提高高儲能飛輪系統中阻尼系統可靠性的裝置製造方法
2023-05-02 00:00:31 1
提高高儲能飛輪系統中阻尼系統可靠性的裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種提高高儲能飛輪系統中阻尼系統可靠性的裝置，包括阻尼裝置及柔性導熱裝置，阻尼裝置包括圓筒形的內剛性裝配環及外剛性裝配環，在內剛性裝配環及外剛性裝配環之間連接有徑向分布的粘彈性阻尼器；在內剛性裝配環上連接有導熱連接件；柔性導熱裝置分別設置在阻尼裝置的上方及下方，柔性導熱裝置包括內部耦合器，內部耦合器固定在導熱連接件上，通過導熱元件與外部耦合器連接，外部耦合器固定在外剛性裝配環上；本實用新型將軸承摩擦損耗及粘彈性阻尼器耗能產生的熱量傳遞到處於高儲能飛輪系統工作環境外的散熱組件上，使高儲能飛輪系統產生的熱量在散熱組件上導出到環境中，即能保證有效散熱，又不會影響阻尼裝置的正常工作。
【專利說明】提高高儲能飛輪系統中阻尼系統可靠性的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及機械科學領域，尤其是一種提高高儲能飛輪系統中阻尼系統可靠性的裝置。
【背景技術】
[0002]高儲能飛輪系統的儲能原理，決定了其工作在多階臨界轉速以上。為確保高儲能飛輪系統運行平穩，引入特製阻尼系統必不可少。本實用新型中飛輪支撐系統為機械軸承及軸向磁力軸承構成的混合支承系統，軸承系統阻尼往往很低，當轉子不平衡量不變時，隨臨界轉速增大，振幅不斷增大，這樣可能帶來物理接觸、破裂、局部過熱、材料性能劣化、動力學失穩等一系列問題，產生轉子碰擦、軸承損壞等故障，造成重大損失。通常有兩種方法來控制轉子的振動。第一種方法是對轉子進行動平衡，包括傳統動平衡方法和在線動平衡。第二種方法是通過增加外部阻尼來吸收和耗散振動能量。傳統平衡方法很難實現完全的動平衡，而在線主動平衡仍存在執行系統反應速度慢、無法抑制瞬態及非同步振動等缺點。因而，採用外部阻尼系統是一種抑制高儲能飛輪系統振動的有效手段。外部阻尼系統對不同類型的振動響應都具有一定的衰減作用，常用的阻尼系統有擠壓油膜阻尼系統、電磁阻尼系統等。擠壓油膜阻尼系統對安裝精度要求很高，電磁阻尼價格較高，使用不方便。粘彈性徑向阻尼系統利用材料的粘彈性阻尼特性，在振動擠壓力的作用下耗散能量起到阻尼減振作用。與擠壓油膜阻尼系統和電磁阻尼系統相比，粘彈性徑向阻尼系統具有:結構緊湊，無需潤滑系統和其它附加設備，使用方便，製造簡單，成本低等優點；另外不同粘彈性材料，其剛度和損耗因子相差較大，可通過材質的選擇來改變粘彈性徑向阻尼系統的剛度和阻尼。
[0003]外部阻尼可通過兩種途徑完成，一是直接增加支承阻尼，二是引入一個或多個阻尼系統。支承系統確定後，阻尼大致較穩定，本實用新型中採用引入阻尼系統的方法。如果一個剛性轉子處於較低的剛性支撐系統下，引入平行阻尼系統來支撐軸承是非常有效的。當轉子發生大變形時，增加阻尼效果不大。高阻尼粘彈性體成本較低，結構簡單，易於更換。是可在旋轉軸與固定部件之間添加的最簡單阻尼系統，位於機械軸承外端。粘彈體阻尼系統，已成功運用於飛輪儲能系統測試設備中，但是存在過熱問題。當阻尼系統中能量耗散至足夠的量，彈性體的溫度會上升，達到粘彈體的玻璃化轉變溫度而失效，其主要原因為粘彈體具有較低的導熱係數，飛輪系統工作的真空狀態下，缺少空氣冷卻表面，粘彈體的溫度升高問題更加嚴重。另外所產生的熱量是有材料分子內部摩擦產生的，表面冷卻並不能有效解決這個問題。而在粘彈性材料內插入的高導熱係數的元素，比如在粘彈性材料內插入銅導線，又會降低阻尼效果。嚴格控制飛輪初始平衡條件，安裝在軸承上的粘彈性徑向阻尼系統可減振、導熱、降低軸承載荷，延長軸承壽命、保護磁力提升軸承、創造良好的徑向阻尼環境。粘彈性阻尼可有效降低剛體臨界速度，有利於加速時通過臨界轉速。
[0004]該粘彈性徑向阻尼系統具有相對較低的軸向、徑向、橫向剛度。因為阻尼的軸向剛度較低，不會對提升系統中的磁力軸承產生剛度影響；較低的徑向剛度，可有效減小軸承上的動載荷，提升軸承壽命；反之，將帶來更多的與不平衡量相關的動力學問題；較小的軸向及橫向剛度可使操作力矩減小。
[0005]以上分析可知:高儲能飛輪系統中理想的軸承阻尼應具有以下特點:在飛輪組件高速運行時，即越過臨界轉速後，具有較低的阻尼；在低速運行時，具有較高的阻尼；在臨界轉速附近運行時，阻尼達到最大值。當阻尼粘彈性較大——剛度小時，臨界轉速運行時，振幅最小。
[0006]在美國卡貝爾的儲能飛輪系統中的絲網軸承阻尼器(專利號:09/728822)中所公開的絲網阻尼器，在低臨界轉速時具有不錯的粘彈性特徵及較好的導熱效果。而另一種阻尼系統，則含有彈性體——如矽橡膠，具有更好的粘彈性特徵且製造成本較絲網低。但彈性體是熱的絕緣體，絲網也是熱的不良導體。而在真空中，熱傳導是唯一的傳熱方式。對於絲網阻尼系統及彈性阻尼系統來說剛度可滿足要求，而導熱性能達不到上述要求。
【發明內容】
[0007]本實用新型的目的是:提高高儲能飛輪系統中阻尼系統可靠性的裝置，它能起到減小振幅、降低軸承載荷，提高軸承壽命、防止轉子與定子間接觸的作用，並可及時有效的傳遞軸承摩擦損耗及粘彈性阻尼器耗能產生的熱量，防止阻尼系統失效，以克服現有技術的不足。
[0008]本實用新型是這樣實現的:提高高儲能飛輪系統中阻尼系統可靠性的裝置，包括阻尼裝置及柔性導熱裝置，阻尼裝置包括圓筒形的內剛性裝配環及外剛性裝配環，在內剛性裝配環及外剛性裝配環之間連接有徑向分布的粘彈性阻尼器；在內剛性裝配環上連接有導熱連接件；柔性導熱裝置分別設置在阻尼裝置的上方及下方，柔性導熱裝置包括內部耦合器，內部耦合器固定在導熱連接件上，通過導熱元件與外部耦合器連接，外部耦合器固定在外剛性裝配環上。
[0009]粘彈性阻尼器與內剛性裝配環及外剛性裝配環之間均為過盈配合。
[0010]導熱元件的材料為鋁、銅、銀、碳、碳纖或碳碳複合材料。
[0011]粘彈性阻尼器的徑向剛度範圍為9000?72000 Kg/m。可選用矽橡膠作為材料。
[0012]阻尼裝置可有效防止轉子及定子間的接觸，並且一個或多個粘彈性阻尼器的結構可使剛體臨界速度最小，並且在通過臨界速度的過程中所需較小阻尼。本實用新型的阻尼裝置具有較小的徑向、軸向、橫向剛度，有利於降低操作力矩，保護磁力提升系統。
[0013]柔性導熱裝置具有及時導走熱量的功能，可提高軸承操作壽命，並保證阻尼裝置工作的穩定性。產熱部件通過柔性導熱裝置實現與遠端散熱系統的端面熱耦合，可及時將損耗熱量帶走。
[0014]阻尼裝置正常工作時產生的熱量，通過內剛性裝配環及外剛性裝配環傳導；內剛性裝配環及外剛性裝配環為熱的良導體，同時滿足剛度強度要求，選用銅或合金等材料。
[0015]柔性導熱裝置不提供額外阻尼及剛度，導熱元件不提供剛度，可以採用鋁、銅、銀、碳、碳纖、碳碳複合材料等，具有良好的導熱性；可以在三個方向移動，在徑向上延伸，它與彈性阻尼器一樣均是採用徑向排列的結構；而內部耦合器和外部耦合器則可選用銅、鐵、鋁等材料。機械耦合部位，可通過某些方式降低接觸熱阻，包括塗抹油脂、表面鍍錫的方式。
[0016]由於採用上述的技術方案，與現有技術相比，本實用新型採用具有粘彈性的材料製作成徑向分布的阻尼裝置，利用該阻尼裝置在高儲能飛輪系統越過臨界轉速時，通過粘彈性阻尼器發生變形，從而吸收、耗散高儲能飛輪系統產生的振動能量，以確保高儲能飛輪系統運行平穩；同時採用一個與該粘彈性阻尼裝置連接的柔性導熱裝置，將軸承摩擦損耗及粘彈性阻尼器耗能產生的熱量傳遞到處於高儲能飛輪系統工作環境外的散熱組件上，使高儲能飛輪系統產生的熱量在散熱組件上導出到環境中，即能保證有效散熱，又不會影響阻尼裝置的正常工作，從而防止阻尼系統失效；本實用新型結構簡單，容易製作，成本低廉，使用效果好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]附圖1為本實用新型的結構示意圖；
[0018]附圖2為本實用新型的阻尼裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]本實用新型的實施例:提高高儲能飛輪系統中阻尼系統可靠性的裝置的結構如圖1所示，包括阻尼裝置A及柔性導熱裝置B，阻尼裝置A包括圓筒形的內剛性裝配環I及外剛性裝配環3，在內剛性裝配環I及外剛性裝配環3之間連接有徑向分布的粘彈性阻尼器2，粘彈性阻尼器2與內剛性裝配環I及外剛性裝配環3之間均為過盈配合，粘彈性阻尼器2的徑向剛度範圍為9000?72000 Kg/m，材料選用矽橡膠，內剛性裝配環及外剛性裝配環的材料選用銅合金；在內剛性裝配環I上連接有導熱連接件7，導熱連接件7採用銅合金；柔性導熱裝置B分別設置在阻尼裝置A的上方及下方，柔性導熱裝置B包括內部耦合器4，內部耦合器4固定在導熱連接件7上，通過導熱元件5與外部耦合器6連接，外部耦合器6固定在外剛性裝配環3上；導熱元件5的材料為鋁，內部耦合器和外部耦合器的材料為銅。
[0020]使用過程中，軸承8及粘彈性阻尼器2產生的熱量通過內剛性裝配環I傳遞到導熱連接件7上，導熱連接件7再將熱傳遞到內部耦合器4，內部耦合器4通過導熱元件5將熱量傳遞給外部耦合器6，外部耦合器6與遠端散熱系統的端面熱耦合，從而實現散熱。
【權利要求】
1.一種提高高儲能飛輪系統中阻尼系統可靠性的裝置，包括阻尼裝置(A)及柔性導熱裝置(B)，其特徵在於:阻尼裝置(A)包括圓筒形的內剛性裝配環(I)及外剛性裝配環(3)，在內剛性裝配環(I)及外剛性裝配環(3)之間連接有徑向分布的粘彈性阻尼器(2);在內剛性裝配環(I)上連接有導熱連接件(7);柔性導熱裝置(B)分別設置在阻尼裝置(A)的上方及下方，柔性導熱裝置(B)包括內部耦合器(4)，內部耦合器(4)固定在導熱連接件(7)上，通過導熱元件(5 )與外部耦合器(6 )連接，外部耦合器(6 )固定在外剛性裝配環(3 )上。
2.根據權利要求1所述的提高高儲能飛輪系統中阻尼系統可靠性的裝置，其特徵在於:粘彈性阻尼器(2)與內剛性裝配環(I)及外剛性裝配環(3)之間均為過盈配合。
3.根據權利要求1所述的提高高儲能飛輪系統中阻尼系統可靠性的裝置，其特徵在於:導熱元件(5)的材料為鋁、銅、銀、碳、碳纖或碳碳複合材料。
4.根據權利要求1所述的提高高儲能飛輪系統中阻尼系統可靠性的裝置，其特徵在於:粘彈性阻尼器(2)的徑向剛度範圍為9000?72000 Kg/m。
【文檔編號】F16F15/30GK203421112SQ201320499104
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年8月15日 優先權日:2013年8月15日
【發明者】王琬, 何林, 楊立 申請人:貴州大學