МАХОВИЧНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в области энергетики.
Известен накопитель энергии на основе ленточных супермаховиков, содержащий корпус, выполненный герметизированным, вал, предназначенный для подсоединения сверху к электромашине, маховик, кинематические средства связи вала с маховиком, две опоры качения, маслонасос, которые установлены внутри корпуса, канал для подачи масла в опору качения, причем опоры качения выполнены с возможностью протекания масла через них и смазывания их тел качения, при этом ниже нижней опоры качения выполнен слив масла в маслонасос, уплотнение. В устройстве 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, из промежуточного вала и из стойки, внизу которой выполнен масляный резервуар, сообщенный с верхним краем стойки каналом для подачи масла в верхнюю опору качения. (RU, U1, №144074, F16F 15/315, опубл. 10.08.2014).
В этом устройстве вал установлен вертикально, а маслонасос выполнен винтовым. Устройство имеет обойму, выполненную с отверстием для протекания масла. Кинематические средства связи вала с маховиком также выполнены из компенсирующей муфты, установленной между валом и промежуточным валом. Промежуточный вал соединен с трубой через упор верхней опоры качения с образованием зазора между его нижним торцом и верхним краем стойки, расположенной над верхней опорой качения. Маховики закреплены на наружной поверхности трубы между фланцами, а опоры качения установлены между внутренней поверхностью трубы и наружной поверхностью стойки, на поверхности которой, обращенной к нижнему фланцу трубы, выполнен осевой упор нижней опоры качения. Обойма установлена на краю торца стойки с масляным резервуаром и на ее внутренней поверхности, обращенной к нижнему фланцу, выполнена кольцевая канавка, которая сообщена с масляным резервуаром отверстиями для протекания масла и в которой установлена часть края трубы, отступающего от нижнего фланца. Маслонасос образован винтовыми канавками на стенке кольцевой канавки и/или винтовыми канавками на стенке упомянутой части края трубы. Используются упругие опоры, установленные между наружной поверхностью обоймы и днищем корпуса, а уплотнение установлено на валу над компенсирующей муфтой.
В устройстве обеспечивается вакуумирование корпуса и смазка опор качения, что повышает количество накопленной энергии, улучшает надежность, упрощается система смазки, уменьшаются габариты устройства при использовании нескольких маховиков.
Существенным ограничением этого технического решения является невозможность его использования для накопителя энергии с горизонтальным расположением вала - осью вращения ленточных маховиков. Кроме того, в устройстве можно использовать только винтовой маслонасос, описанной выше конструкции.
Наиболее близким является маховичный накопитель энергии с горизонтальной осью вращения, содержащий корпус, выполненный вакуумированным, вал, установленный горизонтально в корпусе, по меньшей мере один маховик, установленный на валу в корпусе, опоры качения, вакуумное уплотнение, установленное между валом и корпусом. (RU, U1, №121885, F16H 33/20, F16F 15/30, опубл. 10.11.2012).
В этом устройстве часть корпуса заведена в виде трубы в сквозное центральное отверстие в маховике, между цилиндрической стенкой отверстия и трубой корпуса расположены в ряд опоры качения, а выходной вал выполнен проходящим сквозь трубу корпуса. Опоры качения могут быть выполнены каскадными, а герметичное уплотнение -магнитожидкостным.
В этом техническом решении достигается снижение потерь энергии на вращение маховика как аэродинамических за счет вакуумирования корпуса, так и на трение в опорах качения за счет расположения их в ряд.
Основным ограничением этого устройства является отсутствие смазки опор качения, что увеличивает потери мощности при вращении маховика, уменьшает величину накопленной энергии за короткий интервал времени и ухудшает надежность при использовании нескольких маховиков. Кроме того, недостаток этого устройства заключается в несимметричности опорного узла - трубы, изгибная жесткость которого сильно меняется по длине, что может вызвать вредные прецессионные процессы при вращении, а также то, что часть подшипников выполнена с вращающимися внешними кольцами, что снижает долговечность опор.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Достигаемым техническим результатом полезной модели является обеспечение минимальных потерь мощности при вращении маховика за счет смазки опор маховика в условиях вакуума, повышение надежности и срока эксплуатации.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном маховичком накопителе энергии с горизонтальной осью вращения, содержащем корпус, выполненный вакуумированным, вал, установленный горизонтально в корпусе, по меньшей мере один маховик, установленный на валу в корпусе, опоры, выполненные из подшипников, уплотнение, установленное между валом и корпусом, согласно заявленной полезной модели опоры установлены в корпусах подшипников на концах вала снаружи корпуса и использованы два уплотнения, установленные в области опор наружных поверхностей крайних подшипников, обращенных друг к другу, введена система смазки, выполненная из нижнего и верхнего резервуаров, частично заполненных жидкой смазкой, из насоса, расположенного в нижнем резервуаре, из первого трубопровода, сообщенного отрезком с нижним и верхним резервуаром, из второго трубопровода, выполненного в виде двух отрезков, сообщенных с верхним резервуаром и емкостями корпусов для подшипников, из третьего трубопровода, выполненного в виде двух отрезков, сообщенных с емкостями корпусов для подшипников и нижним резервуаром, выходной конец вала снабжен масляным уплотнением, установленным между выходным концом вала и корпусом для подшипников, сопряженным с выходным концом вала, при этом система смазки выполнена с возможностью циркуляции жидкой смазки из верхнего в нижний резервуар и обратно посредством насоса, первого, второго и третьего трубопроводов через емкости корпусов для подшипников.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- нижний резервуар, верхний резервуар и корпуса для подшипников были выполнены вакуумированными, а масляное уплотнение - вакуумным;
- были введены датчики уровня жидкой смазки, расположенные в нижнем и верхнем резервуарах;
- нижний и верхний резервуары были выполнены с углублениями, расположенными внизу нижнего и верхнего резервуара, первый трубопровод сообщен своим отрезком с насосом в области углубления нижнего резервуара и с верхним резервуаром в области его боковой стенки сверху, второй трубопровод сообщен своими двумя отрезками с углублением верхнего резервуара и емкостями корпусов для подшипников сверху, третий трубопровод сообщен своими двумя отрезками с емкостями корпусов для подшипников снизу и с нижним резервуаром в области его боковой стенки сверху;
- был введен четвертый трубопровод, по меньшей два отрезка которого сообщены с внутренней поверхностью днища корпуса и с нижним резервуаром - сверху;
- уплотнения, установленные в области наружных поверхностей крайних подшипников, были выполнены контактными и герметичными, или бесконтактными - лабиринтными или винтоканавочными;
- нижний и верхний резервуары были снабжены оребрением;
- насос был выполнен погружным;
- был введен по меньшей мере один центрирующий элемент, установленный в корпусе на наружной поверхности вала между ним и маховиком.
Указанные преимущества, а также особенности настоящей полезной модели поясняются с помощью лучшего варианта его выполнения со ссылками на фигуру.
Фигура 1 схематично изображает продольное сечение заявленного устройства.
Маховичный накопитель энергии с горизонтальной осью вращения (фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный вакуумированным, вал 2, установленный горизонтально в корпусе 1, по меньшей мере один маховик 3, установленный на валу 2 в корпусе 1 (на фиг. 1 показано несколько маховиков), опоры 4, выполненные из подшипников, уплотнение 5, установленное между валом 2 и корпусом 1.
Опоры 4 установлены в корпусах 6 для подшипников на концах вала 2 снаружи корпуса 1. Использованы два уплотнения 5, установленные в области опор 4 наружных поверхностей крайних подшипников, обращенных друг к другу. Введена система смазки, выполненная из нижнего и верхнего резервуаров 7, 8, частично заполненных жидкой смазкой, из насоса 9, расположенного в нижнем резервуаре 7, из первого трубопровода 10, сообщенного отрезком с нижним и верхним резервуаром 7, 8, из второго трубопровода 11, выполненного в виде двух отрезков, сообщенных с верхним резервуаром 8 и емкостями корпусов 6 для подшипников, из третьего трубопровода 12, выполненного в виде двух отрезков, сообщенных с емкостями корпусов 6 для подшипников и нижним резервуаром 7. Выходной конец вала 2 снабжен масляным уплотнением 13, установленным между выходным концом вала 2 и корпусом 6 для подшипников, сопряженным с выходным концом вала 2. Система смазки выполнена с возможностью циркуляции жидкой смазки из верхнего резервуара 8 в нижний резервуар 7 и обратно посредством насоса 9, первого, второго и третьего трубопроводов 10, 11, 12 через емкости корпусов 6 для подшипников.
Для усовершенствования устройства и улучшения качества смазки нижний резервуар 7, верхний резервуар 8 и корпуса 6 для подшипников выполнены вакуумированными, а масляное уплотнение 13 - вакуумным.
Могут быть введены датчики 14 уровня жидкой смазки, расположенные в нижнем и верхнем резервуарах 7, 8, соответственно.
Дополнительным усовершенствованием является то, что нижний и верхний резервуары 7, 8 выполнены с углублениями 15, 16, расположенными внизу нижнего резервуара 7 и верхнего резервуара 8 соответственно. Первый трубопровод 10 сообщен своим отрезком с насосом 9 в области углубления 15 нижнего резервуара 7 и с верхним резервуаром 8 в области его боковой стенки сверху. Второй трубопровод 11 сообщен своими двумя отрезками с углублением 16 верхнего резервуара 8 и емкостями корпусов 6 для подшипников сверху. Третий трубопровод 12 сообщен своими двумя отрезками с емкостями корпусов 6 для подшипников снизу, и с нижним резервуаром 7 в области его боковой стенки сверху.
Кроме того, может быть введен четвертый трубопровод 17, по меньшей два отрезка которого сообщены с внутренней поверхностью днища корпуса 1 и с нижним резервуаром 7 - сверху.
Уплотнения 5, установленные в области наружных поверхностей крайних подшипников, могут быть выполнены контактными и герметичными или бесконтактными - лабиринтными или винтоканавочными.
Для улучшения теплоотдачи между жидкой смазкой и окружающей средой нижний и верхний резервуары 7, 8 снабжены оребрением (на фиг. 1 не показано).
Насос 9 может быть выполнен погружным.
Для улучшения работы при высоких скоростях вращения маховиков 3 может быть введен по меньшей мере один центрирующий элемент 18, установленный в корпусе 1 на наружной поверхности вала 2 между ним и маховиком 3.
Работает устройство (фиг. 1) следующим образом.
С целью достижения технического результата полезной модели - обеспечения минимальных потерь мощности при вращении маховика 3 в условиях вакуума, повышения надежности и срока эксплуатации к опорам 4 качения необходимо подводить жидкую смазку (вакуумную). До откачки воздуха из корпуса 1 нижний и верхний резервуары 7, 8 частично заполняются такой жидкой смазкой. Затем из корпуса 1 откачивается воздух.
Для вывода вала 2 вращения из корпуса 6 для подшипников (как показано на фиг. 1, например, левой опоры 4) служит масляное уплотнение 13, которое при вакуумировании нижнего резервуара 7, верхнего резервуара 8, корпусов 6 для подшипников опор 4 также выполняет функцию вакуумного уплотнения.
Чтобы снизить энергетические потери, количество подводимой жидкой смазки к опорам 4 должно быть точно дозировано. К опорам 4 подается жидкая смазка, изолированная от атмосферы. Для этого предусмотрены два резервуара 7, 8 - нижний и верхний, а также первый, второй и третий трубопроводы 10, 11 и 12 с определенным, заранее рассчитанным сечением, исходя из условий работы опор 4 (скорости вращения подшипников и их конструктивных особенностей), требуемых для дозированного поступления смазки в опоры 4 качения. Под действием силы тяжести жидкая смазка из верхнего резервуара 8 через опоры 4 качения 2, дозировано смазывая их, перетекает в нижний резервуар 7.
Насос 9 обеспечивает циркуляцию жидкой смазки. Он включается по сигналу с датчика 14 уровня, расположенного в верхнем резервуаре 8 (при понижении уровня смазки) и датчика 14 уровня, расположенного в нижнем резервуаре 7 (при повышении уровня смазки). Нижний и верхний резервуары 7, 8 могут быть выполнены с оребрением для увеличения теплоотдачи между жидкой смазкой и атмосферой.
Уплотнения 5 обеспечивают герметичность между опорами 4 и корпусом 1. Они могут быть выполнены как контактными, так и бесконтакными, например, лабиринтными или винтоканавочными. Основное назначение уплотнений 5 при выполнении вакуумированными нижнего и верхнего резервуаров 7, 8 и корпуса 6 для подшипников - при работе не допустить попадание жидкой смазки в корпус 1.
Для надежной подачи жидкой смазки из верхнего резервуара 8 при наклоне устройства предусмотрено углубление 16, из которого жидкая смазка равномерно поступает в отрезки второго трубопровода 11 и, соответственно, равномерно распределяется в опорах 4. Углубление 15 в нижнем резервуаре 7 гарантирует надежную работу насоса 9. В случае проникновения в корпус 1 жидкой смазки через уплотнения 5 предусмотрен четвертый трубопровод 17, по меньшей мере два отрезка которого сообщены с внутренней поверхностью днища корпуса 1 и с нижним резервуаром 7 - сверху.
По меньшей мере один центрирующий элемент 18, установленный в корпусе 1 на наружной поверхности вала 2 между ним и маховиком 3, служит для снижения потерь энергии при вращении маховика 3.
Наиболее успешно заявленный «Маховичный накопитель энергии с горизонтальной осью вращения» промышленно применим в энергетике.