НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
ENERGY ACCUMULATOR

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в качестве кинетического буферного накопителя энергии, например, для транспортных электрифицированных систем, источников аварийного питания, источников бесперебойного питания для атомных, ветровых и солнечных электростанций.
Известен маховичный накопитель по патенту RU №2246034 (05.01.2001, F03G 3/08, F16H 33/02, Н02K 7/02) с маховиком и приводом с опорами, размещенными в разделенных между собой вакуумируемых камерах с различным уровнем вакуума в них. В камере с низким уровнем вакуума помещен привод с опорами, а в камере с высоким уровнем вакуума помещен маховик. Камеры разделены между собой уплотнением, выполненным герметичным. Наличие камеры с низким вакуумом и уплотнения между камерами увеличивает потери на трение в конструкции.
Известен накопитель энергии по патенту ЕР 0821462 (1998-01-28, Н02K 7/02; Н02K 7/08; F16F 15/30; F16F 15/315), включающий вакуумируемый корпус, установленный в корпусе вертикальный стержень со статором, цилиндрический ротор, приводимый в движение статором для накопления кинетической энергии и взаимодействующий со статором как генератором при высвобождении энергии. Трубчатый ротор имеет внутренний слой из стекловолокна и наружный слой из углеволокна, причем толщина внутреннего слоя составляет 2/3 от толщины трубы ротора. Концевая крышка ротора используется для опоры ротора на стержне через игольчатый опорный подшипник со сферической головкой и подпятником в верхней части ротора, а осевой и радиальные магнитные подшипники с постоянными магнитами, взаимодействующими с магнитными материалами из железа или NdFeB во внутренних слоях пластика ротора, установлены в нижней части ротора. Неподвижный стержень увеличивает потери на трение с внутренней поверхностью ротора и снижает эффективность накопителя.
Известен, принятый за прототип, накопитель энергии по патенту CN 101420150 (А) (2009-04-29, Н02K 7/02; F16C 17/04), включающий корпус, установленный в полости корпуса мотор, маховик с вертикальной осью вращения и систему опор, причем полость корпуса вакуумируется. Мотор установлен под маховиком. Маховик и ротор мотора установлены на общем валу. Система опор образована из игольчатого опорного подшипника с подпятником в нижней части и магнитного подшипника с постоянным магнитом в верхней части маховика.
Устройство имеет простую конструкцию, удобное обслуживание, малую стоимость, хорошую устойчивость, обеспечивает быстрый заряд и разряд энергии. Недостаток устройства состоит в недостаточно высокой эффективности сохранения энергии из-за наличия дополнительных радиальных нагрузок в опорах при появлении небаланса ротора при работе на высоких скоростях вращения.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание накопителя энергии, обеспечивающего низкие аэродинамические потери в вакуумируемом корпусе одновременно со снижением потерь в опорных узлах ротора.
Технический результат заключается в создании конструкции накопителя энергии с маховиком с меньшими аэродинамическими потерями и опор с меньшими радиальными нагрузками.
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата в накопителе энергии, включающем вакуумируемый корпус, установленный в нем маховик в виде вертикального цилиндрического трубчатого ротора, взаимодействующего с мотор-генератором, статор которого закреплен в корпусе, а приводной диск закреплен на роторе, систему опор, содержащих невращающийся и вращающийся с ротором элементы, образованную из игольчатого опорного подшипника с подпятником в нижней части ротора и магнитного подшипника с постоянным магнитом в верхней части ротора, вращающийся элемент, по крайней мере, одной из опор закреплен на перегородке, установленной внутри трубы ротора на некотором удалении от ее торца.
Кроме того, вращающийся элемент другой опоры закреплен на другой перегородке, установленной внутри трубы ротора на некотором удалении от ее торца.
Дополнительно, горизонтальная плоскость, проходящая через границу взаимодействия вращающегося и невращающегося элементов, по крайней мере, одной из опор пересекает ось вращения в узле или вблизи узла формы изгиба оси ротора на рабочей скорости вращения.
Кроме того, горизонтальная плоскость, проходящая через границу взаимодействия вращающегося и невращающегося элементов другой опоры, пересекает ось вращения в другом узле или вблизи другого узла формы изгиба оси ротора на рабочей скорости вращения.
Дополнительно, ротор выполнен из двух или более труб, соединенных гибкими элементами.
Кроме того, гибкий элемент выполнен в виде двух перегородок с общей центральной частью, а периферия перегородок установлена в смежные трубы ротора.
Дополнительно, трубчатый ротор выполнен из металлической трубы, упрочненной полимерными материалами, армированными или стекловолокнами, или углеволокнами, или органоволокнами.
Кроме того, внутри корпуса установлен молекулярный насос.
Дополнительно, в верхней части ротора и/или нижней части ротора установлено корректирующее устройство.
Кроме того, мотор-генератор выполнен в виде вентильного привода.
Дополнительно, корпус накопителя установлен в блок накопителей, образованный из двух рядов корпусов накопителей, закрепленных на раме с помощью планок, стяжек и амортизаторов и соединенных газовыми трубками для вакуумирования корпуса с общим газовым коллектором.
Кроме того, газовая трубка для вакуумирования корпуса соединена с общим газовым коллектором через клапан, срабатывающий от разворота корпуса при разрушении ротора.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 показан вертикальный разрез накопителя энергии с жестким ротором.
На фиг.2 показан вертикальный разрез накопителя с молекулярным уплотнением.
На фиг.3 показан вертикальный разрез накопителя с гибким многозвенным ротором.
На фиг.4 показан фронтальный вид блока накопителей.
На фиг.5 показан фрагмент вида сверху на блок накопителей.
На фиг.6 показан разрез по АА блока накопителей на фиг.4.
Накопитель энергии содержит вакуумируемый корпус 1, закрытый крышкой 2, вертикальный цилиндрический трубчатый ротор 3, выполненный в виде металлической трубы 4 с установленными внутри трубы 4 на некотором удалении от ее торцов перегородкой 5 и перегородкой 6. Труба 4 упрочнена слоями полимерного материала, например, слоями стеклопластика 7 и слоями углепластика 8. Ротор приводится во вращение вокруг оси 9 мотор-генератором со статором 10 и приводным диском 11, закрепленным на полуоси 12, установленной на перегородке 6. Система опор ротора состоит из иглы 13, установленной в полуоси 12 и опертой на подпятник 14, и магнитного подшипника из постоянного магнита 15 и ферромагнитной втулки 16, установленной на перегородке 5. Втулка 16 - вращающийся элемент верхней опоры взаимодействует с магнитом 15 - невращающимся элементом верхней опоры в горизонтальной плоскости 17, пересекающей ось 9 вращения ротора в узле 18 формы изгиба 19 оси ротора на рабочей скорости вращения. Игла 13 - вращающийся элемент нижней опоры взаимодействует с подпятником 14 - невращающимся элементом нижней опоры в горизонтальной плоскости 20, пересекающей ось 9 вращения ротора в другом узле 21 формы изгиба 19 оси ротора на рабочей скорости вращения. Подпятник 14 установлен на демпфирующем элементе 22 с центрирующими пружинами 23 в корпусе 24 демпфера, заполненном маслом. В нижней части ротора установлено корректирующее устройство в виде кольца 25, охватывающего с некоторым радиальным зазором полуось 12 с демпфирующим цилиндром 26 на центрирующих пружинах 27 в корпусе 24. В верхней части ротора корректирующее устройство выполнено в виде кольца 28, установленного, как и магнит 15, в держателе 29 и охватывающего втулку 16 с некоторым радиальным зазором. Из крышки 2 отходит газовая трубка 30 для вакуумирования корпуса.
В варианте накопителя на фиг.2 в корпусе 1 установлена охватывающая ротор 3 втулка 31 молекулярного насоса с внутренней резьбой для облегчения откачки корпуса 1 через газовую трубку 30.
В варианте накопителя на фиг.3 ротор выполнен из трех труб 32, 33 и 34, изготовленных из слоев стеклопластика 7 и слоев углепластика 8. Трубы соединены между собой гибкими элементами 35 и 36. Гибкий элемент 35 выполнен в виде перегородки 37 в форме диска и перегородки 38 в форме диска с общей центральной частью 39. Периферия 40 перегородки 37 установлена в трубе 32, а периферия 41 перегородки 38 установлена в трубе 33 ротора. Мотор-генератор выполнен в виде вентильного привода с приводным диском 42, в котором установлены постоянные магниты 43 из сплава неодим-железо-бор, взаимодействующие с катушками 44 статора.45.
В варианте выполнения накопителя на фиг.4, 5 и 6 корпус 1 накопителя установлен на раме 46, выполненной из вертикальных, продольных и поперечных балок, в блок из двух рядов таких накопителей. Накопители закреплены на раме планками 47, стяжками 48 и амортизаторами в виде лент 49 с резиновыми прокладками 50. Газовые трубки 30 соединены с общим газовым коллектором 51 через клапан 52 с тягой 53, установленной на крышке 2.
Работа накопителя осуществляется следующим образом.
Через газовую трубку 30 и коллектор 51, соединенный с вакуумным насосом, корпус 1 вакуумируют и подают питание на мотор-генератор. Ротор 3 разгоняется до рабочей скорости и запасает механическую энергию. На рабочей скорости вращения ось симметрии ротора под действием остаточных небалансов изгибается по собственной форме 19. Расположение вращающихся элементов опор на перегородке 5 и перегородке 6, установленных внутри трубы 4 ротора 3 на некотором удалении от ее торцов, позволяет разместить границы взаимодействия вращающихся и неподвижных элементов опор в плоскостях 17 и 19, пересекающих ось вращения 9 в узлах 18 и 21 формы изгиба 19 оси ротора на рабочей скорости вращения. Так, в верхней магнитной опоре граница взаимодействия втулки 16, установленной на расположенной внутри трубы 4 перегородке 5, с магнитом 15 проходит через плоскость 17, пересекающую ось вращения 9 в узле 18 формы изгиба 19 оси ротора на рабочей скорости вращения. Радиальное смещение конца втулки 16 относительно оси симметрии магнита 15 (или оси вращения 9) от изгиба ротора 3 в месте взаимодействия втулки 16 и магнита 15 отсутствует (или минимально). В результате этого радиальная нагрузка в опоре отсутствует (или минимальна) и потери на трение в магнитной опоре минимальны. В нижней опоре игла 13 установлена на расположенной внутри трубы 4 ротора перегородке 6. Причем граница взаимодействия шарообразного конца иглы 13 с подпятником 14 проходит через плоскость 20, пересекающую ось вращения 9 в другом узле 21 формы изгиба 19 оси ротора на рабочей скорости вращения. Изгиб иглы 13 и радиальное смещение конца иглы 13 относительно оси симметрии подпятника 14 (или оси вращения 9) от изгиба ротора 3 в этом узле 21 отсутствует (или минимально). В результате этого радиальная нагрузка в нижней опоре отсутствует (или минимальна) и потери на трение минимальны. Поскольку внутренняя часть трубы 4 ротора 3 между перегородкой 5 и перегородкой 6 изолирована от неподвижных элементов, потери на трение вращающегося ротора 3 об оставшийся внутри корпуса 1 газ также уменьшены. Таким образом, при вращении ротора 3 на рабочей скорости в режиме холостого хода потери на трение в опорах и о газ минимальны, что обеспечивает эффективное сохранение накопленной ротором энергии.
При переключении мотор-генератора в режим генерации энергии катушки 15 привода взаимодействуют с приводным диском 11 или магнитами 43 и генерируют электрическую энергию, при этом ротор 3 тормозится и уменьшает скорость вращения. При аварийных ситуациях, например, при потере вакуума в корпусе 1 ротор 3 может потерять устойчивость и начинает взаимодействовать с верхним 28 и нижним 25 кольцами корректора, которые стабилизируют вращение и предотвращают разрушение ротора 3. Расположение накопителей в блоке на общей раме 46 позволяет в десятки раз увеличить мощность такой установки по сравнению с мощностью одного накопителя. При разрушении ротора 3 накопителя в результате аварии корпус 1 накопителя разворачивается и тормозится лентами 49 и прокладками 50 амортизаторов. При развороте корпуса 1 тяга 53 взаимодействует с клапаном 52 и отключает газовую трубку 30 накопителя от коллектора 51, что предотвращает распространение аэродинамического возмущения на другие накопители блока. Выполнение ротора накопителя из нескольких труб 32, 33, и 34, соединенных между собой гибкими 35 и 36 элементами, позволяет увеличить единичную энергоемкость накопителя без существенного усиления средств защиты при разрушении ротора, поскольку разрушение ротора из нескольких труб не происходит одновременно и растянуто во времени. При работе накопителя ротор 3 разгоняется до рабочей скорости вращения, при этом длина ротора уменьшается, а за счет профилирования перегородок 5 и 6 между опорами устанавливается расстояние, соответствующее наилучшим условиям работы нижней опоры по осевой нагрузке. При отборе мощности накопителя скорость вращения ротора 3 уменьшается, а длина ротора 3 увеличивается, в результате чего происходит изменение расстояние между опорами и отклонение от оптимальной величины осевой нагрузки в нижней опоре. Размещение вращающихся элементов опор на перегородках 5 и 6, установленных внутри трубы ротора на удалении от ее торцов, позволяет дополнительно уменьшить влияние изменения длины ротора на изменения нагрузки на нижнюю опору в рабочих режимах работы накопителя, поскольку расстояние между перегородками 5 и 6 меньше длины всего ротора 3, что позволяет увеличить ресурс работы накопителя.