Маховичный накопитель энергии

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 - Маховичный накопитель энергии, схема нижнего уплотнения (в разрезе).

На фиг.3 - Маховичный накопитель энергии, 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 , 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.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

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.

Разместил статью: search
Дата публикации:  14-02-2003, 14:19

html-cсылка на публикацию		⇩ Разместил статью ⇩ Владимир Николаевич  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!