專利名稱：一種鋼結(jié)構(gòu)圓盤堆疊式飛輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于能量存儲的高速鋼質(zhì)飛輪，這種飛輪主要應(yīng)用于存儲數(shù)千瓦
時到數(shù)兆瓦時的大量能量存儲系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
幾十年來，飛輪一直作為一種能量存儲的設(shè)備使用。飛輪經(jīng)常應(yīng)用于內(nèi)燃機引擎 的動力濾波裝置和其他的電力設(shè)備中。最近，在不間斷供電、公用負載校正系統(tǒng)、交流發(fā)電 機、衛(wèi)星和電力機車等領(lǐng)域中，飛輪技術(shù)被認為是一項非常有吸引力的能量存儲技術(shù)。
當(dāng)前，飛輪能量存儲系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)飛輪的轉(zhuǎn)子動能和電能之間來回轉(zhuǎn)換。飛輪儲能 系統(tǒng)包括飛輪、電動機/發(fā)電機、軸承系統(tǒng)和真空容器。旋轉(zhuǎn)的飛輪存儲了機械能；在軸承 系統(tǒng)的支承下，電動機/發(fā)電機把旋轉(zhuǎn)的飛輪的能量在電能和機械能之間轉(zhuǎn)換。高速旋轉(zhuǎn) 的飛輪一般存放于真空或低壓的容器中以減少風(fēng)損。 同電化學(xué)電池相比，飛輪有兩個主要優(yōu)點壽命長和可靠性高。電化學(xué)電池，尤其 是鉛酸電池壽命較短，一般壽命在2-7年之間。這類電池需要周期性維護，會出現(xiàn)不可預(yù)知 的啟動失敗現(xiàn)象并且對環(huán)境造成污染。相比較，飛輪儲能系統(tǒng)的壽命至少是20年，需要很 少或不需要維護?？紤]到系統(tǒng)壽命時，同化學(xué)電池相比，這種性能能夠抵消飛輪儲能系統(tǒng)較 高的初期投入而變得更加經(jīng)濟實惠。 盡管飛輪系統(tǒng)有著諸多的性能優(yōu)勢，但是為了能夠作為電化學(xué)電池的替代品，飛 輪系統(tǒng)必須設(shè)計成最大的能量存儲同時具有最低的損耗。復(fù)合材料(碳纖維/環(huán)氧樹脂、玻 璃纖維/環(huán)氧樹脂)飛輪被認為是低成本動能存儲的手段。復(fù)合材料具有非常高的環(huán)向強 度。采用最新的制造工藝，復(fù)合材料的成本將會降低。纖維本身具有很高的強度，把這種纖 維膠合在一起形成的飛輪材料，能夠進一步提高飛輪的強度，這種材料制造的飛輪在本質(zhì) 上具有同復(fù)合材料一樣的強度，在尺寸上能夠做到要多大有多大。然而，作為一種原材料， 鋼比復(fù)合材料便宜得多。不幸的是，鋼結(jié)構(gòu)飛輪在有效地存儲大量能量時存在一些問題。歸 因于這種鋼結(jié)構(gòu)的高硬度性能，已經(jīng)成功制造了小功率鋼結(jié)構(gòu)飛輪，這種飛輪實現(xiàn)了高速 旋轉(zhuǎn)。然而，在大功率鋼結(jié)構(gòu)飛輪中，必須存儲大量能量，大約是5-10千瓦時或更多，鋼不 能夠作為一種有效的飛輪材料。盡管大尺寸飛輪和小尺寸飛輪在同樣的線速度旋轉(zhuǎn)時具有 相同的應(yīng)力，但是，問題在于大尺寸飛輪的拉伸強度明顯地降低了。同小尺寸飛輪相比，即 使審慎地選擇鋼的型號和制造工藝，大尺寸飛輪的強度差不多降低了一半。大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn) 生的強度降低的現(xiàn)象并不是飛輪特有的，而是很多應(yīng)用中的普遍現(xiàn)象。然而，大多數(shù)應(yīng)用中 的負載和其他需求沒有因為強度的降低而出現(xiàn)問題。 鋼的強度直接與它的硬度有關(guān)，這取決于鋼內(nèi)部的馬氏體濃度。鋼的硬度可以通 過熱處理鋼來加強和控制。為了滿足硬度需求，需把鋼加熱到奧氏體溫度然后迅速冷卻或 淬火。淬火程度取決于需要的鋼的硬度。在厚的鋼結(jié)構(gòu)中，只有材料表面以最大的速度冷 卻，因為熱量多及熱傳導(dǎo)速度慢以至于材料的中間冷卻速度降低了。因此，鋼結(jié)構(gòu)的體積越 大，內(nèi)部距鋼結(jié)構(gòu)表面的距離越大，其硬度和拉伸強度就越低。鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部到表面的深度超過了一定的距離，其內(nèi)部硬度和強度就會達到該種類型鋼的底限，超過底限后，鋼的強度和 硬度將不在減少。為實現(xiàn)某一水平的淬火能力，把一種特定類型的鋼獲得硬度的能力稱為 鋼的淬硬性。淬硬性與碳及其他合金元素(如鉻、鉬、鎳等)的百分含量有關(guān)。因此，通常 首選高合金鋼作為大尺寸高應(yīng)力部件。盡管部件的尺寸較大，較高的淬硬性使得部件獲得 較高的強度成為可能。還要指出的是，在大多數(shù)結(jié)構(gòu)中，載荷首先彎曲。因此，最大應(yīng)力出 現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的表面，固有的最大應(yīng)力相應(yīng)于鋼的最大強度部分。在這些情況下，硬度的縱深不 是一個重要的問題。淬火后的鋼部件將會太脆而不能使用，因此需要回火?；鼗鹗前唁摷?熱到低于奧氏體溫度并保持一段時間然后冷卻的一種熱處理工藝?；鼗鸬慕Y(jié)果使得鋼結(jié)構(gòu) 的硬度和拉伸強度降低，內(nèi)部應(yīng)力殘余顯著減小，韌性大大提高。 鋼結(jié)構(gòu)飛輪是異常的壓力結(jié)構(gòu)。為了獲得最大的能量存儲密度，通常把飛輪設(shè)計 成圓柱體。這種設(shè)計使得徑向和環(huán)向應(yīng)力相等并且在中心處最大。然而，中心處也是鋼結(jié) 構(gòu)強度最小的地方，正如前面解釋的，在這一位置不能得到完全淬火。為了在距飛輪表面更 深的內(nèi)部獲得更高的強度可以使用高合金鋼，但是對厚度和直徑大于數(shù)英寸的飛輪而言， 中心獲得的強度和能量存儲能力仍然顯著減小了。對厚度和直徑只有io英寸的鋼結(jié)構(gòu)飛 輪，從其表面到中心，強度差不多減少一半。在大尺寸飛輪中，韌性也會降低，因為鋼不完全 淬火在硬化期間不能達到最大韌性。高合金鋼和非常高的合金鋼工具使用油淬火或者甚至 氣體淬火，這比用水淬火的程度緩和一些。因為部件表面數(shù)英寸以下熱傳導(dǎo)速度不會顯著 增加，所以用極端的水淬火代替油淬火，不能增加鋼結(jié)構(gòu)的深度硬化和中心強度，水和高合 金鋼的更高的淬火速度將會在表面產(chǎn)生極端應(yīng)力殘余，甚至有可能使鋼環(huán)斷裂。
根據(jù)材料成本，作為成本非常低的能量存儲飛輪，鋼材料具有很大的希望。當(dāng)前， 小尺寸鋼飛輪在單位成本上具有特別的強度和能量存儲能力。然而，當(dāng)增大飛輪的尺寸以 存儲大量能量時，飛輪的性能顯著降低了 。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決圓柱體飛輪存在的缺陷，本發(fā)明設(shè)計了一種鋼結(jié)構(gòu)圓盤堆疊式飛輪。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種鋼結(jié)構(gòu)圓盤堆疊式飛輪，包括 圓柱體飛輪和設(shè)置于圓柱體飛輪軸心的軸，所述圓柱體飛輪有多個鋼結(jié)構(gòu)圓盤層疊而成， 相鄰圓盤固定連接，圓柱體飛輪的上下表面固定設(shè)置有末端平板，軸與末端平板固定連接。
其將圓盤層疊固定的方式主要采取以下三種方式 方式一 所述末端平板圓周上均布設(shè)置有至少兩個軸向螺釘，軸向螺釘貫穿圓盤， 通過收緊軸向螺釘將圓盤緊壓在末端平板之間。 方式二 所述相鄰圓盤的外緣連接面處設(shè)置有工藝槽，然后通過焊接或粘結(jié)方式 將圓盤連接在一起。 方式三所述相鄰圓盤的結(jié)合面上設(shè)置有相互嵌合的凹凸結(jié)構(gòu)。凹凸結(jié)構(gòu)通常采 用過渡配合以保證嵌合的牢固性。 當(dāng)然，為了進一步提高圓盤間連接的可靠性，確保整體運轉(zhuǎn)平衡，也可以采取上述 三種連接方式的任意組合。 本發(fā)明為飛輪儲能不間斷電源提供了高速鋼結(jié)構(gòu)飛輪，在大尺寸飛輪中達到了最 大的強度和能量存儲能力。通過使用多個飛輪軸向堆疊結(jié)構(gòu)，這種飛輪克服了先前對大尺寸飛輪進行熱處理獲得高強度的不足。用堆疊幾個鋼結(jié)構(gòu)圓盤代替單一圓柱體的方法構(gòu)建 了新型飛輪。每一個飛輪在裝配前都進行了熱處理(通常是奧氏體化、退火和回火)。因為 每個圓盤薄的軸向厚度(典型厚度在0. 25英寸和6英寸之間)，每一層圓盤都能夠完全高 速淬火并且完全硬化。更高的淬火速度和遍及飛輪的馬氏體結(jié)構(gòu)使得飛輪具有高的抗拉強 度。飛輪中心的強度達到了先前飛輪外徑處的強度。加工或研磨每一層鋼結(jié)構(gòu)圓盤，然后 組裝形成軸向厚的飛輪用來存儲數(shù)千瓦時或更多的能量。為了得到發(fā)明的最大收益，沒有 在圓盤上穿孔，即軸向沒有通孔。這些圓盤通過焊接、硬釬焊、軟釬焊、粘合劑或接口裝配。 一旦組裝，整個飛輪就可以加工或研磨其最終尺寸并在安裝服務(wù)之前平衡調(diào)整。發(fā)明的飛 輪的抗拉強度大約是傳統(tǒng)單結(jié)構(gòu)大尺寸飛輪的兩倍并且旋轉(zhuǎn)速度比原來提高了 37%，存儲 能量比原來多了 89%。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。 圖1是鋼圓柱體飛輪的正視圖。 圖2是飛輪拉伸強度與鋼的硬度對應(yīng)表。 圖3是飛輪許用應(yīng)力與鋼結(jié)構(gòu)硬度的對應(yīng)表。 圖4是鋼圓盤飛輪的正視圖。 圖5是鋼結(jié)構(gòu)圓盤與圓柱體飛輪的應(yīng)力和強度對比圖。 圖6是帶有中心軸的軸向堆疊飛輪圓盤的正視圖，與發(fā)明的結(jié)構(gòu)不同。 圖7是圖6中帶有中心軸的軸向堆疊飛輪圓盤的應(yīng)力曲線圖。 圖8是帶有軸向螺釘?shù)妮S向堆疊飛輪圓盤的正視圖。 圖9是帶有中心軸的軸向堆疊飛輪圓盤螺孔處的徑向和環(huán)向應(yīng)力與對應(yīng)的螺孔 徑向位置曲線圖。 圖10是與本發(fā)明相對應(yīng)的軸向堆疊飛輪圓盤的正視圖。 圖11是與本發(fā)明相對應(yīng)的帶有軸向連接層的軸向堆疊飛輪圓盤的正視圖。 圖12是與本發(fā)明相對應(yīng)的帶有裝配連接接口的軸向堆疊飛輪圓盤的部分正視圖。 圖13是與本發(fā)明相對應(yīng)的軸向堆疊飛輪圓盤能量存儲能力與鋼硬度對比圖。 圖14是與本發(fā)明相對應(yīng)的軸向堆疊飛輪圓盤能量存儲系統(tǒng)部分原理結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
圖1所示為用于飛輪儲能系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)飛輪30。大多數(shù)情況下鋼結(jié)構(gòu)飛輪30由 大尺寸圓柱體31和上下軸32組成。如果圓柱體31部分的直徑和厚度比較大(每一個維 數(shù)超過了數(shù)英寸)，鋼結(jié)構(gòu)徑向中心處的強度會明顯的低于最大強度。徑向中心也是飛輪應(yīng) 力最大的地方。由于不能有效地對鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行淬火，所以中心處的強度將會比外徑表 面的強度低。大尺寸鋼結(jié)構(gòu)飛輪的旋轉(zhuǎn)線速度要低于小尺寸鋼結(jié)構(gòu)飛輪，因此兩者單位質(zhì) 量存儲的能量也不相等。 由于4340鋼的低成本深度淬硬性，所以鋼結(jié)構(gòu)飛輪的材料最好是4340合金鋼。油 淬時，小部件的最大洛氏硬度值大約是60。對直徑大于9英寸的大部件可能獲得的洛氏硬度值會降低到34。通常淬火后的鋼太脆不能直接使用，必須回火使它的硬度增加到可接受 的水平。對小尺寸結(jié)構(gòu)洛氏硬度值減少到了42，大尺寸結(jié)構(gòu)洛氏硬度值為32。間歇使用較 低的回火溫度如400° F左右使小尺寸的洛氏硬度值在52左右，大尺寸的洛氏硬度值在32 左右?；鼗饻囟鹊倪x擇導(dǎo)致了鋼結(jié)構(gòu)拉伸強度和硬度之間的折中。非4340型號鋼也可以增 加淬硬性，如機床用鋼，但是它們的價格要高4倍，同時在深化硬度方面也受到了限制。取 決于飛輪的放電次數(shù)，那些鋼的許用應(yīng)力也會減少。 圖2表明鋼的抗拉強度與硬度直接相關(guān)。對一個給定的熱處理工藝， 一個10英寸 厚的4340鋼結(jié)構(gòu)飛輪中心處會獲得洛氏硬度值為32和大約146ksi的抗拉強度。如果飛 輪是由2英寸厚的圓盤組成，那么飛輪中心處將會獲得的洛氏硬度值為52和大約275ksi 的抗拉強度。從圖中可清晰的看到，為了獲得高的強度，鋼結(jié)構(gòu)飛輪最好是由軸向較薄的圓 盤構(gòu)成，圓盤的厚度在0. 25-2英寸之間。曲線上部與未經(jīng)回火的鋼相對應(yīng)，其洛氏應(yīng)力大 約是60，這種鋼很硬但是也很脆，所以不能應(yīng)用于這種場合。 圖3是飛輪中許用應(yīng)力與硬度的對應(yīng)曲線，其中許用應(yīng)力是圖2中的抗拉強度除 以1.5。設(shè)定安全因數(shù)為1.5，是一種簡單的方法，表明飛輪在許用應(yīng)力下旋轉(zhuǎn)。IO英寸厚 的圓柱體的許用應(yīng)力大約是97ksi，而2英寸厚的圓盤的許用應(yīng)力大約是183ksi。另一種 可用的方法是使用屈服應(yīng)力并選擇不同的安全系數(shù)。安全系數(shù)的選擇應(yīng)能確保飛輪在期望 的使用壽命時間內(nèi)安全運行。超過飛輪系統(tǒng)的使用壽命時，根據(jù)飛輪的應(yīng)用場合，實際操作 將會導(dǎo)致一定數(shù)量的放電周期。使用放電周期和放電深度信息并利用破裂力學(xué)能夠更準(zhǔn)確 地得到運行中許用應(yīng)力的大小。在這種情況下，不但要考慮飛輪內(nèi)部瑕疵的大小還要考慮 飛輪的硬度。這種方法的結(jié)果可能是通過回火全硬化鋼結(jié)構(gòu)飛輪到低強度及固有的高韌性 狀態(tài)以獲得最大的許用應(yīng)力。對一般的鋼飛輪而言，應(yīng)具有大于100ksi的抗拉屈服強度同 時大于70ksi(in)"2的平面應(yīng)變斷裂韌性。數(shù)值越大越好。 圖4中，高性能鋼圓盤飛輪40比圖1中圓柱體飛輪30的轉(zhuǎn)速更高。鋼結(jié)構(gòu)圓盤 飛輪40包括鋼結(jié)構(gòu)圓盤41和軸42。軸向部分越薄，飛輪中心的抗拉強度越高。不幸的是， 飛輪的直徑不超過一定尺寸時，其存儲的能量較少，因此這種設(shè)計不適合應(yīng)用于大的能量 存儲。 圖5所示，鋼結(jié)構(gòu)圓盤飛輪和圓柱體飛輪的徑向和環(huán)向應(yīng)力，兩個飛輪具有相同 的直徑(大于9英寸)和相同的旋轉(zhuǎn)線速度(640米/秒)。然而，由于低的硬度和抗拉強 度圓柱體飛輪的許用應(yīng)力沿著徑向方向降低。強度分布曲線近似線性，然而實際上，強度分 布曲線不是線性的而是漸近線。鋼結(jié)構(gòu)圓盤飛輪的許用應(yīng)力是個常數(shù)并且等于圓柱體飛輪 外徑獲得的最大值。這張圖進一步表明，使用圓盤結(jié)構(gòu)飛輪能夠達到更高的轉(zhuǎn)速和更有效 的能量存儲。 為了能夠存儲大量的能量同時有效使用飛輪中的鋼，可以把飛輪設(shè)計成多個鋼圓 盤堆疊而成的結(jié)構(gòu)。在裝配之前，先將圓盤淬火。如圖6所示，軸向堆疊形成的飛輪50由 中心軸52和端蓋53把多個薄圓盤51固定在一起。然而，中心軸52穿透了每個圓盤51的 中心，因此，同沒有軸向孔的飛輪相比，這種飛輪50不具有相同的旋轉(zhuǎn)速度和存儲同樣多 的能量。圖6中帶有中心軸的軸向堆疊鋼結(jié)構(gòu)飛輪的配置是不可取的。如圖7所示，應(yīng)力 圖表明，中心附加的孔會引起該點的徑向應(yīng)力為0而環(huán)向應(yīng)力加倍。圖5所示，中心有孔時 環(huán)向應(yīng)力接近366ksi而沒有孔時環(huán)向應(yīng)力是183ksi。這兩種情況下，最高線速度都是640米/秒。 為了消除中心孔，一種方法是通過螺釘裝配這些圓盤，如圖8所示，在軸向堆疊式 圓盤結(jié)構(gòu)飛輪60中設(shè)計有偏離中心的軸向螺釘。在大多數(shù)情況下，飛輪60由多層圓盤61 和軸62組成。通過貫穿圓盤61的軸向螺釘64把圓盤61固定在一起。這種設(shè)計不能達到 最大的速度和能量存儲值。圖9所示，對同一個圓盤飛輪而言，不論軸向螺釘?shù)陌霃脚c位置 如何，孔處的環(huán)向應(yīng)力明顯高于許用應(yīng)力。在中心，螺釘孔的應(yīng)力和圖7中具有中心軸的情 況相同。圓盤中孔的環(huán)向應(yīng)力是同一位置環(huán)向應(yīng)力與沒有孔時徑向應(yīng)力之差的3倍。同樣 地，孔的徑向應(yīng)力是同一位置沒有孔時的徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力之差的3倍。
本發(fā)明所述的飛輪是把比較薄的鋼結(jié)構(gòu)圓盤在軸向粘在一起而沒有在每個圓盤 中心加工通孔，使得飛輪達到最高轉(zhuǎn)速和最大能量存儲。圖io是該發(fā)明的一個比較好的結(jié) 構(gòu)，該方案中，飛輪70由多個扁平圓盤71、軸72和端蓋73組成。飛輪圓盤最好是鍛造并且 粗加工成型，然后熱處理獲得高的硬度和抗拉強度。然后把這些圓盤71軸向堆疊并在外徑 處焊接在一起。也可采用其他的連接方法，如粘接。如圖所示，飛輪圓盤71可以設(shè)計成帶 圓角的或外徑轉(zhuǎn)角刻槽74留下焊接空間使得連接工藝更加容易，但是這些圓盤71不是"常 應(yīng)力"圓盤設(shè)計。圓角或外徑轉(zhuǎn)角刻槽74允許把裝配的飛輪70的外徑加工或研磨成最終 尺寸而不需要拆散飛輪71。軸72可以直接連在上下側(cè)的末端平板71上。作為選擇方案， 只要圓盤71沒有通孔并且孔的深度對軸向厚度沒有顯著的影響，圓盤端板73可以通過螺 釘固定在圓盤71上。因為末端平板73的直徑小且產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力小，所以可以在末端平 板73上留有螺釘用通孔。 圓盤最好鍛造成扁平圓盤形狀。鍛造增加了圓盤的徑向強硬度。如果圓盤中存在 加工時帶有瑕疵的原材料而引起的缺陷，這種缺陷將是最有可能存在的缺陷。單個圓盤的 原始裂縫會導(dǎo)致飛輪旋轉(zhuǎn)時出現(xiàn)災(zāi)難性事故，圓盤堆疊式方法通過限制單個圓盤的軸向裂 紋擴展使相鄰的一個或多個圓盤支撐有裂紋的圓盤，能夠最小化出現(xiàn)這種災(zāi)難性事故的機 會，直到飛輪能夠安全減速。 另一種連接圓盤的方法是在圓盤間加軸向連接層，如圖11所示，用以制造一個軸 向連接軸向堆疊圓盤式飛輪80。飛輪80由多個堆疊圓盤81、軸82和末端平板83組成。在 這個方案中，通過焊接或使用粘性物軸向連接圓盤81。也可使用其他的連接方法。如果不 需要分離圓盤81，可通過最后的加工或碾磨的方法完成。 圖12所示是一種干涉式軸向堆疊圓盤結(jié)構(gòu)飛輪的裝配方法。飛輪90由多層圓盤 91、軸92和末端平板93、96組成。在這個方案中，相鄰圓盤軸向表面的凸出部分94和凹槽 部分95裝配在一起。凸出部分94和凹槽部分95可以上下等寬或逐漸變小，可通過軸向加 力或加熱收縮方式裝配。干涉連接必須設(shè)計的足夠高使得飛輪高速旋轉(zhuǎn)時保持各圓盤91 之間的連接。凹槽處內(nèi)經(jīng)的環(huán)向應(yīng)力不能超過許用應(yīng)力。凹槽95應(yīng)該比圓盤91軸向厚度 小并且內(nèi)部應(yīng)該有圓形轉(zhuǎn)角以使得凹槽上聚集的應(yīng)力最小化?？梢栽跓崽幚砬昂蠹庸ね钩?部分94和凹槽部分95。根據(jù)熱處理中的變形程度和考慮到的干涉公差，在安裝之前還要進 行最后的加工。還可以采用其他方法把凸出部分和凹槽部分連接，如使用纖維線。然而這 種方法的成本更高。也可使用強性膠如環(huán)氧基樹脂，在這種情況下，圓盤91回火要在裝配 圓盤成飛輪90之前進行。環(huán)氧基樹脂將會殘留在飛輪內(nèi)部，因此除氣作用將會最小化。
兩個相同尺寸(直徑14英寸、厚10英寸)不同結(jié)構(gòu)的飛輪在飛輪能量存儲能力和鋼硬度間的對應(yīng)關(guān)系如圖13所示。 一個是傳統(tǒng)的單結(jié)構(gòu)圓柱體飛輪，因為這種結(jié)構(gòu)，飛輪 中心的硬度只能達到32，許用應(yīng)力為97ksi。在最大允許速度時，飛輪轉(zhuǎn)速是25千轉(zhuǎn)/分 (465米/秒)，存儲能量2. 84千瓦時。第二個飛輪使用本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)，由5個2英寸厚 的圓盤堆疊而成。圓盤達到的洛氏硬度是52，整個飛輪的許用應(yīng)力是183ksi。根據(jù)拉伸強 度假設(shè)安全系數(shù)是1. 5。在最大允許的速度時，飛輪轉(zhuǎn)速是34. 3干轉(zhuǎn)/分(640米/秒)， 存儲能量是5. 36千瓦時。使用該發(fā)明能使飛輪的轉(zhuǎn)速增加37%，相應(yīng)的能量存儲增加近 89%。發(fā)明的飛輪特別適用于存儲超過10千瓦的能量，最多可達數(shù)兆瓦。
與本發(fā)明相對應(yīng)的飛輪的制造工藝包括裝配單個硬質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)圓盤。加工過程包括 鍛造鋼結(jié)構(gòu)圓盤。盡管可以使用其他方法如軋制鋼，但是鍛造會產(chǎn)生最合理的中心，圓盤的 軸向鍛造會產(chǎn)生徑向和環(huán)向的微粒流動，這也是最大應(yīng)力的方向。合適的選擇圓盤的厚度 使得飛輪最終具有優(yōu)良的性能。 一種選擇圓盤軸向厚度的方法是軸向厚度小于鋼的理想臨 界直徑的2倍。理想臨界直徑是能夠完全硬化的長柱體的最大直徑。其近似值可以使用手 冊ASTM A-255列表中的合金乘以系數(shù)得到。對多種常用鋼而言，圓盤軸向厚度在0. 25_6 英寸之間。 鍛造之后，需要對圓盤進行粗加工以消除在熱處理中可能導(dǎo)致圓盤破碎的焊縫。 接著對圓盤進行熱處理和淬火以深化其內(nèi)部的馬氏體結(jié)構(gòu)。根據(jù)合金的成分不同，不同類 型的鋼的淬火條件也不同，淬火前使用的熱處理的種類不限，只要這種熱處理能夠提高硬 度。接著把這些圓盤回火來增加它們的強度并降低殘余應(yīng)力。可以在裝配之后進行回火。 然而，阻止出現(xiàn)破裂的最好的方法是回火直接變成淬火，因為鋼在全淬硬之后易碎。再一 次加工圓盤來消除熱處理中出現(xiàn)的變形，在一定情況下還可獲得一些特性如圖12所示的 用于裝配的軸向凹槽和凸起部分，把圓盤組裝成飛輪。如果需要可以在最后進行加工或平 衡。為了確保最大的安全運行速度，可以在淬火和回火之后對圓盤進行非破壞性的評估，來 防止使用缺陷超出最大缺陷尺寸的圓盤。缺陷尺寸應(yīng)小于O. 125英寸，這個尺寸是能檢測 的。使用提供的發(fā)明不但可以大大增加強度，堆疊多個圓盤組裝成飛輪能夠降低飛輪的成 本，因為可以通過無損檢測識別飛輪是否有缺陷，有缺陷的飛輪將不會被使用，這樣能夠降 低整個大飛輪的成本。還可以使用超聲波或X射線檢測裝配好的飛輪。這種方法可以檢測 軸向連接的情況，但是材料內(nèi)部的缺陷比較難檢測。 圖14所示為根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的飛輪能量存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。飛輪系統(tǒng)110由單個圓 盤裝配而成的鋼結(jié)構(gòu)飛輪111組成。飛輪111在裝有排氣孔113的真空容器112中旋轉(zhuǎn)以 減少空氣阻力。低速運行的飛輪系統(tǒng)可以在裝有氦氣的容器中運行。飛輪111通過軸116、 117連接到末端平板119、 120。軸116、 117通過上下側(cè)的軸承115、 118支撐著飛輪旋轉(zhuǎn)，軸 承位于軸承架121、122里。圖中，飛輪lll繞著縱向中心軸旋轉(zhuǎn)，也可繞著其他軸旋轉(zhuǎn)。飛 輪111通過電動機/發(fā)電機123加速時存儲能量、減速時釋放能量。電動機/發(fā)電機123 的轉(zhuǎn)子125連接到飛輪的軸116上；轉(zhuǎn)子125與安裝在定子架122上的定子124協(xié)同工作。 雖然圖中電動機/發(fā)電機123集成在一起，但是也可以把電動機和發(fā)電機分開。也可以把 飛輪111本身作為電動機/發(fā)電機123的轉(zhuǎn)子125。這樣，飛輪圓盤就要具有其他特性如另 一面有突出部分以促進能量轉(zhuǎn)換。圓盤的軸向連接能夠減少磁場損耗。
本發(fā)明中連接不帶中心通孔的飛輪圓盤有多種方案。數(shù)量巨大而不能完全列出。 盡管指定了使用2英寸厚的4340鋼圓盤，但是同時也可以使用其他類型的鋼。鋼的淬硬性越高，允許的圓盤越厚，同時也能達到相同的性能。同樣地，使用低成本、低淬硬性的碳性鋼 加工成軸向厚度更薄的圓盤，也能堆疊成飛輪。發(fā)明中的所有方案中，飛輪的形狀可以是圓 形的或不規(guī)則形的。在大多數(shù)情況下，圓形飛輪具有最優(yōu)的性能和最低的制造成本。
權(quán)利要求
一種鋼結(jié)構(gòu)圓盤堆疊式飛輪，包括圓柱體飛輪和設(shè)置于圓柱體飛輪軸心的軸，其特征是所述圓柱體飛輪有多個鋼結(jié)構(gòu)圓盤層疊而成，相鄰圓盤固定連接，圓柱體飛輪的上下表面固定設(shè)置有末端平板，軸與末端平板固定連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)圓盤堆疊式飛輪，其特征是所述末端平板圓周上均布設(shè)置有至少兩個軸向螺釘，軸向螺釘貫穿圓盤。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)圓盤堆疊式飛輪，其特征是所述相鄰圓盤的外緣連接面處設(shè)置有工藝槽。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)圓盤堆疊式飛輪，其特征是所述相鄰圓盤的結(jié)合面上設(shè)置有相互嵌合的凹凸結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高速鋼結(jié)構(gòu)飛輪，主要應(yīng)用于能量的存儲。鋼結(jié)構(gòu)飛輪由多個實心薄圓盤疊加而成，在裝配之前對每個圓盤進行熱處理。軸向厚度薄的圓盤能夠迅速地進行完全淬火達到全硬狀態(tài)和高的抗拉強度。每個圓盤經(jīng)過加工或研磨成型并裝配成軸向較厚的飛輪，從而存儲數(shù)千瓦時或更多能量?？梢酝ㄟ^焊接、硬釬焊、軟釬焊、粘結(jié)或干涉方法裝配成飛輪。單個圓盤的原始裂縫會導(dǎo)致飛輪旋轉(zhuǎn)時出現(xiàn)災(zāi)難性事故，圓盤堆疊式方法通過限制單個圓盤的軸向裂紋擴展使相鄰的一個或多個圓盤支撐有裂紋的圓盤，能夠最小化出現(xiàn)這種災(zāi)難性事故的機會，直到飛輪能夠安全減速。
文檔編號F16F15/30GK101709765SQ200910266269
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者張錦程, 李文圣, 王文杰 申請人:蘇州菲萊特能源科技有限公司