Комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор- колесами (варианты)

Комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор- колесами (варианты)

Реферат

 

Изобретение относится к автомобильной и тракторной промышленности, а также может быть использовано на железнодорожном и морском транспорте и в авиации. Гибридный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами включает раму, реактор для получения тепловой энергии, паротурбинную установку, синхронный электрогенератор переменного тока повышенной частоты, асинхронный компенсатор гироскопического момента, систему автоматического регулирования и управления. Питание асинхронного компенсатора гироскопического момента производится от синхронного электрогенератора в режиме противоположного чередования фаз. При этом направление вращения ротора асинхронного компенсатора противоположно направлению вращения турбины ротора электрогенератора и диска. Этим достигается компенсация гироскопического момента высокоскоростных вращающихся частей силового энергетического агрегата. В результате использования предлагаемого технического решения по сравнению с известным, достигается повышение КПД использования энергии на транспортных средствах до 55-60%, создание экологически чистого автомобиля и трактора; улучшение управления транспортным средством снабженного высокоскоростными турбинами за счет компенсации гироскопического момента; переход от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на более экономичные, надежные и легкие газопаровые турбины и электрические генераторы повышенной частоты; дополнительная экономия энергии порядка 65% за счет рекуперации кинетической энергии при частом торможении и разгоне автомобиля в условиях городского транспорта; редкое снижение расхода химического топлива почти в 4 раза и полная замена химического топлива на тепловую, производимую малогабаритным реактором в результате синтеза элементарных частиц. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 23 ил.

Изобретение относится к автомобильной и тракторной промышленности, а также может быть использовано на железнодорожном и морском транспорте и в авиации.

Известен комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля, включающий двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и электрический генератор преобразующий механическую энергию на валу ДВС в электрическую энергию. Далее электрическая трансмиссия обеспечивает управление электроприводами мотор-колес или гусеничными движителями. Данная схема силового энергетического агрегата с совмещением ДВС и электротрансмиссии нашла широкое применение в конструкции большегрузных автомобилей и тяжелых тракторов (Погарский Н.А. Электрические трансмиссии машин с мотор-колесами. - М.: Машиностроение, 1965, стр. 98, стр. 9, табл. 1 [1]. Исаков П.П., Иванченко П.Н., Егоров А.Д. Электромеханические трансмиссии гусеничных тракторов. Теория и расчет. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1981, стр. 20, рис. 2.2 [2]).

Недостатком известных комбинированных энергетических агрегатов с электротрансмиссией является их высокая материалоемкость, достигающая 18 кг/л.с. и более, для электротрансмиссии. При таких удельных показателях применение электротрансмиссии эффективно только при большой установленной мощности ДВС более 300 л.с. [1]. Использование известных схем электротрансмиссии неэффективно при разработке автомобилей и тракторов малой и средней мощности. К тому же применение ДВС связано с большим расходом дизельного топлива и бензина на единицу установленной мощности и характеризуется вредными выбросами продуктов сгорания, загрязняющих окружающую среду. Повышение экологических требований к дизель-электрическим (электромеханическим) трансмиссиям ведет к удорожанию силового агрегата, но не решает всех экологических и экономических проблем.

Одним из путей повышения эффективности транспортных средств является применение всевозможных накопителей энергии, в частности кинетических накопителей в виде различных конструкций маховиков, а также конденсаторных накопителей - молекулярных конденсаторов-ионисторов (Джента Дж. Накопление кинетической энергии. - М.: Мир, 1988, стр. 92-93, табл. 2, 7, рис. 2.28. [3]. Гулина Н.В. Накопители энергии. - М.: Наука, 1980, стр. 116-117 [4]. Голиков М.В., и др. Результаты испытаний автономных энергоагрегатов на базе молекулярных накопителей энергии по пускам двигателей автомобильной и бронетанковой техники. - М. : Сборник трудов Российской инженерной академии, выпуск 6, 1998, стр. 68-70. [5]).

Однако известные молекулярные и маховичные накопители энергии обладают довольно низкими удельными показателями по запасенной энергии порядка 0,01-0,1 МДж/кг, намного худшими по сравнению с химическим топливом (44 МДж/кг), что не позволяет их широко использовать в качестве автономного источника энергии для транспорта.

Наиболее близкой по технической сущности является схема комбинированного силового энергетического агрегата в виде самоходной ядерной силовой установки, включающего ядерный реактор и герметичную паротурбинную установку, работающую по замкнутому циклу и соединенную с электрическим генератором, от которого питаются тяговые электромоторы колес транспортного средства. Дополнительно паровая турбина снабжена конденсатором с воздушным охлаждением. Паровой цикл такого силового агрегата образует замкнутый контур, не имеющий выбросов в атмосферу. При этом в цикле отсутствуют химические продукты сгорания. Электрический генератор и электромоторы колес образуют электротрансмиссию, управление которой осуществляется чисто электрическими методами, исключая наличие коробки передач между турбиной и колесами (см. патент Франции 2727362 А, 1996).

Однако такую установку сложно использовать на автомобиле или тракторе по следующим причинам: 1. ввиду массивности и радиоактивной опасности ядерного реактора; 2. наличия большого гироскопического момента у высокоскоростной паротурбинной (газотурбинной) установки. При повороте транспортного средства это приводит к возникновению некомпенсированной силы Кориолиса, затрудняющей маневр; 3. паротурбинная (газотурбинная) установка критична к оптимальной скорости вращения, при которой достигается максимальное КПД турбины, и обладает низкой приемистостью. Турбина не приспособлена для работы в условиях резких знакопеременных нагрузок (разгон с торможением), характеризующих движение автомобильного транспорта.

С другой стороны, паротурбинная (газопаротурбинная) установка обладает определенными преимуществами, поскольку может работать на высоких скоростях вращения порядка 30000 об/мин и более. В сочетании с высокоскоростным электрогенератором можно получить удельные показатели по материалоемкости и надежности такого гибридного силового агрегата более лучшие по сравнению с аналогичными показателями двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и делают эффективным применение комбинированного силового агрегата на автомобиле и тракторе.

Задачей предлагаемого технического решения - повышение эффективности применения комбинированного силового агрегата (сочетание паротурбинной (газопаротурбинной) установки с электрогенератором) на автомобиле и тракторе по сравнению с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), снижение расхода химического топлива или его полного исключения из энергетического цикла, создание экологически чистого автомобиля и трактора.

В результате использования предлагаемого изобретения по сравнению с известным возможен реальный переход от поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на паротурбинную (газопаротурбинную) установку в качестве силового энергетического узла для легковых и грузовых автомобилей с электротрансмиссией, а также тракторов в широком классе тяговых усилий, уменьшение удельной материалоемкости электротрансмиссии и надежности в целом комбинированного силового энергетического агрегата, снижение существенного расхода жидкого химического топлива или его полного исключения из энергетического цикла, повышение КПД в газопаровом цикле до 55-60%, создание экологически чистого автомобиля и трактора.

Предлагается два варианта комбинированных силовых агрегата для автомобиля и трактора. По первому варианту в качестве первичного источника энергии комбинированного силового агрегата применен реактор, работа которого основана на выделении тепловой энергии в результате синтеза элементарных частиц и их аннигиляции. По второму варианту в качестве первичного источника энергии комбинированного силового агрегата применена газовая высокоскоростная турбина, работа которой основана на термодинамических циклах расширения газовой смеси в результате сжигания химического топлива.

По первому варианту указанный технический результат достигается тем, что комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами, включающий источник тепловой энергии, выполненный в виде реактора синтеза элементарных частиц и их античастиц с узлом предварительного центробежного ускорителя с диском, паротурбинную установку, работающую по замкнутому циклу, синхронный электрогенератор переменного тока, раму, систему управления и регулирования, он снабжен компенсатором гироскопического момента, выполненным в виде дополнительного ротора с моментом инерции, удовлетворяющим отношению суммарного момента инерции диска предварительного центробежного ускорителя, турбины паротурбинной установки и ротора синхронного электрогенератора к величине, определяемой разностью между единицей и скольжением ротора компенсатора гироскопического момента, при этом диск центробежного ускорителя, турбина паротурбинной установки и ротор синхронного электрогенератора установлены соосно с ротором компенсатора гироскопического момента на единой раме и/или едином валу с возможностью вращения ротора компенсатора в противоположном направлении, а в качестве ротора компенсатора гироскопического момента используется ротор типа "беличье колесо" асинхронного двигателя или ротор в виде диска, намотанного на валу из непрерывной ленты электротехнической стали, с торцевыми пазами, в которых уложена короткозамкнутая обмотка в виде "колеса со спицами", а статор компенсатора электрически соединен со статором синхронного электрогенератора переменного тока в режиме противоположного чередования фаз, при этом статор синхронного электрогенератора снабжен одновременно генерирующими обмотками и обмотками возбуждения или постоянными магнитами, с чередованием полярности обмоток возбуждения или магнитных полюсов по окружности статора, между которыми расположены генерирующие обмотки, размещенные в пазах статора из круговых пластин или с торца статора, намотанного из непрерывной ленты, а ротор синхронного электрогенератора снабжен полыми пазами в виде вырезов усеченного сектора в круговых пластинах, из которых набран ротор, или ротор намотан из ленты электротехнической стали в виде диска с окнами; причем ширина окна и паза равна полюсному расстоянию, а их количество равно удвоенному количеству пар полюсов синхронного электрогенератора; система управления и регулирования снабжена дополнительным коммутатором и преобразователем частоты электрического тока для подключения в качестве рекуператора энергии компенсатора гироскопического момента к мотор-колесам, работающих в режиме торможения с последующим разгоном автомобиля.

Кроме того, в комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами в качестве пускового устройства и одновременно компенсатора гироскопического момента снабжен газовой турбиной, которую устанавливают на одном валу с ротором второго синхронного электрогенератора, причем соотношение суммарного момента инерции газовой турбины и ротора второго синхронного электрогенератора к суммарному моменту инерции паровой турбины и ее ротора синхронного электрогенератора должно удовлетворять отношению частот вращения паровой турбины к газовой турбине.

По второму варианту указанный технически результат достигается тем, что комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами, включающий газовую турбину, сочлененную с синхронным электрогенератором, состоящим из статора и ротора, корпус, систему управления и регулирования, он снабжен компенсатором гироскопического момента, выполненным в виде паровой турбины, сочлененной с дополнительным синхронным электрогенератором, причем газовая турбина, сочлененная с синхронным электрогенератором, установлена соосно с паровой турбиной, сочлененной с дополнительным синхронным электрогенератором, с возможностью вращения газовой и паровой турбины в противоположных направлениях, а обмотки синхронных генераторов соединены с противоположным чередованием фаз с возможностью автоматической синхронизации противоположного вращения турбин, и газовая турбина, сочлененная с синхронным электрогенератором, выполнена с массой, обеспечивающей суммарный момент инерции, равный суммарному моменту инерции паровой турбины, сочлененной с дополнительным синхронным электрогенератором, при этом газовая и паровая турбины заключены в единый корпус и разделены между собой теплообменником, состоящим из кожуха водяной рубашки и камеры парообразования с возможностью рекуперации отработанного тепла газовой турбины в водяной пар для привода паровой турбины, причем теплообменник и кожух водяной рубашки разделяют единый корпус на две части, кроме того, статор синхронного электрогенератора снабжен одновременно генерирующими обмотками и обмотками возбуждения или постоянными магнитами, с чередованием полярности обмоток возбуждения или магнитных полюсов по окружности статора, между которыми расположены генерирующие обмотки, размещенные в пазах статора из круговых пластин или с торца статора, намотанного из непрерывной ленты, а ротор синхронного электрогенератора снабжен полыми пазами в виде вырезов усеченного сектора в круговых пластинах, из которых набран ротор, или ротор намотан из ленты электротехнической стали в виде диска с окнами; причем ширина окна и паза равна полюсному расстоянию, а их количество равно удвоенному количеству пар полюсов синхронного электрогенератора.

На фиг. 1 представлен общий вид первого варианта комбинированного силового энергетического агрегата для автомобиля и трактора с электротрансмиссией (вид сверху в разрезе).

На фиг.2 показано действие гироскопических моментов на вращающиеся части комбинированного силового энергетического агрегата, действующие в вертикальной плоскости при повороте транспортного средства в горизонтальной плоскости, и условия полной компенсации гироскопического момента за счет специального асинхронного компенсатора.

На фиг.3 представлена схема направления сил Кориолиса в результате действия гироскопического момента на вращающиеся части комбинированного силового энергетического агрегата при повороте транспортного средства.

На фиг.4 представлено правило для определения направления сил Кориолиса и гироскопического момента при повороте транспортного средства.

На фиг.5 представлена расчетная схема определения сил давления на опоры подшипников вала с высокоскоростным диском при повороте транспортного средства.

На фиг.6 показана конструктивная схема установки компенсатора гироскопического момента на едином валу с высокоскоростными роторами комбинированного силового энергетического агрегата.

На фиг. 7 представлена в разрезе компоновка гибридного силового энергетического агрегата в едином защитном цилиндрическом корпусе.

На фиг.8 представлена в разрезе конструкция синхронного электрогенератора переменного тока повышенной частоты с высокоскоростным безобмоточным ротором.

На фиг. 9 показан общий вид высокоскоростного безобмоточного ротора синхронного электрогенератора повышенной частоты. На фиг.10 представлена временная диаграмма шунтирования генераторного и возбуждающего полюсов статора ярмом ротора при вращении ротора синхронного электрогенератора повышенной частоты.

На фиг.11 представлены диаграммы изменения магнитного потока и электрического напряжения в генераторной обмотке при вращении ротора синхронного электрогенератора повышенной частоты.

На фиг. 12 показан общий вид в разрезе синхронного электрогенератора переменного тока повышенной частоты с высокоскоростным безобмоточным внешним торцевым ротором.

На фиг.13 показано сечение по А-А статора синхронного электрогенератора переменного тока повышенной частоты с внешним торцевым ротором.

На фиг.14 показано сечение по Б-Б внешнего торцевого ротора синхронного электрогенератора переменного тока повышенной частоты.

На фиг. 15 представлен общий вид в разрезе асинхронного компенсатора гироскопического момента с внешним торцевым ротором.

На фиг.16 показано сечение по А-А внешнего торцевого ротора асинхронного компенсатора гироскопического момента.

На фиг. 17 представлен общий вид в разрезе асинхронного компенсатора гироскопического момента с внешним коаксиальным ротором.

На фиг. 18 показана общая электрическая схема комбинированного силового энергетического агрегата для автомобиля и трактора с электротрансмиссией.

На фиг. 19 представлен общий вид в разрезе комбинированного силового энергетического агрегата с пуском от газовой турбины и использования газовой турбины в качестве привода компенсатора гироскопического момента.

На фиг. 19 представлен одновременно второй вариант комбинированного силового энергетического агрегата.

На фиг.20 представлена схема легкового автомобиля с комбинированным силовым энергетическим агрегатом.

На фиг.21 представлена схема трактора с комбинированным силовым энергетическим агрегатом.

На фиг. 22 представлена схема грузового автомобиля с комбинированным силовым энергетическим агрегатом.

На фиг. 23 представлена схема самосвала с комбинированным силовым энергетическим агрегатом.

Развитие физики элементарных частиц и атомного ядра позволяет предложить в качестве источников тепловой энергии компактные реакторы, основанные на синтезе и аннигиляции элементарных частиц и их античастиц при воздействии ударных деформаций внутри вещества. Реакторы, основанные на синтезе элементарных частиц, по сравнению с ядерными реакторами нерадиоактивны и безопасны. В предлагаемом комбинированном силовом агрегате используется реактор по производству тепловой энергии, включающий корпус реактора, тепловыделяющую мишень-преграду, ускорительную систему с узлом предварительного центробежного ускорителя частиц-ударников, и теплообменник, в котором тонкодисперсные частицы-ударники, разогнанные до скоростей порядка 1000 м/с и более, вступают во взаимодействие с мишенью-преградой, вызывая в ней реакции синтеза и аннигиляции элементарных частиц. В результате мишень-преграда разогревается, являясь источником избыточной тепловой энергии. Далее произведенная тепловая энергия преобразуется в энергию водяного пара. В данных материалах заявки сам реактор не является предметом рассмотрения и патентной защиты и представляет собой элемент "ноу-хау". Предлагается лишь его использование в качестве первичного источника энергии в комбинированном силовом агрегате для автомобиля и трактора.

По первому варианту комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами включает раму 1, реактор 2 для получения тепловой энергии, паротурбинную установку 3, синхронный электрогенератор 4 переменного тока повышенной частоты, асинхронный компенсатор 5 гироскопического момента, систему автоматического регулирования и управления (не показана).

Реактор 2 для получения тепловой энергии включает корпус 6, который крепится к раме 1 с помощью кронштейнов 7, водяную рубашку 8, тепловыделяющие элементы 9, электромагнитный ускоритель 10 тонкодисперсных частиц специального порошка, центробежный ускоритель в виде диска 11, установленный на валу 12, соединительную муфту 13 и электромагнитный регулятор пара 14. Привод диска 11 осуществляется от вала 19 паротурбинной установки 3 через муфту 13. Конструкция реактора 2 представлена на фиг.1 и принцип его работы заключается в том, что паротурбинная установка 3 включает корпус 15, который крепится кронштейнами 16 к раме 1, турбину 17 с лопатками 18, установленную на валу 19, который соединен через муфты 20 и 13 с валами 27 и 12 электрогенератора 4 и диска 11, паровые сопла 21, электромагнитный регулятор пара 14 и выходной патрубок 22 для отработанного пара, конденсатор пара и холодильник с водяным насосом высокого давления для возврата конденсата в водяную рубашку 8 реактора 2 (конденсатор пара, холодильник и водяной насос высокого давления на чертеже не показаны). В данном случае паровая турбина 17 имеет три ступени с частотой вращения 30000 об/мин и более. При мощности 100-1000 кВт паротурбинная установка намного компактнее и надежнее двигателя внутреннего сгорания (ДВС) такой же мощности. КПД паротурбинной установки достигает 40-45%.

Синхронный электрогенератор 4 переменного тока повышенной частоты включает корпус 23, который крепится кронштейнами 24 к раме 1, статор 25 и ротор 26, установленный на валу 27 и соединенный с валом 19 паротурбинной установки 3 посредством муфты 20. При частоте вращения ротора 30000 об/мин при одной паре полюсов электрического генератора частота генерируемого напряжения составляет 500 Гц. В данной конструкции предлагается двухполюсный электрогенератор с синхронной частотой 1000 Гц при частоте вращения ротора 500 об/с. Преимущество электрического генератора повышенной частоты 1000 Гц заключается в том, что его материалоемкость более чем на порядок меньше материалоемкости генератора такой же мощности, работающего на промышленной частоте 50 Гц.

Асинхронный компенсатор 5 гироскопического момента включает корпус 28, который крепится кронштейнами 29 к раме 1, статор 31 и ротор 32, установленный на отдельном валу 33. Питание асинхронного компенсатора 5 производится от синхронного электрогенератора 4 в режиме противоположного чередования фаз. При этом направление вращения ротора 32 асинхронного компенсатора 5 противоположно направлению вращения турбины 17 ротора 26 электрогенератора 4 и диска 11. Этим достигается компенсация гироскопического момента высокоскоростных вращающихся частей силового энергетического агрегата.

Взаимодействие асинхронного компенсатора 5 с остальными узлами комбинированного силового энергетического агрегата для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами осуществляется следующим образом. Реактор 2 производит тепловую энергию, которая в рубашке 8 реактора нагревает воду до требуемой температуры парообразования. Выход пара из реактора 2 происходит через электромагнитный регулятор пара 14. Далее пар через сопла 21 поступает на лопатки 18 турбины 17, приводя ее во вращение. Отработанный пар через выходной патрубок 22 подается в конденсатор пара, конденсируется и в виде конденсата с помощью водяного насоса высокого давления возвращается в водяную рубашку 8 реактора 2. Для интенсификации конденсации водяного пара конденсатор снабжен дополнительно холодильником.

Вращающийся вал 19 турбины 17 через муфту 20 приводит во вращение вал 27 с ротором 26 синхронного электрогенератора 4 переменного тока повышенной частоты. Электрическое напряжение снимается с обмоток статора 25 электрогенератора 4 и подается в схему управления электротрансмиссией автомобиля или трактора. Параллельно электрическое напряжение тока со статора 25 электрогенератора 4 подается на статор 31 асинхронного компенсатора 5 гироскопического момента в режиме противоположного чередования фаз. Такое включение обеспечивает вращение ротора 33 асинхронного компенсатора 5 в направлении противоположном вращению роторов 26 и 17 электрогенератора 4 и паротурбинной установки 3, а также диска 11 реактора 2. Именно создание условий, при которых на раме 1 установлены вращающие в различные стороны высокоскоростные роторы различных узлов, позволяет полностью компенсировать действие гироскопического момента при повороте транспортного средства.

По второму варианту комбинированный силовой энергетический агрегат для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами включает (фиг. 19) единый корпус 1, паротурбинную установку 3, на валу 19 которой установлены паровая турбина 17 и синхронный электрогенератор 4 переменного тока повышенной частоты; газотурбинную установку 73, на валу которой установлены газовая турбина 74, компрессор 75 и синхронный электрогенератор 76 переменного тока повышенной частоты; систему автоматического регулирования и управления (не показана). Газотурбинная установка снабжена трубой с воздушным фильтром 77 для забора воздуха, камерой сгорания 78 с форсунками 79, теплообменник 80, кожух водяной рубашки 81, водяную рубашку и камеру парообразования 82, выхлопной патрубок 83 с глушителем (не показан). Теплообменник 80, кожух водяной рубашки 81 и камера парообразования 82 разделяют единый корпус 1 на две части. Паротурбинная установка снабжена паровыми соплами 21, электромагнитным регулятором пара 14, выходным патрубком 22 для отработанного пара, конденсатором пара и холодильником с водяным насосом высокого давления для возврата конденсата в водяную рубашку 82 (конденсатор пара, холодильник и водяной насос высокого давления на чертеже не показаны).

Предлагаемый комбинированный силовой энергетический агрегат в качестве первичного источника энергии имеет газовую турбину. Компенсация гироскопического момента газовой турбины 74, компрессора 75 и сочлененного с ними ротора синхронного электрогенератора 76 осуществляется за счет использования паровой турбины 17 в качестве компенсатора гироскопического момента. С этой целью вращение паровой и газовой турбин производится в противоположных направлениях. Поскольку частоты вращения паровой и газовой турбин не совпадают, необходимо синхронизировать их частоты вращения в противоположных направлениях. С этой целью статорные обмотки синхронных генераторов 76 и 4, приводимых в движение газовой и паровой турбинами, соединяют с противоположным чередованием фаз, обеспечивая втягивание их роторов в синхронное вращение. Для полной компенсации гироскопического момента, газовая турбина, сочлененная с синхронным электрогенератором, должна быть выполнена с массой, обеспечивающей суммарный момент инерции, равный суммарному моменту инерции паровой турбины, сочлененной с дополнительным синхронным электрогенератором. Конструкция синхронных генераторов приведена на фиг.8, 9, 12, 13, 14. В целом газопаровой цикл увеличивает КПД использования тепловой энергии топлива до 55-60% и более.

Взаимодействие паровой турбины в качестве компенсатора гироскопического момента с остальными узлами комбинированного силового энергетического агрегата для автомобиля и трактора с электротрансмиссией и мотор-колесами осуществляется следующим образом. Газовая турбина 74 приводится в движение за счет сгорания топлива в камере сгорания 78 и создания давления газов на лопатки турбины. Подача атмосферного воздуха производится через воздушный фильтр 77 компрессором 75, приводимым в движение газовой турбиной 74, которая одновременно вращает ротор синхронного электрогенератора 76. Компенсация гироскопического момента газовой турбины 74, компрессора 75, ротора синхронного электрогенератора 76 производится компенсатором, вращающимся в противоположную сторону, роль которого выполняет паровая турбина 17, сочлененная с синхронным электрогенератором 4. В целом комбинированная силовая энергетическая установка вырабатывает электрогенераторами 76 и 4 электрическую энергию, которая поступает на привод мотор-колес или тягового электродвигателя автомобиля и трактора.

Необходимость компенсации гироскопического момента высокоскоростных вращающихся турбин и роторов, установленных на комбинированных силовых энергетических агрегатах автомобилей и тракторов, обусловлена следующим образом. На фиг.2 представлено действие гироскопических моментов на высокоскоростные вращающиеся части комбинированного силового энергетического агрегата, выполненного по первому варианту, действующие в вертикальной плоскости при повороте транспортного средства в горизонтальной плоскости. При движении транспортного средства прямолинейно, гироскопический момент полностью отсутствует. Гироскопический момент возникает только при повороте транспортного средства. Причем, чем быстрее осуществляется маневр, тем больше величина гироскопического момента. Наличие высокоскоростных роторов на частотах вращения 30000 об/мин существенно затрудняет управление транспортным средством при маневре и может привести к его опрокидыванию и аварии. В предлагаемом техническом решении компенсация гироскопического момента производится с помощью асинхронного компенсатора. Условия полной компенсации гироскопического момента определяются выражением: M₁₁ + M₁₇ + M₂₆ = М₃₂, (1) M₁₁, M₁₇, M₂₆, М₃₂ - гироскопические моменты, действующие на диск 11 (центробежный ускоритель), турбину 17 паротурбинной установки 3 и ротор 26 электрогенератора 4, и на ротор 32 асинхронного компенсатора 5 соответственно (фиг.2), Нм.

Величина и направление гироскопического момента М₁₁, действующего на диск 11 центробежного ускорителя, определяется векторным произведением двух угловых скоростей: угловой скоростью ₁ вращения диска 11 на валу 12 и поворотной угловой скоростью ₂ вала 12 в горизонтальной плоскости при маневре транспортного средства (Павлов В.А. Гироскопический эффект, его проявление и использование. - Л.: Судостроение, 1978, стр. 38) [7].

M₁₁= J₁₁[₁₂], (2) где J₁₁ - момент инерции диска 11, кгм².

Момент инерции J₁₁ сплошного и однородного диска 11 определяется его массой m₁₁ и радиусом R₁₁ из известного выражения: Подставляя выражение (3) в выражение (2) получаем выражение для определения гироскопического момента, действующего на сплошной и однородный диск: Из выражения (4) следует, что чем больше вращающая масса m₁₁ и радиус R₁₁ диска 11 и чем больше его угловая скорость ₁ вращения диска и угловая скорость ₂ поворота при маневре транспортного средства, тем больше гироскопический момент М₁₁. Как видно из выражения (4) при прямолинейном движении транспортного средства скорость поворота ₂= 0 и гироскопический момент равен нулю. Угловая скорость ₂ поворота является возмущающим фактором, изменяющим направление движения транспортного средства под действием поворотного момента М₂, определяемого сцеплением колес с дорогой и базой поворота. Только при повороте транспортного средства, когда ₂0, возникает гироскопический момент (4). Причем гироскопический момент не зависит от радиуса поворота, а определяется угловой поворотной скоростью ₂. В соответствии с выражением (4) направление гироскопического момента определяется векторным произведением и перпендикулярно вектору возмущающей угловой поворотной скорости ₂. На фиг. 3 представлена схема, определяющая направление гироскопического момента при наличии угловой поворотной скорости ₂, действующей на вращающийся диск 11 с угловой скоростью ₁. Диск 11 установлен на конце вала 12, другой конец которого укреплен в шарнире 34 на жестком основании 35. Вал 12 опирается на колесо 36 с опорой 37. Вся система (диск 11 и вал 12) имеет возможность вращения в горизонтальной плоскости против часовой стрелки относительно центра О шарнира 34 с угловой поворотной скоростью ₂. Диск 11 вращается против часовой стрелки со стороны центра О. При указанном направлении вращения диска 11 и вала 12 гироскопический момент постоянно направлен на создание подъемной силы F₁, действующей на конец вала 12 с диском 11. Величина подъемной силы F₁ на высоких скоростях вращения диска (ротора) достаточна, чтобы оторвать колесо 36 от дорожного покрытия. Если изменить направление вращения диска или поворота вала, то изменяется направление гироскопического момента и силы F₁.

Сила F₁ определена силой Кориолиса, действующей на вращающийся диск при его переносном движении. Именно сила Кориолиса является причиной появления гироскопического момента. Силу ₁ также можно отнести к силе Кориолиса, перенесенной с диска на вал. Данная схема (фиг.3) моделирует действие силы Кориолиса и гироскопического момента на вращающийся высокоскоростной диск (ротор) при повороте транспортного средства, приводящие к нарушению управления. Если на конец вала 12 с высокоскоростным диском 11 подействовать внешней силой, создавая поворот всей системы в горизонтальной плоскости вокруг центра О, то на конце вала 11 с диском 12 появляется сила Кориолиса F₁, направленная перпендикулярно возмущающей внешней силе. В данном случае сила Кориолиса F₁ направлена вверх. Гироскопический момент лежит в плоскости ортогональной плоскости, в которой лежит возмущающий момент при повороте транспортного средства, то есть, если поворот осуществляется в горизонтальной плоскости, то гироскопический момент действует в вертикальной плоскости.

Одной из наиболее трудных задач при определении гироскопического момента является определение направления силы Кориолиса и самого гироскопического момента из векторного произведения (2). В основе появления самой силы Кориолиса лежат фундаментальные законы инерции массы при изменении ее кругового движения в пространстве, которое рассматривается как упругая квантованная среда (Леонов B. C. Четыре доклада по теории упругой квантованной среды (УКС). Материалы конференции. - С-Пб.: 2000, стр. 25) [8].

Поэтому предлагается простое правило, которое поясняется фиг.4. Предполагается, что перемещение по радиусу вращающегося диска происходит в пространстве в виде сплошной среды, поток которой набегает на вращающийся цилиндрический диск. При вращении диска в направлении набегающего потока (против часовой стрелки фиг.4), суммарная скорость потока вверху над диском складывается, а внизу вычитается. Для сплошной среды ее давление определяется скоростным потоком и направлено из области меньшей скорости в область большей скорости. В данном случае сила F₁ направлена вверх. На самом деле сила F₁ является силой Кориолиса, перенесенной с диска на вал, определяя направление гироскопического момента только при наличии поворота всей системы. В любом случае данное плавило позволяет быстро и правильно определить направление силы Кориолиса, перенесенной на вал, и направление действия гироскопического момента.

В практических расчетах важно определить модуль силы F₁ и давление на подшипники вала диска (ротора), возникающие от действия модуля гироскопического момента при повороте транспортного средства. Для этого заменим в выражении (4) угловые скорости вращения ₁ и ₂ на соответствующие частоты вращения n₁ и n₂: ₁= 2n₁[c^-1], ₂= 2n₂[c^-1]. (5) Подставляя (5) в (4), получаем выражение для определения модуля гироскопического момента, представленное через соот