懸掛式柔性飛輪的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種儲能飛輪裝置，特別是在固定場所應(yīng)用的儲能飛輪裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]儲能飛輪利用高速旋轉(zhuǎn)輪體的動(dòng)能儲存機(jī)械能，可用于需要能量儲存和轉(zhuǎn)換的場合，包括電網(wǎng)調(diào)峰、風(fēng)力發(fā)電、不間斷電源等固定場所應(yīng)用。
[0003]飛輪動(dòng)能來源于較大質(zhì)量的飛輪輪體以很高的線速度旋轉(zhuǎn)，輪體質(zhì)量塊均采用單向連續(xù)纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料纏繞成型，以利用纖維增強(qiáng)塑料的高強(qiáng)特點(diǎn)獲得最大的儲能密度。但是，大質(zhì)量、高線速度復(fù)合材料輪體的動(dòng)不平衡力和力矩較難控制。首先是動(dòng)平衡校正難度大，一是需要承載負(fù)荷很大的動(dòng)平衡機(jī)；二是輪體與轉(zhuǎn)軸的組合多為簡支柔性轉(zhuǎn)子，需要校正難度較大的高速動(dòng)平衡，并需要真空動(dòng)平衡條件；三是高速旋轉(zhuǎn)下的纖維增強(qiáng)塑料會發(fā)生較大的位移變形，變形量隨轉(zhuǎn)速變化，對高速動(dòng)平衡校正非常不利。更為不利的是工作時(shí)動(dòng)不平衡的增長，一是發(fā)生較大的位移變形，尺寸和材料的差別使得這種變形不均勻?qū)ΨQ發(fā)生；二是長期使用發(fā)生漸進(jìn)的蠕變變形行為。玻璃纖維增強(qiáng)塑料的彈性變形和蠕變量較大，碳纖維增強(qiáng)塑料的較小，但是碳纖維這類高彈性模量的材料價(jià)格成本太高，阻礙了大規(guī)模經(jīng)濟(jì)性應(yīng)用，而玻璃纖維適合于實(shí)際應(yīng)用，但要克服解決其變形和蠕變量大的問題。
[0004]簡言之，現(xiàn)有儲能飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡問題大，解決工藝難，易引起較大的不平衡振動(dòng)，并隨使用時(shí)間加長而加劇不平衡。而且，大多數(shù)飛輪在其運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)避不開共振轉(zhuǎn)速，帶來通過共振點(diǎn)的問題。飛輪質(zhì)量越大，其不平衡和共振問題越大。在固定場所應(yīng)用的儲能飛輪以大質(zhì)量較多，例如電網(wǎng)調(diào)峰和風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定負(fù)荷所用的儲能飛輪就具有很大的質(zhì)量，這類飛輪的不平衡和共振問題尤其顯得突出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]主要為克服現(xiàn)有儲能飛輪的上述不平衡和共振問題，本發(fā)明針對固定場所應(yīng)用的儲能飛輪提出了懸掛式柔性飛輪方案，說明如下。
[0006]一種稱為“懸掛式柔性飛輪”的儲能飛輪裝置，可應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)峰、風(fēng)力發(fā)電、不間斷電源等固定場所。其基本組成包括:一套或多套串聯(lián)的旋轉(zhuǎn)輪體，一個(gè)轉(zhuǎn)軸(101)，轉(zhuǎn)軸上的軸承，包容輪體、腔內(nèi)真空的殼體。其必要特征包括:轉(zhuǎn)軸中心線垂直于地面(即立式飛輪)，轉(zhuǎn)軸上的軸向軸承采用一組軸向支承永磁軸承，輪體位于轉(zhuǎn)軸的下端，輪體與中心軸(102)連接，中心軸與轉(zhuǎn)軸下軸端通過承拉傳扭柔性傳動(dòng)件連接，使輪體懸掛在轉(zhuǎn)軸下面。
[0007]承拉傳扭柔性傳動(dòng)件可以采用一套萬向傳動(dòng)軸，包括兩個(gè)萬向節(jié)、中間的傳動(dòng)軸、兩端的傳動(dòng)軸，上端傳動(dòng)軸與轉(zhuǎn)軸(101)連接，下端傳動(dòng)軸與中心軸(102)連接。下端傳動(dòng)軸是不受軸承座約束的自由軸，這與通常使用的萬向傳動(dòng)軸不同，中間傳動(dòng)軸和下端傳動(dòng)軸都可不圍繞自身軸心線旋轉(zhuǎn)，實(shí)際情況是包括輪體和轉(zhuǎn)軸的全部轉(zhuǎn)動(dòng)件都圍繞一個(gè)中心線——轉(zhuǎn)軸(101)軸心線旋轉(zhuǎn)。每個(gè)萬向節(jié)由兩個(gè)節(jié)叉孔件(104，121)和中間的一個(gè)軸件組成，形成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)軸軸線均垂直于中間軸件的中心線(對稱中心線，豎軸線)，并互相垂直，即兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)軸為互相垂直的橫軸。兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)軸可以垂直相交，中間軸件為通常使用的萬向節(jié)十字軸(103);兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)軸也可以垂直相錯(cuò)，中間軸件為十字軸的變形，即兩個(gè)橫軸(119)沿豎軸方向平移拉開了一定距離。在柔性懸掛效果方面，相錯(cuò)十字軸與相交十字軸(103)所起的作用相同，但相錯(cuò)十字軸方案在優(yōu)化萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方面，主要是優(yōu)化節(jié)叉孔件結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度方面具有較大優(yōu)勢。
[0008]萬向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副可采用滿裝的滾針(105)，滾針與相交十字軸(103)或相錯(cuò)橫軸
(119)的圓柱軸面接觸，或者與增設(shè)的高硬度軸承內(nèi)圈(106)接觸。圖1表示一種帶軸承內(nèi)圈(106)的相交十字軸萬向節(jié)方案，滾針(105)、軸承鋼碗(107)、中心頂尖橡膠球(108)、卡環(huán)(109)、密封套筒(110)及密封膠圈的離心力均作用在節(jié)叉孔件(104)上。圖2表示一種相交十字軸萬向節(jié)方案，滾針(105)、球面內(nèi)圈(113)、球面外圈(112)、螺母(111)、橡膠環(huán)
(114)及其內(nèi)外支環(huán)的離心力均作用在節(jié)叉孔件(104)上。為減小節(jié)叉孔件的應(yīng)力，可采用轉(zhuǎn)動(dòng)副零件離心力由相交十字軸(103)或相錯(cuò)橫軸(119)承擔(dān)的方案，如圖3表示的采用圓錐滾子軸承(117)的方案，鋁碗蓋(116)、鋁套(115)及密封圈、圓錐滾子軸承(117)、斜螺母(118)的離心力均作用在轉(zhuǎn)軸上；如圖4表示的組合采用徑向軸承滾針(105)和推力軸承滾針(126)的方案，滿裝滾針(105)、軸承套(122)及密封圈、滾針(126)及保持架、推力軸承的軸圈(125)、斜螺母(124)的離心力均作用在轉(zhuǎn)軸上，只有起軸向限位和密封作用的扁橡膠圈(123)的離心力作用在節(jié)叉孔件上。
[0009]在不出現(xiàn)較大應(yīng)力和變形的條件下，萬向節(jié)的節(jié)叉孔件可以采用通常的懸臂結(jié)構(gòu)。為大幅減小應(yīng)力和變形，可以采用非懸臂的整圈結(jié)構(gòu)，只開出兩個(gè)或四個(gè)孔形成轉(zhuǎn)動(dòng)甚0。對于相交十字軸萬向節(jié)，兩個(gè)節(jié)叉孔件可以采用大小兩個(gè)直徑的整圈節(jié)叉環(huán)互相套裝的方案，在外的大直徑節(jié)叉環(huán)可以只開有兩個(gè)孔裝配長橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)副，在內(nèi)的小直徑節(jié)叉環(huán)開有四個(gè)孔，其中兩個(gè)孔裝配短橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)副，另兩個(gè)孔空間穿過長橫軸；同時(shí)，整圈節(jié)叉環(huán)為軸向中分結(jié)構(gòu)，由沿兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副中心線剖分的兩個(gè)整圈的半分節(jié)叉環(huán)裝配組成，以利于十字軸的安裝。相錯(cuò)十字軸結(jié)構(gòu)為優(yōu)化節(jié)叉孔件提供了很有利條件，由于兩個(gè)橫軸是錯(cuò)開布置的，可以采用如圖4所示的銷軸式相錯(cuò)十字軸，兩個(gè)橫軸(119)作為銷，垂直插入豎軸
(120)的銷孔中，因而可采用無需半分的整圈節(jié)叉環(huán)(121)，兩個(gè)節(jié)叉環(huán)(121)彼此分開不重疊，每個(gè)節(jié)叉環(huán)只開有兩個(gè)孔以形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。
[0010]承拉傳扭柔性傳動(dòng)件可以采用圓環(huán)鏈條(圖8，圖9)，上下端各采用半個(gè)圓環(huán)(圖
5)，中間采用一個(gè)或多個(gè)圓環(huán)，每個(gè)圓環(huán)由上下兩個(gè)半環(huán)和中間加長的兩個(gè)直段組成(圖
6)，或者在兩個(gè)直段之間還有加強(qiáng)的橫向連接梁(圖7)。兩環(huán)相扣的“孔軸”配合比較緊密，孔的半徑(圖例為201mm)僅略大于軸的半徑(圖例為200mm),以降低承載應(yīng)力。每一個(gè)環(huán)扣具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，最低需要兩個(gè)環(huán)扣(圖8)。更多的環(huán)扣和鏈條長度更加有利于減小作用到轉(zhuǎn)軸(101)上的不平衡力。圓環(huán)鏈條(圖8，圖9)采用焊接方法構(gòu)成環(huán)扣，或者采用鑄造方法構(gòu)成環(huán)扣。可采用球墨鑄鐵鑄造圓環(huán)鏈條(圖8，圖9)。圖5、圖8、圖9所示的半圓環(huán)端部的與轉(zhuǎn)軸和中心軸連接部分結(jié)構(gòu)僅為一種特例，圖16也給出了半圓環(huán)端部的另一種特例。
[0011]當(dāng)飛輪重量和扭矩較小時(shí)，承拉傳扭柔性傳動(dòng)件可以采用單根或多根鋼絲繩。單根鋼絲繩可以單用(單個(gè)截面承擔(dān)全部重力)或多用(多個(gè)截面分擔(dān)全部重力)，后者將鋼絲繩螺旋纏繞在轉(zhuǎn)軸(101)下軸端與中心軸(102)上軸端之間，多段均勻分配負(fù)荷，扭矩傳遞力臂較大。多根鋼絲繩也可以單用(多根鋼絲繩的單個(gè)截面共同承擔(dān)全部重力)或多用(每根鋼絲繩的多個(gè)截面均勻分配負(fù)荷)，后者為多頭螺旋結(jié)構(gòu)。采用多用方案時(shí)，應(yīng)考慮鋼絲繩的離心力影響，必要時(shí)在繩長的中間點(diǎn)一處或中間部位多處間隔均勻地設(shè)置加強(qiáng)盤(環(huán))，以承受鋼絲繩離心力負(fù)荷。
[0012]轉(zhuǎn)軸下軸端與承拉傳扭柔性傳動(dòng)件的連接，可以采用如圖14所示的花鍵、螺紋和法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu)，即:連接件(127)的內(nèi)花鍵與轉(zhuǎn)軸(101)下軸端的外花鍵配合聯(lián)接、傳遞扭矩，連接件(127)的外法蘭盤通過止口與承拉傳扭柔性傳動(dòng)件的上端外法蘭盤(129)相配合，并通過螺栓緊固，螺母(128)緊固在轉(zhuǎn)軸末端，承受由連接件(127)傳遞的重力，螺母(128)的環(huán)槽結(jié)構(gòu)利于螺紋載荷均勻；也可以采用如圖15所示的螺紋和法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu)，即:連接件(130)的外法蘭盤通過止口與承拉傳扭柔性傳動(dòng)件的上端外法蘭盤(129)相配合，并通過螺栓緊固，連接件(130)的內(nèi)螺紋與轉(zhuǎn)軸(101)下軸端的外螺紋聯(lián)接，該螺紋除承載重力外，還借助螺紋的自鎖摩擦力傳遞雙向的扭矩；也可以采用如圖16所示的直接螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)，即:承拉傳扭柔性傳動(dòng)件的上端結(jié)構(gòu)(129)加工有內(nèi)螺紋，直接與轉(zhuǎn)軸(101)下軸端的外螺紋聯(lián)接，該螺紋除承載重力外，還借助螺紋的自鎖摩擦力傳遞雙向的扭矩；也可以采用如下結(jié)構(gòu):在承拉傳扭柔性傳動(dòng)件的上端部分加工出內(nèi)花鍵，與轉(zhuǎn)軸下軸端的外花鍵配合聯(lián)接、傳遞扭矩，并有螺母緊固在轉(zhuǎn)軸末端，承受重力；也可以采用銷軸結(jié)構(gòu):承拉傳扭柔性傳動(dòng)件的上端部分與轉(zhuǎn)軸下軸端形成孔軸圓柱面配合，并有一個(gè)圓柱銷插入橫穿二者的銷孔中，承載重力和扭矩。
[0013]中心軸上軸端具有實(shí)心軸結(jié)構(gòu)形式時(shí)，或者具有空心軸結(jié)構(gòu)但外軸徑不大時(shí)，可以采用上述的轉(zhuǎn)軸下軸端與承拉傳扭柔性傳動(dòng)件的連接結(jié)構(gòu)形式，與承拉傳扭柔性傳動(dòng)件的下端部分進(jìn)行連接，只是上下位置及朝向相反。當(dāng)飛輪儲能規(guī)模較大時(shí)，中心軸宜采用外徑較大的圓筒形式(圖18)，其端部與其它件的連接宜采用法蘭結(jié)構(gòu)，如圖17所示為中心軸上端的外法蘭盤(132)與承拉傳扭柔性傳動(dòng)件的下端外法蘭盤(131)通過止口和螺栓連接。
[0014]當(dāng)采用多套串聯(lián)的輪體時(shí)，中心軸采用多段組合的結(jié)構(gòu)形式，每套輪體對應(yīng)一段中心軸，各段中心軸之間通過法蘭連接，如圖18所示；但也可采用共用一個(gè)長中心軸的結(jié)構(gòu)形式，各套輪體通過圓柱面過盈配合、或圓錐面過盈配合、或錐形中間套結(jié)構(gòu)與中心軸緊固連接。
[0015]飛輪輪體為多體軸對稱結(jié)構(gòu)，一套輪體含有一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量塊體(53)和至少一個(gè)支承體(54)，一套輪體中的稱為結(jié)構(gòu)體的質(zhì)量塊體和支承體以大環(huán)套小環(huán)形式依次順序布置，質(zhì)量塊體位于旋轉(zhuǎn)的最外圈和次外圈，支承體位于質(zhì)量塊體的內(nèi)圈，質(zhì)量塊體由周向纏繞的纖維增強(qiáng)聚合物構(gòu)成，采用軸對稱的柔性膜環(huán)(55，58)連接相鄰的內(nèi)圈和外圈結(jié)構(gòu)體，外圈結(jié)構(gòu)體的一個(gè)面朝下