МАХОВИЧНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
FLYWHEEL ENERGY ACCUMULATOR

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности в энергетике.
Известен маховичный накопитель энергии с горизонтальной осью вращения, содержащий вал, опоры качения, по меньшей мере два маховика, связанных с валом (RU, U1, №121885).
Это устройство включает маховик, состоящий, по крайней мере, из одного диска со сквозным отверстием, опоры в виде подшипников качения, и выходной вал. При этом часть корпуса заведена в виде трубы в сквозное центральное отверстие в маховике. Между цилиндрической стенкой отверстия и трубой корпуса расположены в ряд опоры качения. Выходной вал выполнен проходящим сквозь трубу корпуса и герметичное уплотнение между валом и корпусом.
Недостатком этого устройства является несимметричность опорного узла - трубы, изгибная жесткость которого сильно меняется по длине, что может вызвать вредные прецессионные процессы в устройстве при вращении маховика, а также то, что часть подшипников выполнена с вращающимися внешними кольцами, что снижает долговечность опор.
Этот недостаток устранен в маховичном накопителе энергии, содержащем вал, опоры качения, по меньшей мере два маховика, связанных с валом (RU, U1, №121882).
Это устройство включает маховик, зафиксированный в корпусе на подшипниках, с выводом валов по обе стороны корпуса. Подшипники в устройстве расположены между внутренней цилиндрической поверхностью отверстия в центре маховика и внешней цилиндрической поверхностью двух трубчатых деталей корпуса, введенных с зазором между их торцами с двух сторон в отверстие маховика. Вывод вращения от маховика выполнен через кинематическую связь середины внутренней поверхности отверстия в центре маховика с валом, проходящим с зазором внутри трубчатых частей корпуса и выходящим по обе стороны торцов корпуса маховика.
В этом устройстве опоры-подшипники расположены симметрично относительно маховика, что устраняет склонность к прецессии маховика, однако опорой подшипников являются неподвижные отрезки трубы, соединенные с корпусом, на которые опираются внутренние кольца подшипников, что снижает их долговечность.
Помимо этих недостатков в описанных устройствах при вращении маховика с высокой рабочей скоростью ступица маховика имеет упругое удлинение больше, чем неподвижные отрезки трубы, соединенные с корпусом, на которых на подшипниках посажена ступица маховика. Это вызывает нарушение центрирования маховика относительно опор, что приводит к сильному дисбалансу и вибрациям.
Известно устройство, в котором нарушение центрирования вращающихся деталей устраняется посадкой на конуса, сидящие на валу. Это устройство, применяемое в авиации, описано в книге П.И. Орлова, Основы конструирования, М., Машиностроение, 1977, книга 1, стр. 390, схема «Л».
Однако в этом источнике информации нет описания устройства, обеспечивающего постоянный прижим внешних конических поверхностей конусов к внутренним коническим поверхностям тел вращения (в заявляемом техническом решении к ступицам маховиков) при упругих деформациях как в окружном, так и радиальном направлениях. Этот недостаток не позволяет использовать это известное техническое решение для заявленного маховичного накопителя энергии.
Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который получен при выполнении заявленного изобретения, - повышение рабочей частоты вращения и надежности за счет улучшения центрирования при окружном, радиальном и осевом удлинении ступицы маховика при высокой частоте вращения.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в заявляемом маховичном накопителе энергии, содержащем вал, опоры качения, по меньшей мере два маховика, связанных с валом, согласно полезной модели опоры качения установлены в области противоположных концов вала, введены конические втулки, которые установлены на наружной поверхности вала между опорами качения с возможностью их осевого перемещения и подпружинены между собой. В устройстве маховики снабжены ступицами, внутренняя поверхность которых, обращенная к наружным коническим поверхностям конических втулок, выполнена соответствующей им с возможностью скольжения друг по другу внешних и внутренних конических поверхностей при увеличении диаметра ступицы маховика под действием центробежных сил при вращении. Угол схождения конусов упомянутых конических поверхностей выполнен больше угла самоторможения. Введены стержни и фланцы, стержни размещены в отверстиях ступиц с возможностью стягивания ступиц. Фланцы закреплены на валу между опорами качения, а стержни пропущены через отверстия в них с радиальным зазором с возможностью передачи крутящего момента от фланцев маховикам.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- были введены крышки, установленные на наружной поверхности фланцев, и штифты, прикрепляющие фланцы к валу, при этом стержни были пропущены через соосные отверстия во фланцах и крышках с одинаковым радиальным зазором;
- стержни были размещены в отверстиях ступиц с возможностью стягивания ступиц посредством гаек, установленных на наружных поверхностях крышек;
- конические втулки были подпружинены параллельно вдоль оси вала цилиндрическими пружинами сжатия, расположенных в несквозных отверстиях, выполненных в конических втулках.
Вышеописанные признаки изобретения являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, заключающегося, в частности, в повышении частоты вращения и надежности работы устройства.
Указанные преимущества изобретения, а также его особенности, поясняются с помощью варианта его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 изображено схематично продольное сечение маховичного накопителя энергии.
На фиг. 2 изображен вид А на фиг. 1 (центральная часть в состоянии покоя или вращающаяся на низкой частоте вращения).
На фиг. 3 - то же, что фиг. 2, (центральная часть при высокой частоте вращения маховиков).
На фиг. 4 представлена изометрия сечения конической втулки с отверстиями под пружины.
Маховичный накопитель энергии (фиг. 1, 2) содержит вал 1, опоры 2 качения, по меньшей мере, два маховика 3, связанных с валом 1. Опоры 2 качения установлены в области противоположных концов вала 1. Введены конические втулки 4 (фиг. 2), которые установлены на наружной поверхности вала 1 между опорами 2 качения с возможностью их осевого перемещения и подпружинены между собой. В устройстве маховики 3 снабжены ступицами 5, внутренняя поверхность которых, обращенная к наружным коническим поверхностям конических втулок 4, выполнена соответствующей им с возможностью скольжения друг по другу внешних и внутренних конических поверхностей при увеличении диаметра ступицы 5 маховика под действием центробежных сил при высокой частоте вращения. Угол схождения конусов упомянутых конических поверхностей выполнен больше угла самоторможения. В устройство введены стержни 6 (шпильки) и фланцы 7 (фиг. 1, 2). Стержни 6 размещены в отверстиях ступиц 5 с возможностью стягивания их. Фланцы 7 закреплены на валу 1 между опорами 2 качения, а стержни 6 пропущены через отверстия в них с радиальным зазором 8 (фиг. 2) с возможностью передачи крутящего момента от фланцев 7 маховикам 3.
В устройстве могут быть использованы крышки 9, установленные на наружной поверхности фланцев 7, и штифты 10, прикрепляющие фланцы 7 к валу 1, при этом стержни 6 пропущены через соосные отверстия во фланцах 7 и крышках 9 с одинаковым радиальным зазором 8 (фиг. 2).
Стержни 6 могут быть размещены в отверстиях ступиц 5 с возможностью их стягивания посредством гаек 11, установленных на наружных поверхностях крышек 9.
Конические втулки 3 подпружинены параллельно вдоль оси вала 1 цилиндрическими пружинами 12 сжатия, расположенными в несквозных отверстиях 13, выполненных в конических втулках 3 (фиг. 2, 4).
На фиг. 1 также показаны: ленточная навивка 14, упругий элемент 15 маховика 3 кольцеобразной формы, вакуумированный корпус 16 с ребрами жесткости 17.
Работает маховичный накопитель энергии (фиг. 1, 2) следующим образом.
На вал 1 свободно по скользящей посадке насажены конические втулки 4 (центрирующие), контактирующие со ступицами 5 маховиков 3. В конических втулках 4 предусмотрены несквозные отверстия 13 (фиг. 4), в которые устанавливаются упругие элементы - цилиндрические пружины 12 сжатия (фиг. 2). Конические втулки 4 выполнены с углом конуса, большим угла самоторможения, для их свободного осевого перемещения при радиальных деформациях конических поверхностей ступиц 5, в которых они посажены. Для передачи крутящего момента между маховиками 3 и валом 1 предусмотрены стержни 6, расположенные продольно. Маховики 3 установлены в ступицах 5, стянутых между собой и маховиками 3 гайками 11 на стержнях 6. Также для передачи крутящего момента служат фланцы 7, установленные на валу 1 и также зажатые гайками 11. Между валом 1 и фланцем 7 устанавливается штифт 10, закрытый крышкой 9, предохраняющей штифт 10 от выпадения при быстром вращении вала 1.
При вращении маховиков 3 для компенсации упругого удлинения материала маховиков 3 из-за центробежных сил предусмотрены радиальные зазоры 8 для компенсации ограниченного симметричного радиального перемещения стержней 6, жестко связанных со ступицами 5 маховиков 3. Указанное радиальное перемещение весьма мало и составляет десятитысячные доли от диаметра маховика 3, что существенно не влияет на конструкцию всего устройства. При этом вал 1, на котором посажены маховики 3, практически не увеличивается в диаметре из-за малых напряжений в нем при вращении, что обусловлено малым его диаметром.
Маховики 3 могут быть выполнены разрывобезопасными, например, с ленточной навивкой 14 на упругом элементе 15 кольцеобразной формы и размещаются в вакуумированном корпусе 16 с ребрами жесткости 17. Вывод вращения вала 1 из вакуумированного корпуса 16 может быть осуществлен различными известными из уровня техники средствами, например, описанными в RU, U1, №121885.
При вращении вала 1 и связанных с ним деталей для передачи крутящего момента на маховики 3 последние из-за действующих при вращении центробежных сил упруго радиально деформируются, причем эти деформации для реальных конструкций обычно составляют десятитысячные доли от диаметра маховика 3. Однако даже они могут вызвать дисбаланс и вибрации маховиков 3. Для предотвращения вибраций маховики 3 связаны через ступицы 5 с коническими втулками 4, подпружиненными, например, цилиндрическими пружинами 12 сжатия. Причем конические втулки 4 посажены внутренними цилиндрическими поверхностями на вал 1 с возможностью их осевого перемещения. Аналогичный способ центрирования описан в устройстве (книга П.И. Орлов, Основы конструирования, М., Машиностроение, 1977, книга 1, стр. 390, схема «Л»). Конические втулки 4, выполненные с конусом, угол которого больше угла самоторможения, обеспечивают постоянный контакт их конических поверхностей с коническими поверхностями ступиц 5 при радиальных упругих деформациях маховиков 3, с чем связано осевое перемещение конических втулок 4 (перемещение Б на фиг. 3). Чтобы фланец 7 не препятствовал упругому перемещению стержней 6 при упругой деформации маховиков 3, предусмотрен радиальный зазор 8 во фланце 7 и крышке 9. При снижении частоты вращения маховиков 3 продольные стержни 6, центрируемые на валу 1 коническими втулками 4, возвращаются в исходное положение. Затяжка гаек 10 обеспечивается не препятствующей в процессе эксплуатации указанному малому радиальному перемещению стержней 6 в отверстиях с радиальным зазором 8 во фланце 7 и крышке 9, осуществляемому под действием значительных радиальных сил упруго деформируемых маховиков 3 и связанных с ними ступиц 5.
Таким образом, за счет улучшения центрирования заявленного устройства в целом удается повысить рабочую частоту вращения и надежность маховичного накопителя энергии.
Наиболее успешно заявленный маховичный накопитель энергии промышленно применим в энергетике.