1、发明的名称：一种无需管道靠车头局部产生负压的运行系统
2、所属技术领域：铁路交通，能源，风机，电机，制造
3、
背景技术：
：车辆在行驶时，所要克服的阻力有机械件损耗阻力、路阻及空气阻力。空气阻力有三种形式，第一是气流撞击车辆正面所产生的阻力，第二是摩擦阻力，空气划过车身一样会产生摩擦力，然而以一般车辆能行驶的最快速度来说，摩擦阻力小到几乎可以忽略。第三则是外型阻力，一般来说，车辆高速行驶时，外型阻力是最主要的空气阻力来源。随著车辆行驶速度的增加，空气阻力也逐渐成为最主要的行车阻力，在时速200km/h以上时，空气阻力几乎占所有行车阻力的85％。风阻系数是衡量一辆车受空气阻力影响大小的一个标准，高铁光滑圆润的车身，光滑鳄鱼头型的头尾设计不单单降低了迎面风阻，同时大大减小了车尾后方的真空区。要想进一步提速并同时大幅度减少耗能理论上两个办法可行，一是运行在真空状态下就没风阻，二是磁悬浮减少路阻。真空成本高难度大，车头迎面局部负压行不行？
早在1904年，美国学者罗伯特·戴维就已经提出“真空管道运输”的设想。20世纪80年代，美国佛罗里达州机械工程师戴睿·奥斯特开始思考“真空管道运输”的可行性，并在1999年为“真空管道运输”这一概念申请了专利。2010年，奥斯特成立了致力于开发真空运输顶目的公司et3。按照et3公司的设想，真空管道运输是一个类似胶囊一样的运输容器，它通过真空管道进行点对点传送。由于管道处于真空状态，胶囊容器的速度可以达到时速6500公里。2013年，行动力和“脑洞力”同样强大的实业家马斯克对“真空运输”这一概念进行了丰富，提出了“超级高铁”的理念。马斯克对超级高铁的速度预期比奥斯特保守，他所提出的预期时速为1200公里，接近音速。这一速度将比现在最快的子弹头列车快两三倍，比飞机的速度快两倍。除了速度快，设想中的超级高铁还具有安全、环保的优点。因为它处于全封闭的真空系统中，它可以对复杂天气免疫，还可以使用太阳能作为驱动力。
2001年，与戴睿相识并成为密友的张耀平将这顶技术首次引进我国，我国正在研发真空管道磁悬浮技术，时速可达4000公里，能耗不到航客机1/10，噪音和废气污染及事故率接近于零，这是真空管道磁悬浮列车的惊人优势所在。
目前世界上共有美国、瑞士、中国三个国家在研究真空管道磁悬浮技术，我国已经开始着手试验了，美国和瑞士还在理论阶段。美国搞的是高真空管道交通，大气压甚至只有外界的百万分之一，但成本很高，难度很大，所以很难投入实际营运。瑞士则把真空管放在地下隧道中，这同样增加了很大的成本，最终也难以进入实际应用。而我国的方案相对于美国和瑞士更优，管道内只要降到0.5个大气压，就可以大大减少空气对于机车的阻力，这样，就大大降低了成本。
4、发明的内容：
根据以上背景技术，减少车辆运行时的耗能主要要解决风阻和路阻，本发明可应用于磁悬浮列车，用磁悬浮列车减小路阻不在本发明限制范围。重点讨论利用现有电气化铁路、地铁线路如何化风阻为风能再利用。
车辆迎风面的投影面积是计算风阻的基本数据，但是可在其前后的形状上做文章减小风阻系数，但投影面积不变。例如，高铁光滑圆润的车身，光滑鳄鱼头型的头尾设计不单单降低了迎面风阻，同时大大减小了车尾后方的真空区。另外还有一种方法是，在不增加投影面积的前提下加装风轮装置，这样不但不增加风阻而是减小风阻，且风轮能吸收风能再利用，这个理念被部分学者接受并已设计出一些“风能动力车”来为车辆增程，但一直未被推广，原因在于风轮的直径及速度的限制。
风阻与风速的平方成正比，风能与风速的立方成正比，与风轮直径的平方成正比。迎风面的投影面积不变，不增加风阻，头尾形状的设计是减小风阻系数的一种方法，用旋转的风轮劈风同样是减小风阻的方法，且能获得风能，列车较汽车的迎风面积的增加、风速的增加，在平方和立方的级别上的获能利用价值意义重大。
风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量，空气流具有的动能称风能，空气流速越高，动能越大。
用风车把风的动能转化为旋转的动作驱动发电机发电的历史不过五十年，而人类利用风能的历史可以追溯到公元前，在风力发电前，最常见的风车提水就是直接利用风的动能，但自然风难以人为调控，短时的阵风还会损害风车，数千年来，风能技术发展缓慢，随着科技的发展，风力发电行业迅速发展，已为人类获得绿色能源做了很大贡献，但把风能转化为电能只是目前利用风能较好的方法之一。
贝茨理论缺乏对风电机组气动设计的具体指导，但可用于风轮的基本气动原理的分析，是风能利用的基础。其所采用的假设：(1)气流为连续、不可压缩的均匀流体；(2)无摩擦力；(3)风轮没有轮毂，叶片无限多；(4)气流对风轮面的推力均匀一致；(5)风轮尾流无旋转；(6)在风轮的前远方和后远方，风轮周围无湍流处的静压力相等。据此推算，贝茨极限59.3％。
目前，自然风场中风力发电国内外较为先进设计的风轮的风能利用率大约可达到40％。
阿基米德说过：给我一个支点我将撬起地球。
根据“风阻与风速的平方成正比，风能与风速的立方成正比，与风轮直径的平方成正比”的理论，能否在特殊的风场(这里因为列车高速行驶形成的恒定飓风级别的风场)状态下，人为改变风的流向、作用点，风能利用率突破贝茨极限0.593，利用没有利用但可有效利用的风能加上一小半的电力供能的电动机同时驱动风轮，来形成车头迎面局部负压减少风阻，而无须建造真空管道，运用于现有地铁、高铁线路上来节能，或运用于磁悬浮线路上提速加节能？
轴流风机主要由叶轮、机壳、电动机等零部件组成，支架采用型钢与机壳风筒连接。混流式风机结合了轴流式和离心式风机的特征，风压系数比轴流风机高，流量系数比离心风机大，风机主要有叶轮、机壳、进口集流器、导流片、电动机等部件组成。离心式风机由机壳、主轴、叶轮、轴承传动机构及电机等组成。回转式鼓风机结构精巧，主要由电机、空气过渡器、鼓风机本体、空气室、底座(兼油箱)、滴油嘴六部分组成。
本发明是直接利用列车高速行驶产生持续的稳定的高能量风力，不靠设计流线型车头减小风阻，而是靠风轮吸收风能来减小风阻并同时提供动能，风的动能及电动机的动能联合驱动风轮，使高速行驶中的车头局部一直处于负压状态，减少风阻，用成本低且更简便的方法实现“真空管道运输”的理念，无需建造真空管道，无需改造现有电气化线路，直接运用于现有磁悬浮列车及高铁、地铁上，电动机通过变频调速来调节转速，根据需要可调节风量、车头的负压值，达到节能减排提速之目的，车辆进入站台前电动机停止供电，还可利用电机逆运行原理发电储能再利用，仅由风轮自然旋转减少风阻，防止负压引发事故。
5、具体实施方式：
设计可运用于现有磁悬浮列车及高铁、地铁上，车体、车尾不变，保留其动力分散理论，改进之处在车头，车头实际上是集驾驶室为一体的轴流风机、混流式风机、离心式风机或回转式鼓风机的负压风机，利用一节车厢作为负压风机机壳风筒，前1/4侧、顶部为透明材料，不影响司机视野，后1/4侧、顶部为百叶窗式排风口，斜向后，不增加风阻，利用箱体内外压差及风速差排风，底部不设排风口防止升力。驾驶操纵室为圆锥子弹头形，由五片或多片型钢与机壳风筒连接，型钢整体或尾端扭转既起到支撑驾驶室又起到进口集流器作用，引导风向向叶轮翼型升力旋转方向，风向非水平轴向，提高风轮升力、减小阻力，从而提升风能利用率，能否突破贝茨极限有待理论计算及风洞实验检测。
型钢扭转弧度根据风机类型匹配，轴流式、混流式、离心式或回转式鼓风机均可，风轮叶形也需根据风向设计，尽可能增加升力减小阻力，刷新贝茨极限。
电动机按供电电源设计高频变频电动机，按需要改变电动机转速。异步感应电机、永磁电机、永磁无铁芯电机均可，永磁无铁芯电机的节能、磁滞阻尼小等优越性或许更好，在此不展开讨论。进站减速时利用电机的逆运行原理还可发电储能。
叶轮的旋转动能来自于风能及电机的共同作用，大部分由列车高速行驶产生的风再利用的风能提供，减速进站时电动机停止供电不形成车头负压，电动机的功率消耗主要在形成负压所需的电功率上。在这里，风的动能被直接利用，而不是转化为电能再处理为可用的稳定的电能然后再转化为动能，来达到既不增加中间成本又不增加中间损耗的效果。叶轮轮毂直径等于驾驶室直径，桨叶宽短翼型，单叶片、双叶片或多叶片各有利弊，需根据实际应用理论结合实验数据验证。电动机的支架可起导流片作用，抑制湍流，轴流或混流风机加半环形弧向后上方半管将风引向百叶窗排风口，离心风机可直接将风引向百叶窗排风口。
尽管上文对本发明做了详细说明，但本发明不限于此，例如选用风机的形式、风机叶形、电动机选用还需经过理论与实践的进一步验证，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按本发明的原理进行的各种修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。