НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ЛЕНТОЧНЫХ СУПЕРМАХОВИКОВ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в энергетике.
Известен накопитель энергии на основе маховика с вертикальной осью вращения, содержащий маховик, выполненный с валом, корпус, в котором понижено давление газовой среды и в котором установлен маховик, электромашину, выполненную с обеспечением вращения ее вала, при этом вал электромашины связан с валом маховика посредством вала вертикального подвеса, установленного в корпусе подвески и снабженного подпружиненными опорами качения, причем введен элемент гибкой связи, а вал вертикального подвеса связан с валом маховика элементом гибкой связи. (RU №132850, U1, опуб. 27.09.2013).
В этом устройстве элемент гибкой связи выполнен в виде карданного вала. В устройстве использованы, по меньшей мере, две подпружиненные опоры качения, исполненные в виде упорных шарикоподшипников, каждый из которых выполнен с вращающимся кольцом, закрепленным на валу вертикального подвеса, и с невращающимся кольцом, установленным в корпусе подвески с возможностью его осевого перемещения, для чего каждая из пружин подпружиненной опоры качения выполнена в виде тарельчатой пружины, установленной между невращающимся кольцом и элементом ограничения ее прогиба, закрепленным на корпусе подвески.
Недостатками устройства являются небольшое количество накопленной энергии из-за использования одного маховика, а также отсутствие надежной смазки опор качения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является маховичный накопитель энергии, содержащий корпус, выполненный герматизированным, вал, установленный вертикально и предназначенный для подсоединения сверху к электромашине, маховик, кинематические средства связи вала с маховиком, по меньшей мере, две опоры качения и упругие элементы, выполненные подпружинивающими опоры качения, винтовой маслонасос, которые установлены внутри корпуса, канал для подачи масла в верхнюю опору качения, причем опоры качения выполнены с возможностью протекания масла через них и смазывания их тел качения, при этом ниже нижней опоры качения выполнен слив масла в винтовой маслонасос, уплотнение, обойму, выполненную с отверстием для протекания масла, и стопорные кольца. (RU №133576 U1, опуб. 20.10.2013).
В этом устройстве опоры качения связаны с валом и корпусом подвеса с возможностью вращения вала. Упругие элементы, подпружинивающие опоры качения, выполнены в виде тарельчатых пружин. Вал служит для подсоединения сверху к электромашине, а внизу - к маховику. Вал соединен с маховиком карданным валом. В верхней части корпуса подвеса выполнен канал для подачи жидкого масла в верхнюю опору качения. Маслонасос реализован в виде винтовой канавки непосредственно на наружной поверхности вала и в виде обоймы, отверстие которой сообщено с винтовой канавкой. Маслопровод выполнен в виде наружной трубки, которая подсоединена к отверстию обоймы и к каналу для подачи жидкого масла в верхнюю опору качения. Герметичное уплотнение установлено ниже маслонасоса над карданным валом маховика.
Ограничениями этого устройства являются:
- недостаточно большое количество накопленной энергии из-за использования одного маховика, реализовать подвеску из двух и более маховиков из-за их соединения гибкой связью - карданным валом непосредственно с валом электромашины технически очень сложно, поскольку маховики имеют сравнительно большой вес нагрузки на электромашину;
- повышенные габариты, т.к. опоры качения подвески продольно вынесены за поперечные габариты маховика;
- уменьшение надежности и усложнение выполнения системы смазки с наружным маслопроводом и зоной повышенного давления масла над уплотнением над герметизированным корпусом маховика, которое воздействует непосредственно на него.
Количество накопленной энергии связано с конструкцией маховика и скоростью его вращения. Однако увеличивать скорость вращения одного маховика беспредельно, выше допустимой для его конкретной конструкции нельзя, т.к. это приводит к разрушению маховика. Следует отметить, что накопить большие количества энергии при безопасном разрыве могут ленточные супермаховики (см. например, патенты РФ №133233, №133575, №132849), которые и предполагается применять в предложенном устройстве. Кроме того, электромашина в реальных условиях эксплуатации может и не развивать максимальной мощности. Если использовать несколько маховиков при допустимой скорости вращения для одного маховика, то увеличение количества накопленной энергии в составной конструкции пропорционально количеству используемых маховиков за вычетом энергетических потерь в кинематических средствах связи вала электромашины с маховиком. Поэтому является очень важным обеспечить компактность средств связи вала электромашины с маховиком, уменьшить потери на трение, т.е. обеспечить вращающиеся элементы всей конструкции вакуумной смазкой при пониженном давлении газовой среды не только в корпусе маховика, но и в области расположения средств связи вала с маховиком.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Достигаемый технический результат полезной модели заключается в повышении количества накопленной энергии, в надежности, в упрощении системы смазки, в уменьшении габаритов устройства при использовании нескольких маховиков.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном накопителе, содержащем корпус, выполненный герматизированным, вал, установленный вертикально и предназначенный для подсоединения сверху к электромашине, по меньшей мере, один маховик, кинематические средства связи вала с маховиком, по меньшей мере, две опоры качения и упругие элементы, выполненные подпружинивающими опоры качения, винтовой маслонасос, которые установлены внутри корпуса, канал для подачи масла в верхнюю опору качения, причем опоры качения выполнены с возможностью протекания масла через них и смазывания их тел качения, при этом ниже нижней опоры качения выполнен слив масла в винтовой маслонасос, уплотнение, обойму, выполненную с отверстием для протекания масла, и стопорные кольца, согласно заявленной полезной модели, кинематические средства связи вала с маховиком выполнены из трубы, снабженной фланцами, один из которых расположен снаружи на верхнем краю трубы, а другой - снаружи, отступающим вдоль продольной оси от нижнего края трубы, из промежуточного вала, из стойки, внизу которой выполнен масляный резервуар, сообщенный с верхним краем стойки каналом для подачи масла в верхнюю опору качения, из компенсирующей муфты, установленной между валом и промежуточным валом, при этом промежуточный вал соединен с трубой через упор верхней опоры качения с образованием зазора между его нижним торцом и верхним краем стойки, расположенной над верхней опорой качения, маховик закреплен на наружной поверхности трубы между фланцами, а опоры качения установлены между внутренней поверхностью трубы и наружной поверхностью стойки, на поверхности которой, обращенной к нижнему фланцу трубы выполнен осевой упор нижней опоры качения, обойма установлена на краю торца стойки с масляным резервуаром, и на ее внутренней поверхности, обращенной к нижнему фланцу, выполнена кольцевая канавка, которая сообщена с масляным резервуаром отверстиями для протекания масла и в которой установлена часть края трубы, отступающего от нижнего фланца, винтовой маслонасос образован винтовыми канавками на стенке кольцевой канавки и/или винтовыми канавками на стенке упомянутой части края трубы, введены упругие опоры, установленные между наружной поверхностью обоймы и днищем корпуса, а уплотнение установлено на валу над компенсирующей муфтой.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- каждая из опор качения выполнена в виде набора, по меньшей мере, из двух шарикоподшипников состыкованных внешними и внутренними кольцами;
- упругие элементы, подпружинивающие опоры качения, выполнены в виде пружин осевого направления, связывающими внутреннее кольцо нижнего шарикоподшипника набора с соответствующим упором на стойке, причем внешние кольца верхних шарикоподшипников набора связаны с соответствующими упорами на трубе;
- маховик выполнен составным из нескольких ленточных супермаховиков, сопряженных между собой обращенными друг к другу боковыми поверхностями;
- на торце стойки с масляным резервуаром был выполнен поперечный выступ, наружная поверхность которого цилиндрическая, а кольцевая канавка образована ее наружной стенкой и наружной цилиндрической поверхностью поперечного выступа;
- была введена заглушка, установленная на наружной поверхности обоймы и торце стойки с образованием в торце стойки масляного резервуара;
- был введен жиклер, установленный в канале для подачи масла в верхнюю опору качения в верхнем краю стойки;
- поверхность обоймы, обращенная к нижнему фланцу трубы, была выполнена воронкообразной;
- корпус был снабжен крышкой, установленной на уровне компенсирующей муфты, втулкой, установленной на продольной оси в центральном отверстии крышки, дополнительным резервуаром масла, расположенным над уплотнением, подшипниками вала, установленными между валом и втулкой с возможностью вращения вала, вал и промежуточный вал установлены с зазором между их стенками и внутренней стенкой втулки, дополнительный резервуар масла выполнен в виде кругообразной емкости, расположенной снаружи втулки и сообщенной с внутренней полостью втулки между уплотнением и подшипниками вала посредством поперечных отверстий, выполненных в стенке втулки.
В последнем дополнительном варианте компенсирующая муфта может быть выполнена зубчатой, обращенные друг к другу торцы вала и промежуточного вала выполнены с шестернями, зубцы которых - в зацеплении с внутренними зубцами общего колеса, в стенке общего колеса под шестерней промежуточного вала выполнены пропускные отверстия, промежуточный вал выполнен с Т-образным продольным сечением, горизонтальная часть которого соединена с трубой через упор верхней опоры качения, и в этой горизонтальной части промежуточного вала выполнены маслосливные отверстия.
Указанные преимущества полезной модели, а так же ее особенности поясняются с помощью лучшего варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж.
Фиг. 1 схематично изображает заявленное устройство, продольное сечение.
Накопитель энергии (фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный герматизированным, вал 2, установленный вертикально и предназначенный для подсоединения сверху к электромашине (на фиг. 1 не показана), маховик 3, выполненный в виде ленточного супермаховика, из набора которых может быть составлен составной маховик, кинематические средства связи вала 2 с маховиком 3, две опоры 4, 5 качения и упругие элементы 6, выполненные подпружинивающим опоры 4, 5 качения, винтовой маслонасос 7, которые установлены внутри корпуса 1. Устройство имеет канал 8 для подачи масла в верхнюю опору 4 качения, причем опоры 4, 5 качения выполнены с возможностью протекания масла через них и смазывания их тел качения. Ниже нижней опоры 5 качения выполнен слив масла в винтовой маслонасос 7. Устройство также имеет уплотнение 9, и обойму 10, выполненную с отверстием 11 для протекания масла, и стопорные кольца 12, 13.
Использованы по меньшей мере два маховика 3, сопряженные между собой обращенными друг к другу боковыми поверхностями. Кинематические средства связи вала с маховиками 3 (количество маховиков 3 определяется техническим заданием на накопитель энергии). Кинематические средства связи с вала 2 маховиком 3 выполнены из трубы 14, снабженной фланцами 15, 16. Один фланец 15 расположен снаружи на верхнем краю трубы 14, а другой фланец 16 - снаружи, отступающим от нижнего края трубы 14 вдоль продольной оси. Кинематические средства связи также выполнены из промежуточного вала 17, из стойки 18, внизу которой выполнен масляный резервуар 19, сообщенный с верхним краем стойки 18 каналом 8 для подачи масла в верхнюю опору 4 качения, из компенсирующей муфты 20, установленной между валом 2 и промежуточным валом 17. Промежуточный вал 17 соединен с трубой 14 через упор 21 верхней опоры 4 качения с образованием зазора между его нижним торцом и верхним краем стойки 18, расположенной над верхней опорой 4 качения. Маховики 3 закреплены на наружной поверхности трубы 14 между фланцами 15, 16. Опоры 4, 5 качения установлены между внутренней поверхностью трубы 14 и наружной поверхностью стойки 18, на поверхности которой, обращенной к нижнему фланцу 16 трубы 14 выполнен осевой упор 22 нижней опоры 5 качения. Обойма 10 установлена на краю торца стойки 18 с масляным резервуаром 19, и на ее внутренней поверхности, обращенной к нижнему фланцу 16, выполнена кольцевая канавка 23, которая сообщена отверстиями 11 для протекания масла с масляным резервуаром 19 масла и в которой установлена часть края трубы 14, отступающего от нижнего фланца 16. Винтовой маслонасос 7 образован винтовыми канавками на стенке кольцевой канавки 23 и/или винтовыми канавками на стенке упомянутой части края трубы 14. Введены упругие опоры 24, установленные между наружной поверхностью обоймы 10 и днищем 25 корпуса 1. Уплотнение 9 установлено на валу 2 над компенсирующей муфтой 20.
Каждая из опор 4, 5 качения выполнена в виде набора по меньшей мере из двух шарикоподшипников, состыкованных внешними и внутренними кольцами. В качестве упругих элементов 6 в данном исполнении устройства использованы витые цилиндрические пружины. Внешнее кольцо верхнего шарикоподшипника верхней опоры 4 качения связано с упором 21 верхней опоры 4 качения, закрепленным между промежуточным валом 17 и трубой 14, а внутреннее кольцо нижнего шарикоподшипника верхней опоры 4 качения через витую цилиндрическую пружину (упругий элемент 6) связано с первым стопорным кольцом 12, установленным снаружи стойки 18. Внешнее кольцо верхнего шарикоподшипника нижней опоры 5 качения сопряжено с вторым стопорным кольцом 13, установленным внутри трубы 14, а внутреннее кольцо нижнего шарикоподшипника нижней опоры 5 качения через другую витую цилиндрическую пружину (упругий элемент 6) связано с осевым упором 22 нижней опоры 5 качения.
На торце стойки 18 с масляным резервуаром 19 может быть выполнен поперечный выступ 26, наружная поверхность которого цилиндрическая. Кольцевая канавка 23 при этом образована ее наружной стенкой и наружной цилиндрической поверхностью поперечного выступа 26.
Может быть введена заглушка 27, установленная на наружной поверхности обоймы 10 и торце стойки 18 с образованием в торце стойки 18 масляного резервуара 19.
Кроме того, может быть введен жиклер 28, установленный в канале 8 для подачи масла в верхнюю опору 4 качения в верхнем краю стойки 18.
Поверхность 29 обоймы 10, обращенная к нижнему фланцу 16 трубы 14, может быть выполнена воронкообразной.
Для передачи вращающего момента от вала 2 промежуточному валу 17 и улучшения герметизации корпуса 1 он может быть снабжен крышкой 30, установленной на уровне компенсирующей муфты 20, втулкой 31, установленной на продольной оси в центральном отверстии крышки 30, дополнительным резервуаром 32 масла, расположенным над уплотнением 9, подшипниками 33 вала 2, установленными между валом 2 и втулкой 31 с возможностью вращения вала 2. Вал 2 и промежуточный вал 17 установлены с зазором между их стенками и внутренней стенкой втулки 31. Дополнительный резервуар 32 масла выполнен в виде кругообразной емкости, расположенной снаружи втулки 31 и сообщенной с внутренней полостью втулки 31 между уплотнением 9 и подшипниками 33 вала 2 посредством поперечных отверстий 34, выполненных в стенке втулки 31.
В частности компенсирующая муфта 20 может быть выполнена зубчатой. Обращенные друг к другу торцы вала 2 и промежуточного вала 17 выполнены с шестернями 35, зубцы которых - в зацеплении с внутренними зубцами общего колеса. В стенке общего колеса под шестерней 35 промежуточного вала 17 выполнены пропускные отверстия 36. Промежуточный вал 17 выполнен с Т-образным продольным сечением, горизонтальная часть которого соединена с трубой 14 через упор 21 верхней опоры 4 качения, и в этой горизонтальной части промежуточного вала 15 выполнены маслосливные отверстия 37.
На фигуре 1 также показаны винты 38, фиксирующие верхний фланец 15, трубу 14 и упор 21 между собой.
Работает накопитель энергии (фиг. 1) следующим образом.
В корпусе 1 (вакуумированном) помещены по меньшей мере два маховика 3 (ленточных супермаховика, предназначенных для накопления энергии), которые посажены своей внутренней цилиндрической поверхностью на наружную поверхность трубы 14, опирающуюся упором 21 в ее верхней части на набор подогнанных друг к другу по осевым размерам шарикоподшипников верхней опоры 4 качения (на фиг. 1 их три в каждом наборе), внешними кольцами сидящими во вращающейся трубе 14, а внутренними - на неподвижной стойке 18. Нижняя часть стойки 18 имеет обойму 10, опирающейся нижней поверхностью через упругие опоры 24 на днище 25 корпуса 1, а в центральной части обоймы 10 установлена заглушка 27, образующая масляный резервуар 19 в торце стойки 18. Внутренняя поверхность 29 обоймы 10, обращенная к нижнему фланцу 16, выполнена воронкообразной с наклоном к кольцевой канавке 23, в котором с зазором расположен нижний конец вращающейся трубы 14. Как минимум на одной из сопрягающихся цилиндрических поверхностей - внутренней или внешней кольцевой канавки 23 и нижнего конца трубы 14 выполнены винтовые канавки, образующие винтовой маслонасос 7. На фиг. 1 винтовые канавки выполнены на всех сопрягающихся цилиндрических поверхностях кольцевой канавки 23 и нижнего конца трубы 14. Стрелками показано направление, в котором происходит движением масла сверху вниз - от верхней опоры 4 качения (набора шарикоподшипников) к нижней опоре 5 качения, далее к воронкообразной поверхности 29 обоймы 10, затем, попадая в кольцевую канавку 23, винтовым маслонасосом 7 по отверстиям 11 подается в масляный резервуар 19. Далее масло по каналу 8 для подачи масла в верхнюю опору 4 качения в стойке 18 поступает вверх, и через жиклер 28 (калиброванный), установленный вверху стойки 18 в канале 8, подается к верхней опоре 4 качения.
Верхняя часть трубы 14, в частности упор 21, соединенный с ней, как и верхний фланец 15, фиксирующий сверху набор маховиков 3, например, винтами 38, выполнена заодно с промежуточным валом 17. При этом упор 21 в верхней части выполнен с сужением кверху (воронкообразным), а между упором 21 и нижней частью промежуточного вала 17 выполнены маслосливные отверстия 37. Между упором 21, промежуточным валом 17 и верхней частью корпуса 1 предусмотрены зазоры, достаточные для компенсации радиальных микроколебаний набора маховиков 3 на упругих опорах 24 корпуса 1 при вращении маховиков 3.
В верхней части - во втулке 31, расположенной в центральном отверстии крышки 30 корпуса 1, на валу 2 установлено уплотнение 9 (герметичное, например, манжетное), причем вал 2 зафиксирован во втулке 31, например, в двух подшипниках 35 качения выше уплотнения 9, а во втулке 31 выше уплотнения 9 выполнены поперечные отверстия 34, соединяющее полость втулки 31 с дополнительным резервуаром 32 для смазки контакта уплотнения 9 с валом 2, после чего масло сливается, например, через пропускные отверстия 36 в компенсирующей муфте 20, например, зубчатой, состоящей из зубчатого колеса с зубчатой нарезкой внутри него и двух зубчатых шестерней 35, установленных или выполненных на торцах вала 2 и промежуточного вала 17. Далее масло через маслосливные отверстия 37 поступает в верхнюю часть набора шарикоподшипников верхней опоры 4 качения, смазывая их и вытекая вниз в кольцевую канавку 23, а далее в винтовой маслонасос 7. Масло применяется вакуумное. Если одного набора двух или трех шарикоподшипников опор 4, 5 качения недостаточно по грузоподъемности, применяют свыше одного набора, причем верхний набор выполняется опирающимся внутренними кольцами шарикоподшипников на упругий элемент 6, выполненный в виде цилиндрической витой пружины, опирающуюся другим концом на первое стопорное кольцо 12, установленное снаружи стойки 18. На внутренней поверхности трубы 14 устанавливается второе стопорное кольцо 13. Внешнее кольцо верхнего шарикоподшипника нижней опоры 5 качения упирается в него, а внутреннее кольцо нижнего шарикоподшипника нижней опоры 5 качения подпружинено цилиндрической витой пружиной (другим упругим элементом 6), которая устанавливается на осевом упоре 22 нижней опоры 5 качения. И так для каждого последующего набора шарикоподшипников промежуточных опор качения с использованием других стопорных колец (если требуется, хотя бы одна промежуточная опора). Количество промежуточных опор определяется числом маховиков 3 и грузоподъемностью электромашины относительно общего веса маховиков 3.
Вращение от внешнего источника, например, электромашины (на фиг. 1 не показана) в режиме мотора, через вал 2, компенсирующую муфту 20, и уплотнение 9 со смазкой вакуумным маслом из дополнительного резервуара 32 (расход масла очень мал - капли в сутки), подается на промежуточный вал 17, а от него через упор 21 верхней опоры 4 качения и трубу 14 передается маховикам 3, составленным из нескольких супермаховиков, собранных на трубе 14 и закрепленных на ней снизу и сверху фланцами 15, 16. Супермаховики, вращаясь, накапливают кинетическую энергию, при этом винтовой маслонасос 7 гонит вакуумное масло, стекающее по опором качения 4, 5 вниз, в масляный резервуар 19, и оно под давлением понимается по каналу 8 в стойке 18, вытекает дозировано через жиклер 28, подается в опоры 4, 5 качения. Если опор 4, 5 например, по три шарикоподшипника несколько, то они связаны друг с другом упругими элементами 6 - цилиндрическими витыми пружинами, как это схематично показано на фиг. 1. Упругие элементы 6 компенсируют осевые погрешности установки шарикоподшипников опор 4, 5 качения и тогда нагрузку подвеса супермаховиков могут воспринимать несколько опор.
Как описывалось выше, небольшое количество масла (капли в сутки) подаются из дополнительного резервуара 32 через зазоры в уплотнении 9 и далее через зазоры и пропускные отверстия 36 в компенсирующей муфте 20 и сливные отверстия 37 в промежуточном валу 17 в шарикоподшипники верхней опоры 4 качения (направление течения масла показано стрелками). Избыток масла при недостаточной частоте вращения супермаховиков скапливается на воронкообразной поверхности 29 обоймы 10 и при увеличении частоты вращения снова подается винтовым маслонасосом 7 в масляный резервуар 19 и поднимается наверх по каналу 8 для подачи масла в верхнюю опору 4 качения. Каждый маховик 3 перед сборкой подвергается тщательной динамической балансировке и его колебания на упругих опорах 24 обычно составляют микрометры (нормируемое смещение центра масс маховиков 3 при высоких частотах вращения - около 3 микрометров, а современные балансировочные машины обеспечивают и меньшее смещение). При переходе электромашины в режим генератора, энергия, накопленная в супермаховиках, переводиться в полезную работу.
Повышение количества накопленной энергии по сравнению с ближайшим аналогом достигается обеспечением вращения по меньшей мере двух маховиков 3, при этом осуществляется герметизация не только самих маховиков 3, но и кинематических средств связи с вала 2 маховиком 3, выполненных из опор 4, 5 качения, трубы 14, промежуточного вала 17 при обеспечении их смазки. Установка уплотнения 9 на валу 2 над компенсирующей муфтой 20 позволяет осуществить вакуумирование не только области расположения маховиков 3, но и всех кинематических средств связи, за счет чего достигается повышение надежности. Повышение надежности также достигается за счет использования канала 8 для подачи масла в верхнюю опору 4 качения, выполненного внутри стойки 18, а не снаружи корпуса 1, как это сделано в ближайшем аналоге. Упрощение конструкции и уменьшение ее габаритов обеспечивается расположением маховиков 3 на своеобразном подвесе, выполненным на основе трубы 14 и промежуточного вала 17. Расположение маховиков 3 снаружи трубы 14 значительно уменьшает продольные габариты устройства. По сравнению с ближайшим аналогом при использовании нескольких маховиков 3 конструкция является довольно компактной.
Накопитель энергии имеет высокий ресурс времени эксплуатации до его обслуживания и надежен в работе.
Наиболее успешно заявленный «Накопитель энергии на основе ленточных супермаховиков» промышленно применим в энергетике.