Маховичный накопитель
Владельцы патента RU 2246034:
СЕЕБА-ЭНЕРГИСИСТЕМЕ ГМБХ (DE)
ГУЛИА Нурбей Владимирович (RU)
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в качестве буферного накопителя энергии, например, для транспортных электрифицированных систем, источников аварийного питания, источников бесперебойного питания для ветровых и солнечных электростанций.
Изобретение представляет собой маховик и привод с опорами, размещенные в разделенных между собой вакуумированных камерах, заполненных разреженным газом с различным уровнем вакуума в них, причем в одной из них, с низким уровнем вакуума, помещен электропривод, а в другой, с повышенным уровнем вакуума 0,1...0,01 Па, помещен маховик с размещенным на его валу турбомолекулярным насосом, поддерживающим в камере маховика повышенный вакуум путем постоянной перекачки газа из этой камеры в камеру привода. При этом число камер, в которых размещены приводы и опоры, как минимум одна, и эти камеры отделены от камеры маховика уплотнениями по числу камер, герметичными, по крайней мере, при рабочих частотах вращения маховика. Технический результат заключается в обеспечении низких аэродинамических потерь в камере маховика одновременно с эффективным охлаждением привода без использования отдельных систем охлаждения. 6 з.п.ф-лы, 3 ил.
Область техники
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в качестве буферного накопителя энергии, например, для транспортных электрифицированных систем, источников аварийного питания, источников бесперебойного питания для ветровых и солнечных электростанций.
Уровень техники
Известны маховичные накопители энергии, имеющие маховик и электропривод с их опорами, размещенные в двух разделенных между собой вакуумированных камерах, заполненных разреженным газом с различным уровнем вакуума в них, причем в одной из них, с низким уровнем вакуума, помещен электропривод, а в другой, с повышенным уровнем вакуума, 0,1... 0,01 Па, помещен маховик с размещенным на его валу турбомолекулярным насосом, поддерживающим в камере маховика повышенный уровень вакуума путем постоянной перекачки газа из этой камеры в камеру привода (см. Джента Дж. “Накопление кинетической энергии”, Москва, Мир, 1998, с.178-180, рис.3.10). Данное устройство принято за прототип.
Недостатком устройства-прототипа является главным образом то, что турбомолекулярные насосы любых типов имеют максимальное выпускное давление, менее 1... 10 Па - давление, относящееся к граничному между средним и высоким вакуумом (Розанов Л.Н. Вакуумная техника, Москва, Высшая школа, 1987, стр.93 и 196, табл. П4). Это означает, что в камере, где расположен электропривод, должно поддерживаться именно это, весьма низкое давление, при котором газ имеет достаточно низкую теплопроводность, и поэтому не обеспечивающее эффективное охлаждение электромашины. При большем давлении, относящемся уже к другому уровню вакуума - низкому или форвакууму, при котором условия охлаждения благоприятны, невозможна работа турбомолекулярного насоса. Поэтому-то в прототипе предусмотрена отдельная система охлаждения электромашины, существенно усложняющая устройство. Другим недостатком прототипа является то, что при пониженных частотах вращения маховика, что может иметь место в практике, турбомолекулярный насос неработоспособен.
Сущность изобретения
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание маховичного накопителя, обеспечивающего низкие аэродинамические потери в камере маховика одновременно с эффективным охлаждением привода без использования специальных систем охлаждения. Технический результат заключается в обеспечении высокого вакуума в камере маховика при низком вакууме в камерах привода, в том числе и при медленно вращающемся или неподвижном маховике, достигая тем самым высокую теплопередачу от нагревающихся элементов привода, например от ротора электромашины к стенкам камеры. В физике вакуума под низким, средним и высоким вакуумами понимается такое состояние газа, при котором соответственно критерий Кнудсена намного меньше единицы, близок к единице и намного больше единицы. Приближенно для технических расчетов критерий Кнудсена можно определить как L/dэф, где L - длина свободного пути молекул газа; dэф - эффективный размер вакуумированной камеры. Для камеры вращения маховика с типичным зазором δ между маховиком и стенками камеры, например около 0,01 м, dэф≈2δ , т.е. 0,02 м. Длина свободного пути молекул в зависимости от давления газа Р (Па) определяется как L≈ 0,0063/Р, м. Стало быть давление, относящееся к среднему вакууму для камер вращения маховика обычных размеров, равно Р≈ 0,0063/0,02=0,315 Па.
Давление, существенно превышающее это значение, относится к низкому вакууму, а если существенно ниже него - к высокому (см. вышеуказанную книгу Розанова Л.Н., с.20-23). Следует отметить, что одно и тоже значение критерия Кнудсена соответствует различному давлению газа, в зависимости от размеров и конфигурации вакуумированной камеры. Так, например, давление 0,1 Па - это высокий вакуум для камеры маховика диаметром и высотой в 1 метр и зазором между маховиком и стенками 0,01 м, давление 0,315 Па - это, как было отмечено выше, средний вакуум для той же камеры. Но если из этой камеры маховик изъять, то для этого увеличенного объема давление, соответствующее среднему вакууму (если камера выполнена по форме цилиндра с диаметром 1 м), будет приближенно равно 0,0063 Па, и давление 0,1 Па, как и давление 0,315 Па, будет уже низким вакуумом. При этом такие физические свойства вакуума, как аэродинамическое сопротивление и теплопроводность, зависят именно от критерия Кнудсена, а не от абсолютного значения давления газа.
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата в известном маховичном накопителе, содержащем маховик и привод с опорами, размещенными в разделенных между собой вакуумированных камерах, заполненных разреженным газом с различным уровнем вакуума в них, причем в камере с низким уровнем вакуума помещен привод с опорами, а в камере - с повышенным уровнем вакуума помещен маховик, камера привода с опорами отделена от камеры маховика, по меньшей мере, одним уплотнением, выполненным герметичным, по крайней мере, в режиме рабочих частот вращения маховика, причем давление газа в камерах приводов и опор выше максимального давления выпуска турбомолекулярных насосов и относится к низкому вакууму с критерием Кнудсена ниже 0,01, а в камере маховика - относится к вакууму с критерием Кнудсена выше 0,01.
Возможны и другие варианты выполнения изобретения, согласно которым необходимо, чтобы:
- уплотнения между камерами были бы выполнены гидродинамическими;
- уплотнения между камерами были бы выполнены статического типа;
- уплотнения между камерами были бы выполнены комбинированными статически-динамического типа;
- он был бы снабжен дополнительными камерой и приводом с опорами, расположенными в дополнительной камере, отделенной от камеры маховика, по меньшей мере, одним уплотнением, выполненным герметичным, по крайней мере, в режиме рабочих частот вращения маховика;
- камеры были бы снабжены клапанами для сообщения камеры маховика с камерами приводов и опор при снижении частоты вращения маховика ниже рабочей;
- уровень вакуума в камере маховика соответствовал бы критерию Кнудсена, не менее чем на два порядка больше такового в камерах приводов и опор.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображена общая схема маховичного накопителя.
На фиг.2 - схема нижнего уплотнения (в разрезе).
На фиг.3 - схема верхнего уплотнения (в разрезе).
Маховичный накопитель содержит маховик 1, вал 2 которого кинематически соединен с приводами, в данном случае с двумя - с ротором 3 электромашины, помещенным в камеру 4, отделенную от камеры 5 маховика 1 уплотнением 6, и с механическим приводом, например волновым, позволяющим вывод вращения из герметичных полостей, причем волновой генератор 7 помещен в камеру 8, отделенную от камеры 5 уплотнением 9. Гибкое колесо 10 волновой передачи герметизирует камеру 8 от атмосферы, а жесткое колесо 11 с выходным валом 12 находится в атмосферных условиях. Опоры 13 и 14 находятся в камерах привода. Уплотнения 6 и 9, например, комбинированного типа - центробежно-статические (фиг.2 - уплотнение 6 и фиг.3 - уплотнение 9). Они содержат вращающуюся полость 15, соединенную с валом 2, и неподвижную полость 16, соединенную с корпусом камер. Кольцевые щели между полостями заполнены смазкой 17, используемой в вакуумных системах. Слева на фиг.2, 3 показан уровень смазки h в динамике, а справа - при неподвижном маховике 1, когда разность давлений в камерах 4, 5 и 8 уравновешивается столбом смазки с разностью высот Н 100... 120 мм. При этом h&λτ; H, так как в динамике масло отгоняется наружу из-за его вращения. Однако возможно использование и чисто динамических, и чисто статических (например, магнитных) уплотнений.
В камере 5 установлено давление, соответствующее среднему и высокому вакууму - это для обычных размеров камеры 5 и зазоров между маховиком и стенками камеры около 0,1... 0,01 Па, или критерию Кнудсена 0,6... 6, а в камерах 4 и 8 - соответствующее низкому уровню вакуума и существенно превышающее максимальное выпускное давление турбомолекулярных насосов - 10 Па и достигающее 100 Па и выше при критериях Кнудсена ниже 0,01 для любых реальных размеров маховичного накопителя. Желательный разреженный газ в камерах - гелий.
Пример реализации изобретения
В камерах 4, 5 и 8 с помощью соответствующих вакуум-насосов устанавливается соответствующее давление газа, предпочтительно гелия. Гелий обеспечивает, с одной стороны, пониженные потери мощности на вращение маховика, а с другой стороны, высокую теплопередачу в приводах. Известно, что газы при низком уровне вакуума обладают почти той же теплопроводностью, что и при атмосферном давлении (см. Розанов Л.Н. Вакуумная техника, М., Высшая школа, 1987, стр.25, рис.2.2). Поэтому при давлении 100 Па и выше охлаждение приводов как ротора 3, так и генератора волн 7 будет удовлетворительным. При этом и условия смазки будут отвечать необходимым требованиям, так как давление 100 Па и выше не будет вызывать активного газовыделения и испарения смазки. Однако основной эффект устройства состоит в том, что силовые воздействия перепада давлений между камерами 5 и 4, 8 будут ничтожными - разница между, например, 0,1 Па в камере 5 и 100 Па в камерах 4 и 8 вызывает воздействие всего 0,01 Н на 1 см2 активной поверхности уплотнений 6 и 9. Если бы пришлось уплотнять обычное атмосферное давление в камерах 4 и 8, то силовое воздействие на эти уплотнения было бы в 1000 раз выше. Таким образом, практически не нарушая режима охлаждения приводов и повышая требования к его окислению, коррозийной стойкости и запыленности, устройство позволяет использовать простейшие конструкции уплотнений 6 и 9, на два - три порядка менее напряженные, чем при атмосферном давлении в камерах 4 и 8. И это при гораздо меньших сложности, размерах, массе, стоимости, потерях мощности при вращении и существенно большей долговечности. В частности, представленные на фиг.2 и 3 комбинированные уплотнения работоспособны и выдерживают перепад давлений в 100 Па как в динамике, так и при неподвижном маховике 1.
Если же уплотнения только динамические, например центробежные или винтоканавочные, то их размеры для отмеченного перепада давлений могут быть существенно меньшими, 30... 50 мм по оси. В этом случае клапаны 18 и 19, соединяющие камеры 4 и 8 с камерой 5, срабатывают при снижении частоты вращения маховика 1 ниже рабочей.
В случае использования статических, например магнитожидкостных уплотнений, их размеры, сложность, стоимость и потери при вращении намного меньше, чем при перепаде давления в один бар (100 кПа).
Промышленное применение
Изобретение соответствует критерию “промышленная применимость”, поскольку осуществимо с помощью известных материалов, средств производства и технологий.
Использование настоящего изобретения позволяет создать маховичный накопитель, обладающий высоким КПД, при его достаточной простоте, причем приводов отбора и подвода мощности от маховика и к маховику может быть несколько, с обеспечением их достаточного охлаждения.
1. Маховичный накопитель, содержащий маховик и привод с опорами, размещенные в разделенных между собой вакуумированных камерах, заполненных разреженным газом с различным уровнем вакуума в них, причем в камере с низким уровнем вакуума помещен привод с опорами, а в камере с повышенным уровнем вакуума помещен маховик, отличающийся тем, что камера привода с опорами отделена от камеры маховика, по меньшей мере, одним уплотнением, выполненным герметичным, по крайней мере, в режиме рабочих частот вращения маховика, причем давление газа в камерах приводов и опор выше максимального давления выпуска турбомолекулярных насосов и относится к низкому вакууму с критерием Кнудсена ниже 0,01, а давление в камере маховика относится к вакууму с критерием Кнудсена выше 0,01.
2. Маховичный накопитель по п.1, отличающийся тем, что уплотнения между камерами выполнены гидродинамическими.
3. Маховичный накопитель по п.1, отличающийся тем, что уплотнения между камерами выполнены статического типа.
4. Маховичный накопитель по п.1, отличающийся тем, что уплотнения между камерами выполнены комбинированными статически-динамического типа.
5. Маховичный накопитель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными камерой и приводом с опорами, расположенными в дополнительной камере, отделенной от камеры маховика, по меньшей мере, одним уплотнением, выполненным герметичным, по крайней мере, в режиме рабочих частот вращения маховика.
6. Маховичный накопитель по любому из пп.1, 2 или 5, отличающийся тем, что камеры снабжены клапанами для сообщения камеры маховика с камерами приводов и опор при снижении частоты вращения маховика ниже рабочей.
7. Маховичный накопитель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что уровень вакуума в камере маховика соответствует критерию Кнудсена, не менее чем на два порядка больше такового в камерах приводов и опор.
