МАХОВИК ПЕРЕМЕННОГО МОМЕНТА ИНЕРЦИИ
FLYWHEEL WITH THE VARIABLE MOMENT OF INERTIA

Изобретение относится к машиностроению, а именно, к инерционным аккумуляторам энергии.
Известна конструкция маховика переменного момента инерции, содержащего корпус с внутренней камерой, заполненной подвижной средой (RU, №2175085, опубл. 20.10.2001)
В периферийной части камеры размещено капиллярно-пористое вещество. Устройство нагрева и устройство охлаждения соприкасаются с подвижной средой и капиллярно-пористым веществом. Обеспечивается расширение эксплуатационных свойств за счет возможности регулирования момента инерции путем изменения расстояния между осью вращения и центром масс независимо от скорости вращения маховика. К недостаткам этого маховика относится необходимость использования специфического капиллярно-пористого вещества и устройства нагрева и охлаждения. Это приводит к сложности реализации, а также большим временным задержкам при необходимости изменения момента инерции.
Наиболее близким по технической реализации является маховик с переменным моментом инерции (RU, №1615439, опубл. 23.12.90), В конструкции маховика предусмотрен пустотелый барабан с камерой для жидкости, соединенный с валом с возможностью совместного вращения. Внутри камеры установлены радиальные перегородки. Жидкость из резервуара с помощью шнека, закрепленного на валу маховика, подается в камеру. По мере раскручивания маховика его масса увеличивается за счет нагнетания жидкости в камеру. Этот маховик не позволяет уменьшать его момент инерции без уменьшения его скорости вращения, что является его недостатком.
Технической задачей изобретения является обеспечение возможности увеличения и уменьшения момента инерции маховика, не требующее изменения скорости его вращения, а также повышение точности регулирования его момента инерции.
Техническим результатом изобретения является плавное регулирование момента инерции маховика, не требующее изменения скорости его вращения, простота управления и линейность зависимости изменения момента инерции от управляющего воздействия.
Решение технической задачи достигается тем, что в известном маховике переменного момента инерции, содержащего внешнюю камеру цилиндрической формы, внутреннюю цилиндрическую камеру, соосную с внешней и расположенную внутри нее, радиальные перегородки, согласно изобретению, внешняя камера жестко закреплена на двух полуосях, внутренняя камера выполнена в виде цилиндра с цилиндрическим поршнем внутри него, установленного с возможностью перемещения вдоль оси цилиндра с помощью штока, между внутренней и внешней камерами расположен кольцеобразный поршень, с возможностью перемещения вдоль стенок внутренней и внешней камер из среднего положения в верхнее, при этом полости, расположенные под цилиндрическим и кольцеобразным поршнем, гидравлически связаны между собой и заполнены жидкостью, полости над поршнями сообщены между собой и заполнены воздухом, под кольцеобразным поршнем расположено несколько пар радиальных перегородок, причем часть из них закреплены на днище кольцеобразного поршня и перемещаются вместе с ним, другие закреплены между цилиндрическими поверхностями внутренней и внешней камер.
Получение технического результата достигается как перемещением жидкости из центральной области маховика к его периферийной области, так и обратным перемещением жидкости из периферийной области в центральную, что приводит соответственно к управляемому увеличению, или к уменьшению момента инерции; при этом совместное вращение с одинаковой угловой скоростью камеры и жидкости, находящейся в полости под кольцеобразным поршнем, обеспечивают несколько пар радиально расположенных вертикальных перегородок, одни из которых закреплены на днище поршня и перемещаются вместе с ним, другие закреплены между цилиндрическими поверхностями камеры и цилиндра.
Сущность изобретения поясняется рисунками 1, 2 и 3. Маховик переменного момента инерции (фиг. 1) содержит две полуоси 1 и 2, на которых жестко закреплена внешняя камера цилиндрической формы 3. Внутренняя цилиндрическая камера 4 соосна с внешней камерой 3 и установлена с возможностью одновременного вращения с ней. Внутри цилиндрической камеры 4 расположен поршень 5, который может перемещаться вдоль оси маховика из верхнего положения (фиг. 1) в нижнее положение с помощью штока 6, жестко скрепленного с ним. Шток 6 проходит через цилиндрическое отверстие в полуоси 1, что позволяет организовать его линейное перемещение совместно с поршнем 5 вдоль оси маховика. Между цилиндрической поверхностью внешней камеры 3 и цилиндрической поверхностью внутренней камеры 4 расположен кольцеобразный поршень 7, который может перемещаться вдоль стенок коаксиальных цилиндрических поверхностей. Цилиндрическая полость А, расположенная под поршнем 5, и кольцеобразная полость Б, расположенная под кольцеобразным поршнем 7, заполнены рабочим телом (жидкостью). Полости А и Б соединены между собой через отверстия 8, имеющиеся в нижней части внутренней цилиндрической камеры 4. Цилиндрическая полость Г (фиг. 2), расположенная над поршнем 5, и кольцеобразная полость В, расположенная над кольцеобразным поршнем 7, заполнены воздухом. Полости Г и В соединены между собой через отверстия 9, имеющиеся в верхней части внутренней цилиндрической камеры 4.
Минимальный момент инерции маховика соответствует верхнему положению поршня 5 и расположению кольцеобразного поршня 7, при котором объем полости Б равен объему полости В, как показано на фиг. 1.
При перемещении поршня 5 из верхнего в нижнее положение жидкость из полости А перемещается в полость Б, что приводит к перемещению поршня 7 в верхнее положение. Это приводит к увеличению момента инерции в силу того, что жидкость из центральной части маховика перемещается к его внешней поверхности. На фиг. 2 показано промежуточное положение поршней. При перемещении поршня 7 в верхнее положение воздух, расположенный над кольцеобразным поршнем 7, вытесняется из полости В через отверстия 9 цилиндра 4 в полость Г. Максимальный момент инерции маховика достигается при верхнем положении поршня 7.
При перемещении поршня 5 из нижнего положения в верхнее, жидкость из полости Б перемещается в полость А, а воздух, расположенный над поршнем 5, вытесняется через отверстия 9 цилиндра 4 в полость В, что приводит к перемещению кольцеобразного поршня 7 из верхнего положения в среднее. Это приводит к уменьшению момента инерции в силу того, что жидкость из внешней области Б маховика перемещается в его центральную область Л.
Совместное вращение с одинаковой угловой скоростью внешней камеры 3 и жидкости, находящейся в полости Б под кольцеобразным поршнем 7, обеспечивают несколько пар радиально расположенных вертикальных перегородок 10 и 11 (фиг. 3). Перегородки 10 жестко закреплены между внутренней стенкой камеры 3 и наружной стенкой камеры 4. Эти перегородки располагаются от места нахождения нижней поверхности кольцеобразного поршня 7, соответствующего минимальному моменту инерции маховика, до внутренней поверхности дна камеры 3.
Перегородки 11 жестко закреплены на нижней поверхности кольцеобразного поршня 7 и перемещаются вместе с ним. Перегородки 11 перемещаются в пазах, образуемых перегородками 10 и выступами 12 (фиг. 3). Выступы 12 жестко закреплены на внутренней поверхности камеры 3 и внешней поверхности камеры 4. Высота перегородки 11, жестко соединенной с поршнем 7, соответствует высоте перегородки 10, жестко соединенной с камерой 3 и камерой 4. Это обеспечивает перекрытие кольцеобразной камеры Б вертикальными перегородками 10 и 11 при любом положении кольцеобразного поршня 7.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано в системах управления гидроагрегатов при переходных процессах и аварийных режимах, которые могут возникать при резком сбросе нагрузки большой суммарной мощности, что характерно для малых ГЭС. В последнем случае маховик, сопряженный с гидроагрегатом, создает дополнительный тормозящий момент для гидроагрегата, предотвращая его неуправляемый разгон. Это реализуется за счет управляющих воздействий, приводящих к увеличению момента инерции маховика.
Использование такого маховика, также, позволяет:
- осуществлять управляемое демпфирование случайных возмущений, связанных с нестационарностью гидропотока;
- запасать механическую энергию в период, предшествующий ожидаемому увеличению электрической нагрузки, для предотвращения аварийного снижения оборотов гидроагрегата, связанного с резким набором нагрузки большой суммарной мощности, заранее увеличивая момент инерции вращающегося маховика.
Кроме того, подобное устройство может найти применение в ветроэнергетике.