свободно перемещаются вдоль вала при помощи толкателя) и передает вращение на мультипликатор, разгоняющий маховик M1, аналогично колесо 3www.freepatent.ru
Российский ученый и изобретатель в области маховичных накопителей энергии, бесступенчатого механического привода, гибридных транспортных силовых агрегатов; популяризатор науки и техники
Доктор техн. наук, профессор,академик международной Академии экологической безопасности и природопользования
Директор по НИОКР ЗАО «Комбарко»
тел. +7 (495) 675-62-01e-mail: [email protected]
• Опубликованные работы
Родился Н.В. Гулиа 6 октября 1939 года в г. Тбилиси (бывший СССР, теперь республика Грузия). Там же закончил школу и Политехнический институт. Уже студентом имел научные труды и изобретения. Первое изобретение, еще в 1961 году, касалось автомата для изготовления папирос, хотя сам изобретатель при этом некурящий! Затем были изобретения в области вариаторов. В 1963 году Н.В. Гулиа поступил в аспирантуру в Москве и в 1965 году защитил кандидатскую диссертацию по использованию маховичного накопителя для землеройной машины – скрепера. Испытания, проведенные Н.В. Гулиа в 1964...65 годах показали, что с помощью маховика, изготовленного из колеса железнодорожного вагона можно добиться автономности работы скрепера без необходимого обычно трактора-толкателя. В мае 1964 года Н.В. Гулиа подает заявку на изобретение первого супермаховика – энергоемкого и разрывобезопасного маховика, в том виде, как он сейчас разрабатывается и используется во многих странах мира. Но затянувшаяся почти на 20 лет экспертиза этого изобретения (патентный документ был выдан лишь в 1983 году!) не позволила автору воспользоваться своими правами на это изобретение, хотя приоритет и остался за ним. В январе 1965 года Н.В. Гулиа публикует статью о прочностно-энергетическом расчете маховиков, которым сейчас пользуются во всем мире. В декабре этого же года в большой статье в популярном журнале «Изобретатель и рационализатор» Н.В. Гулиа предсказывает маховикам то будущее, которое стало реальностью совсем недавно. Супермаховики огромной энергоемкости, их магнитная подвеска в вакууме, оригинальные бесступенчатые трансмиссии для привода машин от маховиков и другие современные достижения в этой области – все это было описано в статье еще в 1965 году Н.В. Гулиа.
После защиты диссертации в 1965 году Н.В. Гулиа на пару лет приезжает работать снова в Тбилиси. За это время он испытывает на разрыв изобретенные им супермаховики – ленточные, проволочные и композитные, добивается буквально феноменальной безопасности разрыва ленточных супермаховиков. У разорванного при вращении ленточного супермаховика приклеивается оторвавшийся внешний виток ленты – и супермаховик снова в рабочем состоянии. Разрыв же обычных маховиков сопровождается образованием крупных (обычно трех) осколков, которые не хуже снарядов пробивают метровые стены. В Тбилиси же Н.В. Гулиа испытывает новый изобретенный им вариатор – механический бесступенчатый привод, и объединив его с маховиком ставит на автомобиль-грузовик УАЗ-450. Маховик с вариатором превратил силовой агрегат автомобиля так называемый «гибридный», позволяющий экономить до половины топлива. Это был один из первых «гибридов», а сейчас гибриды «двигатель-маховик» считаются одними из перспективнейших и над ними работают виднейшие автомобильные фирмы мира.
В Тбилиси Н.В. Гулиа узнает о начале строительства в г. Тольятти гигантского автозавода, и переезжает работать в этот город. Но у строящегося завода были тогда свои проблемы и гулиевские «гибриды» там не прижились. В 1971 году, когда Волжский автозавод выпустил свой первый автомобиль, Н.В. Гулиа переехал на работу в г. Курск, где возглавил кафедру теоретической механики в местном политехническом институте.
В Курске в 1972...73 годах Н.В. Гулиа провел весьма трудоемкие испытания городских автобусов с маховичными гибридными агрегатами. В последних роль накопителя энергии играли баллоны со сжатым азотом и маслом. Ряд гидрогазовых накопителей и «гибридов» на их основе были также изобретениями Н.В. Гулиа. Несмотря на различные принципы действия этих «гибридов» эффективность их оказалась близкой друг к другу – расход топлива снижался примерно вдовое, а токсичность выхлопа – в несколько раз. И хотя показатели этих «гибридов» казались фантастическими для того времени, советская автомобильная промышленность не была готова «усвоить» эти новинки. Да и сейчас «гибриды», выпускаемые наиболее технически развитыми странами, имеют в основном статус экспериментальных.
В 1973 году Н.В. Гулиа защищает в Москве в Московском автомобильно-дорожном институте докторскую диссертацию на тему: «Динамическое аккумулирование и рекуперирование механической энергетики для целей транспорта».
В 1977 году Н.В. Гулиа снова переезжает в Москву и с этого времени работает в Московском государственном индустриальном университете (МГИУ), сначала профессором кафедры «Автомобили и двигатели», а затем и до сих пор – заведующим кафедрой «Детали машин». В МГИУ Н.В. Гулиа продолжил заниматься маховичными накопителями энергии для транспорта, а также начал разработки бесступенчатых механических приводов-вариаторов, необходимых вместе с маховиками для автомобильных гибридов. Но вариаторы, помимо этого могут иметь широчайшее общепромышленное применение – были бы они только достаточно хороши. Изобретенные Н.В. Гулиа и разработанные им вместе с его учениками планетарные многодисковые вариаторы рассчитаны как для автомобилей, так и для других промышленных целей. Малые габариты и автоматичность действия позволяют встроить эти вариаторы даже в ведущие колеса автомобиля.
Основным изобретением Н.В. Гулиа последних лет является так называемый супервариатор-бесступенчатый привод, позволяющий одновременно увеличить и КПД и диапазон варьирования, что ранее считалось невозможным. Важно, что для создания механического гибридного силового агрегата, гораздо более экономичного для автомобилей и особенно автобусов, чем существующие сейчас электрически, нехватало именно такого бесступенчатого механического привода. Напомним, что именно гибридные силовые агрегаты – будущее силовых агрегатов автомобилей – заменят современные двигатели и трансмиссии автомобилей в самом недалеком будущем. Это будет настоящей революцией в транспорте, позволяющей намного увеличить его экономичность и экологичность.
Помимо транспортных задач, Н.В. Гулиа решает проблемы накопления энергии и варьирования для общепромышленного назначения.
Н.В. Гулиа решает и экологические задачи, например в области защиты от «глобального потепления». Он избран Академиком международной академии экологии и природопользования, зарегистрированной кроме РФ, в США, Китае и других странах.
Известен Н.В. Гулиа и как популяризатор науки. В 70...80, и даже в начале 90 годов в СССР существовала чрезвычайно популярная научно-познавательная телепередача «Это вы можете» и одним из наиболее активных ее участников лет 20 был Н.В. Гулиа. Образ этакого агрессивного «профессора Гулиа», готового даже физически отстоять научные истины, стал в некотором роде нарицательным.
Н.В. Гулиа опубликовал сотни научно-популярных статей практически всех издаваемых в СССР, а потом России массовых научно-популярных журналах. Десятки книг, изданных на русском и ряде иностранных языков, посвящены цели популяризации научного направления автора. Интересно, что связи с немецкими фирмами у Н.В. Гулиа завязались именно благодаря этим популярным, а не чисто научным книгам, изданным в Германии на немецком языке. Благодаря публикации в журнале «Популярная механика» завязалась научно-производственная связь Н.В. Гулиа с инновационными компаниями, о чем будет сказано ниже.
«Больным» вопросом у Н.В. Гулиа являются ученики. Профессор буквально воспитал двух докторов и нескольких кандидатов наук по своему направлению. Это были не только его ученики, но и любимые друзья, можно сказать, члены семьи. И что же уехали за рубеж: в США, Канаду, Германию, Австралию. Даже жена ученого в этот же период покинула его и уехала жить в США. Казалось, было от чего запить, но этого не случилось. Более того, Н.В. Гулиа говорит, что доволен – что его научный и даже семейный опыт передается за рубеж! А ученики появились новые, как впрочем и жена. Н.В. Гулиа надеется, что они его не «кинут» – ведь кандидатуры он «отбирал» тщательно, и не только учил, но и воспитывал учеников как родных детей. Кстати, с одним из «уехавших» учеников, а сейчас видным бизнесменом США, Н.В. Гулиа активно сотрудничает и сейчас.
Образ Н.В. Гулиа был бы не полным, если ничего не сказать о «хобби» профессора, который имеет два основных направления. Первое – это художественная литература, издаваемая в виде книг, и размещаемая энтузиастами в самых различных библиотеках в интернете. Вот основные из них: «Русский декамерон, или о событиях загадочных и невероятных», М; Глобулус, 2006 г.; «Любовная исповедь тамароведа», то же издательство, тот же год; «Друзья дороже!», то же издательство, тот же год. И наиболее крупная из художественных книг (под 50 авторских листов объемом) «Приватная жизнь профессора механики» пока не нашла издателя, но представлена в виде электронных версий в библиотеках интернета и вызвала много откликов.Кроме книг Н.В. Гулиа опубликовал много рассказов, эссе, публицистических произведений и даже переводов песен! Например, такой популярной, как «Хава Нагила» – с иврита на русский. Второе направление хобби профессора – это спорт. В молодости он был неплохим штангистом и с годами профессор не прекратил занятий с тяжестями.Он регулярно занимается бодибилдингом и сейчас, постоянно посещает сауну. Кроме занятий бодибилдингом, Н.В. Гулиа вместе с женой активно купается в проруби зимой, не страшась тридцатиградусных морозов. Он даже «изобрел» новый вид спорта – пробивание льда головой из-под воды. Последователей, правда, в этом у профессора маловато. Но призы за такую «пробивную способность» брать приходилось. Не обошлось однажды без каламбура. Получая как-то очередной приз от телевидения – тогдашних два миллиона рублей, Н.В. Гулиа высказал отсчитывающему купюры директору телепередачи: «А еще говорят, что сейчас в России ученый своей головой денег заработать не может. Очень даже может, постарается!» – И Гулиа потер свое натруженное пробиванием лунок темечко.
Этот каламбур тогда обошел многие газеты, благо высказан был при прессе...
А теперь подробнее о самом главном научно-производственном сотрудничестве Н.В Гулиа, возникшем после публикации в журнале «Популярная механика» №3, 2006 года, статьи об изобретенном Н.В. Гулиа супервариаторе и его перспективах. Фотографии и данные испытаний, приведенные в статье, подтверждали реальность создания механизма, ранее казавшемся невозможным. Ведь повышение диапазона варьирования по законам механики должно понижать КПД вариатора. А в супервариаторе одновременно повышаются эти два важнейших показателя.
Не прошло и месяца после публикации статьи, как изобретателя нашла инновационная компания «Новэко – Холдинг» и предложила сотрудничество. А сейчас Н.В. Гулиа, помимо работы заведующим кафедрой МГИУ, является Главным конструктором и членом Совета директоров компании «Комбарко», занимающейся разработкой, выпуском и реализацией вариаторов, изобретенных Н.В. Гулиа. Надо сказать, случай довольно редкий в истории российского изобретательства!
Вот, пожалуй, и все про профессора Гулиа. Осталось только подытожить его труды, разбив их по основным направлениям, чтобы удобнее было найти и пользоваться. Всего научных трудов у Н.В. Гулиа свыше 500, здесь приводятся лишь основные. По некоторым трудам даются пояснения.
Диссертации:
Циклические испытания накопителя кинетической энергии большой мощности и энергоемкости
Описаны результаты стендовых испытаний циклической работы экспериментального образца накопителя кинетической энергии большой мощности и энергоемкости. Испытания показали реализуемость разработанной конструкции вертикальноосевого маховика, сопряженного на одной оси с валом обратимой электромашины, выполняющей функции мотора и генератора. Максимальная энергоемкость образца составила 5 МДж, КПД превысила аналогичные значения всех существующих типов накопителей энергии.
Механическая гибридная силовая установка как кардинальное решение экономических и экологических проблем коммерческого транспорта в мегаполисе
Предложен радикальный путь повышения эффективности гибридной силовой установки автомобиля путем применения маховичного накопителя энергии с механическим отбором мощности и механической многодиапазонной бесступенчатой трансмиссии с двукратным разделением потока мощности (супервариатора). Силовая установка нового типа обеспечит снижение расхода топлива в городском цикле на 59...75%.
О жупеле глобального потепления
Путь борьбы с глобальным потеплением подсказывают вулканы. Они выбрасывают пепел в верхние слои атмосферы, чем надолго понижают температуру окружающей среды на Земле. Автор предлагает использовать для той же цели материалы с высокой отражающей способностью, например, всем известную алюминиевую пудру. Таким образом, можно будет регулировать климат на Земле в желаемых пределах.
Радикальное повышение эффективности силовой установки гибридного автомобиля
Использование в автомобильных гибридах маховичного накопителя с механическим отбором мощности и бесступенчатой трансмиссии с разделением потока мощности позволит почти втрое снизить потери энергии в гибридах за счёт существенного снижения протекающей через варьирующее звено. Такая трансмиссия может иметь в качестве бесступенчатого звена как вариатор, предпочтительно планетарный, так и электровариатор пониженной мощности. Вышеупомянутый маховичный накопитель по удельной энергоёмкости, КПД, и, особенно, удельной мощности превосходит все другие накопители энергии.
Супервариатор – перспективная бесступенчатая коробка передач для автомобилей
Описанный в статье широкодиапазонный привод – супервариатор по своим основным показателям – КПД и диапазону варьирования передаточного числа приближается к теоретическому верхнему пределу для любых бесступенчатых передач автомобильного назначения. Это идеальный вид привода, в частности, для автомобиля, для перспективных гибридных силовых агрегатов на основе теплового двигателя и маховичного накопителя.
Простая формула для определения коэффициента трения в смазываемых дисковых вариаторах
Предложена простая формула для определения коэффициента трения в смазываемых дисковых вариаторах, полученная на основании математической обработки и анализа экспериментальных данных.
Новая магнитная опора большой грузоподъемности
Использование новой системы магнитного подвеса позволило изготовить и испытать магнитную опору грузоподъемностью 1500 кг для маховичных накопителей энергии высокой энергоемкости и частоты вращения.
Основные экспериментальные характеристики нового адаптивного вариатора
На автомобильном заводе АМО ЗИЛ в Москве изготовлен и испытан адаптивный фрикционный вариатор. Результаты испытаний, приведенные в статье, убедительно доказывают, что новый вариатор отвечает всем требованиям, предъявляемым к автоматическим бесступенчатым трансмиссиям автомобильного назначения.
Новый многодисковый вариатор с «мягкой» рабочей характеристикой
Вариатор – это механическая бесступенчатая передача. Он используется для плавного изменения частоты вращения ведомого вала в транспортных машинах, станках, приборах. Главное свойство предлагаемого вариатора – это саморегулируемость, адаптивность и высокий КПД. Наиболее массовые и перспективные потребители вариаторов – ветроустановки и автомобили.
Новый адаптивный фрикционный вариатор для бесступенчатой трансмиссии автомобиля
Существующие автоматические трансмиссии автомобилей управляются при помощи соответствующих датчиков, электронных блоков и сервоприводов. Новый вариатор с регулируемой адаптивностью имеет регулировочную характеристику «переменной жесткости». Созданная на его базе коробка передач для автомобиля значительно меньше существующих и легче их, вообще не содержит переключения ступеней, при движении вперед не имеет зубчатых передач.
В поисках энергетической капсулы
В книге рассказывается об одной из актуальнейших проблем современной науки и техники – создании емких и экономичных накопителей энергии. С решением этой проблемы сегодня связывают перспективы развития энергетики, авиации, космонавтики.
Новая концепция автомобиля и электробуса
Электромобиль впервые появился в Англии в 1838 году. В 1860 году француз Э. Ленуар построил мотор, работающий на смеси воздуха и газа. Бензин в качестве горючего был использован спустя два десятилетия, а сегодня суммарная мощность автомобильных двигателей намного превышает мощность всех электростанций мира. Концепция электромобиля, предложенная проф. Н.В. Гулиа, состоит в максимальном приближении и унификации устройств электро- и автомобиля.
Вариоколесо и его перспективы для автомобилей
Получен новый тип ведущего колеса автомобиля, названный сокращенно вариоколесом и обладающий оригинальными эксплуатационными свойствами, существенно повышающий потребительские свойства автомобиля. Компактность новых вариаторов, органически свойственная им автоматичность, а также дистанционное управление режимами, позволяют встраивать вариатор в ступицу ведущего колеса автомобиля, в том числе и совместно с бортовой понижающей передачей.
Алфизики 20-го века
Алфизики прошлого изобретали вечный двигатель. Алфизики ХХ века хотят подарить людям возможность летать ни на что не опираясь. Авантюрная идея построить безопорные движители охватила тысячи умов, имеющих хоть какое-то отношение к технике. Автор статьи рассказывает как не пасть жертвой алфизики, не сделать свою жизнь бесплодной и полной разочарований и неудач.
Авторские свидетельства:
№№1154501, 1373929, 1048196 – первый супермаховик, №№1257322, 1796494, 796577, 693073, 1714244, 1379521, 1508029, 565113,658341, 658342, 672410, 648778, 654815, 704597, 35695 (Болгария), 1052757, 1141045, 887832, 857417, 1249250, 453218, 597895, 617031, 628363, 431343, 586286, 605051, 615302, 679747, 1389180, 823197, 1293409, 1341415, 353086, 207648, 286605, 347399, 200359, 750179, 174909, 171810, 1649170, 571277, 522366, 526740, 544049, 582429, 563183, 1193330, 1188400, 1200033, 1320565, 1330386, 578514, 511447, 513196, 528409, 794277, 794280, 783520, 794281, 353095, 507729, 458633, 304506, 1260594, 1249251, 672410, 1084522, 1196575, 757797, 1132310, 1359521, 1490347, 1530871, 1186544, 1176113, 1186544, 1359473, 1420268, 1216518, 1281785; Патенты РФ №№1814709,2017684, 2246034, 2253051, 74678 (полезна модель).
Авторские свидетельства:
№№1786322, 1237841, 502150, 1196578, 1201596, 1196577, 239720, 229152, 1373937.
Авторские свидетельства:
№№1355814, 1824801, 1126748, 1073090, 1237842, 1704528,335476, 346729, 1704528, 308252, 1368538, 1126747,1430647, 1430648, 1431972, 180029, 193874, 255724, 236147, 1240985, 171607,415420, 605050, 490989, 687279, 530132, 976159, 976160. Подано несколько международных заявок на патенты в 2007...2008 гг.
Авторские свидетельства:
№№656886, 1273269, 682708, 1730993, 563182, 541049, 598782, 905131, 962782, 743903.
Авторские свидетельства:
№№1822230, 1479766, 155373, 1709784, 1520279, 1439342; патенты: №№2068517, 2140028, 2091636, 2138710, 2091637,2091637,. Патенты других стран: США: US 6,558,286B1; Венгрии: 223320; Белоруссии: 7168; Китая: ZL-99816732,0.
Зубчатая передача с переменным углом вращения (универсальный шарнир) – авт. свид. №179566.
Маховичное устройство для неограниченного спуска людей ценностей из горящих высотных зданий: авт. свид. №827082.
Усовершенствование автомата для изготовление папирос: авт. свид. №149699.
Дата обновления:
4 декабря 2012 года
n-t.ru
| С первого взгляда они похожи на заводную пружину (см. рис. 27). Та же ленточная пружина, навитая на внешний барабан и переходящая на вал. Но упругость ленты в обычном смысле, т. е. ее изгибная жесткость, благодаря которой накапливается энергия в заводных пружинах, здесь не при чем. Интересна и поучительна задача артиллерийского взрывателя, которая была рассмотрена в самом начале Великой Отечественной войны в 1941 г. Дело в том, что пружина артиллерийского взрывателя, обычная заводная пружина, как, например, в часах, обнаружила необычайную «прыть» при полете снаряда. Она развивала вращающий момент, почти вдвое больший, чем в спокойном состоянии, нарушая все расчетные показатели. Оказывается, здесь играло роль не поступательное движение снаряда, а его вращение, полученное благодаря нарезке в стволе пушки и служащее целям стабилизации в полете. Пружина, на которую помимо упругих подействовали и центробежные силы, развила вдвое больший момент и, следовательно, накопила вдвое большую энергию. И это все получилось совершенно случайно, вернее по недосмотру расчетчиков.
А если вращать заводную пружину специально и при этом рассчитать ее так, чтобы основная часть энергии накоплялась благодаря действию центробежных сил, то мы получим как раз тот заманчивый случай, о котором говорили "выше". Эта пружина (уже не пружина, а так называемый «центробежный аккумулятор») накопит энергии столько же, сколько и ленточный супермаховик, а выделять ее будет с «мягкостью» заводной пружины. Рассмотрим подробнее рис. 27.  Рис. 27. Принципиальная схема центробежного аккумулятора: 1—корпус-маховик; 2—внешний моток; 3—внутренний моток; 4—барабан; 5—кассета; 6—переходный участок (ветвь) ленты; 7 и 8—конические шестерни; 9— муфта включения; 10—сдвоенная коническая шестерня; 11 и 12—водила сателлитов; 13 и 14—тормоза водил; 15—муфта-фиксатор Аккумулятор состоит из вращающегося корпуса 1, в котором заключены два мотка ленты — внешний моток 2, прилегающий к цилиндрической части корпуса 1, и внутренний моток 5, навитый на барабан 4 с фиксирующими кассетами 5. Моток 2 соединен с мотком 3 посредством одной или нескольких ветвей ленты, причем количество их зависит от требуемого крутящего момента на валу 4 и от угловой скорости вращения корпуса /. Лента 6 может быть металлической или неметаллической, постоянной или переменной толщины и массы по длине. Последнее обеспечивает необходимый закон изменения величины крутящего момента на валу 4. Вал 4 соединяется с корпусом 1 посредством дифференциального механизма с тремя степенями подвижности - (на чертеже показан механизм с коническими шестернями). Дифференциальный механизм состоит из шестерни 7, соединяемой с валом 4 посредством муфты включения 9 жесткой или фрикционной; сдвоенной шестерни 10 и сателлитов 11 и 12, связывающих сдвоенную шестерню 10 с шестернями 7 и 8. Водила сателлитов 11 и 12 при необходимости затормаживаются соответственно тормозами 13 и 14. Вал 4 может блокироваться с корпусом 1 блокировочной муфтой 15. Энергия аккумулируется следующим образом. При заторможенном водиле одного из сателлитов, например 11, водило другого, например 12, приводится во вращение (в плоскости вращения корпуса 1) от источника энергии с любой степенью неравномерности вращения вала. Количество накопленной энергии будет зависеть только от суммарного угла поворота водила сателлитов. Она выделяется при вращении водила сателлитов в противоположном направлении. Водило сателлита 12 в этом случае соединяется с приемником энергии. Описанные процессы можно осуществить аналогичным образом при заторможенном водиле сателлита 12 вращением водила сателлита 11, при этом направления вращений при аккумулировании и выделении энергии противоположны тем, которые имеют место в первом случае. Это свойство предоставляет возможность как аккумулировать, так и выделять энергию при любом направлении вращения вала источника или приемника энергии при поочередном вращении водил обоих сателлитов в требуемых направлениях. Кроме того, вращая принудительно водило одного сателлита с помощью постороннего источника энергии, можно изменить интенсивность процессов накопления и ее выделения. Ниже описано, как накапливается и выделяется энергия в аккумуляторе. При заторможенных водилах обоих сателлитов 11 и 12 корпус 1 вращается вместе с помещенными в него мотками ленты 2 и 3 и валом 4. Для устранения потерь энергии при холостом прокручивании дифференциального механизма вал 4 сблокирован с корпусом 1 с помощью блокировочной муфты 15, а муфта включения 9, соединяющая механизм с кожухом 1 и валом 4, выключена. Для аккумулирования блокировочная муфта 15 выключается и включается муфта 9. Затем водило одного из сателлитов растормаживается и приводится в принудительное вращение от источника энергии. Лента 6 при этом перематывается с внешнего мотка 2 на внутренний моток 3, преодолевая центробежные силы, стремящиеся перемотать ее в противоположном направлении. Центробежные силы, создаваемые витками ленты, зависят от ее ширины и толщины, длины витка и плотности материала ленты, и также от угловой скорости витков. Так, например, при четырех витках ленты с массой каждого около 50 г, угловой скорости 628 с-1 (6000 об/мин) и расстоянии центра вращения 25 см суммарная центробежная сила достигает 20 кН, а крутящий момент на валу 4 при радиусе мотка 3, равном 10 см, — 2 кНм. Накопленная при этом центробежная потенциальная энергия с перемоткой каждого метра ленты при неизменной центробежной силе равна 20 000 Дж. Если принять ленту 6 изготовленной из стали шириной 10 см и толщиной 0,25 мм, то при тех же остальных параметрах для накопления этой энергии с внешнего мотка 2 на внутренний 3 должно быть перемотано около 0,8 кг ленты. Напряжения в ленте при этом не превышают 20 000 Н/см2, что почти в 10 раз меньше предела прочности ленты. Такой запас прочности дает возможность еще большего повышения энергоемкости аккумулятора. Процесс выделения энергии происходит аналогично. Лента 6 при этом переходит с внутреннего мотка 3 на внешний 2. К.п.д. аккумулятора зависит в основном от потерь энергии на перематывание ленты, потерь в дифференциале и потерь от вращения корпуса 1 как маховика. К. п. д. описанного дифференциального механизма, определяемый известными методами, примерно 0,94—0,96 для цилиндрических пар и 0,9—0,94 —для конических. К.п.д. силовых ленточных механизмов, основанных на перемотке ленты, примерно 0,97. К.п.д., зависящий от потерь на вращение корпуса 1 как маховика, достаточно велик и для непродолжительных процессов аккумулирования и выделения энергии его можно считать равным примерно единице (см. гл. IX). Следовательно, ориентировочный к.п.д. описываемого аккумулятора при работе на кратковременных режимах находится в пределах 0,88—0,94. Для сравнения можно отметить, что пределы к.п.д. спирально-пружинных аккумуляторов 0,6—0,85. На основе центробежного аккумулятора можно сконструировать маховичные двигатели с различными свойствами, необходимыми для той или иной машины. Центробежным аккумулятором можно плавно разгонять машину и, наоборот, тормозить, аккумулируя ее кинетическую энергию. Можно построить даже такой маховик, который, расходуя энергию, например на вращение генератора, будет почти до полного выделения всей энергии сохранять постоянную частоту вращения. Для этого надо соответствующим образом перематывать ленту с наружного на внутренний моток. Свойство сохранять постоянную частоту вращения очень ценно для привода генераторов — ведь тогда они будут вырабатывать ток постоянного напряжения и частоты. Можно даже создать маховик, разгоняющийся при совершении работы. Конечно, разгон будет только до какого-то предела, после чего неминуемо должна последовать остановка. А то мы рискуем выдумать вечный двигатель. Вот какие широкие и разнообразные возможности сулит нам аккумулирование «упругой» энергии маховиками. |
motoavto.su
Двигатель-маховик предназначен в основном для установки на транспортные средства. Он обладает возможностями как двигателя, передающего энергию на выходной вал, так и маховика, аккумулирующего энергию при торможении и отдающего ее при ускорении. Двигатель состоит из корпуса, поршневой системы устройства преобразования движения. Корпус имеет форму фигуры вращения, содержит две тороидальные полости, внутри которых двигаются поршни, выполненные как тороидальные сегменты. Такая конструкция применима и для вспомогательных устройств, например насосов. Устройство преобразования движения преобразует колебательное движение поршней во вращательное, закреплено на корпусе, состоит из втулки и промежуточного вала, с которого вращение передается на ось корпуса и выходной вал. 5 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, и может быть использовано на транспорте.
Известны двигатели внутреннего сгорания с вращающимися корпусами, которые в силу присущих им больших вращающихся масс одновременно выполняют функции маховиков. К числу их относится, в частности, двигатель по патенту США 33516392 кл. F 02 B 57/00, публикация 1970 г. Указанный двигатель принят здесь за прототип. Недостатком его является малая эффективность как маховика - накопителя энергии при торможении и в других режимах работы. Задачей, решаемой настоящим изобретением, является использование двигателя как эффективного маховика, аккумулирующего энергию при торможении и отдающего ее при ускорении. Для решения указанной задачи в известном двигателе-маховике, содержащем корпус, выполненный в виде фигуры вращения, который образует две тороидальные полости, разделенные симметрично расположенными перегородками, образующими секции, внутри которых движутся поршни, выполненные как тороидальные элементы, устройство преобразования колебательного движения поршней, которое преобразует их движение во вращательное, причем корпус двигателя и все его составляющие служат массой, запасающей энергию вращения, а подвод и отвод рабочего тела осуществляется по проходящим в корпусе каналам, связанными с каналами основания через отверстия в полой оси, дополнительно к перечисленным признакам за счет отталкивания от шестеренок основания вращательное движение передается двигателю или выходному валу, скорость вращения двигателя относительно основания определяется передаточным числом и может быть во много раз больше скорости, зависящей от физических характеристик движения поршней, при этом работа устройства как маховика возможна в следующих режимах: режим разгона, режим разгрузки, режим работы двигателя на выходной вал, холостой ход, а разгон маховика возможен как от работающего двигателя, если диапазон изменения частоты не ограничен снизу при постоянном передаточном отношении, так и при торможении, тем самым устройство аккумулирует энергию, возникающую при торможении, а при ускорении выделяет энергии больше, чем мощность двигателя. На фиг. 1 представлена общая схема двигателя, на фиг. 2 отдельно показана его поршневая система, на фиг. 3 и фиг. 4 - устройство преобразования движения, на фиг. 5 - золотник. Корпус двигателя состоит из двух торцевых 1 и двух внутренних крышек 2, которые образуют две тороидальные полости. Симметрично расположенные радиальные перегородки 19 образуют как технологические области 20, внутри которых проходят каналы ввода 21, вывода 18, так и рабочие секции 22, в нижней части которых имеется разрез 6. Внутренние крышки 2 крепятся к центральной пластине 4, соединяющей крышки с полой осью 10, на которую надеты подшипники 9. С их помощью двигатель крепится к кронштейнам основания 8. На оси расположен храповик 43, обеспечивающий вращение корпуса в одном направлении, а также закреплена шестеренка 37, которая связывает ось корпуса с шестеренкой 17 основания и промежуточным валом 7. Внутри центральной пластины проходят каналы 18, 21, расположен золотник 23. Каналы через сверления в оси связаны с каналами основания с помощью уплотнителей 24, которые расположены по оси вращения корпуса. Внутри рабочих секций двигаются поршни 3 с уплотнителями 46, создавая рабочие камеры между торцами поршней и перегородками тороидальных полостей внутри которых, примыкая к перегородкам, находятся отверстия 39, через которые рабочие камеры связаны с каналами 18, 21. Поршни жестко связаны со стержнями 5 и через разрез 6 насажены на ось. Все поршни одной тороидальной полости неподвижно связаны между собой кольцом 25 и шестеренкой 12, которая через шестеренки 13, закрепленные на центральной пластине, связана с такой шестеренкой другой тороидальной полости. Такое сцепление обеспечивает движение поршней в разных тороидальных полостях в противоположных направлениях. Внутри поршней и стержней проходят каналы 49 для подвода смазки, связанные с каналами основания через сверления в оси. Уплотнители 26 обеспечивают герметичность скольжения кольца 25 по оси. Золотник 23 расположен внутри центральной пластины и через шестеренку 45 сцеплен с шестеренкой 44, при этом передаточное число подобрано таким образом, что за один цикл работы двигателя золотник поворачивается на 180 градусов. Золотник состоит из двух дисков 40, каждый из которых обеспечивает смену фаз в одной тороидальной полости, которые одной стороной примыкают к тороидальной полости, а другой стороной - к каналам ввода вывода рабочего тела. На дисках в поперечном разрезе отверстия для вывода скошены вверх, а для ввода - вниз, что позволяет использовать одно отверстие в каждой рабочей камере. При вращении золотник открывает отверстие 39 в фазах всасывания и вывода рабочего тела при совпадении отверстия 39 с отверстиями на дисках и закрывает его в фазах сжатия и расширения. Протяженность отверстий на дисках и форма отверстия 39 определяет длительность открытия. Блок преобразования колебательного движения поршней установлен на центральной пластине и состоит из двух шестеренок 14, свободно насаженных на вал 27, которые сцеплены с шестеренками 13 и, поэтому, всегда вращаются в противоположные стороны. На этот вал насажена втулка 15 таким образом, что выступы вала 28, расположенные внутри втулки, обеспечивают их взаимное сцепление при вращении, но в тоже время обеспечивают перемещение вдоль вала. По центру центральной пластины на вал 27 с помощью выступов 47 надета шестеренка 44, через которую передается вращение золотнику. На втулке для выступов имеются прорези 48, которые позволяют ей свободно перемещаться вдоль вала 27. По краям втулки расположены шестеренки 29, сцепленные с шестеренкой 14. Сцепление выполнено таким образом, что при смене вращения шестеренки 14, а это значит при смене направления движения поршней в тороидальной полости, втулка выталкивается из соединения, перемещается вдоль вала и сцепляется с другой шестеренкой. Вдоль втулки проходит пружина 31, ограниченная с обеих сторон шайбами 30. Внутренние выступы шайбы 42 размещаются в углублении втулки 34, что препятствует ее прокручиванию, а внешние выступы 41 взаимодействуют с прижимом 33 на центральной пластине. Развертка левого прижима 33 вдоль образующей втулки представлена на фиг. 3, при условии, что за один такт втулка поворачивается на 90 градусов, а за начало отсчета взят такт, при котором втулка сцеплена с левой шестеренкой, а развертка правого прижима 33 вдоль образующей втулки представлена на фиг. 4. При вращении втулки прижим 33 сжимает пружину, а прижим 32, взаимодействуя с выступом втулки 35, удерживает ее в сцеплении. При вращении втулки, как только выступ 35 заканчивается, под действием сжатой пружины втулка перемещается к другому сцеплению и так далее. Таким образом вал 27 всегда вращается в одну сторону. Колебательное движение шестеренкой 14 передается на полый вал 36 для передачи движения на вспомогательные устройства, например, насосы. На фиг. 1 для наглядности вал 27 и вал 36 выведены в разные стороны. Через шестеренку 16 вращение вала 27 передается на промежуточный вал 7. Так как вал 27 закреплен на корпусе, угловая скорость вращения вала 7 будет складываться из угловой скорости вращения корпуса по отношению к основанию и угловой скорости самого вала по отношению к оси корпуса, которая определяется скоростью движения поршня в рабочей камере. С вала 7 вращение передается на шестеренку 17 и через шестеренку 37 - на ось корпуса, а через шестеренку 38 - на выходной вал 11. Угловая скорость вращения моховика пропорциональна обобщенному передаточному числу, определяемому отношением радиусов каждой пары взаимодействующих шестеренок, участвующих в преобразовании вращения от вала 7 по всему пути сцепленных шестеренок вплоть до шестеренки 37. Угловая скорость вращения маховика равна угловой скорости вращения вала 7 по отношению к корпусу, умноженной на обобщенное передаточное число, деленному на выражение, равное единице минус обобщенное передаточное число. Из формулы видно, что при стремлении обобщенного передаточного числа, которое всегда меньше единицы, к единице скорость вращения двигателя стремится к бесконечности. Так при значении обобщенного передаточного числа, равного 0,5, угловая скорость двигателя равна угловой скорости вала 7, а при обобщенном передаточным числе, равном 0,8, равна 4 угловым скоростям вала 7. Для разгона двигателя необходимо постепенно увеличивать как угловую скорость, так и передаточное число. Двигатель работает следующим образом. Пусть в камерах A первой тороидальной полости проходит фаза расширения, в камерах B - всасывания, в камерах A второй тороидальной полости - сжатие, в камерах B второй тороидальной полости - вывод рабочего тела. Для паровой машины фазе сжатия соответствует фаза вывода, а фазе расширения - фаза всасывания с одновременным расширением, на дисках золотника отверстия вывода распространяются на зону сжатия, а ввода - на фазу расширения. Золотник находится в положении, отмеченным на фиг. 5, как ноль градусов. Под действием сил расширения в камерах A первой тороидальной полости радиальная перегородка корпуса и поршни в первой тороидальной полости расходятся в разные стороны, что обеспечивает в камерах B фазу всасывания. Изменяется их взаимное положение, это приводит к тому, что поворачивается шестеренка 12 первой тороидальной полости, следовательно, поворачивается связанная с ней шестеренка 13, укрепленная на центральная пластина. В результате, шестеренка 12 второй тороидальной полости начинает вращаться в противоположную сторону по сравнению с шестеренкой 12 первой тороидальной полости. Это значит, что поршни второй тороидальной полости перемещаются на встречу радиальным перегородкам корпуса. Такое движение поршней в тороидальной полости обеспечивает течение перечисленных фаз. Вращение передается на шестеренки 14, а направление их вращения показано на фиг. 3. При таком положении втулка 15 сцеплена с левой шестеренкой. Вал 27 выступом 28 соединен с втулкой, поэтому он всегда вращается в ту же сторону, что и втулка. При вращении втулки взаимодействие выступа 41 шайбы, ограничивающий пружину, с прижимом 33, приводит к тому, что пружина сжимается, но втулка удерживается в сцеплении прижимом 32, который взаимодействует с выступом 35 левой части втулки. По завершении фазы золотник поворачивается на 45 градусов таким образом, что отверстия на золотнике и в камерах A первой полости совпадают, причем подсоединяются каналы вывода, а значит начинается фаза вывода. В камерах B второй тороидальной полости открывают входные каналы, что означает начало фазы всасывания. В камерах A второй полости начинается фаза расширения, в камерах B первой полости начинается фаза сжатия. Выступ втулки 35 выходит из сцепления с прижимом 32, а сжатая пружина перемещает втулку в положение, изображенное на фиг. 4. Шестеренки 12, 13, 14 меняют вращение на противоположное. Вал 27 из-за перемещения втулки направление вращения не изменит. Далее циклический процесс смены фаз продолжается. Набрав нужную скорость вращения, двигатель отключается. Жестко связанная с валом 27 шестеренка 16 передает вращение промежуточному валу 7, а с него - шестеренке 17, закрепленной на основании, и далее - на выходной вал 11. Шестеренка 17 может выходить из сцепления с шестеренкой 37 и используется как переключатель режимов. Запуск двигателя осуществляется следующим образом: корпусу сообщается необходимая угловая скорость при выведенной из сцепления шестеренки 17. Затем включается сцепление шестеренки 17 с осью, что приводит к тому, что угловая скорость корпуса и вала 7 будут разные, а это приведет к вращению втулки и связанных с ней шестеренок, которые в свою очередь приводят в движение золотник и поршни по отношению к корпусу. Работа устройства как маховика, определяемая положением переключателей, возможна в следующих режимах: режим разгона, режим разгрузки, режим работы двигателя на выходной вал, холостой ход. Режим разгона маховика предусматривает постепенное увеличение угловой скорости маховика. Энергия, запасаемая маховиком, пропорциональна квадрату угловой скорости, тогда как ее приращение прямо пропорционально угловой скорости. В режиме разгона вращение вала 7 передается на ось маховика через сцепленные шестеренки 17 и 37, но отсутствует нагрузка на выходной вал 11. Шестеренка 37, отталкиваясь от шестеренок основания, передает вращение маховику. Такое вращение не приводит к дополнительному изменению относительного положения корпуса и поршня, а это значит, что поворачивается двигатель относительно основания. Сила, вызванная давлением в рабочих камерах, приводит к возникновению ускорения вращения вала 7 относительно оси двигателя, а следовательно, вызовает ускорение корпуса относительно основания, так как из формулы расчета угловой скорости маховика видно, что увеличение угловой скорости вала 7 приводит к увеличению скорости вращения корпуса. Это ускорение определяет время, необходимое для достижения максимальной угловой скорости маховика, а работа двигателя за этот период времени преобразуется в кинетическую энергию маховика. Ускорение будет действовать до тех пор, пока скорость движения поршней не достигнет своего предельного значения. Диапазон изменения частоты колебаний поршня неограничен снизу, если используется паровая машина. В этом случае скорость движения поршней может меняться от нуля до максимального значения, а ее приращение определяется внешней постоянной нагрузкой, зависящий от момента инерции устройства. Для ДВС возможен разгон маховика в диапазоне, который определяется устойчивой работой двигателя и, хотя на низких оборотах мощность меньше, это отразится только на времени разгона, но полностью возможности ДВС реализуются при использовании бесступенчатого преобразователя, который здесь не указан. Возможен разгон маховика при наличии избыточной энергии у выходного вала 11. Повышающая передача на вал 11 приводит к тому, что на ось двигателя будет подаваться более высокая скорость, создающая раскручивающую силу. Это оказывает тормозящее действие на вал 11. Такой режим экономит энергию при торможении, чтобы использовать ее при ускорении. В режиме разгрузки шестеренки 17 и 37 выведены из сцепления. Разгрузка происходит через вал 7. Энергия вращения двигателя передается на выходной вал 11, что приводит к постепенному уменьшению угловой скорости двигателя вплоть до полной его остановки, двигатель может продолжать работать на выходной вал. В режиме работы двигателя на выходной вал, когда не предусматривается разгона двигателя, шестеренки 17 и 37 выведены из сцепления. Вращение вала 7 передается на выходной вал 11. Храповик 43, связанный с кронштейном, препятствует вращению корпуса в противоположную сторону, гася силу отдачи вращения выходного вала. В режиме холостого хода двигатель не работает, отсутствует нагрузка на вал 11 и шестеренки 17 и 37 выведены из сцепления, никаких перемещений внутри корпуса нет. Угловая скорость вала 7 равна угловой скорости корпуса, прекращается движение поршней, вращение вала 27 и всех связанных с ним элементов, но энергия вращения двигателя сохраняется.Формула изобретения
Двигатель-маховик, содержащий корпус, выполненный в виде фигуры вращения, который образует две тороидальные полости, разделенные симметрично расположенными перегородками, образующими секции, внутри которых движутся поршни, выполненные как тороидальные элементы, устройство преобразования колебательного движения поршней, которое преобразует их движение во вращательное, причем корпус двигателя и все его составляющие служат массой, запасающей энергию вращения, а подвод и отвод рабочего тела осуществляется по проходящим в корпусе каналам, связанным с каналами основания через отверстия в полой оси, отличающийся тем, что за счет отталкивания от шестеренок основания вращательное движение передается двигателю или выходному валу, скорость вращения двигателя относительно основания определяется передаточным числом и может быть во много раз больше скорости, зависящей от физических характеристик движения поршней, при этом работа устройства как маховика возможна в следующих режимах: режим разгона, режим разгрузки, режим работы двигателя на выходной вал, холостой ход, а разгон маховика возможен как от работающего двигателя, если диапазон изменения частоты не ограничен снизу при постоянном передаточном отношении, так и при торможении, тем самым устройство аккумулирует энергию, возникающую при торможении, а при ускорении выделяет энергии больше, чем мощность двигателя.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5www.findpatent.ru
www.freepatent.ru
| Насколько же прочным должен быть диск, поддерживающий обод? Ведь если мы изготовим его равным по толщине самому ободу, то получим ту самую невыгодную форму гончарного круга, от которой мы не так давно отреклись. Где же истина? Для нахождения ее насадим маховик самой невыгодной формы в виде диска с небольшим отверстием на вал разгонной машины и с помощью скоростной кинокамеры попытаемся установить, как происходит его разрыв. Мы замечаем, как маховик, раскручиваясь, увеличивается в диаметре (конечно, на очень малую величину). Особенно увеличивается внутреннее отверстие, оно стало даже больше диаметра вала, на который он был насажен, и вал стал проскальзывать в отверстии. Наступили, как говорят, «освобождающие» числа оборотов маховика, очень опасные тем, что диск может сойти с запрессованного вала и, «освободившись», наделать много бед. Но мы вовремя заметили это и, остановив машину, приняли меры—посадили маховик на конический вал, более туго запрессовали вал в отверстие и снова начали разгон. О чем же говорит преимущественное расширение отверстия? О том, что напряжения на его внутренней поверхности максимальны. И действительно, мы замечаем, как с дальнейшим увеличением частоты вращения на внутренней поверхности отверстия начинают возникать трещинки и... пора прихватывать с собой кинокамеру и спасаться, если, конечно, мы успеем это сделать за считанные микросекунды. Сильнейший взрыв и тяжелые осколки, пробивающие даже стены и междуэтажные перекрытия вплоть до крыши, известили нас о том, что удалились мы вовремя. Итак, вывод — во всем виновато отверстие в центре!  Срочно изготовляем маховик новой формы — уже без отверстия (см. рис. 14, г) и, испытав его на разрыв, убеждаемся, что мы не ошиблись. Новый маховик накопил энергии точно вдвое больше, чем такой же по размерам и массе диск из того же материала, но... с микроскопическим, не видным даже глазу отверстием в центре!  Итак — парадокс. Тонкий обод, представляющий собой диск с очень большим отверстием, достаточно выгоден как маховик; на определенном этапе это был даже предел мечтаний. Уменьшая отверстие, мы ухудшаем показатели плотности энергии маховика тем сильнее, чем меньше отверстие. И вдруг, заделав его совсем, получаем скачкообразный рост плотности энергии и не чуть-чуть, а вдвое . больше, чем у самого тонкого обода. Где же разгадка этого явления? Оказывается, все дело в том, что мы просто не можем иметь вращающийся диск с бесконечно малым отверстием в центре. Аналогия — резиновая пленка (рис. 16). Если она не напряжена, пожалуйста, можно проделать иглой, искрой или лазером сколь угодно малое отверстие. Но стоит натянуть эту пленку (например, надев ее с натягом на горлышко банки), то никакими ухищрениями мы не сможем проделать там очень малого отверстия — оно сразу же расширится и еще хорошо, если не разорвется вся пленка. Так и с вращающимся маховиком.  Рис. 16. В быстро вращающемся диске, как и в натянутой резиновой пленке, нельзя проделать очень малого отверстия — оно тотчас же расширяется и будет значительно больше, чем намечалось Разница между маховиком—диском без отверстия и с самым малым отверстием такая же, как и между резиновой пленкой без отверстия и с ним. На внутренней поверхности отверстия возникает, как говорят, «концентрация напряжений», и прочность диска падает вдвое. А с нею во столько же раз и плотность энергии. Получив опыт в том, что чем ближе к центру вращающегося диска, тем больше напряжен материал, конструкторы стали «убирать» лишний материал маховика без отверстия там, где он напряжен меньше. Получился диск, убывающий по толщине от центра к периферии, так называемый диск равной прочности. На первый взгляд явно нелепая форма маховика. Раньше старались отнести всю массу на пери ферию, а теперь вдруг всю к центру.
Нелепо как-то. И поэтому снабдили диск равной прочности тяжелым ободом — как-то будет надежнее и на маховик похоже! (см. рис. 14,д). И опять новый маховик оказался выгоднее предыдущего и завоевал первенство. Такой вариант даже был применен на известных швейцарских гиробусах (см. ниже) для накопления очень больших количеств энергии и считался совершенным.  Но,... преодолели все-таки инертность взглядов и сняли тяжелый обод, оставив только диск равной прочности (см. рис. 14, е).  Несмотря на «нелепую» для маховика форму, на малый момент инерции, диск равной прочности развил максимальную плотность энергии — втрое выше, чем диск с малым отверстием и вдвое — чем самый тонкий обод. И расчеты и эксперимент показали, что для изотропного (с одинаковыми механическими свойствами во всех направлениях) материала, каким являются металлы, выгоднее формы нет — диск равной прочности обеспечивает предельную плотность энергии. Если охарактеризовать форму маховика коэффициентом эффективности (как это и делается при расчетах) и присвоить диску равной прочности максимальный коэффициент 1, то диск с очень малым центральным отверстием получит 0,3; тонкий обод — 0,5; диск без отверстия—0,6; диск равной прочности с ободом — между 0,6 и 1 в зависимости от величины обода.  Диск равной прочности, конечно, сложен в изготовлении (хотя его форму с успехом заменяют похожей, но более простой гиперболической), не терпит никаких отверстий, раковин, волосовин, особенно в центре, эффективен только при весьма высокой окружной скорости, но зато обеспечивает минимальный вес при данном запасе энергии. А это немаловажно и часто играет решающую роль при выборе силового агрегата. Одним из первых начал применять для маховиков диски равной прочности основоположник маховичных двигателей (аккумуляторов) у нас в стране известный изобретатель А. Г. Уфимцев. Это видно из его патента на инерционный аккумулятор, датированного 1918 годом, о котором будет рассказано в гл. II этой книги. Итак, роль формы маховика в накоплении энергии в нем выяснена. Но кроме выбора формы перед конструктором стоит вопрос о выборе материала. Действительно, что выгоднее...
|
motoavto.su
