RU2661413C2 - System of aerodynamic braking and kinetic energy recovery at high-speed railway transport - Google Patents

System of aerodynamic braking and kinetic energy recovery at high-speed railway transport Download PDF

Info

Publication number
RU2661413C2
RU2661413C2 RU2016117861A RU2016117861A RU2661413C2 RU 2661413 C2 RU2661413 C2 RU 2661413C2 RU 2016117861 A RU2016117861 A RU 2016117861A RU 2016117861 A RU2016117861 A RU 2016117861A RU 2661413 C2 RU2661413 C2 RU 2661413C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
braking
car
inputs
electric
energy
Prior art date
Application number
RU2016117861A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016117861A (en
Inventor
Петр Тихонович Харитонов
Амангельды Джумагалиевич Омаров
Сулеймен Казиманович Султангазинов
Original Assignee
Петр Тихонович Харитонов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Петр Тихонович Харитонов filed Critical Петр Тихонович Харитонов
Priority to RU2016117861A priority Critical patent/RU2661413C2/en
Publication of RU2016117861A publication Critical patent/RU2016117861A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2661413C2 publication Critical patent/RU2661413C2/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61H—BRAKES OR OTHER RETARDING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR RAIL VEHICLES; ARRANGEMENT OR DISPOSITION THEREOF IN RAIL VEHICLES
    • B61H11/00—Applications or arrangements of braking or retarding apparatus not otherwise provided for; Combinations of apparatus of different kinds or types
    • B61H11/06—Applications or arrangements of braking or retarding apparatus not otherwise provided for; Combinations of apparatus of different kinds or types of hydrostatic, hydrodynamic, or aerodynamic brakes
    • B61H11/10—Aerodynamic brakes with control flaps, e.g. spoilers, attached to the vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L8/00—Electric propulsion with power supply from forces of nature, e.g. sun or wind
    • B60L8/006—Converting flow of air into electric energy, e.g. by using wind turbines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T1/00—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles
    • B60T1/12—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles acting otherwise than by retarding wheels, e.g. jet action
    • B60T1/16—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles acting otherwise than by retarding wheels, e.g. jet action by increasing air resistance, e.g. flaps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61H—BRAKES OR OTHER RETARDING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR RAIL VEHICLES; ARRANGEMENT OR DISPOSITION THEREOF IN RAIL VEHICLES
    • B61H9/00—Brakes characterised by or modified for their application to special railway systems or purposes
    • B61H9/06—Brakes characterised by or modified for their application to special railway systems or purposes for storing energy during braking action
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/30—Wind power
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

FIELD: machine building.SUBSTANCE: invention relates to aerodynamic brakes with controlled flaps. Braking system and the recovery of kinetic energy of railway cars and trains contains a driver's console, control units, traction electric drive, an output power register, energy storage unit, buffer drive power control and remotely controlled air intakes with wind turbines and electric generators. At the same time, wind turbines are kinetically connected to electric generators, the electrical outputs of which are connected to the inputs of the register of the output power of electric generators. Terminals of the accumulator battery are connected to the output of the register via the automatic charging module, which are connected through the buffer power controller to the inputs of the traction electric drive, and the outputs of the control unit on the communication line are connected to the air intake inlets.EFFECT: technical result is ensured effective aerodynamic braking.1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к способам торможения и рекуперации энергии железнодорожных вагонов и составов. Известен способ торможения железнодорожных вагонов и составов путем увеличения сил трения колесных пар вагонов к тормозным колодкам, колесным парам и рельсам. Например, в известном патенте RU №2384443, МПК B61H 11/02, способ торможения заключается в последовательной подаче команды на управление исполнительными органами вагонов состава для экстренного торможения, опускании на рельсы тормозных башмаков, последовательном отцеплении сцепных устройств от рам вагонов, регулировании усилия демпфирования дроссельным устройством вагонов вплоть до полной остановки состава. После устранения причины, вызвавшей экстренную остановку состава, по команде машиниста локомотива сдают состав назад, сцепляя вагоны состава, и отправляют состав по заданному маршруту. Устройство содержит двухрельсовые тормозные башмаки, двухсторонние регулируемые демпфирующие устройства, сцепные устройства и устройства для задания алгоритма экстренного торможения состава (блоки управления), имеющие самоскручивающиеся бобины с навитыми на них кабель-тросами, на концах которых имеются межвагонные контактные элементы, ниппельные устройства для создания непрерывной пневмомагистрали от локомотива до последнего вагона состава. Самоскручивающиеся бобины установлены на подвижных платформах, подпружиненных возвратными пружинами и имеющих копиры для подачи команд на последовательное торможение вагонов состава, начиная с предпоследнего вагона и далее к голове состава вплоть до его полной остановки.The invention relates to methods for braking and recovering energy of railway cars and trains. A known method of braking railway cars and trains by increasing the friction forces of the wheelsets of cars to brake pads, wheelsets and rails. For example, in the well-known patent RU No. 2384443, IPC B61H 11/02, the braking method consists in sequentially issuing a command to control the executive bodies of the cars for emergency braking, lowering the brake shoes on the rails, sequentially disengaging the coupling devices from the car frames, adjusting the throttle damping force the arrangement of wagons up to a complete stop of the train. After eliminating the cause of the emergency stop of the train, at the command of the locomotive driver, the train is handed back, coupling the train cars, and the train is sent along the specified route. The device contains double-rail brake shoes, double-sided adjustable damping devices, couplers and devices for defining an emergency braking algorithm (control units) having self-twisting reels with cable ropes wound around them, at the ends of which there are intercar contacts, nipple devices for creating a continuous pneumatic lines from the locomotive to the last train car. Self-rolling bobbins are mounted on mobile platforms, spring-loaded with return springs and having copiers for issuing commands for sequential braking of train cars, starting from the penultimate car and further to the train head until it stops completely.

Известный способ содержит реализуемый в каждом вагоне блоком управления алгоритм взаимо связанных воздействий на исполнительные устройства системы торможения вагонов для обеспечения экстренного торможения. Недостатками известного способа является:The known method comprises an algorithm for interconnected actions on the actuators of the braking system of the cars implemented in each car by the control unit to provide emergency braking. The disadvantages of this method is:

- сложная, материалоемкая и недостаточно надежная система экстренного торможения с рядом устройств и механических связей;- a complex, material-intensive and insufficiently reliable emergency braking system with a number of devices and mechanical connections;

- интенсивный износ рельсов, колесных пар, тормозных башмаков и колодок при торможении вагонов и составов;- intensive wear of rails, wheelsets, brake shoes and pads when braking cars and trains;

- вероятность аварий при экстренном торможении высокоскоростных вагонов и составов в случае нарушения алгоритма взаимо связанных воздействий на исполнительные узлы системы;- the probability of accidents during emergency braking of high-speed cars and trains in the event of a violation of the algorithm of interrelated effects on the executive nodes of the system;

- бесполезные затраты кинетической энергии и топлива тяговых секций на штатное и экстренное торможение составов.- useless costs of kinetic energy and fuel of the traction sections for regular and emergency braking of the trains.

Известен также способ рекуперации электрической энергии на рельсовом транспорте в накопительную установку вагона по патенту RU №2379201, МПК B60L 7/10. Способ содержит операции накопления энергии торможения тягового электропривода и использование накопленной электрической энергии для обеспечения ускорения рельсового транспорта. В прототипе используются тяговые электродвигатели, заряжающие в режиме торможения емкостной накопитель, установленный на вагоне, через последовательно включенные повышающий и понижающий импульсные источники напряжения постоянного тока, при этом в качестве промежуточных накопителей энергии используются штатные индуктивные шунты силового оборудования вагона. В процессе торможения вагона система управления накопителя обеспечивает заданную динамику замедления. Пуск и разгон вагона от накопителя и последующее подключение силовой схемы вагона к контактной сети для сохранения динамики разгона происходят по команде системы управления. Технический результат заключается в повышении эффективности эксплуатации вагона за счет использования кинетической энергии при торможении вагона для его последующего разгона, а также за счет исключения из работы тормозного резистора и улучшении микроклимата метрополитена.There is also known a method of recovering electric energy by rail in the storage unit of the car according to patent RU No. 2379201, IPC B60L 7/10. The method comprises the operation of storing braking energy of the traction electric drive and using the accumulated electric energy to accelerate rail transport. The prototype uses traction electric motors that charge a capacitive storage device mounted on the car in braking mode, through a series of connected up and down pulsed DC voltage sources, while standard inductive shunts of the car’s power equipment are used as intermediate energy storage devices. During car braking, the drive control system provides the specified deceleration dynamics. Start and acceleration of the car from the drive and the subsequent connection of the power circuit of the car to the contact network to maintain the dynamics of acceleration occur at the command of the control system. The technical result is to increase the efficiency of operation of the car due to the use of kinetic energy when braking the car for its subsequent acceleration, as well as by eliminating the braking resistor from the work and improving the microclimate of the subway.

Применение известного способа рекуперации кинетической энергии при торможении на железнодорожном транспорте ограничено передачей тормозного воздействия на рельсы от тягового электропривода. Как следствие, применение известного способа рекуперации влечет за собой интенсивный износ железнодорожных рельсов и колесных пар.The application of the known method for the recovery of kinetic energy during braking in railway transport is limited to the transmission of the braking effect on the rails from the traction electric drive. As a result, the application of the known recovery method entails the intensive wear of railway rails and wheelsets.

Известен также СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОРМОЖЕНИЯ САМОЛЕТА НА ПРОБЕГЕ И ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЗЛЕТЕ И ПОСАДКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ по патенту RU №2484279, МПК F02K 1/60. Используется ориентация набегающего воздушного потока на увеличение сил аэродинамического торможения самолета. Однако этот способ не обеспечивает рекуперации энергии торможения и ее накопление в емкостных накопителях для ее последующего ее использования на движение подвижного состава.There is also known a METHOD of INCREASING EFFICIENCY OF BRAKING THE AIRPLANE ON THE COUNTRY AND INCREASING SAFETY AT TAKEOFF AND LANDING, AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION according to patent RU No. 2484279, IPC F02K 1/60. The orientation of the oncoming air flow to increase the aerodynamic drag forces of the aircraft is used. However, this method does not provide the recovery of braking energy and its accumulation in capacitive storage for its subsequent use on the movement of rolling stock.

Технической задачей изобретения является обеспечение эффективного аэродинамического торможения на высокоскоростном железнодорожном транспорте набегающими воздушными потоками за счет увеличения лобового сопротивления состава при торможении, а также обеспечение рекуперации кинетической энергии движущегося состава.An object of the invention is to provide effective aerodynamic braking on high-speed rail transport by incoming air flows by increasing the drag of the train during braking, as well as to recover the kinetic energy of the moving train.

Для достижения технического результата вагоны железнодорожных составов оснащают дистанционно управляемыми воздухозаборниками набегающего воздушного потока с ветродвижителями на выходе и кинематически связанными с ними электрическими генераторами, выходы которых в каждом вагоне подключены к входам вновь введенного сумматора электрической энергии, выход которого подключен через автоматическое зарядное устройство к входам емкостного накопителя, присоединенного через вновь введенный в систему буферный регулятор мощности к входам тяговых электродвигателей каждого вагона.To achieve a technical result, railroad cars are equipped with remotely controlled air flow inlets with wind turbines at the exit and kinematically connected electric generators, the outputs of which in each car are connected to the inputs of the newly introduced adder of electric energy, the output of which is connected through the automatic charger to the inputs of the capacitive a drive connected via a newly introduced buffer power regulator to the inputs Jagow motor of each carriage.

На фигуре 1 показана структура системы торможения и рекуперации кинетической энергии железнодорожных вагонов и составов. На фиг. 2 показано закрытое положение воздухозаборника воздушного потока в сборе на крыше вагона в режиме движения состава. Открытое положение воздухозаборника в сборе при торможении вагона представлено на фиг. 3. На фиг. 4 показано для наглядности размещение нескольких закрытых воздухозаборников на крыше вагона и на его левой вертикальной стене, а открытое положение воздухозаборников в сборе показано на правой вертикальной стене вагона. На фиг. 5 показана зависимость от скорости движения энергии торможения вагона с 27 воздухозаборниками.The figure 1 shows the structure of the system of braking and recovery of kinetic energy of railway cars and trains. In FIG. Figure 2 shows the closed position of the airflow intake assembly on the car roof in the train driving mode. The open position of the air intake assembly when braking the car is shown in FIG. 3. In FIG. 4, for illustration purposes, the placement of several closed air intakes on the roof of the car and on its left vertical wall is shown, and the open position of the air intakes is shown on the right vertical wall of the car. In FIG. Figure 5 shows the dependence on the speed of movement of the braking energy of a car with 27 air intakes.

Система фиг. 1 содержит дистанционно управляемые воздухозаборники 1a…1m воздушных потоков, направляющие воздушный поток на ветродвижители 2а…2m, кинематически соединенные с электрическими генераторами 3а…3m, электрические выходы которых подключены к входам 4а…4m, энергетического сумматора 5 выходной мощности электрогенераторов 3а…3m. К выходу энергетического сумматора 5 через автоматический зарядный модуль 6 подключены клеммы 7 и 8 батареи 9 электрических аккумуляторов. Клеммы 7 и 8 батареи 9 емкостных аккумуляторов подключены через буферный регулятор мощности 10 к входам 11 и 12 тягового электропривода 13 вагона. Алгоритм управления системой рекуперации и торможения вагона реализуется в блоке 14 управления, выходы которого по линии связи 15 транслируются управляющие воздействия на входы 16а…16m воздухозаборников 1а…1m. Управляющие команды на все вагоны состава передаются на блоки управления вагонов с пульта машиниста 17 по каналу беспроводной связи через антенны 18 и 19.The system of FIG. 1 contains remotely controlled air intakes 1a ... 1m of air flows directing the air flow to wind turbines 2a ... 2m kinematically connected to electric generators 3a ... 3m, the electrical outputs of which are connected to the inputs 4a ... 4m, of the energy adder 5 of the output power of the electric generators 3a ... 3m. The output of the energy adder 5 through the automatic charging module 6 is connected to terminals 7 and 8 of the battery 9 of the electric batteries. Terminals 7 and 8 of the battery 9 of capacitive batteries are connected through a power buffer 10 to the inputs 11 and 12 of the traction drive 13 of the car. The control algorithm of the recovery and braking system of the car is implemented in the control unit 14, the outputs of which are transmitted via the communication line 15 to the control actions on the inputs 16a ... 16m of the air intakes 1a ... 1m. Control commands for all the cars of the train are transmitted to the control units of the cars from the driver’s console 17 via a wireless channel through antennas 18 and 19.

На фиг. 2 показано положение воздухозаборника с ветродвижителем 26 в режиме движения состава. Верхняя крышка 20 воздухозаборника уложена на одном уровне с крышей 21 вагона прижата к крыше 20 магнитной защелкой 22. Крышка 20 соединена подвижно с крышей 21 вагона с помощью оси 23. Под выступом 24 крышки 20 размещен на оси 25 ветродвижитель 26 с лопастями 27. Под крышкой 20 воздухозаборника уложены боковые эластичные или веерно раздвижные манжеты 28, присоединенные сверху к крышке 20, а снизу - к потолочной плите 29. Число таких укладок воздухозаборников в сборе на крыше 21 вагона можно разместить от одной до 11 штук при длине вагона более 20 м.In FIG. 2 shows the position of the air intake with a wind turbine 26 in the mode of movement of the composition. The upper cover 20 of the air intake is laid on the same level with the roof of the car 21 is pressed against the roof 20 by a magnetic latch 22. The cover 20 is movably connected to the roof 21 of the car using the axis 23. Under the protrusion 24 of the cover 20, a wind turbine 26 with blades 27 is located on the axis 25. Under the cover On the air intake side 20, lateral elastic or fan-sliding cuffs 28 are attached, attached to the top of the lid 20 and to the ceiling plate 29 from the bottom. The number of such air inlet assemblies on the roof of the car 21 can be placed from one to 11 pieces with the car more than 20 m in length.

Аналогично можно разместить такое же число укладок воздухозаборников в сборе по правой и по левой вертикальным стенам каждого вагона. За счет обтекаемой формы вагона при закрытых крышках воздухозаборников его аэродинамическое сопротивление минимально и состав может передвигаться по рельсам с высокой скоростью, затрачивая относительно умеренную энергию на преодоление аэродинамического сопротивления. В этом режиме забор воздушного потока на ветродвижителли 26 не происходит, ветродвижители и кинематически связанные с ними электрогенераторы не вращается.Similarly, you can place the same number of stacks of air intakes assembly on the right and left vertical walls of each car. Due to the streamlined shape of the car with the air intake covers closed, its aerodynamic drag is minimal and the train can move along the rails at high speed, spending relatively moderate energy to overcome the aerodynamic drag. In this mode, the air flow is not taken to the wind turbine 26, the wind turbines and kinematically associated electric generators do not rotate.

При необходимости торможения с пульта 17 машиниста (см. фиг. 1) через блоки управления 14 движением и торможением вагонов подается сигнал на разблокирование магнитных защелок 22 воздухозаборников. За счет упругого поджатия крышек 20 (см. фиг. 3) воздухозаборника к торцевым манжетам воздухозаборника левая по фиг 3 сторона крышек 20 приподнимается, в образовавшийся зазор между ними и крышей 21 вагона врывается набегающий воздушный поток и полностью поднимает крышки 20 над крышей вагона в положение, обозначенное на фиг. 3. Крышки 20 воздухозаборников под давлением набегающего воздушного потока переходят в верхнее положение до полного раскрытия эластичных манжет 28. Набегающий воздушный поток захватывается с поверхности S1 на входе воздухозаборника и канализуется через поверхность S2 на его выходе на лопасти 27 ветродвижителя 26. Размещенный со свободой углового вращения на оси 25 ветродвижитель 26 интенсивно вращается, приводя во вращение кинематически связанный с осью 25 ротор электрогенератора 32. Все электрогенераторы 32 воздухозаборников в сборе вырабатывают электрическую энергию, собираемую в энергетическом сумматоре 5 (см. фиг. 1). Турбулентный воздушный поток с выхода ветродвижителя 26 вылетает через жалюзи 31 на крышу 21 вагона и захватывается следующими по ходу движения воздухозаборниками.If necessary, braking from the remote control 17 of the driver (see Fig. 1) through the control units 14 for the movement and braking of cars, a signal is sent to unlock the magnetic latches 22 of the air intakes. Due to the elastic preloading of the covers 20 (see Fig. 3) of the air intake to the end cuffs of the air intake, the left side of the covers 20 in FIG. 3 is lifted, the incoming air flow breaks into the gap between them and the car roof 21 and completely lifts the covers 20 above the car roof to a position indicated in FIG. 3. The covers 20 of the air intakes under the pressure of the incoming air flow move to the upper position until the elastic cuffs 28 open fully. The incoming air flow is captured from the surface S 1 at the inlet of the air intake and is channeled through the surface S 2 at its outlet onto the blades 27 of the wind turbine 26. Placed with freedom of angular rotation on the axis 25, the wind turbine 26 rotates intensively, bringing into rotation the rotor of the electric generator 32 kinematically connected with the axis 25. All the electric generators 32 of the air intakes are assembled ayut electrical energy in the energy collected adder 5 (see. Fig. 1). The turbulent air flow from the exit of the wind turbine 26 flies through the shutters 31 to the roof of the car 21 and is captured by the following air intakes.

Набегающий воздушный поток вынужден преодолевать резко возросшее сопротивление открытым поверхностям S1 воздухозаборников вагона. Энергию торможения состава можно оценить по следующей формуле Эт=ζ⋅γ⋅υ3⋅(Sc+Nc⋅S1)/2, где Sc - площадь лобового сопротивления состава при закрытых воздухозаборниках в режиме разгона и движения; S1 - площадь лобового сопротивления одного открытого воздухозаборника; Nc - число открытых воздухозаборников состава; υ - линейная скорость набегающего воздушного потока; γ≈0,5 - коэффициент использования энергии набегающего воздушного потока; ζ=1,29 кг/м3 - плотность воздуха. При Sc=12 м2, S1=1 м 2 , N=330 (состав из 10 вагонов, каждый с 33 воздухозаборниками), υ=30 м/с (108 км/ч), получим Эт=6,075⋅106 Дж. С учетом известной зависимости мощности W от энергии торможения Эт: W=Эт/t, затраченную за секунду [1], получим мощность Wт=6075 кВт или 8256 л.с. Это более чем значительная величина, в 28,5 раз превышающая энергию преодоления составом лобового сопротивления набегающему воздушному потоку при закрытом положении воздухораспределителей. На тягу приведенного в примере состава при скорости движения 108 км/ч потребуется мощность Wp≥Wт⋅Sт/Sc⋅γ=8256×345/12×0,5=575 л.с. Очевидно, что при скорости движения вагонов и составов более 100 км/ч эффективное аэродинамическое торможение может быть обеспечено и при существенно меньшем числе воздухозаборников Nc в составе по сравнению с приведенным примером.The incoming air flow is forced to overcome the sharply increased resistance to the open surfaces S 1 of the car’s air intakes. The braking energy of the composition can be estimated by the following formula: E t = ζ⋅γ⋅υ 3 ⋅ (S c + N c ⋅ S 1 ) / 2, where S c is the frontal area of the composition with closed air intakes in acceleration and motion mode; S 1 - the drag area of one open air intake; N c is the number of open air intakes of the composition; υ is the linear velocity of the incoming air flow; γ≈0.5 - coefficient of use of energy of the incident air flow; ζ = 1.29 kg / m 3 is the air density. When S c = 12 m 2 , S 1 = 1 m 2 , N = 330 (train of 10 cars, each with 33 air intakes), υ = 30 m / s (108 km / h), we obtain E t = 6.075⋅10 6 J. Taking into account the known dependence of the power W on the braking energy E t : W = E t / t spent per second [1], we obtain the power W t = 6075 kW or 8256 hp This is more than a significant amount, 28.5 times higher than the energy of overcoming the frontal resistance of the air flow in the closed position of the air distributors. For the thrust of the composition shown in the example at a speed of 108 km / h, power W p ≥W t ⋅S t / S c ⋅γ = 8256 × 345/12 × 0.5 = 575 hp is required. Obviously, at a speed of movement of cars and trains of more than 100 km / h, effective aerodynamic braking can be achieved with a significantly smaller number of air intakes N c in the composition as compared with the above example.

На фиг. 4 показан для наглядности вид сверху левой вертикальной стены крыши фрагмента вагона в режиме движения, с тремя закрытыми крышками воздухозаборников на крыше вагона, а у правой стенки вагона - условно с тремя открытыми воздухозаборниками. Закрытые воздухозаборники не выступают за поверхности левой стены и крыши вагона, не оказывая сопротивления набегающему на вагон со скоростью υ воздушного потока. Открытые с правой стены вагона воздухозаборники захватывают крышками 20 и манжетами 28 воздушные потоки и направляют их на ветродвижители 26, обеспечивая их интенсивное вращение. Кинематически связанные с ветродвижителями 26 электрогенераторы 3а…3m (см. фиг. 1) вырабатывают электрическую энергию, собираемую энергетическим сумматором 5 и накапливаемую в батарее 9 емкостного накопителя.In FIG. 4 is shown for clarity, a top view of the left vertical wall of the roof of the fragment of the car in motion mode, with three closed air intake covers on the roof of the car, and at the right wall of the car, conventionally with three open air intakes. Closed air intakes do not protrude beyond the surface of the left wall and the roof of the car, without resisting the car running at the speed υ of the air flow. Opened from the right wall of the car, the air intakes capture the air flows with covers 20 and cuffs 28 and direct them to the wind turbines 26, ensuring their intensive rotation. Kinematically connected with the wind turbines 26, the electric generators 3a ... 3m (see Fig. 1) generate electric energy collected by the energy adder 5 and stored in the battery 9 of the capacitive storage.

Кроме выполнения эффективного аэродинамического торможения состава предложенный способ обеспечивает рекуперацию кинетической энергии в заряд батарей аккумуляторов (емкостных накопителей) 9 с последующим расходом накопленной энергии для разгона тягового электрического привода 13, подключенного к выходам 11 и 12 буферного регулятора 10 мощности.In addition to performing effective aerodynamic braking of the composition, the proposed method provides the recovery of kinetic energy in the charge of battery batteries (capacitive storage) 9 with the subsequent consumption of stored energy to accelerate the traction electric drive 13 connected to the outputs 11 and 12 of the power buffer 10.

При высоких скоростях движения эффективность способа аэродинамического торможения имеет определяющее значение. На фиг 5 представлена зависимость энергии торможения от скорости набегающего воздушного потока для одного вагона состава. Зависимость фиг. 5 рассчитана для железнодорожного вагона, оборудованного воздухозаборниками Nв=27, каждый с поверхностью Si забора воздуха Si=1 м2. При плотности воздуха ζ=1,25 кг/м3 и скорости движения вагона v=100 км/ч энергия аэродинамического торможения вагона ΔEв для данного случая составит 456 кДж или мощности торможения более 700 лошадиных сил, что соизмеримо с аварийным торможением вагона с помощью традиционной системы силами трения тормозных колодок.At high speeds, the effectiveness of the aerodynamic braking method is crucial. Figure 5 shows the dependence of the braking energy on the speed of the incident air flow for one train car. The dependence of FIG. 5 is designed for the railway vehicle equipped with air intakes in the N = 27, each with a surface of the air intake S i S i = 1 m 2. With an air density of ζ = 1.25 kg / m 3 and a car speed of v = 100 km / h, the aerodynamic braking energy of the car ΔE in this case will be 456 kJ or the braking power of more than 700 horsepower, which is comparable with the emergency braking of the car with traditional system friction brake pads.

На скоростях движения составов более 100 км/ч на фиг. 5 имеет место зона V определяющего аэродинамического воздействия на движущийся состав, использование которого предпочтительно традиционным способам торможения высокоскоростными железнодорожными составами. При снижении скорости набегающего воздушного потока до перехода зависимости фиг. 5 в зоны II и I воздухозаборники по команде с блока управления 14 переводятся в закрытое состояние и вагон приобретает обтекаемый вид для последующего разгона и движения с высокой скоростью. При соотношении поверхностей забора воздушного потока на входе и выходе воздухозаборников от полутора до трех обеспечивается эффективная концентрация воздушного потока с энергетическим выигрышем в несколько раз. Например, при Sвх/Sвых=2 будет обеспечен примерно четырехкратный энергетический выигрыш за счет двухкратного увеличения скорости воздушного потока на выходе воздухозаборника [5].At train speeds of more than 100 km / h in FIG. 5, there is a zone V of determining aerodynamic impact on a moving train, the use of which is preferable to traditional braking methods by high-speed trains. As the free air velocity decreases until the dependence of FIG. 5 into zones II and I, the air intakes are transferred to the closed state upon command from the control unit 14 and the car acquires a streamlined appearance for subsequent acceleration and movement at high speed. When the ratio of the surfaces of the intake air flow at the inlet and outlet of air intakes from one and a half to three is ensured, the effective concentration of the air flow with energy gain several times. For example, with S in / S out = 2, approximately four-fold energy gain will be achieved due to a twofold increase in the air flow velocity at the outlet of the air intake [5].

Предложенный способ обеспечивает эффективное аэродинамическое торможение и рекуперацию кинетической энергии высокоскоростного подвижного состава без интенсивного износа колесных пар и рельсов. Накопленная кинетическая энергия вагонов и составов преобразуется в электрическую и сохраняется для последующего разгона и движения подвижного состава. За счет интегрированного аэродинамического воздействия на состав резко снижается износ колесных пар и рельсов, а также снижается до нулевой величины вероятность схода состава с рельсов при экстренном торможении.The proposed method provides effective aerodynamic braking and recovery of kinetic energy of high-speed rolling stock without intensive wear of wheel sets and rails. The accumulated kinetic energy of cars and trains is converted into electrical energy and stored for subsequent acceleration and movement of rolling stock. Due to the integrated aerodynamic effect on the composition, the wear of wheelsets and rails is sharply reduced, and the probability of the composition getting off the rails during emergency braking is also reduced to zero.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Сайт http://www.kakprosto.ru.1. Website http://www.kakprosto.ru.

2. Патент RU №2384443, МПК B61H 11/02.2. Patent RU No. 2384443, IPC B61H 11/02.

3. Патент RU №2379201, МПК B60L 7/10.3. Patent RU No. 2379201, IPC B60L 7/10.

4. Патент RU №2484279, МПК F02K1/60.4. Patent RU No. 2484279, IPC F02K1 / 60.

5. Заявка RU №2008127638 от 07.07.2008. Ветроагрегат с концентратором ветрового потока.5. Application RU No. 2008127638 of 07.07.2008. Windmill with a wind flow concentrator.

Claims (1)

Система торможения и рекуперации кинетической энергии железнодорожных вагонов и составов, содержащая пульт машиниста, блоки управления, тяговый электропривод, сумматор выходной мощности, накопитель энергии, буферный регулятор мощности тягового усилия электропривода и дистанционно управляемые воздухозаборники с ветродвижителями и электрическими генераторами, при этом ветродвижители кинетически соединены с электрическими генераторами, электрические выходы которых подключены к входам сумматора выходной мощности электрических генераторов, к выходу сумматора через автоматический зарядный модуль подключены клеммы батареи аккумуляторов, которые подключены через буферный регулятор мощности к входам тягового электропривода, а выходы блока управления по линии связи соединены с входами воздухозаборников.A system for braking and recovering the kinetic energy of railway cars and trains, comprising a driver’s console, control units, traction electric drive, an output power adder, an energy storage device, a buffer power regulator for the electric drive’s driving force and remotely controlled air intakes with windmills and electric generators, while the windmills are kinetically connected to electric generators, the electrical outputs of which are connected to the inputs of the adder output power of the electric gene tors, to the output of the adder module via the automatic charging of batteries connected battery terminals that are connected via a buffer to the inputs of the power controller of the traction motor drive, and outputs via the communication control unit connected to inputs of the air intakes.
RU2016117861A 2016-05-05 2016-05-05 System of aerodynamic braking and kinetic energy recovery at high-speed railway transport RU2661413C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016117861A RU2661413C2 (en) 2016-05-05 2016-05-05 System of aerodynamic braking and kinetic energy recovery at high-speed railway transport

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016117861A RU2661413C2 (en) 2016-05-05 2016-05-05 System of aerodynamic braking and kinetic energy recovery at high-speed railway transport

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016117861A RU2016117861A (en) 2017-11-10
RU2661413C2 true RU2661413C2 (en) 2018-07-16

Family

ID=60264066

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016117861A RU2661413C2 (en) 2016-05-05 2016-05-05 System of aerodynamic braking and kinetic energy recovery at high-speed railway transport

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2661413C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012020549A1 (en) * 2010-08-11 2012-02-16 ナブテスコ株式会社 Method for controlling air brake device
RU2480349C1 (en) * 2011-11-23 2013-04-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенская государственная технологическая академия" Rotor-type windmill of surface vehicle
DE102013221551A1 (en) * 2013-10-23 2015-04-23 Siemens Aktiengesellschaft A method of temporarily increasing an air resistance of a rail vehicle having at least two cars coupled to each other
RU2571841C1 (en) * 2014-09-24 2015-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" Aerodynamic brake for high-speed rolling stock

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012020549A1 (en) * 2010-08-11 2012-02-16 ナブテスコ株式会社 Method for controlling air brake device
RU2480349C1 (en) * 2011-11-23 2013-04-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенская государственная технологическая академия" Rotor-type windmill of surface vehicle
DE102013221551A1 (en) * 2013-10-23 2015-04-23 Siemens Aktiengesellschaft A method of temporarily increasing an air resistance of a rail vehicle having at least two cars coupled to each other
RU2571841C1 (en) * 2014-09-24 2015-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" Aerodynamic brake for high-speed rolling stock

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016117861A (en) 2017-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7891302B2 (en) System and method for providing head end power for use in passenger train sets
US20090032350A1 (en) System and method for capturing energy from a railcar
US20190232796A1 (en) Autonomous networked transportation system and method
US20060273596A1 (en) Durbin turbine
EA014267B1 (en) Wind turbine mounted on car
RU2013122398A (en) RAILWAY VEHICLE WITH AERODYNAMIC SURFACE
CN104442897A (en) High-speed train wind resistance brake energy conversion device and high-speed train
CN102530016B (en) Double-wing-plate action type aerodynamic braking device
RU2661413C2 (en) System of aerodynamic braking and kinetic energy recovery at high-speed railway transport
CN112498406B (en) High-speed train, and emergency braking method and system for high-speed train
KR102116108B1 (en) Self-powered generator and method for a train using the drive shaft of a train
US20230192159A1 (en) Rail transportation system
CN108622115A (en) Hybrid air cushion suspension track train
WO2010023500A1 (en) Gravity powered rail, road and runway transportation system
RU2664091C1 (en) Air train and its travel tracks
CN102556105B (en) Hydraulic drive aerodynamic brake device with single wing plate
CN206221149U (en) Magnetic suspension goes off course pitching to wind apparatus
WO2022187455A1 (en) Rail transportation system
RU2624354C2 (en) Locomotive coupling with double power supply of drives
CN107165784A (en) A kind of centrifugal wind power generating set with vertical shaft of railway freight-car and goods train carriage
US10647203B2 (en) Vehicle battery charging system
JPH04321774A (en) Wind power generator utilizing railway
CN204222880U (en) High speed train windage braking energy reforming unit and high speed train
CN102806916B (en) Winged train and navigation rail thereof
CN201095321Y (en) Wind power generation manned vehicle

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190506