ЛЕНТОЧНЫЙ СУПЕРМАХОВИК

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для накопителей энергии в энергетике.
Известен супермаховик с ободом, навитым из гибкого прочного материала и центром, выполненным в виде диска с упругими неметаллическими лепестками, прикрепленными к его периферии, и удерживающими на нем обод (SU, №440514, публ. 1974).
Недостатком устройства является малая надежность контакта чашеобразных колец с ободом, связанных с последним только с помощью пружинящих элементов.
Более надежное крепление витого обода со ступицей выполнено в устройстве «Маховик», (SU, №796577, публ. 1981).). В этом устройстве ступица выполнена из двух половинок, стянутых болтовым соединением, а периферические части ступицы, выполненные в виде отдельных лепестков, прижатых к фасонному пояску на ободе, упомянутым болтовым соединением, а витой обод расположен в кольцеобразной коробке, снабженной с внутренней стороны фасонным (коническим) пояском.
Недостатком этого устройства является также невысокая надежность, заключающаяся в недостаточности центрирования обода на ступице при увеличении диаметра обода, что связано с высокой частотой вращения. При рабочих частотах вращения обода диаметром в один метр увеличение его диаметра может достигать 3÷4 см, что приводит к нарушению надежной его связи с лепестками на ступице.
Известен ленточный маховик, содержащий ленту, упругий центр, на который навита лента, клеевой слой, расположенный между витками ленты, причем ширина ленты последнего витка выбрана меньшей, чем ширина остальной ленты, и конец последнего витка ленты выполнен плавно зауженным как по ширине, так и по толщине, а торцевая часть конца последнего витка ленты выполнена с поперечным ответвлением, лента предыдущего постоянной ширины витка снабжена щелью, а поперечное ответвление вмонтировано внутри щели, с его склейкой и склейкой последнего витка ленты с лентой предыдущего постоянной ширины витка сплошным клеевым слоем, при этом торцевая часть конца последнего витка ленты снабжена вторым поперечным ответвлением, расположенным относительно продольной оси ленты симметрично упомянутому первому поперечному ответвлению, лента предыдущего постоянной ширины витка снабжена второй щелью, и второе поперечное ответвление вмонтировано внутри второй щели с его склейкой. (RU, U1, №148753, F16F 15/30, публ. 10.12.2014).).
Это устройство позволяет надежно закрепить ленту и несколько уменьшить динамическую разбалансировку, однако, центрирование маховика при высоких его оборотах все-таки является недостаточным.
Наиболее близким является маховик, содержащий вал, кольцо, выполненное с коническими боковыми фасками, обращенными к валу, два диска, установленные на валу и выполненные с коническими фасками с возможностью взаимодействия их поверхностей с коническими боковыми фасками кольца (SU, 1260594, F16F 15/30, публ. 1986 г).
В этом устройстве два кольца имеют небольшой диаметр и установлены в подпружиненных в направлении друг к другу цапфах.
Недостатки ближайшего аналога следующие:
- Цапфы имеют возможность осевого хода при упругой деформации пружин, что нежелательно при заданных размерах корпуса;
- Под действием гироскопических нагрузок при высоких скоростях вращения маховик может преодолеть упругость пружин и перекоситься на оси;
- Для повышения удельной энергии маховика при высоких скоростях вращения не предусмотрено снабжение диска высокопрочным, например, ленточным ободом;
- Устройство не позволяет из-за использования цапф собирать батарею из нескольких дисков, прилегающих друг к другу торцами, что обычно используется в маховичных накопителях для увеличения накопленной энергии.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который получен при выполнении заявленного устройства - повышение надежности и увеличение накопления энергии за счет улучшения центрирования при высоких скоростях вращения.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном маховике, содержащем вал, кольцо, выполненное с коническими боковыми фасками, обращенными к валу, два диска, установленные на валу и выполненные с коническими фасками с возможностью взаимодействия их поверхностей с коническими боковыми фасками кольца, согласно полезной модели два диска установлены на валу с возможностью передачи крутящего момента и осевого перемещения, введены лента, винты, слои клея, лента навита на наружную цилиндрическую поверхность кольца, а слои клея расположены между витками ленты, кольцо выполнено из упругого материала с модулем упругости, меньшим модуля упругости дисков, винты выполнены стягивающими диски между собой с обеспечением увеличения диаметра наружной цилиндрической поверхности кольца, а лента навита с натягом на наружную цилиндрическую поверхность кольца с обеспечением уменьшения диаметра наружной цилиндрической поверхности кольца.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- модуль упругости на растяжение материала кольца был не менее чем на порядок меньше модуля упругости на растяжение материала ленты;
- слои клея последних наружных витков ленты были выполнены с толщиной вдвое превышающей толщину слоев клея остальных витков;
- слои материала клея последних наружных витков ленты имели бы модуль упругости не менее чем вдвое меньше модуля упругости материала слоев клея остальных витков.
Специалистам понятно, что возможны и другие технические усовершенствования, дополняющие объем патентной охраны устройства, отраженный в независимом пункте формулы.
Указанные преимущества полезной модели, а также ее технические особенности поясняются с помощью варианта его выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж.
На фиг. 1 представлен продольный разрез ленточного супермаховика.
Маховик (фиг. 1) содержит вал 1, кольцо 2, выполненное с коническими боковыми фасками 3, обращенными к валу 1. Два диска 4 установлены на валу 1 и выполнены с коническими фасками 5 с возможностью взаимодействия их поверхностей с коническими боковыми фасками 3 кольца 2. Два диска 4 установлены на валу 1 посредством шлица 6 (ов), выполненного в нем. Введены лента 7, винты 8 и, например 9, слои 10 клея. Лента 7 навита на наружную цилиндрическую поверхность 11 кольца 2, а слои 10 клея расположены между витками ленты 7. Кольцо 2 выполнено из упругого материала. Винты 8, 9 выполнены стягивающими диски 4 между собой с обеспечением увеличения диаметра наружной цилиндрической поверхности 11 кольца 2. Лента 7 навита с натягом на наружную цилиндрическую поверхность 11 кольца 2 с обеспечением уменьшения диаметра наружной цилиндрической поверхности 11 кольца 2.
В устройстве модуль упругости на растяжение материала кольца 2 может быть выбран не менее чем на порядок меньше модуля упругости на растяжение материала ленты 7.
Слои 12 клея последних наружных витков ленты 7 могут быть выполнены с толщиной не менее чем вдвое превышающей толщину слоев 10 клея остальных витков (фиг. 1).
Слои 12 материала клея последних наружных витков ленты 7 могут иметь модуль упругости не менее чем вдвое меньше модуля упругости материала слоев 10 клея остальных витков.
Работает устройство следующим образом.
Ленточный супермаховик (фиг. 1) размещается на опорах вращения в корпусе с пониженными аэродинамическими потерями, например, вакуумированном (на фиг. 1 корпус не показан). Маховик включает в себя кольцо 2 с выполненными на нем коническими боковыми фасками 3, на наружную цилиндрическую поверхность 11 которого навита на клею с натягом лента 7, закрепленная на намотке своим внешним концом. Это закрепление может быть выполнено различными известными способами, например, ранее описанным способом (RU, №148753).
Лента 7 может быть выполнена из высокопрочного гибкого материала, например из стали с легирующими добавками (например, по ГОСТ №21996-76 «Лента стальная холоднокатаная термообработанная. Технические условия») или из неметаллического материала, например, графена (http://nanodigest.ru/stati/issledovaniia-i-razrabotki/grafen), обладающего высокой удельной прочностью. Кольцо 2 супермаховика выполнено из упругого прочного материала, модуль упругости которого на растяжение не менее, чем на порядок меньше такого у материала ленты 7. Кроме того последние витки ленты 7, числом не более 5, могут быть склеены между собой слоем 12 клея, аналогичным тому, которым склеены основные витки ленты 7, как по модулю упругости, так и по толщине склейки приклеенные к основной навивке ленты 7 слоем 10 клея, по толщине не менее, чем в двое превышающих склейку основных витков ленты 7, а по модулю упругости не менее, чем вдвое меньше такового в основной навивке.
Супермаховик также имеет два соосно расположенных диска 4 механически, например, на шлицах 6, связанных с валом 1 и воспринимающих крутящий момент.
Таким образом, супермаховик по сравнению с аналогом выполнен составным из кольца 2 и дисков 4, образующих ступицу маховика. Причем диски 4 выполнены с возможностью осевого перемещения по валу 1, например, по шлицам 6 под действием расположенных по окружности винтовых соединений (винты 8, 9), пропущенных через отверстия в дисках 4. Винтовые соединения предназначены для стягивания между собой дисков 4 ступицы, выполненных с коническими фасками 5 (с внутренними периферийными боковыми коническими поверхностями), с возможностью взаимодействия их поверхностей с коническими боковыми фасками 3 кольца 2. Кольцо 2 выполнено из материала, рассчитанного с запасом на прочность и упругие деформации при стягивании конических боковых фасок 3 кольца 2 коническими фасками 5 дисков 4 под действием затяжки винтовых соединений винтами 8 (или 9) в отверстиях в ступице, например, из «полиамида 66» или аналогичной прочной пластмассы. Штрихпунктирной линией показано положение дисков 4 ступицы и боковых поверхностей конических фасок 5 при отсутствии стягивания дисков 4 винтами 8 или 9.
При сборке супермаховика до навивки с натягом и на клею ленты 7 на кольцо 2 винтовыми соединениями стягиваются между собой диски 4 ступицы 7 (выполненные из материала с достаточной прочностью - стали, алюминиевого сплава и др.), из положения, изображенного штрихпунктирной линией в положение, изображенное сплошной линией (фиг. 1). При этом боковые поверхности конических фасок 5 дисков 4 ступицы сжимают поверхности конических боковых фасок 3 кольца 2 до положения, изображенного сплошной линией, увеличивая его диаметр наружной цилиндрической поверхности 11. Увеличение диаметра кольца 2 в реальной конструкции с диаметром в 1 метр не превышает 3÷4 миллиметра, что соответствует допустимым перемещениям и напряжениям кольца 2 из упругого материала. После этого производится навивка с натягом на слои 10 клея ленты 7, которая рассчитывается так, чтобы диаметр наружной цилиндрической поверхности 11 кольца 2 вернулся в прежнее положение, изображенное сплошной линией на фиг. 1.
При этом при неподвижном маховике наиболее напряженными оказываются боковые поверхности конических боковых фасок 3, а при вращении маховика с расчетной высокой угловой скоростью наиболее напряжена наружная цилиндрическая поверхность 11 кольца 2. Но давления всех контактирующих частой оказывается достаточно для передачи требуемого крутящего момента на вал 1 маховика. Проведенные расчеты и компьютерное моделирование подтверждает это. При превышении частоты вращения до недозволенных величин за счет того, что слои 12 клея последних наружных витков ленты 7 выполнены с толщиной вдвое превышающей толщину слоев 10 клея остальных витков или слои 12 материала клея последних наружных витков ленты 7 имеют модуль упругости не менее чем вдвое меньше модуля упругости материала слоев 10 клея остальных витков разрываются несколько внешних витков ленты 7, поскольку напряжения примерно в 1,4 раз больше, чем основная навивка ленты 7. И затем трение о внутреннюю поверхность корпуса тормозит маховик.
Наиболее успешно заявленное техническое решение «Ленточный супермаховик» промышленно применимо в энергетике и в различных отраслях машиностроения.