Ленточный супермаховик

Группа изобретений относится к области машиностроения. Ленточный супермаховик содержит обод, навитый со склейкой витков из стальной высокопрочной ленты на внешнюю цилиндрическую часть ступичного центра. Ступичный центр выполнен из материала с равными или меньшими, чем у стальной высокопрочной ленты плотностью и модулем упругости. Средство центровки ленточного обода и внешней части ступичного центра выполнено с возможностью равных по всей окружности радиального смещения, тангенциальных и осевых смещений. Средство центровки центра выполнено в виде трех шпонок с сечением в виде равносторонней трапеции. Размер большего основания трапеции сечения шпонки, лежащей во внешней части ступичного центра, превышает размер меньшего основания трапеции, лежащей во внутренней части ступичного центра более чем в два раза. По второму варианту средство центровки выполнено в виде трех радиально сходящихся к центру цилиндрических пальцевых стержней. Пальцевые стержни жестко связаны своими внешними наружными концами с внешней цилиндрической частью ступичного центра, а внутренние выполнены скользящими во внутренней цилиндрической части ступичного центра. Достигается повышение надежности центрирования быстровращающихся деталей ступичных центров и ленточного обода. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для накопления кинетической энергии.

Уровень техники

Известна конструкция ленточного супермаховика, выполненного навивкой высокопрочной стальной лентой со склейкой витков на кольцеобразный элемент ступичного центра, где центрирование его ленточного обода, упруго увеличивающую свой диаметр при вращении, обеспечивается деформацией внешней части ступичного центра из упругого материала, снабженного отверстиями, дополнительно заполненными балластными грузами (RU 143703, 31.03.2014, авторы Н.В.Гулиа, А.И. Лаврентьев и др.) Эта конструкция принята за аналог. Недостатком аналога является возможность расцентровки ступичных центров при больших частотах вращения.

Известны также устройства для центрирования вращающихся кольцевых деталей, увеличивающих свой диаметр при вращении, выполненные в виде шлицевого соединения с валом трапецеидальными или прямобочными шлицами, с центрированием по боковым поверхностям шлицев (П.И. Орлов. «Основы конструирования», книга 1, раздел "Температуронезависимое центрирование", стр. 271-273), основанные на применении прямобочных шлицевых соединений с центрированием по боковым поверхностям. Это устройство принято за аналог. Недостатками аналога являются технологическая сложность изготовления таких устройств при больших диаметрах.

Известны также устройства для центрирования вращающихся кольцевых деталей, увеличивающих свой диаметр при вращении, выполненные в виде цилиндрических пальцевых стержней, радиально сходящихся на оси (П.И. Орлов. «Основы конструирования», 1988, книга 1, раздел "Температуронезависимое центрирование", рис. 265е, стр. 274), основанные на лучевом центрировании. Это устройство принято за прототип. Отметим, что этот принцип центрирования часто применяется в турбостроении.

Недостатком прототипа является сборка устройства изнутри ротора, иначе она становится невозможной. Между тем, такая сборка технически невыполнима для ленточных супермаховиков, которые допускают сборку только снаружи ротора, еще до навивки ленты на ступичные диски, причем опора центрирующих втулок обязательно должна приходиться на внешний ступичный кольцевой диск, контачащий с ленточной навивкой.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание надежного центрирования быстровращающихся деталей ступичных центров и ленточного обода, с возможностью легкого и дешевого изготовления устройства такого центрирования.

Для достижения технического результата при решении поставленной задачи ленточный супермаховик, содержащий ленточный обод, навитый со склейкой витков из стальной высокопрочной ленты на внешнюю цилиндрическую часть ступичного центра, выполненную из материала с равными или меньшими, чем у стали плотностью и модулем упругости, и размещенную на внутренней цилиндрической части ступичного центра, оборудован средством центровки ленточного обода и внешней части ступичного центра, выполненным с возможностью равного по всей окружности радиального, тангенциального и осевого смещений независимо от угловой скорости маховика, при этом материал ступичного центра по соотношениям плотности, модуля упругости и прочности на растяжение выполнен близким к тем же параметрам, что и у углеродистой стали, а внешняя цилиндрическая часть ступичного центра посажена со склейкой на внутреннюю часть ленточного обода.

Возможны и другие варианты выполнения изобретения, согласно которым необходимо, чтобы:

- средство центровки ленточного обода и внешней части ступичного центра было бы выполнено, по меньшей мере, в виде трех шпонок с сечением по форме равносторонней трапеции, сопряженной по меньшему основанию с прямоугольником, причем размер большего основания трапеции сечения шпонки, лежащей во внешней части ступичного центра, превышает размер меньшего основания трапеции, лежащей во внутренней части ступичного центра более чем в два раза.

- в торцевой части шпонок были бы выполнены отверстия с возможностью варьирования массы шпонок при условии, что материал заполнения упомянутых отверстий имеет большую, чем у стали ступичного центра плотностью.

- средство центровки ленточного обода и внешней части ступичного центра было бы выполнено, по меньшей мере, в виде трех радиально сходящихся к центру цилиндрических пальцевых стержней, жестко связанных своими внешними наружными концами с внешней цилиндрической частью ступичного центра, а внутренние – установлены с возможностью скольжения во внутренней цилиндрической части ступичного центра.

- внешняя цилиндрическая часть ступичного центра была бы выполнена с радиальными отверстиями с резьбовой для ввинчивания внешних наружных концов пальцевых стержней, также выполненных с резьбой, причем материал пальцевых стержней выполнен с плотностью и прочностью большей, как минимум, чем у материала внешней цилиндрической части ступичного центра, а своими наружными концами пальцевые стержни расположены с возможностью контактирования с внутренним витком ленточного обода.

- пальцевые стержни были бы выполнены составными (разъемными) из двух частей – внутренней, гладкой цилиндрической, с диаметром соответствующим диаметру отверстия во внутренней цилиндрической части ступичного центра, и внешней – в виде цилиндра с резьбой, ввинченного в наружную часть отверстия для пальцевого стержня с резьбой по внешней части ступичного центра.

- внешняя цилиндрическая часть ступичного центра была бы выполнена с осевыми отверстиями, расположенными по его периферии с возможностью их полного и/или частичного заполнения материалом с плотностью большей, чем плотность материала внешней цилиндрической части ступичного центра с возможностью обеспечения статической балансировки супермаховика.

- ступичный центр, как во внешней, так и во внутренней части был бы выполнен сборным из нескольких дисков, расположенных по оси супермаховика и скрепленных между собой.

- внешняя цилиндрическая часть ступичного центра была бы выполнена из дюралюминия, а шпонки или пальцевые стержни - из стали.

- величина большего основания трапеции сечения шпонки определялась бы из условий плотного прилегания материала внешней цилиндрической части ступичного центра супермаховика при его вращении, а меньшее основание трапеции сечения шпонки при вращении супермаховика определяется из условий беззазорного прилегания его ко внутренней цилиндрической части ступичного центра.

- внутренняя цилиндрическая часть ступичного центра, во внешнюю цилиндрическую часть которой частично входят внутренние безрезьбовые концы пальцевых стержней, была бы выполнена с углублениями между отверстиями для входа пальцевых стержней для снижения упругих деформаций отверстий для пальцевых стержней при вращении ленточного супермаховика.

Указанные признаки изобретения являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, заключающегося обеспечении надежного центрирования быстровращающихся деталей ступичных центров и ленточного обода, с возможностью легкого и дешевого изготовления устройства.

Сущность патентуемого изобретения поясняется чертежами, где

на фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого ленточного супермаховика со средством центровки в виде шпонок с сечением в виде равносторонней трапеции;

на фиг. 2 - конструкция предлагаемого ленточного супермаховика со средством центровки в виде цилиндрических пальцевых стержней;

на фиг. 3 - конструкция предлагаемого ленточного супермаховика сборного из нескольких дисков.

Конструктивные элементы ленточного супермаховика, представленного на чертежах, имеют следующие обозначения:

1 – ленточный обод;

2 – лента высокопрочная стальная;

3 - клеевой слой;

4 – внешняя цилиндрическая часть ступичного центра;

5 – внутренняя цилиндрическая часть ступичного центра;

6 – шпонка;

7 – отверстие в шпонке;

8 – осевые отверстия во внешней цилиндрической части ступичного центра;

9 - посадочная часть между внутренней и внешней цилиндрическими частями ступичного центра;

10 – материал, заполняющий часть осевых отверстий во внешней цилиндрической части ступичного центра;

11 – цилиндрические пальцевые стержни;

12 - внешние наружные концы пальцевых стержней;

13 – углубления между отверстиями во внутренней цилиндрической части ступичного центра;

14 – вал ленточного супермаховика.

Изобретение поясняется конкретным примером выполнения ленточного супермаховика, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.

Согласно изобретению, ленточный супермаховик состоит из ленточного обода 1, навитого из высокопрочной стальной ленты 2 с клеевым слоем 3. Ленточный обод 1 плотно посажен своей внутренней цилиндрической поверхностью на внешнюю цилиндрическая часть 4 ступичного центра. Устройство также содержит и внутреннюю цилиндрическая часть 5 ступичного центра. Особенностью изобретения является наличие средства центровки, расположенного между внешней цилиндрической частью 4 ступичного центра и внутренней цилиндрической частью 5 ступичного центра и может быть выполнено в виде, по меньшей мере, трех шпонок 6 с сечением в виде равносторонней трапеции, сопряженной по меньшему основанию с прямоугольником. В шпонках 6 предусмотрены осевые отверстия 7. Внешняя цилиндрическая часть 4 ступичного центра также содержит осевые отверстия 8. Внешняя цилиндрическая часть 4 ступичного центра в статике плотно посажена на внутреннюю цилиндрическую часть 5 ступичного центра в зоне посадки 9 и их совместное статическое центрирование осуществляется по упомянутой зоне посадки 9. Отверстия 7 и 8 могут быть заполнены материалом 10, имеющим большую плотность, чем материал самой шпонки 6 или материал внешней цилиндрической части 4 ступичного центра для утяжеления. Средство центровки также может быть выполнено в виде цилиндрических пальцевых стержней 11, которые своими внешними наружными концами 12 плотно сопряжены с внешней цилиндрической частью 4 ступичного центра. Во внутренней цилиндрической части 5 ступичного центра могут быть сделаны углубления 13 между отверстиями. Внутренняя цилиндрическая часть 5 ступичного центра обычно посажена на опорный вал 14 для передачи крутящего момента известным способом.

Устройство функционирует следующим образом.

При раскрутке супермаховика ленточный обод 1 увеличивает свой диаметр, при этом к его нижнему витку ленты прижимается внешняя цилиндрическая часть 4 ступичного центра, прижим которого увеличивает либо массу шпонки 6, либо цилиндрического пальцевого стерженя 11, плотно связанных с внешней цилиндрической частью 4 ступичного центра, например плотной посадкой для шпонок 6, либо резьбовым соединением - на внешних цилиндрических концах 12 пальцевых стержней 11. Дополнительный прижим может осуществляться стержневым материалом 10, вставляемым как в отверстия 7 шпонок 6, так и в отверстия 8 внешней цилиндрической части 4 ступичного центра. Как показывает компьютерное моделирование, при этом имеет место плотное прилегание с прижимом внешней цилиндрической части 4 ступичного центра к внутреннему витку ленточного обода 1, посаженному на внешнюю цилиндрическую часть 4 ступичного центра посредством клея 3, как и каждый последующий виток ленты 2 ленточного обода 1 на предыдущий. Последние несколько витков ленты 2 сидят на внутренних витках ленточного обода 1 несколько свободнее для сохранения максимальных напряжений от вращения для разрыва внешнего витка ленты 2 при превышении допустимой частоты вращения ленточного супермаховика. Также материал 10 вставляемый, как в отверстия 7 шпонок 6, так и в отверстия 8 внешней цилиндрической части 4 ступичного центра может служит для статической балансировки супермаховика. При некоторой частоте вращения внешней цилиндрической части 4 ступичного центра, до того плотно сидевшее на внутренней цилиндрической части 5 ступичного центра по плотной посадке, освобождается от зоны посадки 9, вплоть до появления больших зазоров. При этом центрирование ленточного обода 1 на оси вращении вала 14, гарантируется трапецеидальными шпонками 6 или радиально-сходящимися пальцевыми стержнями 11, что подтверждено современным турбостроением (см. П.И. Орлов. «Основы конструирования», 1988, книга 1, раздел "Температуронезависимое центрирование", рис. 265е, стр. 274). Углубления 13 во внутренней цилиндрической части 5 ступичного центра позволяют снизить напряжения от вращения в выступах с отверстиями для пальцевых стержней 11, могущие вызвать искажения цилиндрической формы отверстий для пальцевых стержней 11, что облегчает их перемещение в отверстиях. Таким образом, гарантируется центрирование ленточного обода 1 супермаховика относительно его оси вращения вала 14.

1. Ленточный супермаховик, содержащий обод, навитый со склейкой витков из стальной высокопрочной ленты на внешнюю цилиндрическую часть ступичного центра, выполненного из материала с равными или меньшими, чем у стальной высокопрочной ленты плотностью и модулем упругости, и размещенную на внутренней цилиндрической части ступичного центра и оборудованную средством центровки ленточного обода и внешней части ступичного центра, выполненным с возможностью равного по всей окружности радиального смещения, тангенциальных и осевых смещений независимо от угловой скорости маховика, при этом материал ступичного центра по соотношениям плотности, модуля упругости и прочности на растяжение выполнен равным или с отклонением не более 20% к тем же параметрам, что и у стальной высокопрочной ленты, а внешняя цилиндрическая часть ступичного центра посажена со склейкой на внутреннюю часть ленточного обода, отличающийся тем, что средство центровки ленточного обода и внешней части ступичного центра выполнено в виде трех и более шпонок с сечением в виде равносторонней трапеции, сопряженной по меньшему основанию с прямоугольником, причем размер большего основания трапеции сечения шпонки, лежащей во внешней части ступичного центра, превышает размер меньшего основания трапеции, лежащей во внутренней части ступичного центра более чем в два раза.

2. Ленточный супермаховик по п.1, отличающийся тем, что в торцевой части шпонок выполнены отверстия с возможностью варьирования массы шпонок при условии, что материалом заполнения упомянутых отверстий имеет большую, чем у стали ступичного центра плотностью.

3. Ленточный супермаховик по п.1, отличающийся тем, что внешняя цилиндрическая часть ступичного центра выполнена с осевыми отверстиями, расположенными по его периферии с возможностью их полного или частичного заполнения материалом с плотностью большей, чем у внешней цилиндрической части ступичного центра с возможностью статической балансировки супермаховика.

4. Ленточный супермаховик по п.1, отличающийся тем, что ступичный центр как во внешней, так и во внутренней части выполнен сборным из нескольких дисков, расположенных по оси супермаховика и скрепленных между собой.

5. Ленточный супермаховик по п.1, отличающийся тем, что внешняя цилиндрическая часть ступичного центра выполнена из дюралюминия, а шпонки - из стали.

6. Ленточный супермаховик по п.1, отличающийся тем, что величина большего основания трапеции сечения шпонки определяется из условий плотного прилегания материала внешней цилиндрической части ступичного центра супермаховика при его вращении, а меньшее основание трапеции сечения шпонки при вращении супермаховика определяется из условий беззазорного прилегания его ко внутренней цилиндрической части ступичного центра.

7. Ленточный супермаховик, содержащий обод, навитый со склейкой витков из стальной высокопрочной ленты на внешнюю цилиндрическую часть ступичного центра, выполненного из материала с равными или меньшими, чем у стальной высокопрочной ленты плотностью и модулем упругости, и размещенную на внутренней цилиндрической части ступичного центра и оборудованную средством центровки ленточного обода и внешней части ступичного центра, выполненным с возможностью равного по всей окружности радиального смещения, тангенциальных и осевых смещений независимо от угловой скорости маховика, при этом материал ступичного центра по соотношениям плотности, модуля упругости и прочности на растяжение выполнен равным или с отклонением не более 20% к тем же параметрам, что и у стальной высокопрочной ленты, а внешняя цилиндрическая часть ступичного центра посажена со склейкой на внутреннюю часть ленточного обода, отличающийся тем, что средство центровки ленточного обода и внешней части ступичного центра выполнено в виде трех и более радиально сходящихся к центру цилиндрических пальцевых стержней, жестко связанных своими внешними наружными концами с внешней цилиндрической частью ступичного центра, а внутренние выполнены скользящими во внутренней цилиндрической части ступичного центра.

8. Ленточный супермаховик по п.7, отличающийся тем, что внешняя цилиндрическая часть ступичного центра выполнена с отверстиями радиального направления, с резьбовой нарезкой, в которую ввинчены внешние наружные концы пальцевых стержней, также выполненные с резьбовой нарезкой, причем материал пальцевых стержней выполнен с плотностью и прочностью большей, как минимум, чем у материала внешней цилиндрической части ступичного центра, а своими наружными концами пальцевые стержни касаются внутреннего витка ленточного обода.

9. Ленточный супермаховик по п.7, отличающийся тем, что пальцевые стержни выполнены разъемными из двух частей – внутренней, гладкой цилиндрической с диаметром, соответствующим диаметру отверстия во внутренней цилиндрической части ступичного центра, и внешней – в виде цилиндра с резьбой, ввинченного в наружную часть отверстия для пальцевого стержня с резьбой по внешней части ступичного центра.

10. Ленточный супермаховик по п.7, отличающийся тем, что внешняя цилиндрическая часть ступичного центра выполнена с осевыми отверстиями, расположенными по его периферии с возможностью их полного или частичного заполнения материалом с плотностью большей, чем у внешней цилиндрической части ступичного центра с возможностью статической балансировки супермаховика.

11. Ленточный супермаховик по п.7, отличающийся тем, что ступичный центр как во внешней, так и во внутренней части выполнен сборным из нескольких дисков, расположенных по оси супермаховика и скрепленных между собой.

12. Ленточный супермаховик по п.7, отличающийся тем, что внешняя цилиндрическая часть ступичного центра выполнена из дюралюминия, а пальцевые стержни - из стали.

13. Ленточный супермаховик по п.7, отличающийся тем, что внутренняя цилиндрическая часть ступичного центра, во внешнюю цилиндрическую часть которой частично входят внутренние безрезьбовые концы пальцевых стержней, выполнена с углублениями между отверстиями для входа пальцевых стержней для снижения упругих деформаций отверстий для пальцевых стержней при вращении ленточного супермаховика.