НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ МАХОВИКА

Область техники
Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в энергетике в качестве стационарного накопителя энергии.
Предшествующий уровень техники
Известна конструкция стенда для испытаний маховиков с вертикальной осью вращения. (Книга Дж. Джент, «Накопление кинетической энергии», М., Мир, 1988, стр.159, рис.2.68). Устройство выполнено в виде маховика, установленного в защитном корпусе и закрепленного на валу электродвигателя с помощью гибкого вала, снабженного демпфером. Наличие гибкого вала, в виде тонкого стержня, легко сгибающегося при изгибных нагрузках, позволяет маховику с дисбалансом вращаться вокруг реальной, а не геометрической оси вращения. Недостатком аналога, наряду с малой несущей способностью по передаче крутящего момента, является высокий уровень потерь энергии, связанный с наличием демпфера колебаний, уместного в испытательном стенде, но снижающего КПД устройства в целом при его использовании в качестве накопителя энергии.
Известен накопитель энергии, содержащий маховик, выполненный с валом, корпус, в котором понижено давление газовой среды и в котором установлен маховик, электромашину, выполненную с обеспечением вращения ее вала, гибкий вал, установленный вертикально, при этом вал электромашины связан с валом маховика посредством гибкого вала. (Книга Дж. Джент, «Накопление кинетической энергии», М., Мир, 1988, стр.207, рис.4.7).
В этом устройстве отсутствует механический демпфер, однако недостатком ближайшего аналога является малый передаваемый гибким коротким валом крутящий момент, а также большие изгибные напряжения, возникающие в коротком валу.
Раскрытие полезной модели
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который получен при выполнении заявленной полезной модели - повышение несущей способности гибкого вала, как по передаваемому моменту, так и по осевому усилию.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном накопителе энергии, содержащем маховик, выполненный с валом, корпус, в котором понижено давление газовой среды и в котором установлен маховик, электромашину, выполненную с обеспечением вращения ее вала, гибкий вал, установленный вертикально, при этом вал электромашины связан с валом маховика посредством гибкого вала, согласно заявленному устройству гибкий вал выполнен в виде карданного вала, снабженного верхним фланцем, нижним фланцем и карданными шарнирами, карданный вал с одной стороны соединен с верхним фланцем посредством одного карданного шарнира, а верхний фланец соединен с валом электромашины, с противоположной стороны карданный вал посредством другого карданного шарнира соединен с валом маховика, на котором закреплен нижний фланец, введены элементы крепления, которые служат для продольного соединения верхнего фланца и нижнего фланца.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- элементы крепления были выполнены с возможностью регулируемого натяжения верхнего и нижнего фланцев;
- был введен, по меньшей мере, один направляющий элемент, выполненный в виде круглой пластины и расположенный между верхним фланцем и нижним фланцем, в качестве элементов крепления были бы использованы упругие стрежни, которые установлены в отверстиях, выполненных в круглой пластине;
- была введена шпонка, установленная на валу маховика, а карданный шарнир соединен с валом маховика посредством шпоночного соединения.
Вышеописанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения указанного технического результата, направленного на создание эффективной конструкции накопителя энергии на основе маховика, обеспечивающего передачу коротким вертикальным валом маховика больших крутящих моментов при достаточной амплитуде колебаний оси инерции маховика из-за дисбаланса последнего.
Указанные преимущества полезной модели, а так же ее особенности поясняются с помощью варианта, представленного на чертеже.
Осуществление полезной модели
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.
Накопитель энергии содержит маховик 1, выполненный с валом 2, корпус 3 с пониженным давлением газовой среды, в котором установлен маховик 1. Электромашина 4 выполнена с обеспечением вращения ее вала 5. Гибкий вал 6 установлен вертикально, при этом вал 5 электромашины 4 связан с валом 2 маховика 1 посредством гибкого вала 6.
Гибкий вал 6 выполнен в виде карданного вала 7, снабженного верхним фланцем 8, нижним фланцем 9 и карданными шарнирами 10, 11. Карданный вал 7 с одной стороны соединен с верхним фланцем 8 посредством одного карданного шарнира 10, а верхний фланец 8 соединен с валом 5 электромашины 4. С противоположной стороны карданный вал 7 посредством другого карданного шарнира 11 соединен с валом 2 маховика 1, на котором закреплен нижний фланец 9. В устройство введены элементы 12 крепления, которые служат для продольного соединения верхнего фланца 8 и нижнего фланца 9.
Элементы 12 крепления выполнены с возможностью регулируемого натяжения верхнего и нижнего фланцев 8, 9. Для этого в качестве элементов 12 крепления могут быть использованы болты, шпильки и т.п.
В устройство может быть введен, по меньшей мере, один направляющий элемент 13, выполненный в виде круглой пластины и расположенный между верхним фланцем 8 и нижним фланцем 9. В качестве элементов 12 крепления могут быть использованы упругие стрежни (стальные болты, шпильки и т.п.), которые установлены в отверстиях, выполненных в круглой пластине.
В устройство может быть введена шпонка 14, установленная на валу 2 маховика 1, а карданный шарнир 11 соединен с валом 2 маховика 1 посредством шпоночного соединения.
Работает накопитель энергии следующим образом.
Элементы 12 крепления обеспечивают прочные на растяжение продольные гибкие связи, соединяющие верхний и нижний вращающиеся фланцы 8, 9 карданного вала 7, между которыми находятся карданные шарниры 10, 11. Эти гибкие связи могут быть закреплены фиксирующими элементами 15.
Направляющий элемент 13 обеспечивает фиксацию по длине гибких связей элементов 12 крепления. Шпонка 14, установленная на валу 2 маховика 1, обеспечивает шпоночное соединение с карданным шарниром 11 для передачи вращающего момента и допуска осевых перемещений.
При разгоне маховика 1 электромашиной 4 через валы 5 и 2, а также карданный вал 7, геометрическая ось маховика - вал 2 - может при дисбалансе маховика 1 совершать упругие движения малого радиуса вокруг центральной оси инерции маховика 1. Карданный вал 7 соединяет с радиальной компенсацией валы 2 и 5, позволяя валу 2 маховика 1 совершать указанные движения при неподвижной оси вала 5. Так как сила тяжести маховика 1 действует на вал 5 через карданный вал 7, последний, не рассчитанный на большие осевые усилия может быть поврежден в карданных шарнирах 10 и 11. Для предотвращения этого верхний и нижний фланцы 8, 9 снабжены прочными гибкими связями элементов 12 крепления, воспринимающими упомянутую силу тяжести. Направляющий элемент 13 дополнительно предотвращает поперечный изгиб связей элементов 12 крепления при быстром вращении карданного вала 7, а шпоночное соединение (шпонка 14 + карданный шарнир 11), позволяющее осевое перемещение, препятствует осевой нагрузки карданных шарниров 10 и 11 силой тяжести маховика 1.
Таким образом, выполнение гибкого вала 6 в виде карданного вала 7 с карданными шарнирами 10, 11 и продольное соединение верхнего и нижнего фланцев 8, 9 элементами 12 крепления позволяет повысить несущую способность короткого гибкого вала 6, как по передаваемому моменту, так и по осевому усилию.
Промышленная применимость
Наиболее успешно накопитель энергии на основе маховика промышленно применим в энергетике.