Маховиковый блок с демпфирующим устройством
FLYWHEEL UNIT WITH DAMPING DEVICE

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к маховиковому блоку с демпфирующим устройством для закрепления маховикового блока в маховиковом накопителе энергии и к маховиковому накопителю энергии, имеющему такие маховиковые блоки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ В ОБЛАСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящее время регенеративные источники энергии применяются все больше именно благодаря лучшей совместимости с окружающей средой по сравнению с обычными генерирующими энергию устройствами. Так как эти регенеративные источники энергии обычно не поставляют энергию непрерывно, существует высокая потребность в накопителях энергии. Маховики используются для запасания энергии в виде вращательной энергии. Через подходящие разъединяющие средства электрическая энергия может запасаться в этих накопителях энергии в виде вращательной энергии и, если требуется, может конвертироваться обратно в электрическую энергию и подаваться на выход к потребителю. Такие маховиковые накопители энергии должны иметь высокую накопительную емкость, и поэтому они снабжены множеством расположенных рядом друг с другом маховиковых блоков, емкость накопления которых суммируется в общую емкость накопления энергии. Маховиковые блоки, по большей части, имеют полый цилиндр в качестве ротора, который, в соответствии с вращательной скоростью и массой, запасает определенное количество энергии. Для обеспечения как можно более высокой накопительной емкости такого маховикового блока роторы работают при вращательной скорости до 50000 оборотов в минуту и более. Роторы работают в изолированных машинных кожухах (кожухах маховиковых блоков) для защиты окружающей среды от выхода ротора из строя.
В случае выхода из строя ротора, вращающегося при такой высокой скорости вращения, так называемой аварии, на крепление машинного кожуха маховикового блока в маховиковом накопителе энергии вследствие взаимодействия между ротором и машинным кожухом действуют очень высокие силы в течение короткого промежутка времени. В случае, если машинный кожух закреплен очень прочно в основании маховикового накопителя энергии, например бетонном фундаменте основания, вибрации кожуха, вызванные выходом ротора из строя, передаются соседним маховиковым блокам, работа которых, таким образом, нарушается, и они также могут выйти из строя. Такая цепная реакция в результате может привести к разрушению всего маховикового накопителя энергии, чего следует избегать.
С помощью имеющихся на рынке пружинных демпфирующих устройств вибрации или колебания машинного кожуха могут быть ослаблены в случае выхода ротора из строя. Вследствие высоких нагрузок, возникающих при таких вращательных скоростях, эти демпфирующие элементы должны быть очень большими для достаточного снижения момента выхода из строя. По конструкционным причинам маховиковые накопители энергии имеют, наоборот, компактную конструкцию, с одной стороны, для обеспечения эффективной работы отдельного накопителя энергии, и, с другой стороны, чтобы модульный тип конструкции из множества маховиковых накопителей энергии предъявлял небольшие требования к пространству. Вследствие ограниченного пространства внутри маховикового накопителя энергии ниже кожуха, доступные на рынке подходящие пружинные демпфирующие устройства недостаточны для поглощения и демпфирования сил в случае выхода ротора из строя с обеспечением предотвращения передачи этих сил к соседним маховиковым блокам. В частности, высокие крутящие нагрузки при выходе ротора из строя приводят к поломке доступных демпфирующих вибрацию средств. В целом, однако, разрушение или поломка фундамента должны быть предотвращены в случае выхода из строя единственного ротора.
Таким образом, желательно иметь демпфирующее устройство, посредством которого силы, при выходе высокоскоростного ротора (вращающегося с высокой вращательной скоростью) из строя в маховиковом накопителе энергии, могут демпфироваться с обеспечением исключения повреждения соседних маховиковых блоков.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения состоит в создании маховикового блока, выполненного с возможностью приема сил, возникающих при выходе в маховиковом накопителе энергии высокоскоростного ротора из строя, с обеспечением исключения повреждения соседних маховиковых блоков в компактном маховиковом накопителе энергии.
Эта цель достигается посредством маховикового блока для маховикового накопителя энергии, содержащего ротор, машинный кожух, заключающий в себе ротор, с нижней частью и демпфирующее устройство, прикрепленное к нижней части кожуха для крепления маховикового блока на подходящем фундаменте, при этом демпфирующее устройство содержит нижний опорный блок для крепления к фундаменту, верхний опорный блок для крепления к нижней части кожуха, и мембрану, присоединенную между нижним опорным блоком и верхним опорным блоком, причем верхний и нижний опорные блоки, а также мембрана, выполнены с обеспечением возможности образования мембраной самоподдерживающегося гибкого соединения между верхним и нижним опорными блоками.
В маховиковом блоке согласно изобретению, силы, возникающие в случае выхода высокоскоростного ротора из строя, воспринимаются через мембрану, расположенную ниже машинного кожуха и прикрепленную к нему, с обеспечением исключения повреждения соседних маховиковых блоков в компактном маховиковом накопителе энергии, имеющем множество маховиковых блоков. В этом случае крепление между машинным кожухом и основанием, осуществленное посредством мембраны через самоподдерживающееся соединение верхнего и нижнего опорных блоков, является осевым и гибким, причем ось вращения в этом креплении по прежнему направляется жестким образом, вследствие ограниченной подвижности мембраны в направлении оси вращения, установленной на нижнем опорном блоке. Термины "верхний опорный блок" и "нижний опорный блок" относятся к расположению соответствующих опорных блоков ближе к нижней части машинного кожуха (верхний опорный блок) или дальше от нижней части, чем верхний опорный блок (нижний опорный блок). Гибкими называются система или соединение, имеющие первую собственную частоту изгиба меньше, чем 25 Гц, первую собственную осевую частоту меньше, чем 100 Гц, и первую собственную частоту кручения меньше, чем 300 Гц. Основные способы измерения для определения упомянутых выше частот известны обычному специалисту в этой области. На эти свойства, с одной стороны, влияет материал мембраны и, с другой стороны, ее толщина, в также масса всей системы или соединения. В этом случае мембрана из неизменного материала становится все более и более жесткой при увеличении ее толщины. При постоянной толщине мембрана становится все более и более гибкой (эластичной) при смягчении материала мембраны. Мембрана обеспечивает то, что устройство, в частности, кожух, может перемещаться в направлении оси вращения и совершать движения вокруг нее, причем рассеяние момента выхода из строя через демпфирующее устройство достигается посредством неподвижного зажатия оси вращения. Такой демпфирующий эффект с благоприятной комбинацией мягкого соединения в одном направлении и жесткого соединения в другом направлении не может быть осуществлен, или может быть осуществлен только ценой большого пространства конструкции, с использованием обычных демпфирующих компонентов, что будет препятствовать компактности конструкции маховикового накопителя энергии. Кроме того, с обычными демпфирующими компонентами, высокие крутящие нагрузки в случае выхода ротора из строя приведут к аварии устройств, демпфирующих вибрацию. Преимущества маховикового блока, имеющего демпфирующее устройство согласно изобретению, заключаются в малых требованиях в отношении конструкционного пространства, простой и эффективной по стоимости установке демпфирующего устройства, простой сборке и хорошей доступности всех машинных портов после сборки.
Здесь демпфирующее устройство выполнено с обеспечением возможности нести вес корпуса накопителя и ротора. Для этого верхний и нижний опорные блоки выполнены из металла, в частности, стали, например, и с толщиной стенки, приспособленной к весу машинного кожуха и ротора. Нижний опорный блок может быть выполнен как кольцо цилиндрической формы с выемками и выступами, расположенными между ними в направлении мембраны. Выступы затем образуют несущую поверхность для мембраны. Как альтернатива этому, множество оснований может быть расположено в геометрическом порядке, например в форме кольца на подстилающем слое, одно за другим, в качестве нижнего опорного блока, верхние стороны которого образуют общую несущую поверхность для мембраны, причем несущая поверхность прерывается между основаниями. Это геометрическое расположение может альтернативно также иметь другую, отличную геометрию.
2
Мембрана представляет собой диск, который является тонким, если рассматривать относительно высоты верхнего и нижнего опорных блоков, и выполнен из материала, который, вследствие деформации, обеспечивает возможность хаотического перемещения машинного кожуха вокруг вращательной оси ротора. Подобные мембраны, например, представляют собой стальные листы с толщиной, приспособленную к весу и крутящим силам, которые возникают в случае выхода ротора из строя, например, 15 мм для роторов, имеющих осевой момент инерции 1,2 кг/м, массу корпуса 785 кг и вращательную скорость 750 Гц. Для этого сталь имеет высокую устойчивость к напряжениям при достаточной гибкости для обеспечения эластичности. Деформация мембраны приводит по меньшей мере к частичному разъединению перемещения машинного кожуха от фундамента. Предпочтительно, материал мембраны обладает жесткостью большей, чем 250 МПа. Подходящими материалами для мембраны могут быть, например, металлы (например, сталь) или, так называемые, CFK композитные материалы. В этом случае мембрана неподвижно присоединяется к несущей поверхности нижнего опорного блока. Для этого мембрана может быть прикреплена к несущей поверхности посредством винтовых соединений и/или посредством монтажных или зажимных колец, например. Самоподдерживающееся соединение здесь относится к области мембраны, которая не поддерживается снизу (со стороны мембраны, обращенной в сторону от машинного кожуха) нижним опорным блоком, относительно веса кожуха. Крепление машинного кожуха на мембране осуществляется косвенно посредством верхнего опорного блока, расположенного между машинным кожухом и мембраной. Верхний опорный блок может в этом случае быть выполнен подобно нижнему опорному блоку, например, в форме цилиндрического кольца с выемками и выступами между ними в направлении мембраны. Выступы затем образуют несущую поверхность верхнего опорного блока на мембране. Как альтернатива этому, множество машинных оснований накопителя может быть расположено относительно друг к друга в геометрическом порядке, таком как кольцевая форма на нижележащем слое, в качестве верхнего опорного блока, при этом нижние части образуют общую несущую поверхность на мембране, причем несущая поверхность прерывается между основаниями. Это геометрическое расположение альтернативно может быть выполнено с другой геометрией относительно друг к друга.
В одном варианте мембрана содержит мембранный пакет из множества слоев материала, расположенных один на другом. В одном варианте слои материала неподвижно присоединены друг к другу только в монтажных точках. В других вариантах слои материала могут быть соединены друг с другом иначе или быть в прямом или косвенном контакте друг с другом. Предпочтительно, мембрана сформирована полностью из такого мембранного пакета. При перемещении машинного кожуха соседние слои материала находятся во взаимном трении друг с другом и, следовательно, поглощают больше энергии, или, соответственно, демпфируют перемещение машинного кожуха даже более эффективно, чем мембрана из компактного, цельного материала. В предпочтительном варианте мембранный пакет содержит слои материала, которые демпфируют и поддерживают, и по меньшей мере частично расположены попеременно. Слои металла (такие как стальные слои или стальные пластины) могут, например, использоваться как поддерживающие слои материала, а слои из CFK композитного материала могут использоваться как демпфирующие слои материала.
2
Здесь и далее термин "ротор" относится к полноте частей, которые побуждаются к вращению. Роторы могут иметь разные формы. В настоящем изобретении ротор имеет вращающееся тело цилиндрической формы (цилиндр). Вращающееся тело является компонентом, который, главным образом, запасает энергию в виде кинетической энергии. Остальные компоненты соединяют вращающееся тело с приводом или с оправкой для ротора для обеспечения возможности его вращения, насколько возможно, без потерь. Ротор может, например, быть цилиндром, открытым или закрытым с обеих сторон (концов), который соединен по меньшей мере посредством двух оправок с соответствующими подшипниками (первый подшипник для первой оправки и второй подшипник для второй оправки). В данном случае это соединение установлено не непосредственно оправками, а стержнями, которые закреплены в соответствующей оправке. В другом варианте ротор может содержать непрерывную трубу с оправками, расположенными на ней. Концы трубы здесь называются стержнями. В зависимости от расположения внутри цилиндра, оправки могут по меньшей мере частично его закрывать в направлении его концов. Здесь оправки могут быть расположены внутри вращающегося тела с одинаковой ориентацией или центровкой. Оправки могут быть расположены во вращающемся теле в любом произвольном, подходящем положении. Здесь оправки могут быть соединены внутри вращающегося тела с упомянутым вращающимся телом. В одном варианте выполнения оправки расположены внутри вращающегося тела в области открытых концов. Термин "в области" относится к области вращающегося тела, которая проходит от открытого конца вдоль вращающегося тела до положения, в котором оправка с шестерней выступает с шестерней прямо за открытый конец вращающегося тела. Здесь соединение с вращающимся телом может быть образовано сжатием/давлением, или сваркой, или другой подходящей технологией. Вращающееся тело и/или оправки могут быть здесь выполнены из пластмассы, усиленной углеродными волокнами (CFK ламинат). Для обеспечения самой высокой возможной емкости накопления энергии маховикового блока роторы работают со скоростями вращения до 5000 об/мин и выше. Для обеспечения вращения ротора с наименьшими потерями ротор работает в вакууме. Для этого ротор должен быть герметизирован для обеспечения вакуумной герметизации посредством машинного кожуха. В то же время, машинный кожух служит для защиты окружающей среды от выхода ротора из строя и, следовательно, обычно выполнен из металла, в частности стали, предназначенной для сил, ожидаемых в случае выхода ротора из строя с точки зрения толщины, например, 25 мм для роторов, имеющих осевой момент инерции массы 1,2 кг/м, массу корпуса 785 кг и частоту вращения 750 Гц. Предпочтительно, форма машинного кожуха согласована с формой ротора. Например, машинный кожух имеет цилиндрическую форму с крышкой и дном, которое в этом изобретении называется нижней частью. Здесь нижняя часть относится к стороне, которая, в случае вращательной оси, расположенной перпендикулярно земле, обращена к земле. Соответственно, крышка обращена к противоположной стороне, например, "кровле" маховикового накопителя энергии.
В одном варианте выполнения нижний опорный блок содержит по меньшей мере три нижних основания, отделенных относительно друг нижние основания расположены относительно друг друга таким образом, что проекция центральной точки нижней части вдоль оси вращения ротора расположена внутри поддерживающей поверхности, ограниченной двумя нижними основаниями. Здесь несущие поверхности нижних оснований ограничивают угловые точки поддерживающей поверхности. Так как машинный кожух обычно окружает ротор симметрично, центр тяжести кожуха с ротором обычно находится на оси вращения над центральной точкой, или только слегка отклоняется от нее в ее боковом положении перпендикулярно оси вращения. При таком расположении, мембрана, расположенная на нижних основаниях, обеспечивает устойчивую поддержку для кожуха, установленного на ней, причем поддержка оказывается достаточной, относительно поперечного наклона, посредством нижних оснований. Использование нижних оснований обеспечивает демпфирующее устройство, которое является простым и быстрым для монтажа под машинным кожухом. С тремя или более нижними основаниями, демпфирующее устройство, кроме того, достаточно устойчиво для компенсации нагрузок выхода из строя. В другом варианте выполнения отдельные нижние основания нижнего опорного блока в этом случае размещаются симметрично друг другу, вокруг оси вращения ротора, в плоскости, параллельной области основания.
В предпочтительном варианте нижний опорный блок содержит, самое большее, шесть отдельных нижних оснований. Благодаря этому максимальному количеству нижних оснований обеспечивается достаточно большое самоподдерживающееся соединение, устанавливаемое мембраной между нижними основаниями, гибкость и эластичность которого достаточна для поглощения и демпфирования нагрузок выхода из строя. Благодаря количеству и размещению нижних оснований, коэффициенты жесткости (степень эластичности) самоподдерживающегося соединения мембраны могут быть изменены по желанию.
В другом варианте верхний опорный блок содержит несколько машинных оснований, имеющих высоту машинного основания, при этом машинные основания присоединены к мембране между мембраной и областью основания машинного кожуха на самоподдерживающихся областях мембраны в соответствующих положениях машинного основания. Посредством машинных оснований, нижняя часть машинного кожуха не непосредственно, а косвенно, соединена с мембраной через машинные основания. Это обеспечивает прикрепление машинного кожуха исключительно на самоподдерживающихся соединениях мембраны между нижними основаниями. Поэтому нагрузки выхода из строя могут быть особенно хорошо поглощены и демпфированы.
В предпочтительном варианте выполнения, местоположение каждого машинного основания находится в сегменте мембраны, ограниченном между двумя соседними нижними основаниями и осью вращения ротора. Это позволяет использовать демпфирующий эффект эластичной мембраны особенно эффективно. В предпочтительном варианте количество машинных оснований равно количеству нижних оснований и местоположение каждого машинного основания в плоскости мембраны имеет одинаковое расстояние до соответствующих соседних нижних оснований. Следовательно, машинные основания расположены посередине между нижними основаниями с обеспечением наиболее длинного эластичного соединения от машинного основания до соседних нижних оснований. Это максимизирует эффект демпфирования эластичной мембраны для соответствующей используемой мембраны.
В другом варианте нижний опорный блок, кроме того, содержит один или множество демпфирующих элементов, которые расположены ниже местоположений машинных оснований и которые поддерживают мембрану относительно фундамента в упругом состоянии. Это обеспечивает возможность использования демпфирующего блока для других маховиковых блоков с другими весами при идентичных демпфирующих свойствах. Демпфирующий эффект демпфирующих элементов может регулироваться по желанию посредством выбора соответствующих материалов для демпфирующих элементов. Демпфирующие элементы могут, например, быть осуществлены как резиновые амортизаторы, имеющие высоту, равную высоте нижних оснований. Кроме того, могут быть использованы мембраны, материал которых имеет недостаточную стабильность для веса корпуса с ротором, так как демпфирующие элементы дополнительно поддерживают мембрану между нижними основаниями.
В другом варианте выполнения мембрана содержит среднее отверстие и непрерывную поверхность, проходящую по окружности вокруг отверстия и закрепленную на нижних основаниях. Непрерывная поверхность образует самоподдерживающееся соединение между двумя соседними нижними основаниями, которые имеют несущую поверхность, достаточно большое для расположения машинного кожуха или машинных оснований на ней. Размер и форма поддерживающей поверхности не изменяется центральным отверстием, так как область отверстия, даже в закрытом состоянии, не дает вклада в поддержку, или дает только небольшой вклад, в отличие от ее внешних областей, на которых покоятся машинный кожух или машинные основания. Самоподдерживающиеся соединения, тем не менее, являются более гибкими, когда отверстие присутствует, и могут более легко деформироваться нагрузками выхода из строя, что приводит к более эффективному поглощению энергии и демпфированию, в случае выхода из строя. Благодаря форме круговой непрерывной поверхности коэффициенты жесткости самоподдерживающегося соединения мембраны могут быть изменены по желанию.
В одном варианте выполнения форма мембраны согласована с формой нижней части таким образом, что мембрана не выступает за нижнюю часть в направлении перпендикулярном оси вращения. При соответствующем расположении нижнего и верхнего опорных блоков, нагрузка машинного кожуха, следовательно, рассеивается вертикально вниз к фундаменту. С помощью этих расположений могут быть обеспечены демпфирующие устройства, с которыми требуемое конструкционное пространство, перпендикулярное оси вращения, является минимальным для осуществления демпфирующего устройства. С таким демпфирующим устройством могут быть обеспечены особенно компактные маховиковые накопители энергии с множеством маховиковых блоков с наименьшей возможной нижней областью маховикового накопителя энергии с особенно хорошими демпфирующими свойствами. В предпочтительном варианте изобретения нижняя часть содержит круговую краевую поверхность и нижнюю поверхность, расположенную внутри упомянутой краевой поверхности, причем форма мембраны, как проекция краевой поверхности параллельно оси вращения, имеет ту же форму, что и краевая поверхность. Следовательно, даже меньшее конструкционное пространство требуется для демпфирующего устройства в радиальном направлении к оси вращения ротора. В этом случае краевая поверхность и мембрана могут, соответственно, иметь кольцевую форму. Это предотвращает, так называемый, эффект кликера со стороны мембраны.
В одном варианте выполнения краевая поверхность образована как фланец, прикрепленный к мембране через верхний опорный элемент. Это допускает быстрое и простое соединение корпуса накопителя с мембраной.
В одном варианте выполнения маховиковый блок содержит монтажную плиту, на которой прикреплен нижний опорный блок для последующего соединения с фундаментом. Это обеспечивает возможность прикрепления маховикового блока на основании маховикового накопителя энергии или фундаменте, соответственно.
Изобретение, кроме того, относится к маховиковому накопителю энергии, содержащему множество маховиковых блоков согласно изобретению, при этом маховиковые блоки неподвижно присоединены к фундаменту маховикового накопителя энергии, например, непосредственно через нижний опорный элемент или косвенно через монтажную плиту, на которой нижний опорный элемент закреплен. В этом случае маховиковые блоки, предпочтительно, имеют роторы с соответствующими осями вращения, перпендикулярными основанию маховикового накопителя энергии. Например, маховиковый накопитель энергии может содержать вакуумный модуль для создания минимального вакуума в соответствующих маховиковых блоках, требуемого для работы маховиковых блоков, одну или более точек соединения с электрической сетью и модульную систему управления, выполненную с возможностью соответствующего управления по меньшей мере маховиковыми блоками и вакуумным модулем и передачи данных через интерфейс данных для выполнения внешних управляющих команд, при этом один или множество сетевых интерфейсов выполнены по меньшей мере с возможностью соединения с локальной энергосети (электросеть компании, областная сеть и городская сеть) и/или нелокальной энергосети (передающая или распределительная сеть, такая как общественная сеть). Маховиковый накопитель энергии может в этом случае содержать кожух модуля, выполненный с возможностью обеспечения безопасной транспортировки компонентов, расположенных внутри, и поглощения статических или динамических нагрузок маховиковых блоков при работе. Для прочности кожух модуля может быть выполнен, например, по меньшей мере в большинстве случаев из бетона, металла или стали, предпочтительно он целиком выполнен из стали.
В одном варианте выполнения расстояние между соседними маховиковыми блоками, перпендикулярное к оси вращения, в маховиковом накопителе энергии меньше или равно 50 мм.
В одном варианте выполнения маховиковый накопитель энергии содержит охлаждающий и/или нагревающий модуль для удаления по меньшей мере внутренних термических нагрузок во время работы маховиковых блоков или для кондиционирования воздуха во время работы маховиковых блоков, предпочтительно, также для поддерживания минимальной температуры. Охлаждающий модуль, в этом случае относится к устройству для охлаждения аппаратуры, обеспечивающему рассеивание, например, внутренних термических нагрузок, электрических потерь, теплоты трения во время работы маховиковых блоков и отходящей теплота модулей, таких как вакуумный модуль. Слишком высокая внутренняя температура кожуха модуля ведет к более высокому риску отказа электроники, расположенной внутри, в частности, силовой электроники. Обычно максимальные температуры 45°C допустимы внутри кожуха модуля. Нагревающий модуль, наоборот, обеспечивает максимальные отрицательные температуры внутри корпуса модуля, не ниже 10°C для предотвращения образования конденсационной воды. В данном случае диапазоны наружной температуры от -20°C до 50°C являются обычными, и в экстремальном случае максимально низкие температуры от -30°C и максимально высокие температуры до 60°C являются допустимыми. Поскольку потери предусматривают это, пассивные нагревающие/охлаждающие устройства, такие как пластинчатые теплообменники на потолке кожуха модуля, должны быть предпочтительны как нагревающий и охлаждающий модули, которые пассивно обеспечивают возможность циркуляции охладителя и теплообмен посредством конвекции, так как они менее негативно влияют на полную эффективность накопителя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения показаны подробно на чертежах:
на фиг. 1 показан примерный вариант маховикового блока согласно изобретению, с демпфирующим устройством, в виде аксонометрии сбоку;
на фиг. 2 показан примерный вариант демпфирующего устройства согласно изобретению, на виде сверху мембраны без верхнего опорного элемента для лучшего понимания;
на фиг. 3 показан другой примерный вариант демпфирующего устройства согласно изобретению, в разрезе;
на фиг. 4 показан примерный вариант демпфирующего устройства согласно изобретению в разрезе;
на фиг. 5 показан примерный вариант маховикового накопителя энергии, согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
На фиг. 1 показан примерный вариант выполнения маховикового блока 1, согласно изобретению, с демпфирующим устройством 4, на виде в аксонометрии сбоку. В этом случае показан, маховиковый блок 1 с ротором 2, показанным штриховыми линиями, при этом ротор окружен машинным кожухом 3 для защиты окружающей среды от ротора. Кожух 3 содержит нижнюю часть 31, к которой прикреплено демпфирующее устройство 4 для крепления маховикового блока 1 на фундамент 11 или монтажную пластину 5. Демпфирующее устройство 4 содержит нижний опорный блок 41, расположенный по окружности под нижней частью 31, который в этом примерном варианте выполнения сформирован четырьмя отдельными нижними основаниями 41В с первой высотой ВН нижнего основания, при этом нижние основания 41В расположены в плоскости, параллельной нижней части 31, симметрично друг другу вокруг оси 21 вращения ротора, в квадрате. На этом виде в аксонометрии заднее нижнее основание скрыто другими компонентами демпфирующего устройства 4. В этом случае нижний опорный блок 41 является пустым между нижними основаниями 41В ниже нижней части 31. В этом варианте выполнения нижняя часть 31 машинного кожуха 3 косвенно закреплена на мембране 42 посредством верхнего опорного элемента 43, который содержит несколько машинных оснований 43, имеющих высоту МН машинного основания, причем машинные основания присоединены к мембране 42 между мембраной 42 и областью 31 основания машинного кожуха 3 на самоподдерживающихся областях 42f мембраны 42 в соответствующих местоположениях машинного основания. В этом случае количество (четыре) машинных оснований 43 равно количеству (четыре) нижних оснований 412. Из-за того, что блок показан в аксонометрии, два машинных основания 43 скрыты нижней частью 31 машинного кожуха 3, при этом каждое из машинных оснований расположено, в данном случае, на самоподдерживающемся мембранном сегменте, ограниченном между двумя соседними нижними основаниями 412 и осью 21 вращения ротора 2, причем положения машинных оснований в плоскости мембраны в каждом случае имеют одинаковое расстояние D до соответствующих соседних нижних оснований 412. В другом варианте также возможно использование только трех нижних оснований 41В и трех машинных оснований 43М, которые расположены симметрично друг другу в виде равнобедренного треугольника для поддержки поддерживающей поверхности SF.
На фиг. 2 показан примерный вариант выполнения демпфирующего устройства 4 согласно изобретению, на виде сверху на мембрану 42 для лучшего обзора без верхнего опорного элемента 43. Мембрана 42, несущая машинный кожух 3 закреплена на верхней стороне нижних оснований 41В и, в этом случае, поддерживается нижним опорным элементом 41. Здесь и далее термин "поддерживается" в основном включает в этом случае полное или частичное перекрытие, причем в этом случае перекрытие выполнено с обеспечением расположения проекции центральной точки М на нижнюю часть 31 вдоль оси 21 вращения ротора 2 в пределах поддерживающей поверхности SF, поддерживаемой отдельными нижними основаниями 41В посредством мембраны 4. Мембрана 42 в этом случае поддерживается на всех верхних торцевых поверхностях четырех нижних оснований 41В, которые образуют несущие поверхности 411. При таком расположении нижних оснований 41В, базовое основание 31 выполнено с обеспечением формирования мембраной 42 самоподдерживающегося соединения 42f между машинным кожухом 3 и соседними нижними основаниями 412, как нижний опорный элемент 41. В этом примерном варианте выполнения мембрана 42 содержит центральное отверстие 421 и непрерывную поверхность 422, проходящую по окружности вокруг отверстия и закрепленную на нижних основаниях 41В. Мембрана 42 может, преимущественно, иметь кольцевую форму, согласованную с формой нижней части 31, так что нижние основания 41В и машинные основания 43М (не показаны подробно здесь для ясности), присоединенные к мембране 42, не выступают за нижнюю часть 31 машинного кожуха 3 в радиальном направлении.
На фиг. 3 показан другой примерный вариант выполнения демпфирующего устройства 4 согласно изобретению, в разрезе. В этом случае, аналогично фиг. 2, четыре нижних основания 41В расположены симметрично друг другу, причем одно нижнее основание 41В (сзади в центре) скрыто центральным нижним основанием 41В (спереди в центре). Четыре машинных основания 43М подобным образом расположены на мембране 42, закрепленной на нижних основаниях 41В, как нижнем опорном блоке 41, при этом машинные основания 43М повернуты на 45° относительно нижних оснований 41В, при этом два задних машинных основания 43М скрыты двумя передними машинными основаниями 43М. Машинные основания 43М образуют верхний опорный блок 43. В этом примерном варианте выполнения нижний опорный блок 41 дополнительно содержит четыре демпфирующих элемента 41D (выделены серым цветом), каждый из которых расположен в местоположениях оснований накопителя под машинными основаниями 43М накопителя, и которые поддерживают мембрану 42 относительно фундамента (не показано здесь) в упругом положении. Таким образом, тот же демпфирующий блок 4 может быть использован для различных масс машинного кожуха 3 и ротора 2. Для ясности машинный кожух 3 только обозначен. В этом случае форма мембраны 42 согласована с формой нижней части 31 таким образом, что мембрана, перпендикулярно к оси вращения, не выступает за пределы нижней части 31. В этом случае нижняя часть 31 содержит круговую краевую поверхность 31r и нижнюю поверхность 3lb, расположенную в пределах краевой поверхности 31r, причем форма мембраны 42, как проекция краевой поверхности 31r, параллельная оси 21 вращения, может иметь ту же форму, что и краевая поверхность 31r. Поскольку краевая поверхность 31r имеет форму кольца, мембрана 41, соответственно, также имеет кольцевую по форме конструкцию.
На фиг. 4 показан примерный вариант выполнения мембраны 42 согласно изобретению в разрезе. В этом случае мембрана 42 состоит из мембранного пакета 42Р из четырех металлических слоев 421, 422, 423, 424, расположенных один на другом, которые, только в монтажных точках 44 неподвижно соединены друг с другом и с землей и/или нижними основаниями 41,412. При выходе ротора 2 из строя, металлические слои 421, 422, 423, 424 деформируются и, следовательно, трутся друг о друга при приеме возникшей во время выхода из строя энергии, что дополнительно поглощает нагрузку выхода из строя и дополнительно демпфирует перемещение машинного кожуха 3. В данном случае слои материала 421, 422, 423, 424 могут быть выполнены с чередованием как поддерживающие материальные слои 422, 424 (например, как слой металла) и как демпфирующие материальные слои 421, 423 (например, из CFVK композитного материала или другого материала, например пластмассового материала).
На фиг. 5 показан примерный вариант выполнения маховикового накопителя 10 энергии, согласно изобретению, который содержит множество маховиковых блоков 1, расположенных в ряды из пяти блоков 1 в каждом случае, при этом блоки 1 неподвижно соединены с фундаментом 11 маховикового накопителя 10 через монтажную пластину 5 между демпфирующим устройством 4 и фундаментом 11. Расстояние А между соседними блоками 1, перпендикулярное к оси 21 вращения в маховиковом накопителе 10 энергии, может быть выбрано меньше или равно 50 мм при использовании демпфирующего устройства 4 согласно изобретению, посредством чего возможно обеспечение особенно компактного накопителя 10 энергии, имеющего высокое количество маховиковых блоков 1 в данном объеме накопителя 10 энергии.
Например, внутри маховикового накопителя 10 энергии могут быть расположены двадцать восемь маховиковых блоков 1, которые соединены через электрическую промежуточную схему для обеспечения общей энергетической емкости и выходной мощности. Количество блоков 1 согласовано с фактом, что маховиковый накопитель 10 энергии через обеспеченную таким образом общую емкость и выходную мощность может подавать энергию в присоединенную электрическую сеть 5 в течение периода времени более 30 секунд. В данном случае индивидуальные маховиковые блоки 1 могут передавать, в среднем, 20 кВт мощности. Этот маховиковый накопитель энергии 10, следовательно, имеет общую емкость 560 кВт. Количество блоков 1 в маховиковом накопителе 10 энергии может изменяться в зависимости от соответствующего накопителя энергии.
Примерные варианты выполнения, показанные здесь, являются только примерами настоящего изобретения, и, следовательно, не являются ограничительными. Альтернативные варианты, рассматриваемые специалистами, таким образом, включены в объем настоящего изобретения.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 маховиковые блоки
2 ротор
21 ось вращения ротора
3 машинный кожух
31 нижняя часть машинного кожуха
31r периферийная поверхность нижней части
31b нижняя поверхность нижней части
32 фланец
33 верхняя сторона машинного кожуха
4 демпфирующее устройство
41 нижний опорный блок
41В нижнее основание
41D демпфирующий элемент
42 мембрана
421 центральное отверстие в мембране
422 сплошная поверхность, проходящая по кругу вокруг отверстия
42f самоподдерживающееся соединение
42Р мембранный пакет
421-424 слои материала в мембранном пакете
43 верхний опорный блок
43М машинное основание
44 монтажные точки
5 монтажная пластина
10 маховиковый накопитель энергии
11 фундамент (основание) маховикового накопителя энергии
А расстояние между соседними маховиковыми блоками в маховиковом накопителе энергии
ВН высота нижнего основания (нижних оснований)
D расстояние от местоположения машинного основания до соседних нижних оснований
М центральная точка нижней части
МН высота машинного основания (машинных оснований)
SF несущая поверхность.