ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО СУПЕРМАХОВИКА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к защитным устройствам (ЗУ) или к защитным кожухам (в широком смысле слова) маховичных накопителей энергии и может быть использована везде, где может применяться инерционный аккумулятор, в том числе на транспорте и в бытовых приборах.
Известна противоаварийная система супермаховика US 20060117904 А1 (опубл. 2006.06.08), представляющая собой особую «философию проектирования» маховичного накопителя энергии, направленную на предотвращение разрушения обода супермаховика и других деталей инерционного накопителя энергии. Недостатком системы является то, что все равно всегда имеется шанс, что разрушение обода маховика произойдет. Но полное разрушение обода и защитный кожух как таковой данным патентом не рассматриваются.
Известны ЗУ для удержания разорванных при испытаниях частей вращающихся деталей и улавливания осколков (SU 1695025 А2, опубл. 30.11.1991; SU 1612169 А1, опубл. 07.12.1990; SU 1515005 А1, опубл. 15.10.1989; SU 1057743 А1, опубл. 30.11.1983; SU 308270 А1, опубл. 02.08.1971) предназначенные для испытаний рабочих колес турбин и компрессоров и других вращающихся деталей на предельную частоту вращения. Однако эти устройства мало подходят в качестве защитного кожуха супермаховика, особенно при использовании его на транспорте и в быту, т.к. громоздки и имеют большую массу. По этой причине, а также в связи с назначением этих устройств, им не требуется никаких противопожарных систем.
Известна предохранительная оболочка маховика SU 1567823 А1, опубл. 30.05.1990, выполненная в виде хордовой намотки, размещенной по всей поверхности маховика. В качестве материала предохранительной оболочки используются композитные материалы, имеющие большую прочность, чем изотропный материал маховика. Однако у такой конструкции прочность материала больше в центре оболочки (там больше толщина), а не по краям, где при разрушении маховика наблюдаются наибольшие напряжения. Данная предохранительная оболочка предназначена для монолитного маховика, которому не требуется противопожарная система по причине его малой удельной энергии. Применение такой оболочки для супермаховика возможно только при использовании в ней прочного композитного материала, выдерживающего высокую температуру.
Известно противоразрывное ЗУ маховика SU 1530871 А1, опубл. 23.12.1989, содержащее корпус, гибкие элементы, «спицы» (цилиндрические или конические трубы), рабочее вещество, кожух. В процессе поглощения энергии разрушенного маховика участвует несколько механизмов гашения энергии: упругая и пластическая деформация корпуса и «спиц», сжатие и нагрев рабочего вещества. Рабочим веществом, заполняющим внутренние полости ЗУ является, например, вязкое масло, пористая резина, сыпучий порошок, и т.п. Недостатком устройства является его громоздкость и большая масса, что связано с тем, что рабочее вещество в нем только нагревается, а не плавится и не испаряется.
Известен маковичный накопитель энергии RU 97785 U1, опубл. 20.09.2010, корпус (защитный кожух) которого имеет изнутри тормозное покрытие с температурой плавления, испарения или разложения меньшими, чем у корпуса, с теплопроводностью соизмеримой с теплопроводностью материала корпуса. Для повышения теплопроводности тормозного покрытия его материал насыщается, например, медным порошком. Корпус выполняется так, что между тормозным покрытием и ободом маховика образуется кольцевой калиброванный зазор. Если деформация маховика превысит предельную, произойдет соприкосновение обода маховика и тормозного покрытия, возникнет сильный тормозной момент, который используется для отключения двигателя от маховика. Недостатком конструкции можно считать чувствительность к ударам, высокую точность а, следовательно, и стоимость изготовления кожуха. Данная конструкция маховичного накопителя предназначена для монолитного маховика и не сможет работать при использовании волоконного маховика [1, с.195]. Кроме того, данная конструкция ликвидирует только одну из четырех возможных причин разрушения маховиков - от превышения угловой скорости [1, с.185]. Данная конструкция не предназначена для полной утилизации кинетической энергии маховика, а только ограничивает частоту вращения. Усталостное разрушение может произойти и при сравнительно малой деформации [1, с.195], в этом случае отключение двигателя от маховика будет невозможно. На зазор могут влиять температуры маховика (аэродинамический разогрев при малом давлении под кожухом) и корпуса (температура окружающей среды). Используемое в аналоге тормозное покрытие, которое может испаряться, несколько напоминает предлагаемый в данном описании полезной модели слой пористого металла с порами, заполненными водой.
Известен защитный кожух с защитным кольцом, которое может проворачиваться внутри кожуха в случае разрушения маховика [1, с.194, 192-195]. Данный защитный кожух имеет следующий недостаток. В случае аварии высокоэнергетического волоконного маховика такой кожух сильно нагреется (см. ниже) и может стать причиной пожара. Кроме того, для обеспечения необходимой прочности прототип, изготовленный из стали, должен иметь достаточно большую массу.
Известен защитный кожух маховика [1, с.194-195], содержащий вакуумируемый корпус, защитное кольцо, намотанное из стальной ленты, подшипники с уплотнениями. Благодаря двум втулкам и двум монтажным кронштейнам в случае разрушения маховика весь корпус начинает вращаться в сторону вращения маховика, принимая на себя примерно 1/3 его энергии. Маховик с таким корпусом спроектирован для установки на транспортном средстве. Данный защитный кожух имеет следующие недостатки. При использовании подобного кожуха для высокоэнергетического волоконного маховика (супермаховика) в случае разрушения такого маховика вся установка сильно нагреется (2/3 энергии маховика при разрушении превращается в тепло) и может стать причиной пожара, особенно при бытовом или офисном использовании маховичного накопителя энергии (UPS компьютера, аварийное освещение квартиры, офиса и т.п.). Для обеспечения необходимой прочности такой кожух маховика должен иметь достаточно большую массу: масса корпуса с подвеской почти в два раза больше массы маховика [1, с.195]. Кроме того, при аварии транспортного средства у подобного корпуса может не оказаться возможности вращения из-за заклинивания оси вращения корпуса или сильного давления на корпус каких-либо элементов конструкции разрушенного транспортного средства.
Технический результат полезной модели направлен на устранение пожарной опасности высокоэнергетических волоконных маховиков и уменьшение массы защитного кожуха при неизменном запасе его прочности.
Технический результат для первого варианта исполнения достигается тем, что защитное устройство супермаховика содержит цилиндрический корпус, изготовленный из композитного материала, в котором создается вакуум; супермаховик; вал; подшипники; защитное кольцо, изготовленное из прочного материала и установленное внутри корпуса с возможностью проворачивания относительно него, причем возможность проворачивания защитного кольца относительно корпуса осуществляется за счет металлических игл и роликов, установленных на двух металлических кольцах-экранах, которые установлены между корпусом и защитным кольцом, а по торцам корпуса захватывают весь обод маховика; защитное устройство содержит слой прочного пористого металла, с порами, заполненными водой, установленный на защитное кольцо с его внутренней стороны, причем пористый металл покрыт со стороны обода маховика тонким разделяющим слоем металла, а со всех других сторон более толстым разделяющим слоем металла; защитное устройство содержит не менее одного клапана на каждом плоском торце корпуса, каждый клапан приварен (приклеен) к корпусу тонким герметичным швом с внешней стороны корпуса; над каждым клапаном установлены по две скрещенные скобы, закрепленные на внешней стороне корпуса; защитное устройство содержит мотор-генератор, разделенный диском маховика на две зеркально симметричные части; оба статора мотор-генератора установлены изнутри на плоские торцы корпуса с обеих сторон от диска маховика и содержат систему охлаждения; оба ротора мотор-генератора выполнены на постоянных магнитах заодно со ступицей маховика по обе стороны диска маховика.
Технический результат для второго варианта исполнения достигается тем, что защитное устройство супермаховика содержит цилиндрический корпус, изготовленный из композитного материала, в котором создается вакуум; супермаховик; вал; подшипники; защитное кольцо, изготовленное из прочного материала и установленное на внутренней боковой поверхности корпуса; защитное устройство содержит слой прочного пористого металла, с порами, заполненными водой, установленный на защитное кольцо с его внутренней стороны и охватывающий обод волоконного маховика, причем пористый металл покрыт со стороны маховика тонким разделяющим слоем металла, а со всех других сторон более толстым разделяющим слоем металла; защитное устройство содержит не менее одного клапана на каждом плоском торце корпуса, каждый клапан приварен (приклеен) к корпусу тонким герметичным швом с внешней стороны корпуса; снаружи на каждый клапан установлен патрубок, прикрепленный к внешней стороне корпуса, расположенный радиально, и имеющий около края корпуса отверстие (сопло) с осью направленной по касательной к корпусу, смотрящее в сторону вращения маховика и диаметром меньшим или равным диаметру отверстия клапана; внутри патрубка вокруг клапана установлены стержни, ограничивающие и одновременно направляющие движение клапана, и которые выполнены заодно с корпусом патрубка; осевое движение клапана ограничивается пружиной, упирающейся в дно патрубка, несжатой до срабатывания клапана; защитное устройство содержит мотор-генератор, разделенный диском маховика на две зеркально симметричные части; оба статора мотор-генератора установлены изнутри на плоские торцы корпуса с обеих сторон от диска маховика и содержат систему охлаждения; оба ротора мотор-генератора выполнены на постоянных магнитах заодно со ступицей маховика по обе стороны диска маховика; весь корпус защитного устройства установлен в U-образной опоре с возможностью вращения относительно нее. Корпус защитного устройства по второму варианту исполнения может быть установлен в нескольких соединенных звездой U-образных опорах с общей осью, с возможностью вращения относительно этой общей оси, либо в раме с возможностью вращения относительно нее.
Вместо пористого металла в обоих вариантах исполнения можно использовать тонкостенные металлические трубки малого диаметра, плотно уложенные друг к другу (например, навитые по внутренней боковой поверхности защитного кольца) и покрытые со стороны маховика тонким разделяющим слоем металла, а со всех других сторон более толстым разделяющим слоем металла, причем вода должна заполнять не только сами трубки, но и пространство между ними.
На рис.1 показана конструкция защитного устройства по первому варианту исполнения, предназначенная, например, для гиромобиля: 1 - корпус; 2 защитное кольцо; 3 - пористый металл с порами, заполненными водой (или металлические трубки с водой); 4 - тонкий разделяющий слой металла; 5 - две скрещенные скобы; 6 - предохранительный клапан; 7 - тонкий сварной (клеевой) шов; 8 - вал маховика; 9 - диск маховика; 10 - обмотка статора двигателя-генератора; 11 - каналы системы охлаждения статора; 12 - постоянные магниты ротора двигателя-генератора; 13 - стекловолокно (или композитный материал) обода маховика; 14 - металлические ролики; 15 - металлические иглы (как в игольчатом роликоподшипнике); 16 - металлическое кольцо-экран.
Внутри цилиндрического вакуумируемого корпуса 1, изготовленного из композитного материала, установлено защитное кольцо 2, изготовленное из прочного материала с возможностью проворачивания относительно корпуса 1 за счет металлических игл 15 и роликов 14, установленных на двух металлических кольцах-экранах 16, которые установлены между корпусом 1 и защитным кольцом 2, а по плоским торцам корпуса захватывают весь обод маховика. На защитное кольцо 2 с его внутренней стороны установлен слой прочного пористого металла 3, с порами, заполненными водой (пористый слой), причем пористый металл покрыт со стороны обода маховика тонким разделяющим слоем металла 4, а со всех других сторон более толстым разделяющим слоем металла. Внутри корпуса 1 на подшипниках установлен вал 8 маховика, обод которого изготовлен из стекловолокна 13 (или композитного материала), диск 9 маховика выполнен из прочного металла. Мотор-генератор разделен на две идентичные зеркально симметричные части. Оба статора мотор-генератора с обмотками 10 установлены изнутри на плоские торцы корпуса 1 с обеих сторон от диска 9 маховика и содержат систему охлаждения, каналы 11 которой заполнены циркулирующей охлаждающей жидкостью (или газом). Оба ротора мотор-генератора выполнены на постоянных магнитах 12 заодно со ступицей маховика по обе стороны диска 9 маховика. ЗУ содержит не менее одного клапана 6 на каждом плоском торце корпуса 1. Каждый клапан приварен (приклеен) к корпусу тонким герметичным швом 7 с внешней стороны. Над каждым клапаном 6 установлены по две скрещенные скобы 5, закрепленные на корпусе 1 с его внешней стороны, которые удерживают выбитый паром клапан.
На рис.2 показана конструкция защитного устройства по второму варианту исполнения, предназначенная для стационарного применения вплоть до бытового и офисного, а так же для применения в пожароопасных местах.
1 - корпус; 2 - защитное кольцо; 3 - пористый металл с порами, заполненными водой (или металлические трубки с водой); 4 - тонкий разделяющий слой металла; 6 - предохранительный клапан; 7 - тонкий сварной (клеевой) шов; 8 - вал маховика; 9 - диск маховика; 10 - обмотка статора двигателя-генератора; 11 - каналы системы охлаждения статора: 12 - постоянные магниты ротора двигателя-генератора; 13 - стекловолокно (или композитный материал) обода маховика; 17 - отверстие для выхода пара (сопло); 18 - патрубок; 19 - стержни; 20 - пружина; 21 - U-образная опора; 22 - ось.
Конструкция такого кожуха отличается от первого варианта исполнения отсутствием игл 15, роликов 14 и колец-экранов 16, т.к. защитное кольцо 2 и слой пористого металла 3 с порами, заполненными водой, с разделяющим слоем металла 4 установлены неподвижно на внутренней поверхности корпуса 1. В целях максимальной пожарной безопасности пористый слой 3 выполнен охватывающим обод маховика. Вместо скоб 5 на наружных торцевых поверхностях корпуса установлены патрубки 18, расположенные радиально. Каждый патрубок имеет у края корпуса отверстие (сопло) 17 с осью направленной по касательной к корпусу, смотрящее в сторону вращения маховика и диаметром меньшим или равным диаметру отверстия клапана 6. Внутри патрубка 18 вокруг клапана 6 установлены стержни 19, ограничивающие и одновременно направляющие движение клапана. Осевое движение клапана ограничивается пружиной 20, упирающейся в дно патрубка 18, несжатой в обычном положении. Корпус 1 установлен в U-образной опоре 21 на оси 22 с возможностью вращения относительно нее (или в нескольких соединенных звездой U-образных опорах с общей осью, или в раме).
В обоих вариантах исполнения используется цилиндрический корпус (может быть с округлыми краями), как имеющий большую прочность, по сравнению с корпусом, повторяющим изгибы маховика.
Размеры клапанов 6, скоб 5 и патрубков 18 (а также, соответственно, стержней 19, пружин 20 и отверстий 17 для выхода пара) зависят от количества клапанов и при большом их количестве будут меньше, чем на рис.1 и 2. В этом случае расстояние между ободом маховика и статором двигателя-генератора тоже можно будет сделать меньше, что увеличит компактность агрегата и уменьшит аэродинамическое сопротивление.
Принцип работы. Основной проблемой при удержании осколков современных маховиков является не защита кожуха от пробивания, а восприятие момента импульса [1, с.192]. Например, маховики, изготовленные путем намотки волокна без связующего, разрушаются почти осесимметрично, образуя легко задерживаемые осколки, но чрезвычайно быстро передаваемый ими момент импульса, создает большой крутящий момент, воздействующий на защитное кольцо [1, с.193-194].
Принцип действия ЗУ основан на использовании физических свойств воды: очень большая теплота парообразования (и большая теплоемкость) при низкой температуре кипения.
в.р
В случае разрушения супермаховика, его осколки (разорванные волокна) пробьют тонкий разделяющий слой металла 4, затем слой 3 пористого металла с порами заполненными водой (или слой трубок). При этом осколки маховика будут деформировать металл пористого слоя и этот слой сильно нагреется. Вода в порах (или в трубках) вскипит и начнет испаряться. Пар будет расширяться в вакуум внутри корпуса. Вакуум исчезнет, пространство под корпусом наполнится паром. Когда давление пара внутри корпуса превысит заданную величину, сработают предохранительные клапаны 6 на корпусе. Предохранительные клапаны выдерживают сколько угодно долго внешнее атмосферное давление, а так же удары, вибрации и т.п. за счет того что приварены (приклеены) к корпусу тонким швом 7, но при достижении некоторого внутреннего давления срабатывают, т.е. выбиваются паром и задерживаются скрещенными скобами 5 (в первом варианте исполнения) или пружиной 20 и патрубком 18, а также стержнями 19 (во втором варианте исполнения). В соответствие с формулами для длины окружности и площади круга, чем больше радиус клапана, тем легче разорвать шов 7 внутренним давлением (сила, приходящаяся на единицу длины шва пропорциональна радиусу клапана). Пар начнет выходить в атмосферу, давление под корпусом упадет, температура кипения воды уменьшится. Пар в течение некоторого времени унесет с собой всю энергию маховика. Как показано ниже, количество воды, необходимой для этого, составляет небольшую часть (примерно 1/10) массы маховика из стекловолокна с пределом прочности σ=4600 МПа при запасе прочности к=nв=3. Так как давление под корпусом ограничивается предохранительными клапанами, а после их. срабатывания становится примерно равным атмосферному, то температура кипения воды в порах будет определяться сначала давлением срабатывания клапанов, а затем атмосферным давлением. Температура защитного кольца и корпуса ЗУ при разрушении маховика ограничивается температурой кипения воды (при достаточном ее количестве). маховика ограничивается температурой кипения воды (при достаточном ее количестве). Этим и достигается пожарная безопасность высокоэнергетических волоконных маховиков при использовании предлагаемых конструкций ЗУ.
Предохранительных клапанов как минимум два: минимум по одному на каждом плоском торце корпуса, поэтому при любом положении корпуса с маховиком после аварии пар сможет выйти наружу. Пропускная способность клапанов рассчитывается исходя из того, чтобы давление после срабатывания клапанов было лишь немного больше атмосферного, и, тем самым, температура кипения воды не сильно превышала 100°С.
Вводя пористый металл с порами, заполненными водой мы заметно увеличиваем массу защитного кожуха, но: 1) пористый металл и сам обладает некоторой прочностью и, плюс, энергия удара расходуется не только на деформацию пористого металла, но и на испарение воды, поэтому нагрузка на защитное кольцо при разрушении маховика будет меньше, т.к. осколки покрупнее проходят сначала через пористый слой, а мелкие вообще не долетят до защитного кольца; 2) температура защитного кольца не может сильно превысить температуру кипения воды даже на границе с пористым слоем (если как в предлагаемых вариантах ЗУ пористый слой закреплен на защитном кольце и не может проворачиваться относительно него), что повышает прочность защитного кольца по сравнению со случаем без использования пористого слоя. По этим двум причинам можно уменьшить массу защитного кольца. Но если при аварии температура защитного кольца и корпуса ЗУ не очень высокая, то их можно выполнить не из стали, а из легкого композитного материала, причем композитный материал корпуса может иметь плохую теплопроводность (например, стеклопластик). Этим и достигается уменьшение массы ЗУ супермаховика.
Если используемый для изготовления корпуса ЗУ композит обладает плохой теплопроводностью, то при расчете требуемой массы воды в пористом металле (см. ниже формулу (6)) теплоемкость корпуса ЗУ не нужно учитывать (но она и у металлов очень мала по сравнению с теплотой парообразования воды).
Крутящий момент при разрушении маховика останется таким же, испарение воды на нем не скажется т.к. в любом случае происходит абсолютно неупругий удар с передачей соответствующего импульса (момента импульса).
В первом варианте исполнения крутящий момент сильно ослабляется благодаря тому, что защитное кольцо 2 вместе с пористым слоем 3 может проворачиваться относительно корпуса кожуха. Это обеспечивается тем, что между корпусом и защитным кольцом располагаются металлические иглы 15 и ролики 14. Таким образом, весь кожух можно представить как большой радиально-упорный игольчатый и роликовый подшипник без сепаратора. Этот подшипник будет работать в маловероятном случае разрушения маховика, т.е. всего один раз. После разрушения маховика его осколки передадут импульс пористому слою и защитному кольцу, в результате чего защитное кольцо и закрепленный на нем пористый слой придут в быстрое вращение, которое через некоторое время прекратится под действием момента трения между иглами и поверхностями качения, а также между самими иглами, если их размещать близко друг к другу как в подшипнике (тоже самое касается и роликов). Этим моментом трения и будет ограничиваться крутящий момент, действующий на корпус.
Во втором варианте исполнения при разрушении супермаховика крутящий момент приводит во вращение не защитное кольцо с пористым слоем, а весь маховичный агрегат вместе с электрической машиной, который установлен в U-образной опоре 21 на оси 22 с возможностью вращения относительно нее (или в нескольких соединенных звездой U-образных опорах с общей осью, или в раме). Остановка вращения корпуса произойдет через некоторое время благодаря реактивным силам, действующим на корпус со стороны пара, истекающего из отверстий (сопл) 17 в патрубках 18 и трению в подвеске.
Вращающий момент на корпусе появится сразу в момент удара осколков о пористый слой 3 и защитное кольцо 2 (неупругий удар), а реактивный момент появится с заметным опозданием, т.к. для его появления должно произойти несколько процессов: нагревание и испарение воды в порах, заполнение паром внутреннего пространства под кожухом, возрастание давления в этом внутреннем пространстве до срабатывания клапанов, а после их срабатывания заполнение паром патрубка и рост давления в нем. И только на последней стадии начнется истечение пара из отверстий (сопл) патрубков и появится реактивный момент. К этому времени корпус маховика будет уже вращаться и задача реактивных патрубков - остановить или хотя бы уменьшить частоту вращения корпуса. Кроме того, когда защитное кольцо с пористым слоем (по первому варианту исполнения) или весь корпус ЗУ (по второму варианту исполнения) раскрутятся под действием вращающего момента разрушившегося маховика, испарению, а во втором варианте исполнения и движению пара к клапанам, будет препятствовать центробежная сила.
Чем больше удельная энергия маховика, тем больше вращающий момент и больше требуется масса для противодействию ему. Поэтому более перспективно вращение всего корпуса маховика, причем вместе с двигателем-генератором (т.е. второй вариант исполнения), а не только защитного кольца и пористого слоя (т.е. первый вариант исполнения). Но, правда, при первом варианте исполнения с ростом удельной энергии растет и необходимая масса воды и, соответственно, пористого слоя. Кроме того, второй вариант исполнения имеет несколько более громоздкую конструкцию, чем первый вариант. При любом положении после аварии, ударах и т.п. при первом варианте исполнения вращению защитного кольца и пористого слоя ничто мешать не будет, т.к. корпус прочный и не может быть заклинивания как в прототипе или как во втором варианте исполнения.
При испарении воды момент инерции пористого слоя немного уменьшается, что приведет к некоторому росту угловой скорости для обоих вариантов исполнения.
Теплопроводность пористого слоя должна быть хорошей для возможности быстрого испарения воды и, тем самым, быстрого гашения кинетической энергии осколков маховика. Кроме того желательно, чтобы пористый слой был прочным - при этом дополнительно увеличивается прочность всего ЗУ. Лучше использовать пористую нержавеющую сталь - пенометалл (или какой-нибудь другой достаточно прочный пористый металл, например, титан). Удельная теплота парообразования железа еще больше чем у воды, но температура кипения железа при аварии вряд ли может быть достигнута (и ее нельзя достигать с точки зрения пожарной безопасности).
Цилиндрический корпус более прочный и более легкий, чем корпус, повторяющий форму супермаховика. Некоторую прочность кожуху при осесимметричном разрушении маховика придает наличие вакуума внутри и атмосферного давления снаружи.
Максимальная удельная кинетическая энергия. Кинетическая энергия маховика в виде тонкого кольца или тонкостенного цилиндра находится по формуле
где
I - момент инерции маховика (кольца);
ω - угловая скорость;
m - масса маховика;
R - радиус маховика (кольца)
n - частота вращения.
Удельная кинетическая энергия маховика, т.е. запасенная энергия (1), отнесенная к 1 кг веса маховика
С другой стороны  окружная скорость (на ободе).
Тогда удельная кинетическая энергия маховика . У волоконных маховиков удельная энергия больше, значит больше и окружная скорость.
Два различных способа: вывод из условия равновесия элемента кольца или тонкостенного цилиндра во вращающейся неинерциальной системе отсчета (см. [3, с.420]), а также вывод из условия равновесия полукольца (т.е. половины всего маховика) дают следующую формулу для максимальной (предельной) частоты вращения кольца или тонкостенного цилиндра:
где
R - радиус кольца;
T
T
в.р.
σ - предел текучести (либо вместо σ можно брать σ - предел прочности);
T
B
T
в.р.
k - задаваемый конструктором запас прочности (k=n или k=n в зависимости от того, что взято: σ или σ);
ρ - плотность материала кольца.
Если подставить (3) в (2), то максимальная удельная кинетическая энергия маховика в виде кольца получится
a
Отсюда следует, что для маховика лучше всего подходят материалы с максимальным . при минимальной плотности ρ.
В формуле (4) в зависимости от формы маховика может быть различный числовой коэффициент (коэффициент формы) [1, с.16].
в,р
уд
в,р
3
3
Расчет параметров супермаховика. Если использовать для намотки маховика реальное прочное стекловолокно cσ=4600 МПа и плотностью р=2500 кг/м, то получается удельная кинетическая энергия Е=307 кДж/кг при коэффициенте запаса прочности к=3. Для промышленного углеродного волокна (высокопрочного) с σ=3300 МПа и плотностью 1760 кг/м получается практически такая же удельная энергия: 312,5 кДж/кг. Но углеволокно обладает горючестью, что для инерционного аккумулятора нежелательно, т.к. в случае аварии температура агрегата может подняться до очень высоких значений вследствие того, что кроме выделения тепла при ударе осколков маховика о кожух эти осколки могут гореть при нарушении герметичности кожуха.
в,р
Благодаря потенциальной энергии упругой деформации полный удельный запас энергии маховика немного увеличивается. В большинстве случаев (для реально существующих на данный момент материалов) запас потенциальной энергии упругой деформации не превышает 0,5% от запаса кинетической энергии. Поэтому при конструировании инерционного аккумулятора в большинстве случаев потенциальной энергией упругой деформации можно пренебречь. Однако, для стекловолокна (σ=4600 МПа, модуль упругости Е=85 ГПа) отношение максимальных потенциальной и кинетической энергий Epmax/Ekmax=0,0180, т.е. 1,8%, что связано с относительно малым модулем упругости. В точном расчете эту энергию нужно учитывать.
Температура махового агрегата с простым кожухом после разрушения маховика. Приравнивая кинетическую энергию маховика (1) и количество теплоты, необходимое для нагревания заданной массы вещества на ΔТ, оценим изменение температуры всего махового агрегата в случае аварии (предполагаем, что весь агрегат сделан из одного материала, например, стали и тепло не отдается окружающей среде):
где
m - масса маховика;
с - удельная теплоемкость материала;
мг
кож
М=m+m+m - масса всего агрегата, складываемая, соответственно из массы маховика, массы мотор-генератора и массы кожуха (без пористого слоя и защитного кольца).
Если защитный кожух выполнен без пористого слоя с порами, заполненными водой, то локально на внутренней поверхности такого кожуха в случае аварии температура будет высокой, гораздо больше, чем по формуле (5), т.к. скорость передачи тепла путем теплопроводности не бесконечна, особенно если кожух выполнен из композитов с плохой теплопроводностью. Формула (5) дает значение изменения температуры после того как все тепло равномерно распределится по всему агрегату без теплообмена с окружающей средой.
Если теплопроводность материала самого маховика (стекловолокно) много меньше теплопроводности корпуса (сталь), то для оценки величины нагрева установки можно пренебречь массой маховика и учитывать только массу корпуса и мотор-генератора (если разрушение маховика не полное, или если куски, на которые развалился маховик, не очень маленькие). Немалая часть массы мотор-генератора приходится на медную обмотку, но удельная теплоемкость меди (390 Дж/кг-град) близка к удельной теплоемкости стали (469 Дж/кг-град), поэтому в оценочном расчете можно считать что мотор-генератор и кожух стальные.
1
1
Для стекловолоконного маховика массой 1 кг и радиусом 0,1 м в случае аварии на максимальной частоте вращения (3), если считать, что нагреваться будут только стальные кожух (обычный) и мотор-генератор, а стекло плохо проводит тепло ( Коэффициент теплопроводности стали примерно в 42 раза больше коэффициента теплопроводности стекла), то кожух и мотор-генератор общей массой 2 кг раскалятся до 350°С (от комнатной температуры 23°С, а изменение температуры по (5) будет ΔТ=327°С). Такая температура может вызвать пожар, тем более, что локальная температура на внутренней боковой поверхности кожуха будет гораздо больше и тепло не сразу перейдет от этой части кожуха к мотор-генератору. Для маховика из промышленного углеродного волокна (высокопрочного) получается изменение температуры ΔT=333°C.
2
2
Оценка массы воды. Итак, кольцо из стекловолокна при запасе прочности k=3 может накопить до 307 кДж/кг. Этой энергии при массе кольца 1 кг достаточно чтобы нагреть 2 кг стали на 327°С, что пожароопасно при бытовом или офисном использовании инерционного аккумулятора (327°С - температура плавления свинца). Поэтому, как уже указывалось, предлагается окружить маховик цилиндрическим слоем воды, заключенной в порах пористого металла, удельная теплоемкость которой ( Причем изменение ее при нагревании до 100 С небольшое - см. график в [2, с.75, рис.21] и при увеличении давления тоже небольшое [4, с.213]) с=4,19 кДж/(кг-К), (у стали в 9 раз меньше: 0,47 кДж/(кг-К)), а удельная теплота парообразования воды при температуре кипения на три порядка (!) больше: r=2,26 МДж/кг. У других жидкостей удельная теплота парообразования меньше в 3-10 раз. У твердых тел удельная теплота парообразования может быть в несколько раз больше чем у воды (например, у алюминия г=10,9 МДж/кг (по другим данным 12 МДж/кг), у свинца r=8.6 МДж/кг, у железа r=6,34 МДж/кг, у магния г=6,0 МДж/кг), но высокая температура кипения твердых веществ сама по себе гарантирует пожар (температура кипения упомянутых выше веществ, соответственно 2500°С, 1750°С, 2735°С, 1095°С).
Кинетическая энергия Еk маховика пойдет на нагрев воды, на парообразование, а так же на нагрев массы металла пористого слоя и защитного кольца (нагрев композитного корпуса ЗУ не учитываем). Тогда, считая что пористый слой и защитное кольцо изготовлены из одного металла, получим:
k
ρ
в
nc
зk
в
E=cmΔT+rm+с(m+m)ΔT
где
p
с - удельная теплоемкость воды при постоянном давлении; m - масса воды;
в
ΔT - изменение ее температуры от начальной до температуры кипения;
r - удельная теплота парообразования;
с - удельная теплоемкость металла пористого слоя и защитного кольца;
nc
m - масса металла пористого слоя;
зк
m - масса защитного кольца.
Для того чтобы в случае аварии превратить в пар всю кинетическую энергию такого маховика потребуется масса воды
6
3
6
Даже без учета нагрева металла пористого слоя и защитного кольца по (6) получается от =0,307-10/(4,19-10-80+2,26-10)=0,118 кг воды и это при массе самого маховика 1 кг. То есть водяной пар является хорошим тепловым аккумулятором. При использовании стального пористого слоя и стального защитного кольца второе слагаемое в числителе (6) не превышает 2% от г.
в
ρ
в
Чем выше температура воздуха, тем меньше ΔТ (до 100°С), и немного больше требуемая масса воды в порах (слагаемое сΔТ составляет примерно 15% от г).
Оценка размеров пористого слоя. Пусть грубо масса воды составляет 1/10 массы обода маховика из стекловолокна без связующего. Если бы их плотности были равны и равны плотности воды, то воды нужно было бы взять 1/10 объема стекла (фиг.3а). Поскольку плотность стекла в 2,5 раза больше плотности воды, то и масса одинакового объема во столько же раз больше и воды потребуется в 2,5 раза больше по объему (фиг.36). Если вода по объему составляет половину объема пористого слоя (но может быть и меньше), то потребуется объем пористого слоя с водой, равный 1/2 объема стекла (фиг.3в). И наконец, нужно учесть, что стекловолокно занимает больший объем, чем стекло при одинаковой массе, который зависит от диаметра волокон. Если объем стекловолокна в 2 раза больше, чем объем стекла той же массы, то объем пористого слоя будет равен 1/4 объема стекловолокна (фиг.3г), т.е. пористый слой достаточно тонкий. Выделим сектор, в котором располагаются стекловолокно и пористый слой. Так как пористый слой находится дальше от центра, то на срезе плоскостью, проходящей через ось вращения маховика, площадь сечения пористого слоя будет меньше чем 1/4 площади сечения стекловолокна за счет большей длины дуги окружности. Но толщину пористого слоя все-таки желательно взять несколько больше, т.к. кроме стекловолокна может разрушиться металлический обод, к которому крепится стекловолокно и металлический диск маховика (у них меньше скорость, но куски могут быть крупнее). Однако за пористым слоем располагается защитное кольцо, благодаря которому толщину пористого слоя можно, в принципе, брать меньше. В случае разрушения ступицы с постоянными магнитами их осколки будут завакуума в кожухе сравнительно небольшой. Поэтому клапаны сработают, и пар будет некоторое время выходить через них, унося с собой и рассеивая в атмосфере энергию маховика, а при втором варианте исполнения еще и создавая реактивный момент для остановки махового агрегата, раскрученного переданным осколками моментом импульса.
Преимущества. Предлагаемое ЗУ позволяет более широко использовать преимущества инерционного аккумулятора.
Основные преимущества инерционного аккумулятора по сравнению с электрохимическим: 1) большой срок службы; 2) емкость не зависит от времени, т.е. от числа циклов зарядки-разрядки; 3) возможность быстрой зарядки и разрядки, т.е. большая мощность зарядки (что удобно для автотранспорта) и разрядки; 4) достаточно большая емкость; 5) высокий КПД (при достаточно большой мощности используемой электрической машины); 6) абсолютная экологическая чистота (нет химических испарений).
Использование в защитном кожухе пористого слоя с порами, заполненными водой может открыть путь для более широкого использования инерционного аккумулятора как в подвижных, так и в неподвижных объектах, включая пожароопасные, вплоть до применения в быту и в офисе (UPS компьютера, аварийное освещение квартиры, офиса и т.п.)..
Использование разделенной на две зеркально симметричные части электрической машины позволяет добиться той же компактности что и при использовании торцевой электрической машины [5], [6] но без недостатков торцевых электрических машин, описанных в [7, с.25-26]. Кроме того, при использовании такой электрической машины обеспечивается такая же защита от разрушения ступицы маховика как описанная в US 20060117904 А1 (опубл. 2006.06.08), обеспечиваемая там специальным экраном.
Литература
1. Джента Дж. Накопление кинетической энергии. Теория и практика современных маховичных систем: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 430 с, ил.
2. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М., Наука, 1974.
3. Любошиц М.И., Ицкович Г.М. Справочник по сопротивлению материалов. Минск, «Вышейш. школа», 1969. Глава 14. Задачи динамики в сопротивлении материалов. §14.1. Определение напряжений при заданных ускорениях (с.420).
4. Физические величины: Справочник / А.П.Бабичев, Н.А.Бабушкина, A.M.Гратковский и др. Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.
r=
5. Кирко И.М., Кирко Г.Е. Маховик как накопитель и преобразователь энергии, http://www.skif.biz/index,php?name=Pages&op=page&pid128. - [1998].
6. RU 2417504 CI, опубликовано 27.04.2011.
7. Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 168 с.
8. Справочник физических величин. / А.В.Бологое, И.В.Кожухов и др. Под ред. проф. Г.А.Рябинина.- СПб., Лениздат; Издательство «Союз», 2001. - 160 с.