к созданию таких экзотичных конструкций, как некруглые супермаховики. Эти супермаховики имеют многослойный витой обод, смонтированный на ступице с заранее рассчитанным числом спиц. Радиус внутренней поверхности витого обода меньше радиуса спиц, на которые должен монтироваться обод, и после установки на спицы обод принимает некруглую форму. Когда же супермаховик вращается на расчетной скорости, обод, стремясь раздаться равномерно, принимает форму, очень близкую к окружности. Соседние слои обода трением удерживаются между собой, а внутренний слой обода приклеивается к спицам или удерживается на них силой трения. [c.108] На рис. 22 показаны разные виды некруглых супермаховиков. Позиция о — гибкий витой обод, б — узел с четырьмя спицами, в — супермаховик, собранный из этих компонентов, г — супермаховики с тремя и двумя спицами, д — супермаховик, вращающийся на расчетной скорости, принявший круглую форму. Хотя этот вид относится к супермаховику с четырьмя спицами, такая же форма обода будет приниматься при любом числе спиц, если параметры обода и спиц будут надлежащим образом рассчитаны. [c.108] В таблице приведены сравнительные характеристики кольцевого супермаховика из кевлара и маховика из высокопрочной стали наиболее выгодной формы — стальной диск равной прочности на шарикоподшипниках в вакуумном корпусе. Линейная скорость кольцевого супермаховика достигает 975 м/с. При такой огромной относительной скорости отбор даже очень высокой мощности потребует весьма небольших масс электромашин. [c.111] Тороидальный корпус супермаховика легок, занимает минимальный объем, не требует ребер жесткости. Величина удельной энергоемкости (132 Вт-ч/кг) очень большая и соизмерима с таковой у лучших перспективных электрохимических накопителей. [c.111] Для обеспечения пробега 320 км легковому автомобилю, движущемуся со скоростью 96 км/ч, достаточен кевларовый супермаховик массой 127 кг и энергоемкостью 30 кВт-ч, масса всего силового агрегата с приводом на колеса составит 227 кг. Электромобиль с аналогичными ходовыми показателями должен быть оснащен аккумуляторной батареей массой около 1 т. Раскрутка супермаховика мощным внешним двигателем предполагается за 5 мин. В вакуумной камере и магнитном подвесе выбег такого маховика должен быть от 6 до 12 месяцев. [c.112] Вернуться к основной статье