НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ МАХОВИКА С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

Область техники
Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в энергетике в качестве стационарного накопителя энергии.
Предшествующий уровень техники
Известен накопитель энергии, содержащий маховик, выполненный с валом, корпус, в котором понижено давление газовой среды и в котором установлен маховик, электромашину, выполненную с обеспечением вращения ее вала, гибкий вал, установленный вертикально, при этом вал электромашины связан с валом маховика посредством гибкого вала. (Книга Дж. Джента, «Накопление кинетической энергии», М., Мир, 1988, стр.207, рис.4.7).
Недостатком устройства является малый передаваемый гибким валом крутящий момент, а также большие изгибные напряжения, возникающие в гибком валу.
Известен инерционный аккумулятор, характеризующийся применением вращающегося диска и осью, подвешенного на одном или нескольких шариковых пружинных подпятниках, заключенных в футляре с гидравлическим затвором, причем футляр шарнирно подвешен внутри замкнутого кожуха, вмещающего упомянутый диск и заключающего разряженный воздух, при этом на оси закреплен якорь динамо-мотора, расположенный внутри кожуха или вне его при выведенной наружу оси. (SU, 2290).
Устройство имеет сложную конструкцию, и его ограничением являются достаточно большие вибрационные нагрузки на маховик.
Наиболее близким является накопитель энергии, содержащий маховик, выполненный с валом, корпус, в котором понижено давление газовой среды и в котором установлен маховик, электромашину, выполненную с обеспечением вращения ее вала, при этом вал электромашины связан с валом маховика посредством вала вертикального подвеса, установленного в корпусе подвески и снабженного подпружиненными опорами качения. (Книга, Н.В. Гулиа, «Инерционные аккумуляторы энергии», Воронеж, ВГУ, 1973, стр.54, рис.27).
В этой конструкции маховичного накопителя с вертикальной осью вращения маховик связан с ротором электромашины и подвешен к нему на шаровом шарнире, причем ротор электромашины, воспринимающий силу тяжести маховика, зафиксирован в упругом подшипниковом подвесе, содержащем несколько упорных подшипников, упруго закрепленных на упомянутом подвесе на пружинах сжатия. Конструкция имеет те же функциональные элементы, что и техническое решение по SU, 2290.
К недостаткам ближайшего аналога можно отнести следующее:
- электромашина и упорные подшипники подвеса подвержены высокочастотному вращению вокруг оси от шарнира на корпусе до оси инерции маховика по окружностям вдоль образующей конуса от центра шарнира до геометрического центра маховика;
- сам маховик подвержен угловым высокочастотным перемещениям по конусу от вершины в центре шарнира до геометрического центра маховика, что вызывает гироскопические нагрузки.
Раскрытие полезной модели
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик за счет обеспечения неизменного горизонтального положения вращающегося маховика, а также неизменного вертикального положения оси подвеса.
Технический результат, который получен при выполнении заявленной полезной модели - уменьшение гироскопических и вибрационных нагрузок на всю конструкцию.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном накопителе энергии, содержащем маховик, выполненный с валом, корпус, в котором понижено давление газовой среды и в котором установлен маховик, электромашину, выполненную с обеспечением вращения ее вала, при этом вал электромашины связан с валом маховика посредством вала вертикального подвеса, установленного в корпусе подвески и снабженного подпружиненными опорами качения, согласно заявленному устройству введен элемент гибкой связи, а вал вертикального подвеса связан с валом маховика элементом гибкой связи.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- элемент гибкой связи был бы выполнен в виде карданного вала;
- были бы использованы, по меньшей мере, две подпружиненные опоры качения, исполненные в виде упорных шарикоподшипников, каждый из которых выполнен с вращающимся кольцом, закрепленном на валу вертикального подвеса, и с невращающимся кольцом, установленным в корпусе подвески с возможностью его осевого перемещения, для чего каждая из пружин подпружиненной опоры качения выполнена в виде тарельчатой пружины, установленной между невращающимся кольцом и элементом ограничения ее прогиба, закрепленном на корпусе подвески.
Указанные преимущества полезной модели, а так же ее особенности поясняются с помощью варианта, представленного на чертеже.
Осуществление полезной модели
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.
Накопитель энергии содержит маховик 1, выполненный с валом 2, корпус 3, в котором понижено давление газовой среды и в котором установлен маховик 1. Электромашина 4 (обратимая) выполнена с обеспечением вращения ее вала 5. Вал 5 электромашины 4 связан с валом 2 маховика 1 посредством вала 6 вертикального подвеса 7, установленного в корпусе 8 подвески и снабженного подпружиненными опорами 9 качения. В устройство веден элемент 10 гибкой связи, а вал 6 вертикального подвеса 7 связан с валом 2 маховика 1 элементом 10 гибкой связи.
Элемент 10 гибкой связи может быть выполнен в виде карданного вала.
В устройстве могут быть использованы, по меньшей мере, две подпружиненные опоры 9 качения, исполненные в виде упорных шарикоподшипников. Каждый из упорных шарикоподшипников выполнен с вращающимся кольцом 11, закрепленном на валу 6 вертикального подвеса 7, и с невращающимся кольцом 12, установленным в корпусе 8 с возможностью его осевого перемещения. Для обеспечения осевого перемещения каждая из пружин 13 подпружиненной опоры 9 качения выполнена в виде тарельчатой пружины, установленной между невращающимся кольцом 12 и элементом 14 ограничения ее прогиба, закрепленном на корпусе 8. Элемент 14 ограничения перегиба может быть выполнен в виде диска, шайбы, втулки и т.п. На фиг.1 также показаны стопорные кольца 15 и 16 для крепления элементов 14 и вращающегося кольца 11, соответственно.
Работает накопитель энергии на основе маховика с вертикальной осью вращения следующим образом.
При включении электромашины 4 маховик 1 через элемент 10 гибкой связи и вал 6 вертикального подвеса 7 разгоняется, накапливая кинетическую энергию. Маховик 1, которому предоставлена свобода горизонтального перемещения (относительного, в небольших пределах), вращается вокруг своей оси инерции (проходящей через центр массы маховика 1), а элемент 10 гибкой связи передает это вращение валу 6, ось которого вертикальна. Положение вала 6 зафиксировано в корпусе 8 с помощью подпружиненных опор 9 качения, закрепленных в корпусе 8 подвески упруго. Под невращающиеся кольца 12 подложены пружины 13 (тарельчатые), благодаря которым все опоры 9 качения (как минимум две) равномерно нагружены силой тяжести маховика 1. Пружины 13 при определенной деформации имеют весьма малую жесткость, полезную для устранения вибраций и гироскопических нагрузок. Для предотвращения недозволенного прогиба пружин 13, например, при транспортировке установки, под пружины 13 подложены элементы 14 ограничения прогиба, преимущественно диски, зафиксированные в корпусе 7 стопорными кольцами 15. Ввиду того, что опоры 9 качения в заявленном устройстве равномерно загружены силой тяжести маховика 1, при достаточном их количестве (не менее двух, а реально - порядка 8…10-ти), нагрузка на них невелика, как невелик и диаметр опор 9, благодаря чему потери в опорах 9 незначительны, а долговечность достаточно большая.
Промышленная применимость Наиболее успешно накопитель энергии на основе маховика с вертикальной осью вращения промышленно применим в энергетике.