Область техники

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в энергетике.

Предшествующий уровень техники

Известен накопитель энергии на основе маховика с вертикальной осью вращения, содержащий маховик, выполненный с валом, корпус, в котором понижено давление газовой среды и в котором установлен маховик, электромашину, выполненную с обеспечением вращения ее вала, при этом вал электромашины связан с валом маховика посредством вала вертикального подвеса, установленного в корпусе подвески и снабженного подпружиненными опорами качения, причем введен элемент гибкой связи, а вал вертикального подвеса связан с валом маховика элементом гибкой связи. (RU, Ul, N° 132850).

В этом устройстве элемент гибкой связи выполнен в виде карданного вала. В устройстве использованы, по меньшей мере, две подпружиненные опоры качения, исполненные в виде упорных шарикоподшипников, каждый из которых выполнен с вращающимся кольцом, закрепленным на валу вертикального подвеса, и с невращающимся кольцом, установленным в корпусе подвески с возможностью его осевого перемещения, для чего каждая из пружин подпружиненной опоры качения выполнена в виде тарельчатой пружины, установленной между невращающимся кольцом и элементом ограничения ее прогиба, закрепленным на корпусе подвески.

Ограничениями устройства являются небольшое количество накопленной энергии из-за использования одного маховика, а также отсутствие системы смазки опор качения.

Наиболее близким является маховичный накопитель энергии, содержащий корпус, выполненный герматизированным, вал, установленный вертикально и предназначенный для подсоединения сверху к электромашине, маховик, кинематические средства связи вала с маховиком, две опоры качения и упругий элемент, выполненный подпружинивающим опоры качения, которые установлены внутри корпуса, винтовой маслонасос, канал для подачи масла в верхнюю опору качения, при этом опоры качения выполнены с возможностью протекания масла через них и смазывания их тел качения, при этом ниже нижней опоры качения выполнен слив масла в винтовой маслонасос, уплотнение, и обойму, выполненную с отверстием для протекания масла. (RU, Ul, N° 132850).

В этом устройстве опоры качения связаны с валом и корпусом подвеса с возможностью вращения вала. Использовано несколько упругих элементов, подпружинивающих опоры качения. Вал служит для подсоединения сверху к электромашине, а внизу - к маховику. Вал соединен с маховиком карданным валом, а опоры качения выполнены так же, как и в описанном выше аналоге. В верхней части корпуса подвеса выполнен канал для подачи жидкого масла в верхнюю опору качения. Маслонасос реализован в виде винтовой канавки непосредственно на наружной поверхности вала и в виде обоймы, отверстие которой сообщено с винтовой канавкой. Маслопровод выполнен в виде наружной трубки, которая подсоединена к отверстию обоймы и к каналу для подачи жидкого масла в верхнюю опору качения. Герметичное уплотнение установлено ниже маслонасоса над карданным валом маховика.

Ограничениями этого устройства являются:

недостаточно большое количество накопленной энергии из-за использования одного маховика, реализовать подвеску из двух и более маховиков из-за их соединения гибкой связью - карданным валом непосредственно с валом электромашины технически очень сложно, поскольку маховики имеют сравнительно большой вес нагрузки на электромашину;

- повышенные габариты, т.к. опоры качения подвески продольно вынесены за габариты маховика;

- сложность устройства из-за выполнения подпружиненной каждого из шарикоподшипников опор вращения и их расположения вдоль продольной оси над маховиком;

- уменьшение надежности и усложнение выполнения системы смазки с наружным маслопроводом и зоной повышенного давления масла над уплотнением над герметизированным корпусом маховика, которое воздействует непосредственно на него.

Количество накопленной электроэнергии связано с конструкцией маховика и скоростью его вращения. Однако увеличивать скорость вращения одного маховика беспредельно, выше допустимой для его конкретной конструкции нельзя, т.к. это приводит к разрушению маховика. Если использовать несколько маховиков при допустимой скорости вращения для одного маховика, то увеличение количества накопленной энергии в составной конструкции пропорционально количеству используемых маховиков за вычетом энергетических потерь в кинематических средствах связи вала электромашины с маховиком. Поэтому является очень важным обеспечить компактность средств связи вала электромашины с маховиком, уменьшить потери на трение, т.е. обеспечить вращающиеся элементы всей конструкции вакуумной смазкой при пониженном давлении газовой среды не только в корпусе маховика, но и в области расположения средств связи вала с маховиком.

Раскрытие изобретения

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания усовершенствованного накопителя энергии, который позволяет повысить количество накопленной энергии, улучшить надежность, упростить конструкцию и систему смазки, уменьшить габариты устройства при использовании нескольких маховиков и, таким образом, в целом улучшить его технико-эксплуатационные характеристики.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном накопителе, содержащем корпус, выполненный герматизированным, вал, установленный вертикально и предназначенный для подсоединения сверху к электромашине, маховик, кинематические средства связи вала с маховиком, две опоры качения и упругий 'элемент, выполненный подпружинивающим опоры качения, винтовой маслонасос, которые установлены внутри корпуса, канал для подачи масла в верхнюю опору качения, причем опоры качения выполнены с возможностью протекания масла через них и смазывания их тел качения, при этом ниже нижней опоры качения выполнен слив масла в винтовой маслонасос, уплотнение, и обойму, выполненную с отверстием для протекания масла, согласно изобретению маховик составлен из по меньшей мере двух маховиков, кинематические средства связи с маховиком выполнены из трубы, снабженной фланцами, один из которых расположен снаружи на верхнем краю трубы, а другой - снаружи, отступающим от нижнего края трубы вдоль продольной оси, из промежуточного вала, из стойки, внизу которой выполнен масляный резервуар, сообщенный с верхним краем стойки каналом для подачи масла в верхнюю опору качения, из компенсирующей муфты, установленной между валом и промежуточным валом, при этом промежуточный вал соединен с трубой через упор верхней опоры качения с образованием зазора между его нижним торцом и верхним краем стойки, расположенной над верхней опорой качения, маховики закреплены на наружной поверхности трубы между фланцами, а опоры качения установлены между внутренней поверхностью трубы и наружной поверхностью стойки, на поверхности которой, обращенной к нижнему фланцу трубы выполнен осевой упор нижней опоры качения, обойма установлена на краю торца стойки с масляным резервуаром, и на ее внутренней поверхности, обращенной к нижнему фланцу, выполнена кольцевая канавка, которая сообщена с масляным резервуаром отверстиями для протекания масла и в которой установлена часть края трубы, отступающего от нижнего фланца, винтовой маслонасос образован винтовыми канавками на стенке кольцевой канавки и/или винтовыми канавками на стенке упомянутой части края трубы, введены упругие опоры, установленные между наружной поверхностью обоймы и днищем корпуса, а уплотнение установлено на валу над компенсирующей муфтой.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:

- на торце стойки с масляным резервуаром был выполнен поперечный выступ, наружная поверхность которого цилиндрическая, а кольцевая канавка образована ее наружной стенкой и наружной цилиндрической поверхностью поперечного выступа;

- была введена заглушка, установленная на наружной поверхности обоймы и торце стойки с образованием в торце стойки масляного резервуара;

- количество маховиков было больше двух, и они были сопряжены обращенными друг к другу боковыми поверхностями, опоры качения выполнены в виде набора шарикоподшипников, состыкованных внешними и внутренними кольцами, внешнее кольцо верхнего шарикоподшипника верхней опоры связано с упором верхней опоры качения, а внутреннее кольцо нижнего шарикоподшипника нижней опоры - с осевым упором нижней опоры качения, упругий элемент выполнен в виде витой пружины, диаметр верхнего витка которой выбран меньшим, чем диаметр нижнего витка, верхний виток витой пружины установлен на внутреннем кольце нижнего шарикоподшипника верхней опоры, а нижний виток витой пружины - на внешнем кольце верхнего шарикоподшипника нижней опоры; - был введен жиклер, установленный в канале для подачи масла в верхнюю опору качения в верхнем краю стойки;

- поверхность обоймы, обращенная к нижнему фланцу трубы, была выполнена воронкообразной;

- корпус был снабжен крышкой, установленной на уровне компенсирующей муфты, втулкой, установленной на продольной оси в центральном отверстии крышки, дополнительным резервуаром масла, расположенным над уплотнением, подшипниками вала, установленными между валом и втулкой с возможностью вращения вала, вал и промежуточный вал установлены с зазором между их стенками и внутренней стенкой втулки, дополнительный резервуар масла вьшолнен в виде кругообразной емкости, расположенной снаружи втулки и сообщенной с внутренней полостью втулки между уплотнением и подшипниками вала посредством поперечных отверстий, выполненных в стенке втулки.

В последнем дополнительном варианте компенсирующая муфта может быть выполнена зубчатой, обращенные друг к другу торцы вала и промежуточного вала выполнены с шестернями, зубцы которых - в зацеплении с внутренними зубцами общего колеса, в стенке общего колеса под шестерней промежуточного вала выполнены пропускные отверстия, промежуточный вал вьшолнен с Т-образным продольным сечением, горизонтальная часть которого соединена с трубой через упор верхней опоры качения, и в этой горизонтальной части промежуточного вала выполнены маслосливные отверстия.

Указанные преимущества изобретения, а так же его особенности поясняются с помощью лучшего варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж.

Краткий перечень чертежей

Фиг. 1 схематично изображает заявленное устройство, его продольное сечение.

Лучший вариант осуществления изобретения

Накопитель энергии (фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный герматизированным, вал 2, установленный вертикально и предназначенный для подсоединения сверху к электромашине (на фиг. 1 не показана), маховик 3, кинематические средства связи вала 2 с маховиком 3, две опоры 4, 5 качения и упругий элемент 6, выполненный подпружинивающим опоры 4, 5 качения, винтовой маслонасос 7, которые установлены внутри корпуса 1 , канал 8 для подачи масла в верхнюю опору 4 качения, причем опоры 4, 5 качения выполнены с возможностью протекания масла через них и смазывания их тел качения, при этом ниже нижней опоры 5 качения выполнен слив масла в винтовой маслонасос 7. Устройство также имеет уплотнение 9, и обойму 10, выполненную с отверстием 11 для протекания масла.

В устройстве использованы по меньшей мере два маховика 3 (количество маховиков 3 определяется техническим заданием на накопитель энергии). Кинематические средства связи с вала 2 маховиком 3 выполнены из трубы 12, снабженной фланцами 13, 14. Один фланец 13 расположен снаружи на верхнем краю трубы 12, а другой фланец 14 - снаружи, отступающим от нижнего края трубы 12 вдоль продольной оси. Кинематические средства связи также выполнены из промежуточного вала 15, из стойки 16, внизу которой выполнен масляный резервуар 17, сообщенный с верхним краем стойки 16 каналом 8 для подачи масла в верхнюю опору 4 качения, из компенсирующей муфты 18, установленной между валом 2 и промежуточным валом 15. Промежуточный вал 15 соединен с трубой 12 через упор 19 верхней опоры 4 качения с образованием зазора между его нижним торцом и верхним краем стойки 16, расположенной над верхней опорой 4 качения. Маховики 3 закреплены на наружной поверхности трубы 12 между фланцами 13, 14. Опоры 4, 5 качения установлены между внутренней поверхностью трубы 12 и наружной поверхностью стойки 16, на поверхности которой, обращенной к нижнему фланцу 14 трубы 12 выполнен осевой упор 20 нижней опоры 5 качения. Обойма 10 установлена на краю торца стойки 16 с масляным резервуаром 17, и на ее внутренней поверхности, обращенной к нижнему фланцу 14, выполнена кольцевая канавка 21, которая сообщена отверстиями 11 для протекания масла с масляным резервуаром 17 масла и в которой установлена часть края трубы 12, отступающего от нижнего фланца 14. Винтовой маслонасос 7 образован винтовыми канавками на стенке кольцевой канавки 21 и/или винтовыми канавками на стенке упомянутой части края трубы 12. Введены упругие опоры 22, установленные между наружной поверхностью обоймы 10 и днищем 23 корпуса 1. Уплотнение 9 установлено на валу 2 над компенсирующей муфтой 18.

На торце стойки 16 с масляным резервуаром 17 может быть выполнен поперечный выступ 24, наружная поверхность которого цилиндрическая. Кольцевая канавка 21 при этом образована ее наружной стенкой и наружной цилиндрической поверхностью поперечного выступа 24.

Может быть введена заглушка 25, установленная на наружной поверхности обоймы 10 и торце стойки 16 с образованием в торце стойки 16 масляного резервуара 17.

Количество маховиков 3 может быть выбрано больше двух, и они сопряжены обращенными друг к другу боковыми поверхностями. Опоры 4, 5 качения выполнены в виде набора шарикоподшипников, состыкованных внешними и внутренними кольцами. Внешнее кольцо верхнего шарикоподшипника верхней опоры 4 качения связано с упором 19, закрепленным между промежуточным валом 15 и трубой 12. Внутреннее кольцо нижнего шарикоподшипника нижней опоры 5 связано с осевым упором 20 наружной поверхности стойки 16. Упругий элемент 6 выполнен в виде витой пружины, диаметр верхнего витка которой выбран меньшим, чем диаметр нижнего витка. Верхний виток витой пружины установлен на внутреннем кольце нижнего шарикоподшипника верхней опоры 4, а нижний виток витой пружины - на внешнем кольце верхнего шарикоподшипника нижней опоры 5.

Кроме того, может быть введен жиклер 26, установленный в канале 8 для подачи масла в верхнюю опору 4 качения в верхнем краю стойки 16.

Поверхность 27 обоймы 10, обращенная к нижнему фланцу 14 трубы 12, может быть выполнена воронкообразной.

Для передачи вращающего момента от вала 2 промежуточному валу 15 и улучшения герметизации корпуса 1 он может быть снабжен крышкой 28, установленной на уровне компенсирующей муфты 18, втулкой 29, установленной на продольной оси в центральном отверстии крышки 28, дополнительным резервуаром 30 масла, расположенным над уплотнением 9, подшипниками 31 вала 2, установленными между валом 2 и втулкой 29 с возможностью вращения вала 2. Вал 2 и промежуточный вал 15 установлены с зазором между их стенками и внутренней стенкой втулки 29. Дополнительный резервуар 30 масла выполнен в виде кругообразной емкости, расположенной снаружи втулки 29 и сообщенной с внутренней полостью втулки 29 между уплотнением 9 и подшипниками 31 вала 2 посредством поперечных отверстий 32, выполненных в стенке втулки 29. Компенсирующая муфта 18 может быть выполнена зубчатой. Обращенные друг к другу торцы вала 2 и промежуточного вала 15 выполнены с шестернями 33, зубцы которых - в зацеплении с внутренними зубцами общего колеса. В стенке общего колеса под шестерней 33 промежуточного вала 15 выполнены пропускные отверстия 34. Промежуточный вал 15 выполнен с Т-образным продольным сечением, горизонтальная часть которого соединена с трубой 12 через упор 19 верхней опоры 4 качения, и в этой горизонтальной части промежуточного вала 15 выполнены маслосливные отверстия 35.

На фигуре 1 также показаны винты 36, фиксирующие верхний фланец 13, трубу 12 и упор 19 между собой.

Работает накопитель энергии (фиг. 1) следующим образом.

В корпусе 1 (вакуумированном) помещены по меньшей мере два маховика 3 (супермаховика, например, ленточные, проволочные, и.т.п., предназначенные для накопления энергии), которые посажены своей внутренней цилиндрической поверхностью на наружную поверхность трубы 12, опирающуюся упором 19 в ее верхней части на набор подогнанных друг к другу по осевым размерам шарикоподшипников верхней опоры 4 качения (на фиг.1 их 3 в каждом наборе), внешними кольцами сидящими во вращающейся трубе 12, а внутренними - на неподвижной стойке 16 с опиранием на осевой упор 20, выполненный на ней. Нижняя часть стойки 16 имеет обойму 10, опирающейся нижней поверхностью через упругие опоры 22 на днище 23 корпуса 1 , а в центральной части обоймы 10 установлена заглушка 25, образующая масляный резервуар 17 в торце стойки 16. Внутренняя поверхность 27 обоймы 10 выполнена воронкообразной с наклоном к кольцевой канавке 21, в котором с зазором расположен нижний конец вращающейся трубы 12. Как минимум на одной из сопрягающихся цилиндрических поверхностей - внутренней или внешней кольцевой канавки 21 и нижнего конца трубы 12 выполнены винтовые канавки, образующие винтовой маслонасос 7. На фиг.1 винтовые канавки выполнены на всех сопрягающихся цилиндрических поверхностях кольцевой канавки 21 и нижнего конца трубы 12. Стрелками показано направление, в котором происходит движением масла сверху вниз - от верхней опоры 4 качения (набора шарикоподшипников) к нижней опоре 5, далее к воронкообразной поверхности 27 обоймы 10, затем, попадая в кольцевую канавку 21, винтовым маслонасосом 7 по отверстиям 11 подается в масляный резервуар 17. Далее масло по каналу 8 для подачи масла в верхнюю опору 4 качения в стойке 16 поступает вверх, и через жиклер 26 (калиброванный), установленный вверху стойки 16 в канале 8, подается к верхней опоре 4 качения.

Верхняя часть трубы 12, в частности упор 19, соединенный с ней, как и верхний фланец 13, фиксирующий сверху набор маховиков 3, например, винтами 36, выполнена заодно с промежуточным валом 15. При этом упор 19 в верхней части выполнен с сужением кверху (воронкообразным), а между упором 19 и нижней частью промежуточного вала 15 выполнены маслосливные отверстия 35. Между упором 19, промежуточным валом 15 и верхней частью корпуса 1 предусмотрены зазоры, достаточные для компенсации радиальных микроколебаний набора маховиков 3 на упругих опорах 22 корпуса 1 при вращении маховиков 3.

В верхней части - во втулке 29, расположенной в центральном отверстии крышки 28 корпуса 1, на валу 2 установлено уплотнение 9 (герметичное, например, манжетное), причем вал 2 зафиксирован во втулке 29, например, в двух подшипниках 31 качения выше уплотнения 9, а во втулке 29 выше уплотнения 9 выполнены поперечные отверстия 32, соединяющее полость втулки 29 с дополнительным резервуаром 30 для смазки контакта уплотнения 9 с валом 2, после чего масло сливается, например, через пропускные отверстия 34 в компенсирующей муфте 18, например, зубчатой, состоящей из зубчатого колеса с зубчатой нарезкой внутри него и двух зубчатых шестерней 33, установленных или выполненных на торцах вала 2 и промежуточного вала 15. Далее масло через маслосливные отверстия 35 поступает в верхнюю часть набора шарикоподшипников верхней опоры 4 качения, смазывая их и вытекая вниз в кольцевую канавку 21, а далее в винтовой маслонасос 7. Масло применяется вакуумное. Если одного набора трех шарикоподшипников опор 4, 5 качения недостаточно по грузоподъемности, применяют свыше одного набора, причем верхний набор выполняется опирающимся внутренними кольцами шарикоподшипников на упругий элемент 6, выполненный в виде витой пружины, опирающуюся другим концом на внешние кольца нижнего набора шарикоподшипников нижней опоры 5, а внутренние ее кольца - опирающимися на осевой упор 20 стойки 16, и так для каждой последующей пары наборов шарикоподшипников других опор качения.

Вращение от внешнего источника, например, электромашины (на фиг.1 не показана) в режиме мотора, через вал 2, компенсирующую муфту 18, и уплотнение 9 со смазкой вакуумным маслом из дополнительного резервуара 30 (расход масла очень мал - капли в сутки), подается на промежуточный вал 15, а от него через упор 19 верхней опоры 4 качения и трубу 12 передается маховику 3, составленному из нескольких супермаховиков, собранных на трубе 12 и закрепленных на ней снизу и сверху фланцами 13, 14. Супермаховики, вращаясь, накапливают кинетическую энергию, при этом винтовой маслонасос 7 гонит вакуумное масло, стекающее по опором качения 4, 5 вниз, в масляный резервуар 17, и оно под давлением понимается по каналу 8 в стойке 16, вытекает дозировано через жиклер 26, подается в опоры 4, 5 качения. Если опор 4, 5, например, по три шарикоподшипника несколько, то они связаны друг с другом упругими элементами 6 - витыми пружинами, как это схематично показано на фиг.1. Упругие элементы 6 компенсируют осевые погрешности установки шарикоподшипников опор 4, 5 качения и тогда нагрузку подвеса супермаховиков могут воспринимать несколько опор.

Как описывалось выше, небольшое количество масла (капли в сутки) подаются из дополнительного резервуара 30 через зазоры в уплотнении 9 и далее через зазоры и пропускные отверстия 34 в компенсирующей муфте 18 и сливные отверстия 35 в промежуточном валу 15 в шарикоподшипники верхней опоры 4 качения (направление течения масла показано стрелками). Избыток масла при недостаточной частоте вращения супермаховиков скапливается на воронкообразной поверхности 27 обоймы 10 и при увеличении частоты вращения снова подается винтовым маслонасосом 7 в масляный резервуар 17 и поднимается наверх по каналу 8 для подачи масла в верхнюю опору 4 качения. Каждый маховик 3 перед сборкой подвергается тщательной динамической балансировке и его колебания на упругих опорах 22 обычно составляют микрометры (нормируемое смещение центра масс маховиков 3 при высоких частотах вращения - около 3 микрометров, а современные балансировочные машины обеспечивают и меньшее смещение). При переходе электромашины в режим генератора, энергия, накопленная в супермаховиках, переводиться в полезную работу.

Повышение количества накопленной энергии по сравнению с ближайшим аналогом достигается обеспечением вращения по меньшей мере двух маховиков 3, при этом осуществляется герметизация не только самих маховиков 3, но и кинематических средств связи с вала 2 маховиком 3, выполненных из опор 4, 5 качения, трубы 12, промежуточного вала 15 при обеспечении их смазки. Установка уплотнения 9 на валу 2 над компенсирующей муфтой 18 позволяет осуществить вакуумирование не только области расположения маховиков 3, но и всех кинематических средств связи, за счет чего достигается повышение надежности. Повышение надежности также достигается за счет использования канала 8 для подачи масла в верхнюю опору 4 качения, выполненного внутри стойки 16, а не снаружи корпуса 1, как это сделано в ближайшем аналоге. Упрощение конструкции и уменьшение ее габаритов обеспечивается расположением маховиков 3 на своеобразном подвесе, выполненным на основе трубы 12 и промежуточного вала 15. Расположение маховиков 3 снаружи трубы 12 значительно уменьшает продольные габариты устройства. По сравнению с ближайшим аналогом при использовании нескольких составных маховиков 3 конструкция является довольно компактной.

Накопитель энергии почти не требует ухода, имеет высокий ресурс времени эксплуатации до его обслуживания и надежен в работе.

Промышленная применимость

Наиболее успешно заявленный «Накопитель энергии на основе нескольких маховиков» промышленно применим в энергетике.