提高高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中阻尼系統(tǒng)可靠性的裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種提高高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中阻尼系統(tǒng)可靠性的裝置，包括阻尼裝置及柔性導(dǎo)熱裝置，阻尼裝置包括圓筒形的內(nèi)剛性裝配環(huán)及外剛性裝配環(huán)，在內(nèi)剛性裝配環(huán)及外剛性裝配環(huán)之間連接有徑向分布的粘彈性阻尼器；在內(nèi)剛性裝配環(huán)上連接有導(dǎo)熱連接件；柔性導(dǎo)熱裝置分別設(shè)置在阻尼裝置的上方及下方，柔性導(dǎo)熱裝置包括內(nèi)部耦合器，內(nèi)部耦合器固定在導(dǎo)熱連接件上，通過導(dǎo)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(huán)上；本實(shí)用新型將軸承摩擦損耗及粘彈性阻尼器耗能產(chǎn)生的熱量傳遞到處于高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)工作環(huán)境外的散熱組件上，使高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量在散熱組件上導(dǎo)出到環(huán)境中，即能保證有效散熱，又不會(huì)影響阻尼裝置的正常工作。
【專利說明】提高高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中阻尼系統(tǒng)可靠性的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及機(jī)械科學(xué)領(lǐng)域，尤其是一種提高高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中阻尼系統(tǒng)可靠性的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)的儲(chǔ)能原理，決定了其工作在多階臨界轉(zhuǎn)速以上。為確保高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，引入特制阻尼系統(tǒng)必不可少。本實(shí)用新型中飛輪支撐系統(tǒng)為機(jī)械軸承及軸向磁力軸承構(gòu)成的混合支承系統(tǒng)，軸承系統(tǒng)阻尼往往很低，當(dāng)轉(zhuǎn)子不平衡量不變時(shí)，隨臨界轉(zhuǎn)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(dòng)力學(xué)失穩(wěn)等一系列問題，產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的振動(dòng)。第一種方法是對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡，包括傳統(tǒng)動(dòng)平衡方法和在線動(dòng)平衡。第二種方法是通過增加外部阻尼來吸收和耗散振動(dòng)能量。傳統(tǒng)平衡方法很難實(shí)現(xiàn)完全的動(dòng)平衡，而在線主動(dòng)平衡仍存在執(zhí)行系統(tǒng)反應(yīng)速度慢、無法抑制瞬態(tài)及非同步振動(dòng)等缺點(diǎn)。因而，采用外部阻尼系統(tǒng)是一種抑制高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)振動(dòng)的有效手段。外部阻尼系統(tǒng)對(duì)不同類型的振動(dòng)響應(yīng)都具有一定的衰減作用，常用的阻尼系統(tǒng)有擠壓油膜阻尼系統(tǒng)、電磁阻尼系統(tǒng)等。擠壓油膜阻尼系統(tǒng)對(duì)安裝精度要求很高，電磁阻尼價(jià)格較高，使用不方便。粘彈性徑向阻尼系統(tǒng)利用材料的粘彈性阻尼特性，在振動(dòng)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(tǒng)和電磁阻尼系統(tǒng)相比，粘彈性徑向阻尼系統(tǒng)具有:結(jié)構(gòu)緊湊，無需潤滑系統(tǒng)和其它附加設(shè)備，使用方便，制造簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)；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(zhì)的選擇來改變粘彈性徑向阻尼系統(tǒng)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(gè)或多個(gè)阻尼系統(tǒng)。支承系統(tǒng)確定后，阻尼大致較穩(wěn)定，本實(shí)用新型中采用引入阻尼系統(tǒng)的方法。如果一個(gè)剛性轉(zhuǎn)子處于較低的剛性支撐系統(tǒng)下，引入平行阻尼系統(tǒng)來支撐軸承是非常有效的。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生大變形時(shí)，增加阻尼效果不大。高阻尼粘彈性體成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，易于更換。是可在旋轉(zhuǎn)軸與固定部件之間添加的最簡單阻尼系統(tǒng)，位于機(jī)械軸承外端。粘彈體阻尼系統(tǒng)，已成功運(yùn)用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)測試設(shè)備中，但是存在過熱問題。當(dāng)阻尼系統(tǒng)中能量耗散至足夠的量，彈性體的溫度會(huì)上升，達(dá)到粘彈體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度而失效，其主要原因?yàn)檎硰楏w具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，飛輪系統(tǒng)工作的真空狀態(tài)下，缺少空氣冷卻表面，粘彈體的溫度升高問題更加嚴(yán)重。另外所產(chǎn)生的熱量是有材料分子內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的，表面冷卻并不能有效解決這個(gè)問題。而在粘彈性材料內(nèi)插入的高導(dǎo)熱系數(shù)的元素，比如在粘彈性材料內(nèi)插入銅導(dǎo)線，又會(huì)降低阻尼效果。嚴(yán)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(tǒng)可減振、導(dǎo)熱、降低軸承載荷，延長軸承壽命、保護(hù)磁力提升軸承、創(chuàng)造良好的徑向阻尼環(huán)境。粘彈性阻尼可有效降低剛體臨界速度，有利于加速時(shí)通過臨界轉(zhuǎn)速。
[0004]該粘彈性徑向阻尼系統(tǒng)具有相對(duì)較低的軸向、徑向、橫向剛度。因?yàn)樽枘岬妮S向剛度較低，不會(huì)對(duì)提升系統(tǒng)中的磁力軸承產(chǎn)生剛度影響；較低的徑向剛度，可有效減小軸承上的動(dòng)載荷，提升軸承壽命；反之，將帶來更多的與不平衡量相關(guān)的動(dòng)力學(xué)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(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中理想的軸承阻尼應(yīng)具有以下特點(diǎn):在飛輪組件高速運(yùn)行時(shí)，即越過臨界轉(zhuǎn)速后，具有較低的阻尼；在低速運(yùn)行時(shí)，具有較高的阻尼；在臨界轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行時(shí)，阻尼達(dá)到最大值。當(dāng)阻尼粘彈性較大——?jiǎng)偠刃r(shí)，臨界轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，振幅最小。
[0006]在美國卡貝爾的儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中的絲網(wǎng)軸承阻尼器(專利號(hào):09/728822)中所公開的絲網(wǎng)阻尼器，在低臨界轉(zhuǎn)速時(shí)具有不錯(cuò)的粘彈性特征及較好的導(dǎo)熱效果。而另一種阻尼系統(tǒng)，則含有彈性體——如硅橡膠，具有更好的粘彈性特征且制造成本較絲網(wǎng)低。但彈性體是熱的絕緣體，絲網(wǎng)也是熱的不良導(dǎo)體。而在真空中，熱傳導(dǎo)是唯一的傳熱方式。對(duì)于絲網(wǎng)阻尼系統(tǒng)及彈性阻尼系統(tǒng)來說剛度可滿足要求，而導(dǎo)熱性能達(dá)不到上述要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型的目的是:提高高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中阻尼系統(tǒng)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(zhuǎn)子與定子間接觸的作用，并可及時(shí)有效的傳遞軸承摩擦損耗及粘彈性阻尼器耗能產(chǎn)生的熱量，防止阻尼系統(tǒng)失效，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0008]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的:提高高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中阻尼系統(tǒng)可靠性的裝置，包括阻尼裝置及柔性導(dǎo)熱裝置，阻尼裝置包括圓筒形的內(nèi)剛性裝配環(huán)及外剛性裝配環(huán)，在內(nèi)剛性裝配環(huán)及外剛性裝配環(huán)之間連接有徑向分布的粘彈性阻尼器；在內(nèi)剛性裝配環(huán)上連接有導(dǎo)熱連接件；柔性導(dǎo)熱裝置分別設(shè)置在阻尼裝置的上方及下方，柔性導(dǎo)熱裝置包括內(nèi)部耦合器，內(nèi)部耦合器固定在導(dǎo)熱連接件上，通過導(dǎo)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(huán)上。
[0009]粘彈性阻尼器與內(nèi)剛性裝配環(huán)及外剛性裝配環(huán)之間均為過盈配合。
[0010]導(dǎo)熱元件的材料為鋁、銅、銀、碳、碳纖或碳碳復(fù)合材料。
[0011]粘彈性阻尼器的徑向剛度范圍為9000?72000 Kg/m?？蛇x用硅橡膠作為材料。
[0012]阻尼裝置可有效防止轉(zhuǎn)子及定子間的接觸，并且一個(gè)或多個(gè)粘彈性阻尼器的結(jié)構(gòu)可使剛體臨界速度最小，并且在通過臨界速度的過程中所需較小阻尼。本實(shí)用新型的阻尼裝置具有較小的徑向、軸向、橫向剛度，有利于降低操作力矩，保護(hù)磁力提升系統(tǒng)。
[0013]柔性導(dǎo)熱裝置具有及時(shí)導(dǎo)走熱量的功能，可提高軸承操作壽命，并保證阻尼裝置工作的穩(wěn)定性。產(chǎn)熱部件通過柔性導(dǎo)熱裝置實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端散熱系統(tǒng)的端面熱耦合，可及時(shí)將損耗熱量帶走。
[0014]阻尼裝置正常工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，通過內(nèi)剛性裝配環(huán)及外剛性裝配環(huán)傳導(dǎo)；內(nèi)剛性裝配環(huán)及外剛性裝配環(huán)為熱的良導(dǎo)體，同時(shí)滿足剛度強(qiáng)度要求，選用銅或合金等材料。
[0015]柔性導(dǎo)熱裝置不提供額外阻尼及剛度，導(dǎo)熱元件不提供剛度，可以采用鋁、銅、銀、碳、碳纖、碳碳復(fù)合材料等，具有良好的導(dǎo)熱性；可以在三個(gè)方向移動(dòng)，在徑向上延伸，它與彈性阻尼器一樣均是采用徑向排列的結(jié)構(gòu)；而內(nèi)部耦合器和外部耦合器則可選用銅、鐵、鋁等材料。機(jī)械耦合部位，可通過某些方式降低接觸熱阻，包括涂抹油脂、表面鍍錫的方式。
[0016]由于采用上述的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用具有粘彈性的材料制作成徑向分布的阻尼裝置，利用該阻尼裝置在高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)越過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，通過粘彈性阻尼器發(fā)生變形，從而吸收、耗散高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)能量，以確保高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)；同時(shí)采用一個(gè)與該粘彈性阻尼裝置連接的柔性導(dǎo)熱裝置，將軸承摩擦損耗及粘彈性阻尼器耗能產(chǎn)生的熱量傳遞到處于高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)工作環(huán)境外的散熱組件上，使高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量在散熱組件上導(dǎo)出到環(huán)境中，即能保證有效散熱，又不會(huì)影響阻尼裝置的正常工作，從而防止阻尼系統(tǒng)失效；本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，容易制作，成本低廉，使用效果好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]附圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]附圖2為本實(shí)用新型的阻尼裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本實(shí)用新型的實(shí)施例:提高高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中阻尼系統(tǒng)可靠性的裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括阻尼裝置A及柔性導(dǎo)熱裝置B，阻尼裝置A包括圓筒形的內(nèi)剛性裝配環(huán)I及外剛性裝配環(huán)3，在內(nèi)剛性裝配環(huán)I及外剛性裝配環(huán)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(nèi)剛性裝配環(huán)I及外剛性裝配環(huán)3之間均為過盈配合，粘彈性阻尼器2的徑向剛度范圍為9000?72000 Kg/m，材料選用硅橡膠，內(nèi)剛性裝配環(huán)及外剛性裝配環(huán)的材料選用銅合金；在內(nèi)剛性裝配環(huán)I上連接有導(dǎo)熱連接件7，導(dǎo)熱連接件7采用銅合金；柔性導(dǎo)熱裝置B分別設(shè)置在阻尼裝置A的上方及下方，柔性導(dǎo)熱裝置B包括內(nèi)部耦合器4，內(nèi)部耦合器4固定在導(dǎo)熱連接件7上，通過導(dǎo)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(huán)3上；導(dǎo)熱元件5的材料為鋁，內(nèi)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(chǎn)生的熱量通過內(nèi)剛性裝配環(huán)I傳遞到導(dǎo)熱連接件7上，導(dǎo)熱連接件7再將熱傳遞到內(nèi)部耦合器4，內(nèi)部耦合器4通過導(dǎo)熱元件5將熱量傳遞給外部耦合器6，外部耦合器6與遠(yuǎn)端散熱系統(tǒng)的端面熱耦合，從而實(shí)現(xiàn)散熱。
【權(quán)利要求】
1.一種提高高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中阻尼系統(tǒng)可靠性的裝置，包括阻尼裝置(A)及柔性導(dǎo)熱裝置(B)，其特征在于:阻尼裝置(A)包括圓筒形的內(nèi)剛性裝配環(huán)(I)及外剛性裝配環(huán)(3)，在內(nèi)剛性裝配環(huán)(I)及外剛性裝配環(huán)(3)之間連接有徑向分布的粘彈性阻尼器(2);在內(nèi)剛性裝配環(huán)(I)上連接有導(dǎo)熱連接件(7);柔性導(dǎo)熱裝置(B)分別設(shè)置在阻尼裝置(A)的上方及下方，柔性導(dǎo)熱裝置(B)包括內(nèi)部耦合器(4)，內(nèi)部耦合器(4)固定在導(dǎo)熱連接件(7)上，通過導(dǎo)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(huán)(3 )上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中阻尼系統(tǒng)可靠性的裝置，其特征在于:粘彈性阻尼器(2)與內(nèi)剛性裝配環(huán)(I)及外剛性裝配環(huán)(3)之間均為過盈配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中阻尼系統(tǒng)可靠性的裝置，其特征在于:導(dǎo)熱元件(5)的材料為鋁、銅、銀、碳、碳纖或碳碳復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中阻尼系統(tǒng)可靠性的裝置，其特征在于:粘彈性阻尼器(2)的徑向剛度范圍為9000?72000 Kg/m。
【文檔編號(hào)】F16F15/30GK203421112SQ201320499104
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月15日
【發(fā)明者】王琬, 何林, 楊立 申請人:貴州大學(xué)