Генератор ÐºÐ°Ñ€ÑƒÑ ÐµÐ»ÑŒÐ½Ñ‹Ð¹

ЭКСПЕРИМЕНТ «КАРУСЕЛЬ»
С.Н. Шмидт
Описание физической модели дано в файле: ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ.doc
Математическая модель построена в программе «Универсальный механизм».
На рис.Karusel.m00 представлена математическая модель устройства,
состоящего из маховиков М1, М2, и М3, приводимых во вращение двигателями
D1, D2, D3. На маховиках М1 и М2 установлены маятниковые рычаги MR,
снабженные упругими элементами Ue. Двигатели D1, D2 установлены на плечах
Pk1, Pk2, которые шарнирно соединены с маховиком М3 и снабжены упругими
элементами Ue. В программе можно задавать массы и размеры деталей,
свойства упругих элементов, скорость вращения маховиков, вращающие и
тормозные моменты в шарнирах. В начальный момент времени маятниковые
рычаги неподвижны, а их качание вокруг шарниров ограничивается упругими
элементами (пружинами). Представленная модель является системой
вынужденных колебаний, способной входить в «резонанс» при определенном
сочетании скоростей вращения маховиков.
Для исследования «неуравновешенного импульса», резонанс является крайне
нежелательным процессом, но мы обязаны его предусмотреть.
Кроме того, введение в состав устройства третьего маховика позволяет
исследовать принцип относительности для неинерциальных систем.
Представленное устройство позволяет:
1. Изучить влияние скорости вращения Земли на параметры движения
элементов системы при различной скорости вращения двигателей D1, D2
маховиков М1, М2.
2. Установить связь параметров движения элементов системы с
положением Луны, Земли и Солнца в данный момент времени, что дает
возможность определения координат и пространственной ориентации
устройства в выбранной системе отсчета.
3. Изучить поведение физического маятника в различных силовых полях.
4. Зарегистрировать «саморазгон» маховиков и переход устройства в
генераторный режим.
5. Зарегистрировать силу «тяги» в «замкнутой системе».
Рассмотрим более подробно 1, 4 и 5 пункты.
Для этого нам не надо раскручивать всю «карусель» двигателем D3, что
исключает влияние вынужденных колебаний.
Установим коромысло «карусели» в направлении Запад-Восток и будем
раскручивать маховики М1, М2.
При постоянной скорости вращения двигателей в математической модели,
маятниковые рычаги будут сохранять свое радиальное направление, и скорость
вращения маховиков не изменится.
Если к одному из двигателей, например D1, подводить переменный вращающий
момент (левый график), то плечи Pk1, Pk2 «карусели» придут в колебательное
движение (правый график).
Система очень чувствительна к изменению параметров, на чем и основан способ
регистрации «неуравновешенного импульса».
Для этого маховики физической модели раскручиваются двигателями при
постоянной скорости их вращения, что контролируется соответствующими
приборами. Магнитные муфты позволяют маховикам вращаться с «реальной»
скоростью, обусловленной влиянием «неуравновешенного импульса». При этом
маятниковые рычаги придут в движение, которое мы можем зарегистрировать
соответствующей аппаратурой. Плечи «карусели» также начнут совершать
колебательные движения, которые регистрируются приборами.
При определенном сочетании параметров вращения, моментов инерции и
жесткости упругих элементов, мы можем наблюдать «саморазгон» маховиков,
что и будет означать переход устройства в генераторный режим. При этом,
достаточно только зафиксировать уменьшение мощности электрического тока,
потребляемого электродвигателями. Выход на полный генераторный режим
связан с определенными трудностями технического характера, главная из
которых снижение коэффициента трения в опорах до величины менее 0,001.
Предварительные расчеты дают более высокое значение коэффициента трения,
но необходимо учитывать и «непредвиденные обстоятельства».
На этом графике показаны значения механического КПД устройства для
обеспечения генераторного режима в зависимости от широты местности,
которая представлена линейной скоростью движения точек поверхности Земли.
Высокоточные подшипники уже обеспечивают необходимые условия, но
необходимо учесть еще ряд особенностей работы устройства.
«Неуравновешенный импульс» вызывает появление знакопеременных нагрузок
на подшипниковые узлы, что вызывает повышение коэффициента трения.
Необходимо разработать магнитные опоры, способные воспринимать, как
радиальные, так и осевые нагрузки. В этом случае, коэффициент трения можно
снизить во много раз. Интересен в этом отношении опыт японских инженеров в
области создания ветряных двигателей с «тяжелыми» роторами,
установленными на магнитных подшипниках. Условия работы подшипниковых
узлов в таких ветродвигателях очень напоминают работу ИДГ.
Работу устройства в режиме двигателя можно зарегистрировать по величине
отклонения плеч «карусели». Установив пьезоэлектрические динамометры
между плечом и неподвижной конструкцией «карусели», мы узнаем величину
силы «тяги».
В основе генераторного режима лежит раскачивание маятниковых рычагов в
шарнирных соединениях (подшипниках). Представляется перспективным
преобразование механической энергии качения маятниковых рычагов
непосредственно в электрическую энергию с помощью пъезоэлементов.
«Щекотливым» моментом преобразования механической энергии маятниковых
рычагов является довольно низкий КПД обычных электродинамических
генераторов, применяемых для этих целей.
Одним из возможных вариантов преодоления этого препятствия является
введение «цикличности» режима отбора генераторной мощности. Вначале
маховик разгоняется «неуравновешенным импульсом» до критической скорости
вращения, допускаемой конструкционными свойствами материалов, затем он
соединяется с электродинамическим генератором и тормозится до
минимального значения скорости в режиме «саморазгона». После этого
электродинамический генератор отключается, а маховик вновь раскручивается
до максимальной скорости.
Для оценки возможностей устройства можно принять, что вся кинетическая
энергия вращающегося маховика сосредоточена в «ядре» маятниковых рычагов.
Необходимо учитывать коэффициент влияния скорости при определении
минимального значения «саморазгона».
При возникновении «неуравновешенного импульса», у нас будет происходить
геометрическое сложение центробежного, кориолисова и тангенциального
ускорений, сумма которых и даст ускорение «саморазгона».
Говорить о величине этого ускорения в математических выражениях пока
преждевременно. Необходимо предварительно провести эксперименты.
Теоретического «потолка» для этой величины нет, но существуют ограничения
по конструктивной прочности материалов и величине трения в подшипниковых
узлах.
Необходимо разработать надежный «плавающий» подшипниковый узел с
жесткой характеристикой по коэффициенту трения.
Рассмотрим маятник длиной 1 метр и массой 1 кг.
Удельная кинетическая энергия этого маятника
q = V2/2;
Центростремительное ускорение
a = V2/1;
Центробежная сила
F = ma = 1*(V2/1);
Примем сечение «спицы» маятника в 1 квадратный сантиметр или 1*10-4
квадратного метра. Тогда предельная скорость вращения маятника определится
пределом прочности на растяжение материала его «спицы».
Предел текучести или прочности на разрыв высококачественных сталей
достигает 100 кН/см2, что дает нам возможность разгонять маятник до 10 км/с
(?!). Но мы пожалуй еще не скоро сможем создать подшипниковый узел,
способный выдерживать такие нагрузки. Окружная скорость вращения такого
маятника составит 10000/2 [об/с] = 600000/2 [об/мин].
Реально для создания генератора можно рассмотреть верхний предел скорости
вращения маховика, равный 9000 [об/мин]. Линейная скорость маятника
генератора будет больше скорости звука в воздухе 942 [м/с], что дает величину
максимальной удельной кинетической энергии 444 кДж/кг.
Осталось только подобрать безопасный режим торможения и определить
максимальную мощность, которую может дать такой маятник. При этом
необходимо учитывать время разгона от минимальной до максимальной
скорости в режиме «саморазгона».
Вероятнее всего, что конструкция промышленного генератора должна состоять
из нескольких маховиков, вращающихся на одном валу и имеющих с ним
управляемую связь (муфты сцепления).
Муфты сцепления будут являться регуляторами предельной скорости разгона
маховиков и снимаемой мощности. Необходимо разработать схему
автоматического регулирования в зависимости от нагрузки.
Начинает походить по конструкции на «винчестер» компьютера, только в
отличие от последнего, диски генератора имеют дисбаланс.
Если мы достигнем такой же скорости вращения дисков и, при этом, сумеем
разработать соответствующий подшипниковый узел, то удельная мощность
генераторов на единицу массы может достигать очень большой величины. (!!)
Интересен вопрос, можно ли создать генератор с показателями 5 квт/кг, то есть
размером с обыкновенный винчестер? Имеется в виду только разгонный блок.
Для этого нужно раскрутить маятник, массой 1 кг, длиной 0,1 м до скорости
10000 об/мин и затормозить его в течении одной секунды (?)
E=V2/2=(2*0,1*10000/60)2/2= 4,93 [кДж/кг]
Можно попробовать совместить все это в одном устройстве.
Примерная схема такого Инерционно-динамического генератора приведена на
рисунке. В ней совмещены функции нелинейной динамики неуравновешенных
дисков и электрической машины. Она как бы напоминает винчестер
компьютера. В этой схеме на неподвижной оси вращаются в магнитных
подшипниках магнитные диски, которые под действием «неуравновешенного
импульса» могут входить в режим «саморазгона». Режимы динамического
разгона и генераторного торможения дисков чередуются, управление
переключением режимов осуществляется микропроцессором в зависимости от
внешней нагрузки. При неподвижной оси муфты магнитного сцепления
выполняют только функцию подшипников, что упрощает режим управления и
саму конструкцию. Все управление, в этом случае, заключается только в
регулировании «токосъема» и линия управления магнитными муфтами не
нужна.
Основная задача заключается в определении конструктивных параметров
дисков, удовлетворяющих условиям безопасной и длительной работы ИДГ.
Учитывая нелинейный характер вращения дисков и, как следствие, нелинейную
характеристику электрического тока, возникающего в токосъемных обмотках,
необходимо ввести стабилизатор напряжения.
Предварительный разгон дисков может осуществляться от небольшого
аккумулятора. Для начала генераторного режима нам необходимо
предварительно разогнать только один диск, а все остальные могут быть
раскручены инерционно-динамической энергией Земли.
Вероятно, необходимо ввести в устройство систему экстренного торможения
дисков, но это еще нужно тщательно проанализировать с точки зрения о
достаточном уровне безопасности системы. В винчестере компьютера нет такой
системы и, встает вопрос о целесообразности ее применения в ИДГ. Конечно,
разрушительные действия неуравновешенных дисков нельзя сравнивать с
хорошо сбалансированными системами, но и вдаваться в крайности не нужно.
При необходимости введения режима экстренного торможения, потребуются и
управляемые муфты магнитного сцепления. Но, вполне вероятно, что проще
применить электрический тормоз через внешнее балластное сопротивление,
которым может являться и аккумулятор, способный выдержать мощный
зарядный ток.
Если заглянуть на несколько лет вперед, то можно представить ИДГ,
мощностью в 5 квт, размером с обувную коробку.
Можно предложить для промышленного освоения следующую схему ИДГ
Генератор состоит из набора сегментных магнитных дисков, вращающихся
вокруг неподвижной оси в магнитных подшипниках. Магнитные диски имеют
разные размеры, уменьшающиеся от основания ИДГ к его вершине. Это
обеспечивает динамическую устойчивость конструкции и возможность
плавного регулирования работы ИДГ в зависимости от подключенной нагрузки.
В состав ИДГ входят блок управления и аккумулятор. Аккумулятор
предназначен для запуска генератора. Блок управления предназначен для
управления процессом динамического разгона и генераторного торможения
сегментных магнитных дисков, а также для стабилизации напряжения в цепи
нагрузки. Весь процесс управляется и контролируется микропроцессором по
определенной программе.
Можно предусмотреть различные параметры выходного напряжения и вида
тока для подключаемых приборов в зависимости от их назначения.