Гиробус — особый вид троллейбуса, движущийся за счёт кинетической энергии вращающегося маховика. В настоящее время гиробусы не используются, хотя концепт гиробуса является объектом научно-технических изысканий. Давайте попробуем разобраться в этой теме подробнее.
Сначала вспомним, с чего все начиналось. По заказу швейцарской фирмы «Эрликон» Леонард Билл разработал в 1945 году проект маховичного автобуса, или, как его еще называли, гиробуса. Пять лет спустя был построен его опытный образец, а еще через три года в Цюрихе открылась первая транспортная линия, обслуживаемая новыми машинами.
Гиробус был разработан как альтернатива для аккумуляторных автобусов, которые задумывались как альтернатива троллейбусам на тех маршрутах, где строительство контактной сети не было оправдано.
Гиробус имел длину чуть более 10 м, массу 9600 кг и вмещал 70 человек. Под полом салона, между осями, располагался полуторатонный диск диаметром 1,63 м.
Он был изготовлен из стали и помещен в контейнер с низким давлением для уменьшения трения. Но все равно каждые 800 м автобус вынужден был останавливаться для подзарядки. Три штанги, установленные на крыше, поднимались к контактам трехфазного источника тока напряжением 440—550 В. Напряжение подавалось к двухполюсному асинхронному электродвигателю, который и раскручивал маховик до рабочей скорости 2100—2900 об/мин. На зарядку уходило от 40 до 80 с.
Гиробус трогался с места и благодаря хорошей приемистости за несколько секунд разгонялся до скорости 60 км/ч. Разгонный электродвигатель при этом автоматически переходил в режим генератора, от которого питался тяговый электромотор.
«Маховоз» Билла имел 6 скоростей. КПД его был довольно высок — 70%. И все-таки, несмотря на явные преимущества (экологичность, дешевизна, бесшумность), в 1960 году эксплуатация гиробусов была прекращена. Причина — сложность управления и недовольство пассажиров частыми остановками.
Гиробус или жиробус (образовано от греческого корня gyros — круг, оборот и новолатинизма omnibus — омнибус) — особый вид троллейбуса, движущийся за счёт кинетической энергии вращающегося маховика. В настоящее время гиробусы не используются, хотя концепт гиробуса является объектом научно-технических изысканий.
Эксплуатация в Швейцарии. Полноценная коммерческая эксплуатация гиробуса началась в октябре 1953 года. Этот маршрут соединял швейцарские коммуны Ивердон-ле-Бан и Грандсон. Однако он имел ограниченный пассажиропоток, и в 1960 году движение гиробусов там было закрыто по экономическим причинам (хотя с технической точки зрения опыт применения гиробусов на этом маршруте был успешным). Ни один из использовавшихся на швейцарском маршруте гиробусов не сохранился, как не сохранился и опытный, демонстрационный экземпляр.
Эксплуатация в Бельгийском Конго. Вторая гиробусная система была открыта в Леопольдвиле (ныне Киншаса, тогда столица колонии Бельгийское Конго, ныне — Демократическая Республика Конго). В Конго в 1955—1956 годах использовалось двенадцать гиробусов (хотя некоторые источники ошибочно сообщают, что гиробусов было семнадцать), которые обслуживали четыре маршрута. Заправочные станции располагались через каждые два километра. Использовавшиеся в Киншасе гиробусы были самыми большими гиробусами из когда-либо существовавших: они имели 10,4 метров в длину, весили 10,9 тонн и вмещали до 90 пассажиров. Их максимальная скорость составляла 90 километров в час.
Однако гиробусы в Конго быстро изнашивались. Вполне вероятно, что это было связано с привычкой водителей «сокращать» маршрут по дорогам без покрытия, которые превращались в настоящие болота после дождя.
Другими проблемами были поломки подшипников маховика и высокая влажность, которая приводила к перегрузке мотора. Однако закрытие системы было вызвано высоким потреблением энергии. Фирма-эксплуататор сочла, что расход энергии слишком высок (он составлял 3,4 кВт/ч на километр для одного гиробуса). Движение гиробусов в Конго прекратилось летом 1959 года. Ставшие ненужными гиробусы были брошены ржаветь рядом с гаражом.
Эксплуатация в Бельгии. Третья и последняя гиробусная транспортная система имелась в Бельгии. Она состояла из одного маршрута (Gent Zuid-Merelbeke Molenhoek) и соединяла город Гент с его предместьем Мерелбеке. Эксплуатировало эту линию Национальное Общество Местных Железных Дорог (оно занималось эксплуатацией междугородных трамваев и автобусов). Подвижной состав состоял из трёх гиробусов, получивших обозначения G1, G2, G3. Для питания гиробусов использовалось напряжение в 380 вольт/50 герц. Гиробусное движение открылось 10 сентября 1956 года, однако просуществовало оно недолго, до 24 ноября 1959 года.
Имелось несколько причин прекращения использования гиробуса в Бельгии. Прежде всего он отличался высоким потреблением энергии — 2,9 кВт·ч/км, в то время как трамвай, перевозящий большее (в несколько раз) число пассажиров расходовал 2—2,4 кВт·ч энергии на километр пути. Кроме того, гиробусы были признаны ненадёжными, к тому же на «заправку» уходило непозволительно много времени. Ко всему прочему, из-за большого веса (из-за тяжёлого маховика) гиробус повреждал дороги. Один из гентских гиробусов, G3, был сохранён. Его иногда демонстрируют на различных выставках и других подобных мероприятиях. Сейчас этот гиробус хранится во Фламандском музее трамваев и автобусов в Антверпене.
Почему этой темой решили заниматься в свое время? Все дело в существенных преимуществах такой конструкции. Во первых она практически бесшумна, во вторых намного экономичнее обычного двигателя внутреннего сгорания, в третьих этот вид транспорта экологически чистый, а в четвертых позволяет обойтись без контактной сети и рельсов как например на троллейбусах и трамваях.
Электромотор, разгонявший маховик, получал энергию через три короткие штанги (мотор был трёхфазным), установленные на крыше гиробуса. Электродвигатель включался только эпизодически. Для этого вдоль маршрута следования гиробуса оборудовались «заправочные пункты» (обычно на некоторых остановках). На этих пунктах штанги гиробуса поднимались и прикасались к установленным над остановкой контактам трёхфазной электрической сети. После разгона маховика до нужных оборотов штанги опускались, двигатель выключался, и гиробус следовал до следующей «заправки».
Запас хода на одной заправке примерно 6 км, но для обеспечивания надежности системы гиробус заправлялся каждые 2км пути. С такой установкой гиробус разгонялся до 50-60км/час. Тормоза здесь тоже были электрические, энергия от торможения позволяла маховику покрутиться еще дольше т.е. имело место рекуперация. «Заправка» гиробуса занимала от 30 секунд до 3 минут. Для уменьшения времени заправки напряжение в сети было поднято с первоначальных 380 вольт до 500.
Самое удивительное в том что в среднего размера гиробусе применяется трехтонный маховик линейная скорость обода которого достигает 900 км/час.
Преимущества:
• Бесшумный ход
• Экологически чистый
• Не требует непрерывной контактной сети (в отличие от троллейбуса)
• Возможность гибко изменять маршрутную сеть в случае необходимости.
Недостатки:
• Большой вес — гиробус, предназначенный для перевозки 20 человек на 20 километров, должен иметь маховик массой в 3 тонны
• Вращающийся со скоростью в 3000 оборотов в минуту маховик требует особых мер безопасности (линейная скорость обода маховика достигает 900 километров в час)
• Управлять гиробусом сложно, так как его маховик обладает свойствами гироскопа (стремится сохранять неизменное положение в пространстве).
Век гиробусов оказался недолгим — в 60-ых годах все системы гиробусного транспорта были закрыты.
Гиробус G3 — единственный в мире сохранившийся гиробус. Хранится во Фламандском музее трамваев и автобусов в Антверпене.
Несмотря на неудачи, развитие гиробуса не прекратилось полностью.
В 1979 году компания «Дженерал Электрик» (США) заключила с департаментом энергии правительства США четырёхлетний контракт (стоимостью в пять миллионов долларов) на развитие прототипа автобуса с маховиком.
В 1980 году компания «Вольво» проводила эксперименты с маховиком, разгоняемым дизельным двигателем и используемым для рекуперации тормозной энергии. Впоследствии от этого проекта отказались в пользу гидравлических аккумуляторов.
В 2005 году Center for Transportation and the Environment (центр транспорта и окружающей среды), работая совместно с Университетом Техаса в Остине, Центром электромеханики (Center for Electromechanics), Test Devices, Inc., и DRS начал поиски спонсора для финансирования разработки прототипа нового гиробуса.
Сейчас в гибридном общественно транспорте, да и не только в общественном а и в болидах формулы 1 для рекуперации энергии торможения используется супер маховики которые имеют относительно небольшой вес и разгоняются до очень больших скоростей.
Сам маховик как аккумулятор энергии имеет очень высокий КПД, вот если бы не трение воздуха и трение в подшипниках так вообще было бы кпд 99.99% так как известно из школьного курса физики ничего не может иметь КПД больше 100%. Кстати, по соотношению накопленных ватт легко переигрывает все типы существующие на сегодняшний день аккумуляторов. Интересный факт, энергия, запасаемая в его маховиках на единицу массы, превышает энергию тротила.
А вот применение маховика в "Формуле-1". В 2007 году Джон Хилтон и Даг Кросс, основатели Flybrid, заявили о создании уникального компактного маховика массой около 5 кг, способного вращаться со скоростью до 64 000 об/мин. Стальная болванка, в разрезе похожая на двояковогнутую линзу, одетая в прочнейшую рубашку из карбона, была помещена ими в вакуумный корпус. Вал маховика установлен на специальных керамических подшипниках. Коренной компонент маховика Flybrid — патентованная система вращающихся центробежных уплотнений, обеспечивающих герметичность узла. Зачем тут вакуум? Элементарно: трение воздуха, кажущееся нам неощутимым, на таких скоростях приводит к нагреванию и постепенному разрушению маховика. Постепенное торможение болванки происходит в основном из-за трения в опорных подшипниках и системе прокладок. Раскрученный маховик за минуту теряет лишь 2% сохраненной энергии. Полная разрядка этой механической батареи наступает примерно через полчаса.
«Наш маховик как минимум втрое быстрее любого аналога, когда-либо установленного в автомобилях, — скорость вращения его внешней кромки достигает 660 м/с, что в два раза превосходит скорость звука в воздухе при нормальных условиях, — говорит Джон Хилтон. — Это позволило сделать его в девять раз меньше и легче. По габаритам он сопоставим с обычными дополнительными агрегатами, находящимися под капотом легковушек. Это полноценная гибридная система размером со штатный аккумулятор».
Конечно, вряд ли на рулевом колесе легкового автомобиля появится красная кнопка Boost — система будет работать в автоматическом режиме. Традиционные гибриды не способны обеспечить высокую динамику из-за ограниченной производительности батарей, а в маховиковых системах накопленная энергия может быть использована почти мгновенно. При этом владелец получает еще и 30%-ную экономию топлива за счет возросшего КПД.
Кроме того, механическая KERS впятеро дешевле электромеханической, надежна при любых температурах и выдерживает миллионы циклов разряда. Литий-ионная батарея используется лишь на 80% номинальной емкости — компьютер не допускает разряда более 80%, так как при полном разряде батарея выходит из строя. Маховик же можно разряжать до нуля. Безопасность маховика многократно проверена в серии краш-тестов — карбоновая рубашка не дает кускам стали разорвать корпус даже на самых высоких оборотах.
Вакуум взаперти. Слабое звено KERS Хилтона и Кросса — патентованные центробежные прокладки вала маховика. На предельных скоростях вращения в них возникает микроскопический зазор, и для откачки воздуха требуется дополнительный вакуумный насос с блоком контроля и управления. Инженеры Ricardo радикально пересмотрели конструкцию Flybrid и создали полностью герметичный модуль с поистине уникальной технологией передачи потока мощности под названием Kinergy. Базовый элемент Kinergy — бесконтактная магнитная муфта. Для Kinergy не требуется вакуумный насос и сложнейший в изготовлении комплекс прокладок вала. Энергия вращения колес поступает на маховик, а затем обратно на трансмиссию благодаря магнитной индукции, а не зубчатому или ременному зацеплению. Причем магниты здесь — постоянные.
Намагниченный маховик стоит на двух подшипниках из стали и керамики, не требующих замены в течение всего срока эксплуатации узла. Для ликвидации возможного проникновения паров воды внутрь корпуса и постепенного разрушения подшипников инженеры Ricardo применяют адсорбирующий элемент с большой удельной емкостью, который поглощает все жидкости и газы, кроме водорода.
По словам эксперта компании Ricardo Энди Аткинса, KERS на основе технологии Kinergy выдерживает не менее 10 млн циклов разряда, обладает удельной мощностью в 3 кВт на килограмм веса, а ее удельная энергоемкость равна 32,5 кДж на килограмм. Стоимость гибридной системы Kinergy для легкового автомобиля среднего класса составит не более $1300. Kinergy может применяться также в качестве идеальной трансмиссии для автомобилей — в сравнении с популярной ныне преселективной механикой маховик с магнитной муфтой на 20% экономичнее.
Маховик, сэр! Эффективность и дешевизна Kinergy понравились автокомпаниям. В настоящее время уже начались испытания этой системы на прототипе Jaguar XJ следующего поколения и на знаменитых лондонских даблдеккерах. По словам Криса Боркбэнка, технолога компании Torotrak, стратегического партнера Ricardo, расход топлива двухэтажных автобусов снижается при этом почти на 30%. Потеря энергии на маховике в данном случае не является критическим фактором — средняя продолжительность остановки автобуса в Лондоне не превышает 55 с.
Как считает Энди Аткинс, диапазон применения Kinergy огромен — любые нагруженные механические системы, работающие в условиях знакопеременных потоков мощности, будут на 20-30% более эффективны с новыми маховиками, чем без них. Локомотивы, трамваи, экскаваторы, горнодобывающая техника, краны, электростанции и многое другое — для Kinergy везде найдется достойное применение. Гоночные автомобили F1 — не исключение. Как знать — может быть, вскоре на штурвалах стремительных болидов вновь появится Большая Красная Кнопка?
Опасность разрушения маховиков принято считать одним из проблемных факторов механических KERS. Но, по мнению его создателя Джона Хилтона, это не более чем миф. Еще в 2007 году компания Flybrid провела серию успешных тестов в знаменитом краш-центре F1 Кранфилд. Инженеры Центра смоделировали реальную аварийную ситуацию на трассе. Маховик был раскручен на стенде до предельной скорости 64 500 оборотов в минуту внутри макета гоночного болида, который затем разбили о неподвижное препятствие. Замедление составило более 20 g. Осмотр узла показал, что вакуумный корпус и сам маховик после удара абсолютно не пострадали. Более того, маховик продолжал вращение на скорости более 60 000 оборотов!
Механическая KERS по эффективности вдвое превосходит традиционную электромеханическую — она усваивает до 70% энергии торможения против 35%.
В серийных гибридах кинетическая энергия превращается в электрическую, а затем — обратно. Маховику же не требуется конвертировать полученные джоули. С другой стороны, при необходимости маховик можно подключить к стартер-генератору. Такой вариант KERS мощностью 60 кВт и массой 27 кг был создан Хилтоном и Кроссом в кооперации с итальянской Magneti-Marelli. Излишки энергии запасаются в литий-ионной батарее. Естественно, при этом существенно падает КПД, зато время хранения не ограничивается затуханием вращения маховика.
В стальную поверхность деталей интегрирован магнитный неодимовый порошок и более крупные упорядоченные постоянные магниты, скрепленные прочнейшей эпоксидной смолой. Вращение маховика вызывает разнонаправленное вращение внешнего ротора муфты, соединенного с тороидальным вариатором Torotrak с передаточным числом от 10:1 до 1:1. Для достижения максимальной эффективности бесконтактного зацепления стенку корпуса маховика пришлось сделать чрезвычайно тонкой — зазор между двумя вращающимися элементами муфты составляет всего 2 мм. По заявлению разработчиков, КПД магнитной передачи необычайно высок — 99,9%.
Британцы создали автобус с маховичным накопителем
Моделирование показало, что с новой системой автобус должен экономить более 10% топлива, а выбросы углекислого газа должны быть ниже примерно на 20%. Как всё сложится на практике, можно будет узнать только после тестов, к которым партнёры по проекту ныне и приступили.
Инжиниринговая компания Ricardo и разработчик тороидальной бесступенчатой трансмиссии — компания Torotrak (обе с Туманного Альбиона), американский специалист по автоматическим коробкам передач Allison Transmission и британский производитель автобусов Optare построили гибридный автомобиль необычного типа. В то время как большинство компаний экспериментирует с гибридами, оснащёнными электромоторами и аккумуляторами, система рекуперации энергии в системе, названной Flybus, чисто механическая.
При торможении кинетическая энергия автобуса передаётся через тороидальный вариатор и магнитную муфту на маховик из углеродного композита, помещённый в вакуумированный корпус (для снижения потерь).
По мере замедления автобуса маховик раскручивается до 60 тысяч оборотов в минуту. При разгоне всё происходит в обратном порядке — маховик отдаёт свою энергию машине.
Маховик, его корпус и встроенная магнитная муфта (фото Ricardo)
Вариатор Torotrak, сравнительно компактный и лёгкий, но при этом способный передавать в ту или иную сторону до 60 кВт мощности, а также маховичный накопитель Kinergy от Ricardo явились ключом ко всему проекту, занявшему несколько лет. Теперь система собрана и установлена на автобус Optare Solo Midibus.
Система Flybus под полом автобуса. Бесступенчатый вариатор с маховиком — в центре кадра (фото Ricardo)
"Flybus является следующим этапом в эволюции гибридных автобусов и технических решений, которые помогают снизить расход топлива и выбросы CO2, пишет PhysOrg.com. – При этом основной проблемой стандартных гибридов является цена".
Именно из-за цены всё и затевалось. Ricardo заявляет, что система Flybus должна стоить лишь малую долю от электрической гибридной системы для автобусов.
Маховики разгоняют вагоны на зелёных линиях
Гибридный привод на транспорте продолжает наступление. Даже на железной дороге он завоёвывает, пока ещё, узкие ниши. Но, как показывают последние события, перспективы у поездов-гибридов — замечательные. Особенно если эти гибриды сделаны на удивление дешёвыми и простыми.
Министерство транспорта Великобритании (Department for Transport) предоставило компании Govia франшизу на эксплуатацию ряда пассажирских железнодорожных линий в Западном Мидленде.
Это заурядное событие из мира бизнеса нас не заинтересовало бы, если б не одно обстоятельство: на одну из небольших своих линий компания Govia намерена вывести пассажирские поезда, работающие на маховиках.
Созданная в 1992 году фирма сосредоточила своё внимание на поездах с гибридным приводом. Но поскольку не то что передовые литий-ионные или никель-кадмиевые, но даже и простые свинцово-кислотные батареи, в количестве, достаточном для самоходного вагона (по запасу энергии и отдаваемой пиковой мощности), — стоят очень дорого, британские инженеры решили применить для накопления энергии маховики.
Причём не стали ломать себе голову супермаховиками со сверхпрочными углеволоконными дисками, намотанными из нитей или лент. Тоже, заметим, — удовольствие не дешёвое.
Нет, специалисты Parry People Movers, не мудрствуя лукаво, затолкали под пол своих вагонов 500-килограммовые стальные «блины» диаметром 1 метр. И позволили им раскручиваться до 2,6 тысячи оборотов в минуту.
И знаете, получилось эффективно. К настоящему моменту компания построила 12 таких маховичных аппаратов (разные образцы имеют вместимость от 2 до 80 человек). Эти мотовагоны даже выходили (в виде опытов) на небольшие местные линии в разных частях Британии и успешно перевозили пассажиров.
Тысячи часов и 100 тысяч суммарно перевезённых человек показали 99-процентную надёжность (под которой подразумевается не только отсутствие поломок, но и опозданий). А экология?
К примеру, на испытаниях, прошедших с декабря 2005-го по декабрь 2006-го, было подсчитано, что эмиссия углекислого газа у маховичных мини-поездов на 80% меньше, чем у обычных дизельных мотовагонов, которые возят пассажиров на тех же самых линиях с теми же скоростями (соответственно улучшилась и экономичность).
Теперь Govia выведет пару таких вагонов на одну из линий, где поезда-гибриды будут возить пассажиров как минимум до 2015-го (на такой срок компании выдана франшиза на пассажирские перевозки в данном районе «от имени» министерства транспорта).
Потому следует поближе познакомиться с конструкцией экзотических вагонов. Прежде всего, следует сказать, что обычный ДВС в них тоже имеется. Это серийные двигатели от легковушек или небольших грузовиков.
В той модели, что вскоре выйдет на рельсы в Западном Мидленде (а она называется PPM 60, соответственно, рассчитана на 60 пассажиров максимум — 25 сидят, остальные — стоят), использован экономичный 2-литровый дизель. Но предусмотрены варианты: можно заказать модель с ДВС, работающим на пропане.
ДВС раскручивает маховик через ременную трансмиссию со сцеплением. Маховик же связан с ведущей осью трансмиссией гидростатической.
Зачем такие сложности? Дело в том, что так было проще организовать рекуперативное торможение, когда маховик разгоняется от колёс, через ту же «гидростатику». А именно за счёт рекуперации такой вагон оказывается намного экономичнее обычного. Ведь у поезда на короткой линии очень рваный режим работы — то разгон, то остановка.
Интересно, что поезд может останавливаться исключительно за счёт рекуперации — разгона маховика, при этом развивается замедление в 1 м/с2. Обычные тормоза также могут быть задействованы, если потребуется аварийная остановка. Максимальная скорость PPM 60, кстати, составляет 65 километров в час.
Но это не всё. В разных моделях компании применены разные маховики. 500-килограммовый — это базовый. Но можно поставить маховик побольше — 750 килограммов и 1,2 метра в диаметре. Зачем он нужен?
Тут начинается самое интересное. Помимо привода от ДВС, к маховику-накопителю подключён 20-киловаттный электромотор.
Если станции линии оборудованы специальными розетками — запускать ДВС машинистам PPM и вовсе не придётся.
Всего за 30 секунд стоянки у очередной платформы электромотор раскручивает маховик настолько, что одного этого запаса энергии хватает для пробега вагона в 800 метров — как раз до следующей станции, где PPM снова включается в розетку.
В этом случае эксплуатация линии, над которой не протянуты провода, становится схожей с эксплуатацией линии электрифицированной. Даже лучше. Поскольку расход энергии — небольшой, а в случае аварии в сети есть возможность перейти на солярку или сжиженный газ. Или можно как-то комбинировать использование ДВС и электричества из розетки, оптимизируя свои расходы.
Британская компания пишет, что на одном галлоне топлива (имперском, очевидно — это примерно 4,5 литра) простой дизельный мотор-вагон, везущий 50 человек, проедет 3,2 километра, обычный междугородний автобус — 11,3 километра, а поезд PPM 50 — 24,1 километра (без подзарядок от сети). Выбор очевиден.
Единственное, что может огорчить изобретателей PPM, — эту симпатичную технологию трудно адаптировать к большим поездам, работающим на длинных линиях. Ведь в этом случае придётся под полом каждого вагона монтировать эдак по пять, а то и по семь 750-килограммовых маховиков и все их соединять гидравлической трансмиссией с ведущими осями.
Впрочем, небольшие вагоны PPM показали, что технология эта прекрасно работает. И кто знает, не попробуют ли когда-нибудь инженеры замахнуться на маховичный скорый?
Гиробус. Электробус из прошлого. 1950-1960 - видео
Эксплуатация в Швейцарии. Полноценная коммерческая эксплуатация гиробуса началась в октябре 1953 года. Этот маршрут соединял швейцарские коммуны Ивердон-ле-Бан и Грандсон. Однако он имел ограниченный пассажиропоток, и в 1960 году движение гиробусов там было закрыто по экономическим причинам (хотя с технической точки зрения опыт применения гиробусов на этом маршруте был успешным). Ни один из использовавшихся на швейцарском маршруте гиробусов не сохранился, как не сохранился и опытный, демонстрационный экземпляр. Эксплуатация в Бельгийском Конго. Вторая гиробусная система была открыта в Леопольдвиле (ныне Киншаса, тогда столица колонии Бельгийское Конго, ныне — Демократическая Республика Конго). В Конго в 1955—1956 годах использовалось двенадцать гиробусов (хотя некоторые источники ошибочно сообщают, что гиробусов было семнадцать), которые обслуживали четыре маршрута. Заправочные станции располагались через каждые два километра. Использовавшиеся в Киншасе гиробусы были самыми большими гиробусами из когда-либо существовавших: они имели 10,4 метров в длину, весили 10,9 тонн и вмещали до 90 пассажиров. Их максимальная скорость составляла 90 километров в час. Однако гиробусы в Конго быстро изнашивались. Вполне вероятно, что это было связано с привычкой водителей «сокращать» маршрут по дорогам без покрытия, которые превращались в настоящие болота после дождя. Другими проблемами были поломки подшипников маховика и высокая влажность, которая приводила к перегрузке мотора. Однако закрытие системы было вызвано высоким потреблением энергии. Фирма-эксплуататор сочла, что расход энергии слишком высок (он составлял 3,4 кВт/ч на километр для одного гиробуса). Движение гиробусов в Конго прекратилось летом 1959 года. Ставшие ненужными гиробусы были брошены ржаветь рядом с гаражом.
Эксплуатация в Бельгии. Третья и последняя гиробусная транспортная система имелась в Бельгии. Она состояла из одного маршрута (Gent Zuid-Merelbeke Molenhoek) и соединяла город Гент с его предместьем Мерелбеке. Эксплуатировало эту линию Национальное Общество Местных Железных Дорог (оно занималось эксплуатацией междугородных трамваев и автобусов). Подвижной состав состоял из трёх гиробусов, получивших обозначения G1, G2, G3. Для питания гиробусов использовалось напряжение в 380 вольт/50 герц. Гиробусное движение открылось 10 сентября 1956 года, однако просуществовало оно недолго, до 24 ноября 1959 года. Имелось несколько причин прекращения использования гиробуса в Бельгии. Прежде всего он отличался высоким потреблением энергии — 2,9 кВт·ч/км, в то время как трамвай, перевозящий большее (в несколько раз) число пассажиров расходовал 2—2,4 кВт·ч энергии на километр пути. Кроме того, гиробусы были признаны ненадёжными, к тому же на «заправку» уходило непозволительно много времени. Ко всему прочему, из-за большого веса (из-за тяжёлого маховика) гиробус повреждал дороги. Один из гентских гиробусов, G3, был сохранён. Его иногда демонстрируют на различных выставках и других подобных мероприятиях. Сейчас этот гиробус хранится во Фламандском музее трамваев и автобусов в Антверпене.
Почему этой темой решили заниматься в свое время? Все дело в существенных преимуществах такой конструкции. Во первых она практически бесшумна, во вторых намного экономичнее обычного двигателя внутреннего сгорания, в третьих этот вид транспорта экологически чистый, а в четвертых позволяет обойтись без контактной сети и рельсов как например на троллейбусах и трамваях. Электромотор, разгонявший маховик, получал энергию через три короткие штанги (мотор был трёхфазным), установленные на крыше гиробуса. Электродвигатель включался только эпизодически. Для этого вдоль маршрута следования гиробуса оборудовались «заправочные пункты» (обычно на некоторых остановках). На этих пунктах штанги гиробуса поднимались и прикасались к установленным над остановкой контактам трёхфазной электрической сети. После разгона маховика до нужных оборотов штанги опускались, двигатель выключался, и гиробус следовал до следующей «заправки».
Запас хода на одной заправке примерно 6 км, но для обеспечивания надежности системы гиробус заправлялся каждые 2км пути. С такой установкой гиробус разгонялся до 50-60км/час. Тормоза здесь тоже были электрические, энергия от торможения позволяла маховику покрутиться еще дольше т.е. имело место рекуперация. «Заправка» гиробуса занимала от 30 секунд до 3 минут. Для уменьшения времени заправки напряжение в сети было поднято с первоначальных 380 вольт до 500. Самое удивительное в том что в среднего размера гиробусе применяется трехтонный маховик линейная скорость обода которого достигает 900 км/час.
Преимущества: • Бесшумный ход • Экологически чистый • Не требует непрерывной контактной сети (в отличие от троллейбуса) • Возможность гибко изменять маршрутную сеть в случае необходимости. Недостатки: • Большой вес — гиробус, предназначенный для перевозки 20 человек на 20 километров, должен иметь маховик массой в 3 тонны • Вращающийся со скоростью в 3000 оборотов в минуту маховик требует особых мер безопасности (линейная скорость обода маховика достигает 900 километров в час) • Управлять гиробусом сложно, так как его маховик обладает свойствами гироскопа (стремится сохранять неизменное положение в пространстве).
Век гиробусов оказался недолгим — в 60-ых годах все системы гиробусного транспорта были закрыты.
Гиробус G3 — единственный в мире сохранившийся гиробус. Хранится во Фламандском музее трамваев и автобусов в Антверпене.Несмотря на неудачи, развитие гиробуса не прекратилось полностью. В 1979 году компания «Дженерал Электрик» (США) заключила с департаментом энергии правительства США четырёхлетний контракт (стоимостью в пять миллионов долларов) на развитие прототипа автобуса с маховиком. В 1980 году компания «Вольво» проводила эксперименты с маховиком, разгоняемым дизельным двигателем и используемым для рекуперации тормозной энергии. Впоследствии от этого проекта отказались в пользу гидравлических аккумуляторов. В 2005 году Center for Transportation and the Environment (центр транспорта и окружающей среды), работая совместно с Университетом Техаса в Остине, Центром электромеханики (Center for Electromechanics), Test Devices, Inc., и DRS начал поиски спонсора для финансирования разработки прототипа нового гиробуса. Сейчас в гибридном общественно транспорте, да и не только в общественном а и в болидах формулы 1 для рекуперации энергии торможения используется супер маховики которые имеют относительно небольшой вес и разгоняются до очень больших скоростей. Сам маховик как аккумулятор энергии имеет очень высокий КПД, вот если бы не трение воздуха и трение в подшипниках так вообще было бы кпд 99.99% так как известно из школьного курса физики ничего не может иметь КПД больше 100%. Кстати, по соотношению накопленных ватт легко переигрывает все типы существующие на сегодняшний день аккумуляторов. Интересный факт, энергия, запасаемая в его маховиках на единицу массы, превышает энергию тротила. А вот применение маховика в "Формуле-1". В 2007 году Джон Хилтон и Даг Кросс, основатели Flybrid, заявили о создании уникального компактного маховика массой около 5 кг, способного вращаться со скоростью до 64 000 об/мин. Стальная болванка, в разрезе похожая на двояковогнутую линзу, одетая в прочнейшую рубашку из карбона, была помещена ими в вакуумный корпус. Вал маховика установлен на специальных керамических подшипниках. Коренной компонент маховика Flybrid — патентованная система вращающихся центробежных уплотнений, обеспечивающих герметичность узла. Зачем тут вакуум? Элементарно: трение воздуха, кажущееся нам неощутимым, на таких скоростях приводит к нагреванию и постепенному разрушению маховика. Постепенное торможение болванки происходит в основном из-за трения в опорных подшипниках и системе прокладок. Раскрученный маховик за минуту теряет лишь 2% сохраненной энергии. Полная разрядка этой механической батареи наступает примерно через полчаса.
«Наш маховик как минимум втрое быстрее любого аналога, когда-либо установленного в автомобилях, — скорость вращения его внешней кромки достигает 660 м/с, что в два раза превосходит скорость звука в воздухе при нормальных условиях, — говорит Джон Хилтон. — Это позволило сделать его в девять раз меньше и легче. По габаритам он сопоставим с обычными дополнительными агрегатами, находящимися под капотом легковушек. Это полноценная гибридная система размером со штатный аккумулятор». Конечно, вряд ли на рулевом колесе легкового автомобиля появится красная кнопка Boost — система будет работать в автоматическом режиме. Традиционные гибриды не способны обеспечить высокую динамику из-за ограниченной производительности батарей, а в маховиковых системах накопленная энергия может быть использована почти мгновенно. При этом владелец получает еще и 30%-ную экономию топлива за счет возросшего КПД. Кроме того, механическая KERS впятеро дешевле электромеханической, надежна при любых температурах и выдерживает миллионы циклов разряда. Литий-ионная батарея используется лишь на 80% номинальной емкости — компьютер не допускает разряда более 80%, так как при полном разряде батарея выходит из строя. Маховик же можно разряжать до нуля. Безопасность маховика многократно проверена в серии краш-тестов — карбоновая рубашка не дает кускам стали разорвать корпус даже на самых высоких оборотах.
Вакуум взаперти. Слабое звено KERS Хилтона и Кросса — патентованные центробежные прокладки вала маховика. На предельных скоростях вращения в них возникает микроскопический зазор, и для откачки воздуха требуется дополнительный вакуумный насос с блоком контроля и управления. Инженеры Ricardo радикально пересмотрели конструкцию Flybrid и создали полностью герметичный модуль с поистине уникальной технологией передачи потока мощности под названием Kinergy. Базовый элемент Kinergy — бесконтактная магнитная муфта. Для Kinergy не требуется вакуумный насос и сложнейший в изготовлении комплекс прокладок вала. Энергия вращения колес поступает на маховик, а затем обратно на трансмиссию благодаря магнитной индукции, а не зубчатому или ременному зацеплению. Причем магниты здесь — постоянные. Намагниченный маховик стоит на двух подшипниках из стали и керамики, не требующих замены в течение всего срока эксплуатации узла. Для ликвидации возможного проникновения паров воды внутрь корпуса и постепенного разрушения подшипников инженеры Ricardo применяют адсорбирующий элемент с большой удельной емкостью, который поглощает все жидкости и газы, кроме водорода. По словам эксперта компании Ricardo Энди Аткинса, KERS на основе технологии Kinergy выдерживает не менее 10 млн циклов разряда, обладает удельной мощностью в 3 кВт на килограмм веса, а ее удельная энергоемкость равна 32,5 кДж на килограмм. Стоимость гибридной системы Kinergy для легкового автомобиля среднего класса составит не более $1300. Kinergy может применяться также в качестве идеальной трансмиссии для автомобилей — в сравнении с популярной ныне преселективной механикой маховик с магнитной муфтой на 20% экономичнее. Маховик, сэр! Эффективность и дешевизна Kinergy понравились автокомпаниям. В настоящее время уже начались испытания этой системы на прототипе Jaguar XJ следующего поколения и на знаменитых лондонских даблдеккерах. По словам Криса Боркбэнка, технолога компании Torotrak, стратегического партнера Ricardo, расход топлива двухэтажных автобусов снижается при этом почти на 30%. Потеря энергии на маховике в данном случае не является критическим фактором — средняя продолжительность остановки автобуса в Лондоне не превышает 55 с. Как считает Энди Аткинс, диапазон применения Kinergy огромен — любые нагруженные механические системы, работающие в условиях знакопеременных потоков мощности, будут на 20-30% более эффективны с новыми маховиками, чем без них. Локомотивы, трамваи, экскаваторы, горнодобывающая техника, краны, электростанции и многое другое — для Kinergy везде найдется достойное применение. Гоночные автомобили F1 — не исключение. Как знать — может быть, вскоре на штурвалах стремительных болидов вновь появится Большая Красная Кнопка? Опасность разрушения маховиков принято считать одним из проблемных факторов механических KERS. Но, по мнению его создателя Джона Хилтона, это не более чем миф. Еще в 2007 году компания Flybrid провела серию успешных тестов в знаменитом краш-центре F1 Кранфилд. Инженеры Центра смоделировали реальную аварийную ситуацию на трассе. Маховик был раскручен на стенде до предельной скорости 64 500 оборотов в минуту внутри макета гоночного болида, который затем разбили о неподвижное препятствие. Замедление составило более 20 g. Осмотр узла показал, что вакуумный корпус и сам маховик после удара абсолютно не пострадали. Более того, маховик продолжал вращение на скорости более 60 000 оборотов!
Механическая KERS по эффективности вдвое превосходит традиционную электромеханическую — она усваивает до 70% энергии торможения против 35%. В серийных гибридах кинетическая энергия превращается в электрическую, а затем — обратно. Маховику же не требуется конвертировать полученные джоули. С другой стороны, при необходимости маховик можно подключить к стартер-генератору. Такой вариант KERS мощностью 60 кВт и массой 27 кг был создан Хилтоном и Кроссом в кооперации с итальянской Magneti-Marelli. Излишки энергии запасаются в литий-ионной батарее. Естественно, при этом существенно падает КПД, зато время хранения не ограничивается затуханием вращения маховика. В стальную поверхность деталей интегрирован магнитный неодимовый порошок и более крупные упорядоченные постоянные магниты, скрепленные прочнейшей эпоксидной смолой. Вращение маховика вызывает разнонаправленное вращение внешнего ротора муфты, соединенного с тороидальным вариатором Torotrak с передаточным числом от 10:1 до 1:1. Для достижения максимальной эффективности бесконтактного зацепления стенку корпуса маховика пришлось сделать чрезвычайно тонкой — зазор между двумя вращающимися элементами муфты составляет всего 2 мм. По заявлению разработчиков, КПД магнитной передачи необычайно высок — 99,9%.
И знаете, получилось эффективно. К настоящему моменту компания построила 12 таких маховичных аппаратов (разные образцы имеют вместимость от 2 до 80 человек). Эти мотовагоны даже выходили (в виде опытов) на небольшие местные линии в разных частях Британии и успешно перевозили пассажиров. Тысячи часов и 100 тысяч суммарно перевезённых человек показали 99-процентную надёжность (под которой подразумевается не только отсутствие поломок, но и опозданий). А экология? К примеру, на испытаниях, прошедших с декабря 2005-го по декабрь 2006-го, было подсчитано, что эмиссия углекислого газа у маховичных мини-поездов на 80% меньше, чем у обычных дизельных мотовагонов, которые возят пассажиров на тех же самых линиях с теми же скоростями (соответственно улучшилась и экономичность).
Теперь Govia выведет пару таких вагонов на одну из линий, где поезда-гибриды будут возить пассажиров как минимум до 2015-го (на такой срок компании выдана франшиза на пассажирские перевозки в данном районе «от имени» министерства транспорта). Потому следует поближе познакомиться с конструкцией экзотических вагонов. Прежде всего, следует сказать, что обычный ДВС в них тоже имеется. Это серийные двигатели от легковушек или небольших грузовиков. В той модели, что вскоре выйдет на рельсы в Западном Мидленде (а она называется PPM 60, соответственно, рассчитана на 60 пассажиров максимум — 25 сидят, остальные — стоят), использован экономичный 2-литровый дизель. Но предусмотрены варианты: можно заказать модель с ДВС, работающим на пропане. ДВС раскручивает маховик через ременную трансмиссию со сцеплением. Маховик же связан с ведущей осью трансмиссией гидростатической. Зачем такие сложности? Дело в том, что так было проще организовать рекуперативное торможение, когда маховик разгоняется от колёс, через ту же «гидростатику». А именно за счёт рекуперации такой вагон оказывается намного экономичнее обычного. Ведь у поезда на короткой линии очень рваный режим работы — то разгон, то остановка. Интересно, что поезд может останавливаться исключительно за счёт рекуперации — разгона маховика, при этом развивается замедление в 1 м/с2. Обычные тормоза также могут быть задействованы, если потребуется аварийная остановка. Максимальная скорость PPM 60, кстати, составляет 65 километров в час. Но это не всё. В разных моделях компании применены разные маховики. 500-килограммовый — это базовый. Но можно поставить маховик побольше — 750 килограммов и 1,2 метра в диаметре. Зачем он нужен? Тут начинается самое интересное. Помимо привода от ДВС, к маховику-накопителю подключён 20-киловаттный электромотор. Если станции линии оборудованы специальными розетками — запускать ДВС машинистам PPM и вовсе не придётся. Всего за 30 секунд стоянки у очередной платформы электромотор раскручивает маховик настолько, что одного этого запаса энергии хватает для пробега вагона в 800 метров — как раз до следующей станции, где PPM снова включается в розетку. В этом случае эксплуатация линии, над которой не протянуты провода, становится схожей с эксплуатацией линии электрифицированной. Даже лучше. Поскольку расход энергии — небольшой, а в случае аварии в сети есть возможность перейти на солярку или сжиженный газ. Или можно как-то комбинировать использование ДВС и электричества из розетки, оптимизируя свои расходы.
Британская компания пишет, что на одном галлоне топлива (имперском, очевидно — это примерно 4,5 литра) простой дизельный мотор-вагон, везущий 50 человек, проедет 3,2 километра, обычный междугородний автобус — 11,3 километра, а поезд PPM 50 — 24,1 километра (без подзарядок от сети). Выбор очевиден. Единственное, что может огорчить изобретателей PPM, — эту симпатичную технологию трудно адаптировать к большим поездам, работающим на длинных линиях. Ведь в этом случае придётся под полом каждого вагона монтировать эдак по пять, а то и по семь 750-килограммовых маховиков и все их соединять гидравлической трансмиссией с ведущими осями. Впрочем, небольшие вагоны PPM показали, что технология эта прекрасно работает. И кто знает, не попробуют ли когда-нибудь инженеры замахнуться на маховичный скорый?
