CN103388648B - 提高高储能飞轮系统中阻尼装置可靠性的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高高储能飞轮系统中阻尼装置可靠性的方法及装置，采用具有粘弹性的材料制作成径向分布的阻尼装置，该阻尼装置在高储能飞轮系统越过临界转速时，通过粘弹性阻尼器发生变形，从而吸收、耗散高储能飞轮系统产生的振动能量，以确保高储能飞轮系统运行平稳；同时采用一个与该粘弹性阻尼装置连接的柔性导热装置，将轴承摩擦损耗及粘弹性阻尼器耗能产生的热量传递到处于高储能飞轮系统工作环境外的散热组件上，使高储能飞轮系统产生的热量在散热组件上导出到环境中，即能保证有效散热，又不会影响阻尼装置的正常工作，从而防止阻尼系统失效。
Description
技术领域
本发明涉及机械科学领域，尤其是一种提高高储能飞轮系统中阻尼装置可靠性的方法及装置。
背景技术
高储能飞轮系统的储能原理，决定了其工作在多阶临界转速以上。为确保高储能飞轮系统运行平稳，引入特制阻尼系统必不可少。本发明中飞轮支撑系统为机械轴承及轴向磁力轴承构成的混合支承系统，轴承系统阻尼往往很低，当转子不平衡量不变时，随临界转速增大，振幅不断增大，这样可能带来物理接触、破裂、局部过热、材料性能劣化、动力学失稳等一系列问题，产生转子碰擦、轴承损坏等故障，造成重大损失。通常有两种方法来控制转子的振动。第一种方法是对转子进行动平衡，包括传统动平衡方法和在线动平衡。第二种方法是通过增加外部阻尼来吸收和耗散振动能量。传统平衡方法很难实现完全的动平衡，而在线主动平衡仍存在执行系统反应速度慢、无法抑制瞬态及非同步振动等缺点。因而，采用外部阻尼系统是一种抑制高储能飞轮系统振动的有效手段。外部阻尼系统对不同类型的振动响应都具有一定的衰减作用，常用的阻尼系统有挤压油膜阻尼系统、电磁阻尼系统等。挤压油膜阻尼系统对安装精度要求很高，电磁阻尼价格较高，使用不方便。粘弹性径向阻尼系统利用材料的粘弹性阻尼特性，在振动挤压力的作用下耗散能量起到阻尼减振作用。与挤压油膜阻尼系统和电磁阻尼系统相比，粘弹性径向阻尼系统具有：结构紧凑，无需润滑系统和其它附加设备，使用方便，制造简单，成本低等优点；另外不同粘弹性材料，其刚度和损耗因子相差较大，可通过材质的选择来改变粘弹性径向阻尼系统的刚度和阻尼。
外部阻尼可通过两种途径完成，一是直接增加支承阻尼，二是引入一个或多个阻尼系统。支承系统确定后，阻尼大致较稳定，本发明中采用引入阻尼系统的方法。如果一个刚性转子处于较低的刚性支撑系统下，引入平行阻尼系统来支撑轴承是非常有效的。当转子发生大变形时，增加阻尼效果不大。高阻尼粘弹性体成本较低，结构简单，易于更换。是可在旋转轴与固定部件之间添加的最简单阻尼系统，位于机械轴承外端。粘弹体阻尼系统，已成功运用于飞轮储能系统测试设备中，但是存在过热问题。当阻尼系统中能量耗散至足够的量, 弹性体的温度会上升，达到粘弹体的玻璃化转变温度而失效,其主要原因为粘弹体具有较低的导热系数，飞轮系统工作的真空状态下，缺少空气冷却表面，粘弹体的温度升高问题更加严重。另外所产生的热量是有材料分子内部摩擦产生的，表面冷却并不能有效解决这个问题。而在粘弹性材料内插入的高导热系数的元素,比如在粘弹性材料内插入铜导线，又会降低阻尼效果。严格控制飞轮初始平衡条件，安装在轴承上的粘弹性径向阻尼系统可减振、导热、降低轴承载荷，延长轴承寿命、保护磁力提升轴承、创造良好的径向阻尼环境。粘弹性阻尼可有效降低刚体临界速度，有利于加速时通过临界转速。
该粘弹性径向阻尼系统具有相对较低的轴向、径向、横向刚度。因为阻尼的轴向刚度较低，不会对提升系统中的磁力轴承产生刚度影响；较低的径向刚度，可有效减小轴承上的动载荷，提升轴承寿命；反之，将带来更多的与不平衡量相关的动力学问题；较小的轴向及横向刚度可使操作力矩减小。
以上分析可知：高储能飞轮系统中理想的轴承阻尼应具有以下特点：在飞轮组件高速运行时，即越过临界转速后，具有较低的阻尼；在低速运行时，具有较高的阻尼；在临界转速附近运行时，阻尼达到最大值。当阻尼粘弹性较大——刚度小时，临界转速运行时，振幅最小。
在美国卡贝尔的储能飞轮系统中的丝网轴承阻尼器（专利号：09/728822）中所公开的丝网阻尼器，在低临界转速时具有不错的粘弹性特征及较好的导热效果。而另一种阻尼系统，则含有弹性体——如硅橡胶，具有更好的粘弹性特征且制造成本较丝网低。但弹性体是热的绝缘体，丝网也是热的不良导体。而在真空中，热传导是唯一的传热方式。对于丝网阻尼系统及弹性阻尼系统来说刚度可满足要求，而导热性能达不到上述要求。
发明内容
本发明的目的是：提高高储能飞轮系统中阻尼装置可靠性的方法及装置，它能起到减小振幅、降低轴承载荷，提高轴承寿命、防止转子与定子间接触的作用，并可及时有效的传递轴承摩擦损耗及粘弹性阻尼器耗能产生的热量，防止阻尼系统失效，以克服现有技术的不足。
本发明是这样实现的：提高高储能飞轮系统中阻尼装置可靠性的方法，采用具有粘弹性的材料制作成径向分布的阻尼装置，该阻尼装置在高储能飞轮系统越过临界转速时，通过粘弹性阻尼器发生变形，从而吸收、耗散高储能飞轮系统产生的振动能量，以确保高储能飞轮系统运行平稳；同时采用一个与该粘弹性阻尼装置连接的柔性导热装置，将轴承摩擦损耗及粘弹性阻尼器耗能产生的热量传递到处于高储能飞轮系统工作环境外的散热组件上，使高储能飞轮系统产生的热量在散热组件上导出到环境中，即能保证有效散热，又不会影响阻尼装置的正常工作，从而防止阻尼系统失效。
提高高储能飞轮系统中阻尼系统可靠性的装置，包括阻尼装置及柔性导热装置，阻尼装置包括圆筒形的内刚性装配环及外刚性装配环，在内刚性装配环及外刚性装配环之间连接有径向分布的粘弹性阻尼器；在内刚性装配环上连接有导热连接件；柔性导热装置分别设置在阻尼装置的上方及下方，柔性导热装置包括内部耦合器，内部耦合器固定在导热连接件上，通过导热元件与外部耦合器连接，外部耦合器固定在外刚性装配环上。
粘弹性阻尼器与内刚性装配环及外刚性装配环之间均为过盈配合。
导热元件的材料为铝、铜、银、碳、碳纤或碳碳复合材料。
粘弹性阻尼器的径向刚度范围为9000～72000 Kg/m。可选用硅橡胶作为材料。
阻尼装置可有效防止转子及定子间的接触，并且一个或多个粘弹性阻尼器的结构可使刚体临界速度最小，并且在通过临界速度的过程中所需较小阻尼。本发明的阻尼装置具有较小的径向、轴向、横向刚度，有利于降低操作力矩，保护磁力提升系统。
柔性导热装置具有及时导走热量的功能，可提高轴承操作寿命，并保证阻尼装置工作的稳定性。产热部件通过柔性导热装置实现与远端散热系统的端面热耦合，可及时将损耗热量带走。
阻尼装置正常工作时产生的热量，通过内刚性装配环及外刚性装配环传导；内刚性装配环及外刚性装配环为热的良导体，同时满足刚度强度要求，选用铜或合金等材料。
柔性导热装置不提供额外阻尼及刚度，导热元件不提供刚度，可以采用铝、铜、银、碳、碳纤、碳碳复合材料等，具有良好的导热性；可以在三个方向移动，在径向上延伸，它与弹性阻尼器一样均是采用径向排列的结构；而内部耦合器和外部耦合器则可选用铜、铁、铝等材料。机械耦合部位，可通过某些方式降低接触热阻，包括涂抹油脂、表面镀锡的方式。
由于采用上述的技术方案，与现有技术相比，本发明采用具有粘弹性的材料制作成径向分布的阻尼装置，利用该阻尼装置在高储能飞轮系统越过临界转速时，通过粘弹性阻尼器发生变形，从而吸收、耗散高储能飞轮系统产生的振动能量，以确保高储能飞轮系统运行平稳；同时采用一个与该粘弹性阻尼装置连接的柔性导热装置，将轴承摩擦损耗及粘弹性阻尼器耗能产生的热量传递到处于高储能飞轮系统工作环境外的散热组件上，使高储能飞轮系统产生的热量在散热组件上导出到环境中，即能保证有效散热，又不会影响阻尼装置的正常工作，从而防止阻尼系统失效；本发明方法简单，所采用的装置容易制作，成本低廉，使用效果好。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图；
附图2为本发明的阻尼装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的实施例：提高高储能飞轮系统中阻尼装置可靠性的方法，采用具有粘弹性的材料制作成径向分布的阻尼装置，该阻尼装置在高储能飞轮系统越过临界转速时，通过粘弹性阻尼器发生变形，从而吸收、耗散高储能飞轮系统产生的振动能量，以确保高储能飞轮系统运行平稳；同时采用一个与该粘弹性阻尼装置连接的柔性导热装置，将轴承摩擦损耗及粘弹性阻尼器耗能产生的热量传递到处于高储能飞轮系统工作环境外的散热组件上，使高储能飞轮系统产生的热量在散热组件上导出到环境中，即能保证有效散热，又不会影响阻尼装置的正常工作，从而防止阻尼系统失效。
提高高储能飞轮系统中阻尼系统可靠性的装置的结构如图1所示，包括阻尼装置A及柔性导热装置B，阻尼装置A包括圆筒形的内刚性装配环1及外刚性装配环3，在内刚性装配环1及外刚性装配环3之间连接有径向分布的粘弹性阻尼器2，粘弹性阻尼器2与内刚性装配环1及外刚性装配环3之间均为过盈配合，粘弹性阻尼器2的径向刚度范围为9000～72000 Kg/m，材料选用硅橡胶，内刚性装配环及外刚性装配环的材料选用铜合金；在内刚性装配环1上连接有导热连接件7，导热连接件7采用铜合金；柔性导热装置B分别设置在阻尼装置A的上方及下方，柔性导热装置B包括内部耦合器4，内部耦合器4固定在导热连接件7上，通过导热元件5与外部耦合器6连接，外部耦合器6固定在外刚性装配环3上；导热元件5的材料为铝，内部耦合器和外部耦合器的材料为铜。
使用过程中，轴承8及粘弹性阻尼器2产生的热量通过内刚性装配环1传递到导热连接件7上，导热连接件7再将热传递到内部耦合器4，内部耦合器4通过导热元件5将热量传递给外部耦合器6，外部耦合器6与远端散热系统的端面热耦合，从而实现散热。
Claims (5)
1.一种提高高储能飞轮系统中阻尼装置可靠性的方法，其特征在于：采用具有粘弹性的材料制作成径向分布的阻尼装置，该阻尼装置在高储能飞轮系统越过临界转速时，通过粘弹性阻尼器发生变形，从而吸收、耗散高储能飞轮系统产生的振动能量，以确保高储能飞轮系统运行平稳；同时采用一个与该粘弹性阻尼装置连接的柔性导热装置，将轴承摩擦损耗及粘弹性阻尼器耗能产生的热量传递到处于高储能飞轮系统工作环境外的散热组件上，使高储能飞轮系统产生的热量在散热组件上导出到环境中，即能保证有效散热，又不会影响阻尼装置的正常工作，从而防止阻尼系统失效。
2.一种采用权利要求1所述的提高高储能飞轮系统中阻尼装置可靠性的方法的装置，包括阻尼装置（A）及柔性导热装置（B），其特征在于：阻尼装置（A）包括圆筒形的内刚性装配环（1）及外刚性装配环（3），在内刚性装配环（1）及外刚性装配环（3）之间连接有径向分布的粘弹性阻尼器（2）；在内刚性装配环（1）上连接有导热连接件（7）；柔性导热装置（B）分别设置在阻尼装置（A）的上方及下方，柔性导热装置（B）包括内部耦合器（4），内部耦合器（4）固定在导热连接件（7）上，通过导热元件（5）与外部耦合器（6）连接，外部耦合器（6）固定在外刚性装配环（3）上。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：粘弹性阻尼器（2）与内刚性装配环（1）及外刚性装配环（3）之间均为过盈配合。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：导热元件（5）的材料为铝、铜、银、碳、碳纤或碳碳复合材料。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：粘弹性阻尼器（2）的径向刚度范围为9000～72000 Kg/m。
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