真空管道超高速地面轨道交通.ppt

真空管道超高速地面交通速度极限及发展前景,沈志云轨道交通国家实验室（筹）西南交通大学牵引动力国家重点实验室,一 高速铁路是交通领域的低碳技术二 我国低碳技术中高速铁路独领风骚三 高速铁路运营速度的极限400km/h四 低真空管道中的高速交通400-1000km/h五 高真空管道中的高速交通1500-3000km/h,内容提要：,一 高速铁路是交通领域的低碳技术,高速铁路的优势 Co2排放：铁路是公路的1/4,航空的1/5.能耗：每百人公里消耗标准煤 公路大客车 1.5 kg 小轿车 3.84.8 kg 航空 6.8 kg 高速铁路约 1.0 kg 铁路是小轿车的1/4,航空的1/6.8 占地：相同运量，公路占地是铁路的8倍 在运量相同条件下：*一条复线铁路相当于一条16车道的高速公路，铁路宽15m，公路宽达122m，公路占地是铁路的8倍。*完成单位换算周转量占用的土地，在国外公路一般是铁路的 510倍，在我国则达到25倍*高架式高速铁路占地更少,一 高速铁路是交通领域的低碳技术,发展高速铁路是当前全世界的共同趋势 1825年9月27日世界第一条铁路投入运营 18501920年 美国修建铁路高潮，总里程到达40万8745公里 19201960年 世界铁路走向“夕阳产业”，美国许多铁路被拆，总里程降为26万423公里，1964年10月1日日本东海道新干线通车，东京到大阪，515公里，210km/h。现有高速铁路2175公里，最高运营速度300km/h。1983年9月 法国开通TGV东南线，270km/h，现有高速铁路1282公里，最高运营速320km/h。1991年 德国开通ICE1高速铁路，280km/h。现有高速铁路793公里，最高运营速度300km/h。1998年意大利运营ETR500高速列车，300km/h。现有高速铁路1525公里，最高运营速度300km/h 建有高速铁路的国家和地区还有：西班牙，韩国，澳大利亚，英国，中国台湾等。2009年1月，奥巴马在议会宣布：拨款130亿美元，赞助高速铁路。各州立即报出40多条高速铁路的计划。要大力发展高速铁路，改变单纯依靠汽车飞机的路线 世界回归铁路时代！,二 我国低碳技术中高速铁路独领风骚,铁路建设新高潮 2004年1月：制定中长期铁路网规划 2008年9月：修订中长期铁路网规划 2012年：营业里程：11 万公里 高速铁路：1.3万公里。2020年，营业里程：12 万公里 高速铁路：1.6万公里，,二 我国低碳技术中高速铁路独领风骚,突破性标志时速350公里高速铁路,二 我国低碳技术中高速铁路独领风骚,四纵四横1.3万公里高速铁路网,二 我国低碳技术中高速铁路独领风骚,我国高速铁路站到了世界顶峰五个世界第一:运营时速最高，350公里，国外一般300公里，法国320公里总里程最长，已建成6552公里，在建1万多公里。运营情况最好，日开行动车组773列，平均上座率：101.7%。技术标准最高，工务工程全程无砟轨道，最大断面隧道（100m2），最大桥梁（大胜关大桥，世界第一）高速列车运营速度最高。列控系统世界最先进的CTCS3。试验手段最强，联调联试时间最短，效果最好。首创科研试验 及跟踪试验。定置试验达到600公里/时，世界最高试验速度,二 我国低碳技术中高速铁路独领风骚,中国高铁走向世界正在实施：1，土耳其：安卡拉伊斯坦布尔 2，委内瑞拉：迪拉科阿拉科正在投标：1，巴西：里约热内卢圣保罗坎皮拉斯 2，美国：旧金山洛山矶圣地亚哥已有协议：老挝，缅甸，俄罗斯，印度，沙特，波兰，伊朗。,三 高速铁路运营速度的极限,1 开敞式高速列车的行车阻力主要是气动阻力,气动阻力 牵引功率（正比于速度平方）（正比于速度立）,超过200km/h，气动阻力占70%以上，牵引功率陡增。300-400km/h达到90%以上。,三 高速铁路运营速度的极限,2 开敞式高速列车的噪声主要是气动噪声第一区牵引噪声为主 轮轨:动力装置，风机等 磁浮：磁致哄鸣声等 第二区机械噪声为主 轮轨：轮轨噪声，轨道，车辆结构振动 磁浮：轨道、车辆结构振动第三区气动噪声为主 轮轨：Vt2=290km/h 磁浮：Vt2=256km/h,三 高速铁路运营速度的极限,2 开敞式高速列车的噪声主要是气动噪声,25m,3.5m,车外环境噪声标准：不高于70-75dB日本放宽到 85dB欧洲放宽到 100dB实测高速列车 300km/h 85dB以上 320km/h 95dB以上 380km/h 100dB以上,车内65dB,噪声标准：,环保超标一票否决！,三 高速铁路运营速度的极限,3 结论：高能耗运营成本太高，无法进入运输市场；环保超标太多，终被社会淘汰。实例：协和飞机提速到2000km/h,因噪声大，票价高而被淘汰。日本500号高速列车试验达到350km/h，因噪声超标，降至300km/h.日本700号高速列车以360km/h赶超中国为目标，结果因噪声超标 降至330km/h运营。本人认为：在稠密大气层中运行的开敞式高速列车 其最高运营速度不宜超过400km/h,四 低真空管道中的高速交通,超高速是21世纪地面高速交通的需求石油短缺将使民航成为一般人难于享用的奢侈品稠密大气层中无法超越400km/h的警戒线。随着社会经济的发展，人们渴望更高的速度。唯一途经是改变所处介质条件，在地面用 真空管道创造高空才有的低气压。速度 可望达到4001000km/h,甚至更高。,四 低真空管道中的高速交通,四 低真空管道中的高速交通,From Prof.GJ Suppes,U.of Kansas,calculations for PRT.,400 1000 1500 2000km/h,0.2,P=0.050.2atm,V=4001000km/h,Area of optimum option,P=0.010.001atmV=15002000km/h,(340.29m/s,or 1225km/h),高真空,低真 空,和最佳速度的关系 真空管道中的压力,音障区,0.05,四 低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：万米高空气压:0.20.05 atm相当于1000020000m高空地面轨道中如能保持 0.20.05 atm的低真空，则如同飞机在万米高空 飞行。按最佳方案，可实现4001000km/h的超高速。管道截面按遮挡系数为0.40.45计算，可采用普通铁路的30m2。,四 低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：最有现实意义的是在此低真空管道中，先采用轮轨技术，将和谐号动车组提速到400600km/h 下一步再采用磁浮技术，将速度提高到6001000km/h 第一步的主要任务是解决真空管道及抽气工程的技术问题,四 低真空管道中的高速交通,轮轨高速列车方案设想开行和谐号动车组。,4000,.,京沪全线设隔音墙,上部加盖,全密封600km/h和谐号动车组,整体无砟道床,线间距可缩小至正常铁路值,在接近30m2的管内空间由真空泵站保持0.100.2 atm的低真空。,四 低真空管道中的高速交通,轮轨高速列车方案设想开行和谐号动车组优点：1，有切实的可行性 技术上可行，多为成熟技术 经济上与现有高速铁路相比，成本增加不多 2，能实现400600km/h的超高速运营，国内交通接近航空速度 3，能与既有线联网，融入全国高速铁路网之中 只要解决好进出真空管道的问题，即能达此目的 4，是和谐号动车组研发的继续 在研发400公里平台上继续提高速度 5，是真空管道技术的基础，为更高速度做准备 为下一步开发6001000公里磁浮车开辟道路,四 低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：主要关键技术 1，真空技术 2，密封技术 3，列车进出真空环境的技术 4，车内保压增氧技术 5，车站上下乘客的技术 随着技术的进步，这些关键问题 都可以完全工程化地得到解决！,四 低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：主要关键技术 1，真空技术真空技术发展很快，广泛用于冶炼、石油化工、电工、电子等领域。真空管道交通需要大流量的抽气技术，低真空管道使用机械真空泵为核心的真空机组应能满足要求。机械真空泵种类很多，当前的主流方向是使用旋转式的罗茨真空泵。罗茨泵既具有容积泵的工作原 理，又有分子泵的抽气效应，在较宽的压力范围内有较大的抽速。抽真空的能耗很小。以ZJ罗茨真空泵为例：选 ZJ-1200A 型：极限真空度，500Pa，即 0.005atm。高于工作真空度0.2atm。抽速，1200升/秒，即：4320立方/小时。功率，11千瓦/小时，即用11度电可抽4320立方空气。按100m2截面计算，1公里管道有100 x1000=100000立方空气，抽空一公里，只需 100000432011254 度电，约合101元。维持真空，能耗约为全抽能耗的1/10,即10元钱！,四 低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：主要关键技术 1，真空技术 2，密封技术 就既有谐和号列车线路而言，顶棚可用钢材或铝合金制造。内外两侧均可黏贴塑料薄膜或橡胶等其他隔离材料，达到防水和保持真空度的作用。隔离门的密封应当采用橡胶制件，以增加强度。,四 低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：主要关键技术 1，真空技术 2，密封技术 3，列车进出真空环境的技术 进入真空管道：打开外门，进入过渡段 关闭外门，真空泵抽气 开启内幕，驶人真空管道 驶出真空管道：打开内门，进入过渡段 关闭内门，打开外门，驶出管道 关闭外门，真空泵抽气,内门,外门,门室,门室,真空机组,真空管道,过渡段,开敞大气,门室横断面,四 低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：主要关键技术 1，真空技术 2，密封技术 3，列车进出真空环境的技术 4，车内保压增氧技术 与飞机所用技术相同,四 低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：主要关键技术 1，真空技术 2，密封技术 3，列车进出真空环境的技术 4，车内保压增氧技术 5，车站上下乘客的技术 一种可以考虑的方案：,车站及人行通道中的大气空间,真空管道中的低真空空间,四 低真空管道中的高速交通,采用磁浮技术可使速度提得更高 600km/h以上，轮轨技术困难较大。粘着系数下降太多，运动稳定性难以达到，轴承发热，机械强度 等问题，都不好解决 磁浮技术有望解决6001000km/h的问题。德国常导磁浮技术不能超过450km/h 日本低温超导要冷却到-270o,成本太高 西南交大研究的高温超导,最有希望.但要达到600km/h以上，还有大量基础性研究要做。,常规永磁体,屏蔽电流,高温超导体,镜象磁体,常规永磁体,高温超导体,原理：利用常规永磁体的磁场 在高温超导体中引起 屏蔽电流实现悬浮。,导向：由高温超导体钉扎中心 对永磁导轨磁力线的 钉扎作用实现导向。,钉扎中心,四 低真空管道中的高速交通,高温超导磁悬浮车辆的工作原理,四 低真空管道中的高速交通,美国有人提出一种磁浮飞机永磁体装在车上，也可考虑用于真空管道,加上罩就可用于真空管道,四 低真空管道中的高速交通,原理：永磁体置于车上，轨道为弧形铝板，车辆在车轮上推进，达到一定速度后，铝板切割磁力线产生涡流磁场，极性与永磁场相同，提供斥力，将车浮起。,100-150mm,车箱轮对永久磁铁铝板,优点：结构简单悬浮高度大(150mm)速度高(500-600km/h)成本低,美国麻省理工的发明专利，只做小模型试验,五 高真空管道中的高速交通,From Prof.GJ Suppes,U.of Kansas,calculations for PRT.,400 1000 1500 2000km/h,0.2,P=0.050.2atm,V=4001000km/h,Area of optimum option,P=0.010.001atmV=15002000km/h,(340.29m/s,or 1225km/h),高真空,低真 空,音障区,0.05,相对于前述0.2/0.05 atm 而言,0.01/0.001 atm 可谓高真空，但 实际上仍属低真空范 围。在这个范围中，采用高温超导磁悬浮，可望达到1500/2000公里 时速。真正的高真空指：10-5 10-6atm，相当于 宇宙中的真空度。美国 有家ETT公司，提出一种 设想。没有工程化，但 可开拓我们的思路。,/,五 高真空管道中的高速交通,美国ETT高真空管道磁浮车Evacuated Tube Transportation真空度:0.000001atm，百万分之一大气压特 点：1，可实现几乎无阻力运行。加速之能量可在制动时回收。实现“宇宙航船贴地飞”2，速度不受限制。噪音极低，不会限制速度。3，小巧灵活，建设成本低。遮挡系数可加大到0.9，便于采用小管径。缺 点：获取高真空和保持高真空度比较困难，不容易工程化。摘自网站,五 高真空管道中的高速交通,系统效果图,1.3m,1.5m,五 高真空管道中的高速交通,车站拨车机,五 高真空管道中的高速交通,道叉原理,道岔原理,五 高真空管道中的高速交通,ETT预期效果及问题,预期的效果：成本低 线路:Y1500万/公里;车:Y22万/辆能耗小 每客能耗只有汽车的 1%运能大 一条管道相当于80车道高速公路的运能安全,环保,方便,快捷.存在的问题：尚处概念设计阶段，大量技术问题有待解决。如高真空技术方案，站车内大气环境及其连通，牵引悬浮方案等。尚无具体研发计划，没有开发单位，开发人员及支持实体,结 论,1，在稠密大气层中运行高速列车，最高运营时速不宜超过400公里。要达到这个最高时速还有大量工作要做，尤其是600km/h 台架试验研究和500km/h线路实验研究。2，20年到30年后，更高速度的地面轨道交通必将占领运输市场，它只能是真空管道。3，第一步是使我国技术已经成熟的和谐号高速列车提速到600公里。可利用现有线路，曲线部分采用车体倾摆控制技术。管道利用 现有线路加盖，真空度可取0.10.2atm，时速可达600公里。4，第二步采用我国研制成功的高温超导磁浮车，真空度下限延伸到 0.05atm以下，时速可达1000公里。5，更高真空度能取得更高时速。6，从现在起就应当开展对真空管道运输的基础性和先导性的研究.,欢迎大家提问,谢谢大家！,