Маховичный накопитель энергии
Изобретение относится к области машиностроения. Маховичный накопитель энергии содержит вал, опоры качения и два маховика. Конические втулки установлены на наружной поверхности вала между опорами качения с возможностью их осевого перемещения и подпружинены между собой. Маховики снабжены ступицами, внутренняя поверхность которых обращена к наружным коническим поверхностям. Угол схождения конусов упомянутых конических поверхностей выполнен больше угла самоторможения. Стержни размещены в отверстиях ступиц с возможностью стягивания ступиц. Фланцы закреплены на валу между опорами качения. Достигается повышение рабочей частоты вращения и надежности. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности в энергетике.
Известен маховичный накопитель энергии с горизонтальной осью вращения, содержащий вал, опоры качения, по меньшей мере два маховика, связанных с валом (RU, U1, №121885).
Это устройство включает маховик, состоящий, по крайней мере, из одного диска со сквозным отверстием, опоры в виде подшипников качения, и выходной вал. При этом часть корпуса заведена в виде трубы в сквозное центральное отверстие в маховике. Между цилиндрической стенкой отверстия и трубой корпуса расположены в ряд опоры качения. Выходной вал выполнен проходящим сквозь трубу корпуса и герметичное уплотнение между валом и корпусом.
Недостатком этого устройства является несимметричность опорного узла - трубы, изгибная жесткость которого сильно меняется по длине, что может вызвать вредные прецессионные процессы в устройстве при вращении маховика, а также то, что часть подшипников выполнена с вращающимися внешними кольцами, что снижает долговечность опор.
Этот недостаток устранен в маховичном накопителе энергии, содержащем вал, опоры качения, по меньшей мере два маховика, связанных с валом (RU, U1, №121882).
Это устройство включает маховик, зафиксированный в корпусе на подшипниках, с выводом валов по обе стороны корпуса. Подшипники в устройстве расположены между внутренней цилиндрической поверхностью отверстия в центре маховика и внешней цилиндрической поверхностью двух трубчатых деталей корпуса, введенных с зазором между их торцами с двух сторон в отверстие маховика. Вывод вращения от маховика выполнен через кинематическую связь середины внутренней поверхности отверстия в центре маховика с валом, проходящим с зазором внутри трубчатых частей корпуса и выходящим по обе стороны торцов корпуса маховика.
В этом устройстве опоры-подшипники расположены симметрично относительно маховика, что устраняет склонность к прецессии маховика, однако опорой подшипников являются неподвижные отрезки трубы, соединенные с корпусом, на которые опираются внутренние кольца подшипников, что снижает их долговечность.
Помимо этих недостатков в описанных устройствах при вращении маховика с высокой рабочей скоростью ступица маховика имеет упругое удлинение больше, чем неподвижные отрезки трубы, соединенные с корпусом, на которых на подшипниках посажена ступица маховика. Это вызывает нарушение центрирования маховика относительно опор, что приводит к сильному дисбалансу и вибрациям.
Известно устройство, в котором нарушение центрирования вращающихся деталей устраняется посадкой на конуса, сидящие на валу. Это устройство, применяемое в авиации, описано в книге П.И. Орлова, Основы конструирования, М., Машиностроение, 1977, книга 1, стр. 390, схема «Л».
Однако в этом источнике информации нет описания устройства, обеспечивающего постоянный прижим внешних конических поверхностей конусов к внутренним коническим поверхностям тел вращения (в заявляемом техническом решении к ступицам маховиков) при упругих деформациях как в окружном, так и радиальном направлениях. Этот недостаток не позволяет использовать это известное техническое решение для заявленного маховичного накопителя энергии.
Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который получен при выполнении заявленного изобретения, - повышение рабочей частоты вращения и надежности за счет улучшения центрирования при окружном, радиальном и осевом удлинении ступицы маховика при высокой частоте вращения.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в заявляемом маховичном накопителе энергии, содержащем вал, опоры качения, по меньшей мере два маховика, связанных с валом, согласно полезной модели опоры качения установлены в области противоположных концов вала, введены конические втулки, которые установлены на наружной поверхности вала между опорами качения с возможностью их осевого перемещения и подпружинены между собой. В устройстве маховики снабжены ступицами, внутренняя поверхность которых, обращенная к наружным коническим поверхностям конических втулок, выполнена соответствующей им с возможностью скольжения друг по другу внешних и внутренних конических поверхностей при увеличении диаметра ступицы маховика под действием центробежных сил при вращении. Угол схождения конусов упомянутых конических поверхностей выполнен больше угла самоторможения. Введены стержни и фланцы, стержни размещены в отверстиях ступиц с возможностью стягивания ступиц. Фланцы закреплены на валу между опорами качения, а стержни пропущены через отверстия в них с радиальным зазором с возможностью передачи крутящего момента от фланцев маховикам.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- были введены крышки, установленные на наружной поверхности фланцев, и штифты, прикрепляющие фланцы к валу, при этом стержни были пропущены через соосные отверстия во фланцах и крышках с одинаковым радиальным зазором;
- стержни были размещены в отверстиях ступиц с возможностью стягивания ступиц посредством гаек, установленных на наружных поверхностях крышек;
- конические втулки были подпружинены параллельно вдоль оси вала цилиндрическими пружинами сжатия, расположенных в несквозных отверстиях, выполненных в конических втулках.
Вышеописанные признаки изобретения являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, заключающегося, в частности, в повышении частоты вращения и надежности работы устройства.
Указанные преимущества изобретения, а также его особенности, поясняются с помощью варианта его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 изображено схематично продольное сечение маховичного накопителя энергии.
На фиг. 2 изображен вид А на фиг. 1 (центральная часть в состоянии покоя или вращающаяся на низкой частоте вращения).
На фиг. 3 - то же, что фиг. 2, (центральная часть при высокой частоте вращения маховиков).
На фиг. 4 представлена изометрия сечения конической втулки с отверстиями под пружины.
Маховичный накопитель энергии (фиг. 1, 2) содержит вал 1, опоры 2 качения, по меньшей мере, два маховика 3, связанных с валом 1. Опоры 2 качения установлены в области противоположных концов вала 1. Введены конические втулки 4 (фиг. 2), которые установлены на наружной поверхности вала 1 между опорами 2 качения с возможностью их осевого перемещения и подпружинены между собой. В устройстве маховики 3 снабжены ступицами 5, внутренняя поверхность которых, обращенная к наружным коническим поверхностям конических втулок 4, выполнена соответствующей им с возможностью скольжения друг по другу внешних и внутренних конических поверхностей при увеличении диаметра ступицы 5 маховика под действием центробежных сил при высокой частоте вращения. Угол схождения конусов упомянутых конических поверхностей выполнен больше угла самоторможения. В устройство введены стержни 6 (шпильки) и фланцы 7 (фиг. 1, 2). Стержни 6 размещены в отверстиях ступиц 5 с возможностью стягивания их. Фланцы 7 закреплены на валу 1 между опорами 2 качения, а стержни 6 пропущены через отверстия в них с радиальным зазором 8 (фиг. 2) с возможностью передачи крутящего момента от фланцев 7 маховикам 3.
В устройстве могут быть использованы крышки 9, установленные на наружной поверхности фланцев 7, и штифты 10, прикрепляющие фланцы 7 к валу 1, при этом стержни 6 пропущены через соосные отверстия во фланцах 7 и крышках 9 с одинаковым радиальным зазором 8 (фиг. 2).
Стержни 6 могут быть размещены в отверстиях ступиц 5 с возможностью их стягивания посредством гаек 11, установленных на наружных поверхностях крышек 9.
Конические втулки 3 подпружинены параллельно вдоль оси вала 1 цилиндрическими пружинами 12 сжатия, расположенными в несквозных отверстиях 13, выполненных в конических втулках 3 (фиг. 2, 4).
На фиг. 1 также показаны: ленточная навивка 14, упругий элемент 15 маховика 3 кольцеобразной формы, вакуумированный корпус 16 с ребрами жесткости 17.
Работает маховичный накопитель энергии (фиг. 1, 2) следующим образом.
На вал 1 свободно по скользящей посадке насажены конические втулки 4 (центрирующие), контактирующие со ступицами 5 маховиков 3. В конических втулках 4 предусмотрены несквозные отверстия 13 (фиг. 4), в которые устанавливаются упругие элементы - цилиндрические пружины 12 сжатия (фиг. 2). Конические втулки 4 выполнены с углом конуса, большим угла самоторможения, для их свободного осевого перемещения при радиальных деформациях конических поверхностей ступиц 5, в которых они посажены. Для передачи крутящего момента между маховиками 3 и валом 1 предусмотрены стержни 6, расположенные продольно. Маховики 3 установлены в ступицах 5, стянутых между собой и маховиками 3 гайками 11 на стержнях 6. Также для передачи крутящего момента служат фланцы 7, установленные на валу 1 и также зажатые гайками 11. Между валом 1 и фланцем 7 устанавливается штифт 10, закрытый крышкой 9, предохраняющей штифт 10 от выпадения при быстром вращении вала 1.
При вращении маховиков 3 для компенсации упругого удлинения материала маховиков 3 из-за центробежных сил предусмотрены радиальные зазоры 8 для компенсации ограниченного симметричного радиального перемещения стержней 6, жестко связанных со ступицами 5 маховиков 3. Указанное радиальное перемещение весьма мало и составляет десятитысячные доли от диаметра маховика 3, что существенно не влияет на конструкцию всего устройства. При этом вал 1, на котором посажены маховики 3, практически не увеличивается в диаметре из-за малых напряжений в нем при вращении, что обусловлено малым его диаметром.
Маховики 3 могут быть выполнены разрывобезопасными, например, с ленточной навивкой 14 на упругом элементе 15 кольцеобразной формы и размещаются в вакуумированном корпусе 16 с ребрами жесткости 17. Вывод вращения вала 1 из вакуумированного корпуса 16 может быть осуществлен различными известными из уровня техники средствами, например, описанными в RU, U1, №121885.
При вращении вала 1 и связанных с ним деталей для передачи крутящего момента на маховики 3 последние из-за действующих при вращении центробежных сил упруго радиально деформируются, причем эти деформации для реальных конструкций обычно составляют десятитысячные доли от диаметра маховика 3. Однако даже они могут вызвать дисбаланс и вибрации маховиков 3. Для предотвращения вибраций маховики 3 связаны через ступицы 5 с коническими втулками 4, подпружиненными, например, цилиндрическими пружинами 12 сжатия. Причем конические втулки 4 посажены внутренними цилиндрическими поверхностями на вал 1 с возможностью их осевого перемещения. Аналогичный способ центрирования описан в устройстве (книга П.И. Орлов, Основы конструирования, М., Машиностроение, 1977, книга 1, стр. 390, схема «Л»). Конические втулки 4, выполненные с конусом, угол которого больше угла самоторможения, обеспечивают постоянный контакт их конических поверхностей с коническими поверхностями ступиц 5 при радиальных упругих деформациях маховиков 3, с чем связано осевое перемещение конических втулок 4 (перемещение Б на фиг. 3). Чтобы фланец 7 не препятствовал упругому перемещению стержней 6 при упругой деформации маховиков 3, предусмотрен радиальный зазор 8 во фланце 7 и крышке 9. При снижении частоты вращения маховиков 3 продольные стержни 6, центрируемые на валу 1 коническими втулками 4, возвращаются в исходное положение. Затяжка гаек 10 обеспечивается не препятствующей в процессе эксплуатации указанному малому радиальному перемещению стержней 6 в отверстиях с радиальным зазором 8 во фланце 7 и крышке 9, осуществляемому под действием значительных радиальных сил упруго деформируемых маховиков 3 и связанных с ними ступиц 5.
Таким образом, за счет улучшения центрирования заявленного устройства в целом удается повысить рабочую частоту вращения и надежность маховичного накопителя энергии.
Наиболее успешно заявленный маховичный накопитель энергии промышленно применим в энергетике.
1. Маховичный накопитель энергии, содержащий вал, опоры качения, по меньшей мере два маховика, связанных с валом, отличающийся тем, что опоры качения установлены в области противоположных концов вала, введены конические втулки, которые установлены на наружной поверхности вала между опорами качения с возможностью их осевого перемещения и подпружинены между собой, маховики снабжены ступицами, внутренняя поверхность которых, обращенная к наружным коническим поверхностям конических втулок, выполнена соответствующей им с возможностью скольжения друг по другу внешних и внутренних конических поверхностей при увеличении диаметра ступицы маховика под действием центробежных сил при вращении, причем угол схождения конусов упомянутых конических поверхностей выполнен больше угла самоторможения, введены стержни и фланцы, стержни размещены в отверстиях ступиц с возможностью стягивания ступиц, фланцы закреплены на валу между опорами качения, а стержни пропущены через отверстия в них с радиальным зазором с возможностью передачи крутящего момента от фланцев маховикам.
2. Маховичный накопитель энергии по п. 1, отличающийся тем, что введены крышки, установленные на наружной поверхности фланцев, и штифты, прикрепляющие фланцы к валу, при этом стержни пропущены через соосные отверстия во фланцах и крышках с одинаковым радиальным зазором.
3. Маховичный накопитель энергии по п. 2, отличающийся тем, что стержни размещены в отверстиях ступиц с возможностью стягивания ступиц посредством гаек, установленных на наружных поверхностях крышек.
4. Маховичный накопитель энергии по п. 1, отличающийся тем, что конические втулки подпружинены параллельно вдоль оси вала цилиндрическими пружинами сжатия, расположенными в несквозных отверстиях, выполненных в конических втулках.
