СПОСОБ ПОДГОТОВКИ К ЭКСПЛУАТАЦИИ, СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАХОВИКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR PREPARATION OF FLYWHEEL TO OPERATION, OPERATION PROCEDURE AND DEVICE FOR THEIR IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для накопления энергии в маховичных накопителях.
Известны конструкции маховичных накопителей энергии с монолитным маховиком, снабженных для безопасной при разрыве толстым защитным корпусом (см., например, Джента Дж. Накопление кинетической энергии. - М.: Мир, 1988, с.83-84, табл.2.6). Недостатком таких конструкций является большая масса и связанная с этим малая удельная энергоемкость, а также опасность, связанная с возможным пробоем корпуса.
Известны способы повышения энергоемкости и безопасности маховиков путем создания остаточных напряжений сжатия в их центральной части при раскрутке маховиков до частот вращения, при которых более напряженная центральная их часть претерпевает пластические деформации, а при остановке маховика эта часть оказывается сжатой, а периферийная часть, например, обод - несколько растянутой. Такой метод, называемый авторфеттированием, позволяет понизить максимальные растягивающие напряжения, наиболее опасные для маховиков, практически в 1,5 раза, что во столько же раз увеличивает удельную энергоемкость маховиков (см. Джента Дж. Накопление кинетической энергии. - М.: Мир, 1988, с.90-91). Однако этот способ, принятый за прототип, в части способа, не исключает разрыва маховика, как при афтофреттировании, так и при эксплуатации в случае превышения допустимых частот его вращения, а следовательно, напряжений растяжения и недопустимого увеличения диаметра вращающегося маховика.
Известна конструкция маховичного (инерционного) накопителя энергии, позволяющая надежно ограничить частоту вращения маховика, не допуская ее опасной величины, а следовательно, и разрыва маховика (см. авт. свид. СССР № 1052757, F16F 15/30, 08.07.1983 г., «Инерционный аккумулятор», авторы Н.В.Гулиа и А.Г.Серх). Эта конструкция, принятая за прототип в части устройства, включает маховик в виде конического диска с ободом в корпусе, распрямляющегося при вращении до соприкосновения обода с тормозной накладкой на корпусе при опасных частотах вращения. Однако конструкция эта не позволяет автофреттирования, так как конический диск при этом необратимо выпрямляется. Также недостатком ее является то, что осевое перемещение обода является лишь следствием его упругого удлинения, оно неточно отражает опасные частоты вращения маховика и не может гарантировать надежной остановки маховика при опасности его разрыва.
Задачей изобретения является повышение энергоемкости и безопасности маховика маховичного накопителя энергии путем автофреттирования маховика при гарантированном ограничении упругого увеличения диаметра маховика, а стало быть, и напряжений в нем, а также эксплуатации маховичного накопителя с гарантированным ограничением упругого увеличения диаметра маховика и напряжений в нем с еще более жестким ограничением, чем при автофреттировании.
Указанная задача разрешается в накопителе энергии с монолитным маховиком в виде диска с ободом, вращающимся в корпусе, способом подготовки маховика к эксплуатации, заключающщемся в разгоне маховика до частоты вращения, при которой наступает пластическая деформация диска при упругой деформации обода, характеризующимся тем, что маховик перед началом его эксплуатации разгоняют в корпусе с калиброванным зазором между его внутренней цилиндрической поверхностью с тормозным покрытием на ней и внешней цилиндрической поверхностью обода маховика, ограничивая конкретную максимальную частоту его вращения путем соприкосновения внешней цилиндрической поверхности обода вращающегося маховика с неподвижным тормозным покрытием на внутренней цилиндрической поверхности корпуса, концентричной внешней цилиндрической поверхности обода при упругом увеличении диаметра обода маховика и частичной или полной пластической деформации его диска, затем разгон маховика прекращают и выдерживают вращающийся маховик при минимально возможном для свободного вращения зазоре его обода с тормозным покрытием до завершения пластической деформации диска маховика, а потом останавливают маховик.
Указанная задача разрешается при плановой эксплуатации монолитного маховика в виде диска с ободом, вращающегося в корпусе, способом эксплуатации маховика, заключающимся в том, что в корпусе с тормозным покрытием на его внутренней цилиндрической поверхности выполняют гарантированный калиброванный зазор между ней и внешней цилиндрической поверхностью маховика, равный увеличению радиуса маховика при его безопасной для эксплуатации упругой деформации, разгоняют маховик в упомянутом корпусе на подшипниках с подачей на него крутящего момента, а при возникновении касания маховика с тормозным покрытием прекращают подачу на него крутящего момента для разгона маховика.
Указанные способы для своей реализации предполагают устройство, включающее накопитель энергии, содержащий корпус, на котором в подшипниках закреплен маховик, с возможностью периодического соединения его с двигателем для разгона, характеризующееся тем, что внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса выполнена строго концентричной внешней цилиндрической поверхности обода маховика, и на этой поверхности корпуса выполнено тормозное покрытие с кольцевым гарантированным калиброванным зазором между ним и внешней цилиндрической поверхностью обода маховика.
Другой особенностью предложенного устройства является то, что кольцевой гарантированный калиброванный зазор между тормозным покрытием и внешней цилиндрической поверхностью обода маховика выполнен с учетом высот микронеровностей обеих сопрягающихся поверхностей.
Следующей особенностью предложенного устройства является то, что маховик выполнен составным из нескольких дисков с ободьями, идентичных по форме и размерам дисков и ободьев, за исключением мест их присоединения друг к другу и к валам, несущим опоры и передающим крутящий момент.
Следующей особенностью предложенного устройства является то, что тормозное покрытие выполнено из материала с модулем упругости, а также с температурой плавления, испарения и разложения, меньшими, чем у маховика и корпуса, и с сопротивлением истиранию меньшим, чем у обода маховика, и с теплопроводностью, соизмеримой с теплопроводностью материала корпуса.
Следующей особенностью предложенного устройства является то, что маховик, цельный или составной, выполнен из мартенситно-стареющей стали.
Следующей особенностью предложенного устройства является то, что тормозное покрытие выполнено с кольцевыми выступами на ее внутренней цилиндрической поверхности.
Упомянутые особенности позволяют получить технический результат, заключающийся в повышении энергоемкости и безопасности эксплуатации маховика маховичного накопителя энергии.
Устройство представлено на фиг.1. На фиг.2 изображен фрагмент его продольного разреза.
Устройство для осуществления заявленных способов состоит из корпуса 1, в котором на подшипниках 2 помещен маховик 3 (обведен штриховой линией) в данном случае составной, составленный из трех дисков 4 с ободьями 5. Ободья 5 скреплены между собой с возможностью центрирования и осевой фиксации, например, кольцами 6 с резьбой и на клею. На внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 выполнено тормозное покрытие 7, взаимодействующее с ободьями 5 при упругом увеличении диаметра маховика 3 при его вращении с определенной предельной угловой скоростью. В корпусе 1 выбирается кольцевой гарантированный калиброванный зазор 8 между тормозным покрытием 7 и внешней цилиндрической поверхностью ободьев 5 маховика 3 с учетом микронеровностей на их поверхностях. Покрытие 7 выполняется из материала с модулем упругости, температурой плавления, испарения или разложения, меньшими, чем у материала корпуса 1, например, из пластических материалов, в том числе из фторопластов, у которых сопротивление истиранию значительно меньше, чем у ободьев 5. Для повышения теплопроводности тормозного покрытия, что необходимо для лучшего отвода тепла при трении ободьев 5 о тормозное покрытие 7, материал тормозного покрытия 7 насыщается, например, медным порошком. Внутренняя цилиндрическая поверхность тормозного покрытия 7 может быть выполнена с кольцевыми выступами 9 различной высоты и с различными расстояниями между ними. В частности, между выступами большей высоты выполнены расстояния большие, чем между выступами меньшей высоты. Кольцевой гарантированный калиброванный зазор 8 в случае наличия выступов 9 выполнен между вершинами больших выступов и внешней цилиндрической поверхностью ободьев 5. Маховик может быть выполнен из высокопрочной и вязкой стали, лучше всего, как это и выполняется в зарубежных конструкциях из мартенситно-стареющей стали с высоким пределом прочности (свыше 2,8 ГПа), текучести (свыше 2,5 ГПа), и как известно, с высоким относительным удлинением при разрушении от пластических деформаций - свыше 6…8%, и малочувствительной к трещинам и другим концентраторам напряжений. Между корпусом 1 и выходным валом 10 маховика 3 установлено уплотнение 11, например, герметичное, позволяющее поддерживать в корпусе 1 вакуум для уменьшения потерь при вращении маховика 3.
Заявляемые способы, для осуществления которых предложено вышеописанное устройство, выражается в работе устройства, которая происходит следующим образом. До начала плановой эксплуатации маховичного накопителя энергии маховик 3 подготавливается к ней - подвергается автофреттированию, заключающемуся в том, что его разгоняют за вал 10 до частоты вращения, когда диски 4, напряженные больше, чем ободья 5, переходят в пластическое состояние и деформируются, увеличивая свой диаметр. При этом менее напряженные ободья 5 остаются в упругой зоне деформации, в том числе и при частоте вращения маховика 3, когда ободья 5, упруго увеличивая свой диаметр, коснутся тормозного покрытия 7. В случае выполнения тормозного покрытия 7 с кольцевыми выступами 9 касание сперва происходит по высоким выступам, а в случае их износа касание переходит на меньшие по высоте выступы. В любом случае первоначальное касание происходит по микронеровностям тормозного покрытия 7 и ободьев 5, которые следует учитывать при выборе калиброванного гарантированного зазора 8.
Величина зазора 8 зависит в первую очередь от диаметра маховика 3 и частоты вращения, вызывающей его растяжение. Например, при диаметре маховика 3, равного 1000 мм и напряжениях в ободьях 5, равных допустимым, например при автофреттировании, для мартенситно-стареющей стали - 2 ГПа (при пределе текучести свыше 2,5 ГПа), увеличение диаметра маховика составит около 10 мм, а изменение расстояния между маховиком 3 и корпусом 1-5 мм. Стало быть, кольцевой гарантированный калиброванный зазор 8 составит именно 5 мм. При этом ободья 5 сперва коснутся высоких выступов 9, а по мере их износа - выступов 9, меньших по высоте. В момент касания маховиком выступов 9 разгон маховика 3 прекращается (моментом прикосновения ободьев 5 к тормозной поверхности 7 может служить, например, появление вращающего момента на корпусе 1), и маховик 3 выдерживают при этой частоте вращения, которая соответствует отсутствию касания ободьев 5 тормозной поверхности 7. Зазор в этом режиме может составлять около 0,5 мм и меньше для рассматриваемого диаметра маховика. В аналогичных условиях работают, например, некоторые осевые компрессоры газотурбинных двигателей, где зазор вырабатывают сами лопатки при их контакте с тормозной поверхностью корпуса, выполняемой часто из полимеров (см. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей (под общей редакцией Д.В.Хронина), - М.: Машиностроение, 1989 г., с.121-123). При упругой радиальной деформации упомянутого маховика 3, равной 5 мм, напряжения в дисках 4 превысят предел текучести и диски 4 пластически деформируются. Выдерживание маховика 3 вращающимся в корпусе 1 при частоте вращения, соответствующей увеличению зазора, например, на 0,5 мм (чуть меньшей максимальной частоте вращения, при которой произошел контакт ободьев 5 с тормозной поверхностью 7) в течение определенного времени, например 15 минут, стабилизирующей величину пластической деформации дисков 4. При остановке маховика 3 он окажется в автофреттированном состоянии, когда ободья 5 несколько растянуты, а диски 4 - сжаты. Это позволяет достигнуть частоты вращения маховика 3, той, которая была при автофреттировании, без риска вызвать опасные пластические деформации дисков 4.
При плановой эксплуатации маховика накопителя энергии частота вращения, а стало быть и упругая деформация ободьев 5 должны быть меньше, чем при автофреттировании, для надежного предохранения маховика 3 от разрыва. Поэтому допустимые напряжения растяжения для ободьев 5 могут быть сокращены, например, до 1,2 ГПа. Диаметр маховика 3 при этом составит 1005,7 мм, а диаметр внутренней цилиндрической тормозной поверхности 7 должен быть примерно равен этому же размеру (включая выступы 9 и соответствующие микронеровности). Это позволит достигать маховиком 3 частот вращения достаточно высоких, но безопасных по разрыву от пластических деформаций дисков 4. Диаметр тормозной поверхности 7 при этом необходимо уменьшить по сравнению с тем, что был при автофреттировании, в данном случае на 4…4,3 мм, что приведет к уменьшению калиброванного гарантированного зазора 8. Это может быть достигнуто как постановкой более толстой тормозной поверхности, так и наращиванием имеющегося, например, напылением, покрытием и пр. При этом даже случайное превышение частоты вращения маховика 3, вызывающее упругую деформацию ободьев 5, приводящую к касанию их тормозной поверхности 7, вызовет интенсивный износ выступов 9, в первую очередь высоких, и настолько высокий момент сопротивления вращению маховика 3, который не сможет преодолеть источник вращения маховика 3 (например, двигатель). Кроме того, подача маховику крутящего момента при этом сразу же прекращается. Конструкция становится практически гарантированной от опасности случайного разрыва маховика 3.