ЛЕНТОЧНЫЙ СУПЕРМАХОВИК
TAPE SUPER FLYWHEEL

Область техники
Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для накопления кинетической энергии в энергетике и на транспорте.
Уровень техники
Известна конструкция накопителя энергии на основе ленточных супермаховиков (RU 144074, МПК F16F 15/315, опубл. 10.08.2014.) где использованы, по меньшей мере, два маховика, кинематические средства связи вала с маховиком выполнены из трубы, снабженной фланцами, один из которых расположен снаружи на верхнем краю трубы, а другой - снаружи, отступающим от нижнего края трубы вдоль продольной оси. Недостатком аналога является возможность появления зазоров и расцентровки трубы и посаженных на нее маховиков при больших частотах вращения.
Известна также конструкция ленточного супермаховика, выполненного навивкой высокопрочной стальной лентой со склейкой витков на кольцеобразный элемент ступичного центра, где центрирование его ленточного обода, упруго увеличивающую свой диаметр при вращении, обеспечивается деформацией внешней части ступичного центра из упругого материала, снабженного отверстиями, дополнительно заполненными балластными грузами (RU 143702, МПК F16F 15/30, опубл. 27.07.2014). Недостатком известного решения является возможность расцентровки ступичных центров при больших частотах вращения. Известное устройство принято в качестве ближайшего аналога.
Техническим результатом изобретения является создание ленточного маховика с повышенной энергоемкостью, обусловленной увеличением ленточных ободов с обеспечением надежного центрирования быстровращающихся деталей ступичных центров и ленточного обода, повышение угловой и радиальной жесткостей внутренней части ступицы и, как следствие, увеличение частоты прохождения резонанса,  а также с удешевлением и упрощением технологии изготовления деталей устройства центрирования.
Для достижения технического результата при решении поставленной задачи ленточный супермаховик Техническим результатом полезной модели является создание ленточного маховика с повышенной энергоемкостью, обусловленной увеличением ленточных ободов с обеспечением надежного центрирования быстровращающихся деталей ступичных центров и ленточного обода, повышение угловой и радиальной жесткостей внутренней части ступицы и, как следствие, увеличение частоты прохождения резонанса,  а также с удешевлением и упрощением технологии изготовления деталей устройства центрирования.
Для достижения технического результата при решении поставленной задачи у ленточного супермаховика, содержащего ступицу с ленточным ободом, выполненным из высокопрочной ленты на клею, а ступица выполнена из материала с меньшими, чем у стали плотностью и модулем упругости, и устройство центрирования частей ленточного супермаховика, ступица выполнена составной как минимум из двух внешних частей   и одной  внутренней части  с кольцевыми выступами по количеству внешних частей ступицы,  причем на каждую из внешних частей ступицы навито по ленточному ободу, внутренняя часть выполнена единой и цельной, а передача крутящих моментов осуществлена через два фланца с прикреплёнными к ним валами, жестко закрепленных на торцах с внутренней части, причем упомянутое устройство центрирования  выполнено в виде, по меньшей мере, трех радиально сходящихся к центру пальцевых стержней, жестко связанных своими наружными концами с внешней частью, а внутренние концы пальцевых стержней установлены с возможностью скольжения их во внутренней части ступицы.
Возможны и другие варианты выполнения изобретения, согласно которым необходимо, чтобы:
- на части пальцевых стержней, входящие в контакт с внутренней частью ступицы, нанесена твердая смазка.
- балансировочные грузы были бы расположены с внешней стороны внешней части ступицы.
- пальцевые стержни были бы выполнены с полостью внутри.
- на внешней части ступицы были бы выполнены буртики для фиксации в осевом направлении первых навиваемых витков ленты.
- выступы внутренней части ступицы были бы выполнены для каждой внешней части ступицы отдельно друг от друга и разделены кольцевыми проточками.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, а именно: обеспечение надежного центрирования быстровращающихся деталей ступичных центров и ленточного обода, с возможностью легкого и дешевого изготовления устройства.
Сущность патентуемого изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображен разрез конструкции супермаховика;
на фиг. 2 изображен вид сбоку конструкции супермаховика.
Конструктивные элементы ленточного супермаховика, представленного на фигурах, имеют следующие обозначения:
1 – внешняя часть ступицы;
2 – ленточный обод, выполненный в виде навитой на внешнюю часть 1 ступицы ленты на клею;
3 – внутренняя часть ступицы;
4 – цилиндрические проточки во внутренней части ступицы;
5 – кольцевые выступы на внутренней части 3 ступицы по количеству внешних частей 1 ступицы;
6 – пальцевые стержни, которые могут быть выполнены   цилиндрической формы;
7 – полость, выполненная внутри пальцевых стержнях 6 для снижения их массы, например, в виде продольных отверстий;
8 – фланец для размещения вала 9;
9 – вал ленточного супермаховика;
10 – отверстие для балансировочного груза;
11 – отверстие для подгружающего груза;
12 – боковые бурты;
13 – резьбовой участок, выполненный на пальцевых стержнях 6;
14 – выступы внутренней части 3 ступицы.
Изобретение поясняется конкретным примером выполнения ленточного супермаховика, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.
Согласно изобретению, ленточный супермаховик состоит из ступицы с ленточным ободом. Ступица выполнена составной, а именно в виде как минимум двух внешних частей 1, на каждой из которых навит как минимум один ленточный обод 2 из высокопрочной ленты (например, стальной, графеновой и др.). Особенностью изобретения является то, что внутренняя часть 3 ступицы выполнена цилиндрической формы, единой для любого числа внешних частей 1 ступицы с навитыми на них ленточными ободьями 2. На внутренней части 3 ступицы выполнены цилиндрические проточки 4, образующие кольцевые выступы 5, на наружную поверхность которых насажены внешние части 1 ступицы. Устройство содержит средство центровки, расположенное между внешними 1 и внутренней 3 частями ступицы. Средство центровки выполнено в виде, по меньшей мере, трех пальцевых стержней 6 с резьбовым участком 13 на одном конце, расположенных другим концом в радиальных отверстиях, выполненных на каждом кольцевом выступе 5 с возможностью перемещения. При этом резьбовые участки 13 пальцевых стержней 6  связаны по резьбе с резьбовыми каналами, выполненными на внешних частях 1 ступицы. Кроме этого, пальцевые стержни 6 выполнены с внутренней полостью в виде  каналов 7 для уменьшения их массы. С торцевых сторон внутренней части  3 ступицы на её выступы 14 посажены фланцы 8 с валами 9, к которым могут подсоединяться источники вращения (например, электромашины).
Для выполнения балансировки ленточного супермаховика во внешней части 1 ступицы на боковой внешней стороне предусмотрены отверстия 10, в которые устанавливаются балансировочные грузы. Кроме этого, с целью утяжеления  супермаховика на боковой стороне внешней части 1 ступицы выполнены  отверстия 11 для размещения подгружающих грузов, необходимых для требуемого прижатия внешней части 1 ступицы к ленточному ободу 2 при его вращении. Для фиксации внутренних витков ленты ленточного обода 2 предусмотрены боковые бурты 12.
Устройство функционирует следующим образом.
При раскрутке супермаховика ленточный обод 2 увеличивает свой диаметр, при этом к его внутреннему витку ленты прижимается внешний ступичный центр 1, прижим которого увеличивают как пальцевые стержни 6, так и подгружающие и балансировочные грузы, установленные в соответствующих отверстиях 11 и 10. При этом материал внешнего ступичного центра 1 должен иметь соотношение модуля упругости и плотности близкое к тем же параметрам, что и у материала ленточного обода 2.
Ступица как единая, цельная деталь жестко связывает внешнюю часть 1 с ленточными ободьями 2, при этом отсутствие в ней отверстия гарантирует снижение напряжений в его материале, а также предотвращает появление зазоров между отверстием и валом, что является главным недостатком известных решений. Единая ступица также имеет повышенную угловую и радиальную жесткости, что значительно повышает частоту резонансных колебаний.
Пальцевые стержни 6, связывающие внутреннюю часть 3 ступицы с внешними частями 1 ступиц, обеспечивают их центрирование при появлении зазора между этими частями при повышении частоты вращения ленточного супермаховика. Этот объясняется тем, что оси пальцевых стержней 6 сходятся к центру, чем обеспечивается равенство радиальных зазоров между внутренней частью ступицы 3 и внешними частями ступиц 1, что автоматически обеспечивает центрирование ленточного супермаховика.
Цилиндрические проточки 4, как показывает компьютерное моделирование, значительно уменьшают изгиб кольцевых выступов 5 при вращении ленточного супермаховика, в которых установлены пальцевые стержни 6, уменьшая при этом их возможный перекос, который недопустим для правильного центрирования внешней части 1 ступицы и связанного с ним ленточного обода 2. Для предотвращения задиров и износа пальцевых стержней 6 при их скольжении в отверстиях кольцевых выступов 5 внутренней части 3 ступицы, возникающих при изменении частоты вращения ленточного супермаховика, участки трения пальцевых стержней 6 покрываются твердой смазкой, например, на основе соединений молибдена.   При вращении ленточного супермаховика повышенная масса пальцевых стержней 6 может вызвать недопустимый их прижим к внешней части 1 ступицы и ленточному ободу 2, что устраняется соответствующими отверстиями 7, выполненными в пальцевых стержнях 6.  Для правильного распределения напряжений при вращении супермаховика во внешней части 1 ступицы, а также его балансировки, в отверстия 10 и 11 вставлены соответствующие грузы.
Фланцы 8 с валами 9 плотно посажены на торцевые выступы внутренней части 3 ступицы с возможностью их охватывания снаружи, что обеспечивает сохранение плотной посадки при вращении. Его крепежные внецентровые элементы лишь незначительно заглублены во внутреннюю часть 3 ступицы и не требуют сквозных отверстий. Для предотвращения бокового перемещения начальных слоев ленты, навитой на внешнюю часть 1 ступицы, предусмотрены боковые бурты 12.
Таким образом, применение изобретения позволило существенно повысить  энергоемкостью ленточного маховика за счет увеличения количества ленточных ободов при одновременном обеспечении надежного центрирования быстровращающихся деталей ступичных центров и ленточного обода, повышение угловой и радиальной жесткостей внутренней части ступицы и, как следствие, увеличение частоты прохождения резонанса, а также удешевления и упрощения технологии изготовления деталей устройства центрирования за счет уменьшения механической обработки внутренний части ступицы.