CN103547797A - 惯性能积蓄装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于积蓄惯性能的装置，包括限定了转子室(16)的壳体(12)，至少一个转子(18)，其具有底端面(26)和大致相对的顶端面(24)，所述转子(18)安装在所述转子室(16)中以便其能够相对于所述壳体(12)绕垂直旋转轴线(20)旋转并留有间隙(32)，其中密封(36)设置于隔开所述转子室(16)的上部(34)和所述转子室(16)的底部(38)的所述间隙(32)中，用于将在所述底部(38)中的所述转子(18)的至少底端面(26)暴露在气体压力下的机构(40)，与被施加给所述上部(34)中的大致相对的顶端面(24)的压力相比，所述气体压力产生至少部分地补偿所述转子(18)的重量的向上的差压力，并且所述装置设置有用于减少在所述上部中的压力的机构(40)。

Description

惯性能积蓄装置
本发明涉及一种惯性能积蓄装置，其允许，例如，吸收与用于生产能量的单位，比如风力涡轮机，有关的能量生产和/或消耗中的波动。这种类型的装置也可以用于恢复并且随后以其它方式存储或使用制动和/或减速能量。装置也可能用于稳定转速。
各种类型的储能系统是已知的。一种类型基于飞轮，也就是说在能量的输入停止后，至少一个通过输入能量设置为旋转的质量在惯性的作用下可以继续旋转。旋转质量连接至马达，该马达构成在能量储存期间输入能量的机构，或在能量恢复期间的发电机。飞轮越重并且越能以尽可能低的摩擦快速旋转，则越能存储更多的能量。飞轮轴承的问题，或更普遍的是其如何枢轴安装的问题，因此成为关键。
在一些类型的飞轮中，轴承通过应用电磁力部分地减轻飞轮的重量。
另一种类型在PCT申请PCT/NL2009/000248有所描述。这种惯性能积蓄装置包括框架并且安装有至少一个飞轮，以便其可以相对于框架绕旋转轴线旋转，还包括用于使飞轮的至少一个面暴露在气体压力下的机构，该气体压力通过与施加到飞轮的大致相对的面的压力相比，产生用于至少部分地补偿飞轮重量的向上的差压力，如借助于围绕暴露在气体压力下的所述飞轮的面的所谓气流减速机构。其所指出的是，在这种装置中不仅飞轮轴承至少部分地减轻飞轮的重量，由此增加其寿命，而且每千瓦时的成本也被大大减少。这些气流减速机构使得在泄漏空间中在压头中产生差降成为可能。其通常形成于飞轮和与框架一体的表面之间。在实施方式中，这些气流减速机构包括迷宫密封。在这种密封中，气体流路包括一系列特殊的特征以在压头中产生差降(“压头差”)。例如，气体通道的横截面交替的减小和扩大。
现在，在根据所述PCT申请的装置的实验比例模型中显现出高出寻常的总能量损失，并且其结果是飞轮可以传递能量，例如给一个或多个其他器械充电，的时间段相对变短。因此所述装置不能以经济可行的方式运转。
本发明针对基于转子的惯性能积蓄装置的进一步的改进。
本发明的总的目的是改进这种装置的效率。
本发明的进一步的目的是减少这种装置的能量损失。
根据本发明，惯性能积蓄装置包括限定了转子室的壳体，至少一个转子，其具有底端面和大致相对的顶端面，所述转子安装在所述转子室中以便其能够相对于所述壳体绕垂直旋转轴线旋转以留有间隙，其中密封设置于隔开所述转子室的上部和所述转子室的底部的所述间隙中，用于将在所述底部中的所述转子的至少底端面暴露在气体压力下的机构，与被施加给所述上部中的大致相对的顶端面的压力相比，所述气体压力产生至少部分地补偿所述转子的重量的向上的差压力，并且所述装置设置有用于减少所述上部中的压力的机构。
根据本发明的惯性能积蓄装置具有壳体，其除了所描述的必要的连接之外，通常相对于环境密封。壳体的内壁限定了转子室。在该转子室中安装有转子。转子的轮廓由顶端面和与该顶端面相对的底端面以及端面之间的直壁限定。转子可以绕垂直旋转轴线旋转。通常旋转轴从转子的两个端面延伸进入合适的轴承，该轴承设置在壳体的顶部和底部中。至少在使用过程中，间隙存在于壳体的内壁与转子的外周之间。在间隙中有密封，其位置将在下文作更详尽的论述。该密封将转子室的上部与下部分离。在转子的底面包含于下部中的同时，其顶面包含于上部中。所述装置设置有机构(以下也称作真空机构或第二机构)，其用于减少上部中的压力，例如100毫巴以下，比如50、10或5毫巴。还存在机构(也称作第一机构)，其用于以相对于转子室的上部的压力的过压例如100毫巴向转子的底端面吹气以此来抬起该转子，从而补偿该转子的重量并因此减少轴承上的负载。由于在上部中的低压，包含于转子室中的气体与转子之间的摩擦很小。与根据PCT申请PCT/NL2009/000248的装置相比摩擦损耗明显减小，允许所述装置以经济可行的方式运转。
有利的是，第一机构以这样的方式设计，以便作用于转子的底端面上的绝对气压小于大气压力，例如在100-200毫巴的范围内。
转子可能是直筒型。又或者其可以具有锥形，有利的是，转子是顶面朝下安装的去顶圆锥体，以致较大的直径位于顶部。这种结构的效果是所述装置具有自调节悬浮。在转子室的底部(暂时)增加的气体压力将进一步的向上抬起所述转子，但是同时在密封中的气体通道增加，从而减少压力差降，并且因此底面与顶面之间的压力差减小，结果悬浮降低，总的效果是转子悬浮几乎没有变化。同样地(暂时)减少的气流将得到补偿。这使得所述转子在使用过程中可以自动保持在恒定的悬浮层。有利的是，转子的圆周壁与其垂直旋转轴线之间的角度在0.25-10°的范围内，更优选的是在3°以上，比如1°。
在壳体的内壁与转子表面之间的间隙中的密封允许气体从转子室的底部到其上部限制性地流动。有利的是，在间隙中的密封是迷宫密封，其包括--如从气体供应或吸走的流动方向观察--在压头中产生差降的一系列的突起和/或槽。通常，在间隙中的气体通道的横截面以交替的方式减小和扩大。优选地，包含在迷宫中的突起具有至少部分圆形的顶端。突起的圆形顶端提供了从该突起的高压侧到其另一侧的气体的相对平滑的流动，从而减少会对所述转子旋转的稳定性产生不利影响的湍流。有利的是，突起的顶端是翼型。更优选的是，迷宫是半迷宫。在本申请的上下文中这种表达的意思是壳体和转子其中之一设置有一系列垂直隔开的突起(或凹槽)，比如与旋转轴线同轴的环形，而另一个是平的。通常，迷宫的突起或凹槽设置于根据本发明的装置的固定壳体中，不论其是否与壳体一体或是由分离的元件组装。
在优选实施方式中，真空机构的吸入侧在密封的位置连接至转子室，例如在(半)迷宫的邻接的突起之间的凹槽内。在所述实施方式中，保持了在转子室的上部中的低压，与此同时为了抬起转子而持续供应至下部的气体也被去除。
在密封的进一步的优选实施方式中，特别是半迷宫密封的突起设置于固定的壳体，有利的是，突起的顶端位于平行于转子的倾斜直壁的线上。换句话说，同轴突起的内径从下部至上部与转子的直径成比例的增加。
在另一个优选实施方式中，转子室的底壁设置有凸起的中央平台，并且转子的底端面具有与该平台相匹配的凹形。第一机构引导转子的底端面的凹槽中的气流。优选地，平台具有顶端去除的锥形，并且转子的底端面包括相匹配的锥形凹槽。转子的锥形凹槽的底端面确保气体稳定的流向迷宫密封以及自动定心效果，从而增加转子的稳定性。有利的是，锥体的角度很小，例如在从几度到20°的范围内。
在所述实施方式中，密封优选地位于凸起的平台的外周与凹槽的内周之间的间隙中。
在另一个实施方式中，所述装置包括气体输送管道，其用于以相对的过压将气体输送到连接至转子室下部的转子的底端面；以及也连接至下部的吸入管道，其用于去除气体，其中管道通过在转子的底端面上的小间隙彼此流体连通。在进一步的实施方式中，所述装置包括中央的气体输送管道和外部同心的吸入管道。
优选地，用于降低在上部中的压力的所述机构，通常是压缩机或真空泵，其输送侧连接至下部以将转子的底端面暴露在相对的过压下。在这个实施方式中，根据本发明的所述装置包括具有吸入侧和输送侧的压缩机或真空泵，该输送侧连接至转子室的下部用于将气体供应至转子的底端面，并且该吸入侧连接至壳体，优选地至少在密封处，以致上部保持在相对的低压，例如小于例如10毫巴。在通常的存储期间，由压缩机消耗的能量只代表存储在转子中的能量的一小部分。其允许，以经济上可接受的能量消耗，将气体再循环并且在要求的压力下再次将其在转子的底端面上供给至壳体中。有利的是，压缩机的吸力能够提供低于转子室的上部存在的压力的真空。在这样的例子中，转子室的下部和上部之间的密封效率得到了提高。
在有利的实施方式中，迷宫密封，不管是与壳体一体还是由分离的元件制成，设置有用于减少气流磨擦的涂层。随后大多数的压力差降由迷宫密封的尺寸和形状决定。优选地，迷宫是设置在壳体内壁的半迷宫。除了半迷宫的涂层之外，转子可能具有光滑外壳，例如由钢、塑料和碳制成。
根据本发明的所述装置的进一步的实施方式中，所述装置还包括有控制机构，其用于控制压缩机的流量，目的在于保持转子上预设的抬起状态，特别是在转子的两个相对的面之间的预设的压力差和/或在轴承如滚动轴承或滑动轴承上预设的负载。因此可以有效地防止轴承的过载和转子的扰动。
所述装置可以包括在气体吸入侧与气体输送侧之间的用于冷却气体的热交换器。在使用期间，气体由于在气体与转子之间的压缩和/或摩擦而升温。为了防止对所述装置的热损伤，热交换器在不与转子接触时冷却气体。
吸入的和/或被传递的气体优选地主要由空气、氢气或氦气组成，因为它们的低摩擦系数和低粘度。通常氦气为优选，基于其稳定性和低摩擦系数。
通常转子固定在安装于轴承中的轴上。齿轮以旋转的形式耦合至转子，但是能从转子轴向地脱开。因此，转子轴允许转子绕该转子和轴的共同轴线旋转。齿轮提供了至转子外部设备的连接。齿轮与转子之间轴向地脱开防止了任何可能传递至齿轮组的轴向和/或径向的高应力。齿轮允许转子的旋转以被耦合至动力源和/或耗能的外部设备。耦合可能是间接的，特别是如果多个转子耦合在一起。
转子可能是中空的锥体，其中质量集中在外壁和面上。这样特别适用于工业应用。在优选实施方式中，例如用于相对小规模的国内应用，转子是实心的，例如由钢筋混凝土或金属制成。如果必要的话，转子可以通过如交叉辐条的加固元件加固。
根据有利的实施方式，多个转子可以联合在一起，例如使用合适的齿轮组和传动轮，以形成矩阵，所有转子都直接地或间接地连接至相同的马达和/或相同的消耗装置。每个转子都设置有其各自的齿轮和轴承。转子随后优选地沿着同心环线组装成中央转子和多个外围的转子。在另一个结构中，多个齿轮通过每两个接触点被连接在一起。这种结构需要至少一些传动轮叠加。具体地，成对的传送轮由两个同心轮组成，优选地使用一个外部有齿的轮和另一个内部有齿并且环绕第一个的轮。每对轮优选地通过每两个接触点驱动三个齿轮，其中一个接触点接触这对轮的内轮并且另一个接触点接触这对轮的外轮。这种类型的结构给出了在转子之间的能量传递中的更大的稳定性。机械应力较低并且在齿轮之间具有更好的能量分布。
根据本发明的所述装置的特别用途是直接吸收与用于生产能量的单位有关的能量生产和/或消耗中的波动，特别是电能，特别是使用风力涡轮机。
通常根据本发明的所述装置连接至动力源，比如风力涡轮机或由太阳能供电的马达，以此来给转子充电。能量释放通常经由发电机产生以此来将转子的旋转速度转换为电能。
本发明的多个方面由附图进一步说明，其中：
图1是根据本发明的装置的实施方式的示意图；
图2是根据本发明的装置的另一个实施方式的示意图；以及
图3是根据本发明的装置的又一个实施方式的示意图。
在如下对不同的实施方式的详细论述中图1—3中示出的相同部件以相同的附图标记标示。
根据本发明的惯性能积蓄装置10包括壳体12。壳体12可以包括盘式箱13，其顶部具有盖或罩14，如图1所示。壳体12限定了转子室，其总体上由16表示。在转子室16中，转子18，如具有延伸至壳体12的垂直旋转轴20的飞轮，被使用轴承22旋转地安装。通常，必要时，旋转轴20的另一端使用合适的轴承(也未示出)安装在盲孔(未示出)中。实心转子18具有顶端面24和相对的底端面26。至少在使用过程中，直壁28连接两个面24、26并且通常平行于壳体12的直立内壁30并留有小间隙32。在使用过程中，在转子室16中区分为两个部分。上部34通过密封36与下部38隔开。气体由真空泵或压缩机40以预设的压力(例如100毫巴的相对计示压)供应至下部38并且被引向底端面26，这里被引向密封36上游的凹形中央区46。上部34保持在低压，例如5毫巴。由于两个部分之间的压力差，转子18的重量被部分补偿并且该转子18被抬起。两个部分34和38并非封闭的密封，而是通过密封36相互流体连通。
在图1示出的实施方式中，壳体12的底部设置有锥形平台42，在其顶面44上具有小凹槽45。转子18的底端面26设置有与平台42相匹配的凹槽46。平台42的直立面48设置有多个圆周通道50，其与相对的凹槽46的平壁52一起设置有如上文中所定义的半迷宫密封36。凹槽45连接至压缩机40的气体输送管道54。压缩机40的吸入侧通过吸入管道56连接至一个或多个通道50。在使用过程中，在保持上部34中的真空的同时，供应至下部38的气体被压缩机吸走。在上部34中的真空有助于减少转子18与上部中的介质之间的摩擦。在所示的实施方式中，凹槽46内的气体速率与任何存在于转子18的直壁与壳体12之间的间隙32内的气体相比相对较小。这种结构为整体摩擦的减少提供了进一步的贡献。
在图2示出的实施方式中，转子18是倒置的去顶锥体，其具有平的底端面26。在这个例子中，密封36由一系列水平的翼型突起或薄片60组装，该翼型突起或薄片60垂直间隔地安装到壳体12的内直壁。吸入管道56在62处连接至壳体12的较低的边缘部分并且连接至在两个或多个薄片60之间的密封36。在所述装置中气体输送管道54和气体吸入管道56通过小间隙或通道76流体连通。
在图3的实施方式中，具有隔板72的管70环绕垂直旋转轴20。管70延伸进入底端面26中的环形槽74中，形成真空上部34与下部38之间的密封36。隔板72的自由端74被定位在底端面26附近留有小间隙或通道76。气流由箭头表示。
根据本发明的装置通常包括使用压力传感器调节压缩机的运行的控制机构，其目的在于保持转子上预设的抬起状态，特别是在上部中小于10毫巴的压力和两个相对的端面之间的预设的压力差和/或飞轮轴承上预设的垂直负载。传感器通常设置在上部和下部中。

Claims (9)

1.一种用于积蓄惯性能的装置，包括限定了转子室(16)的壳体(12)，至少一个转子(18)，其具有底端面(26)和大致相对的顶端面(24)，所述转子(18)安装在所述转子室(16)中以便其能够相对于所述壳体(12)绕垂直旋转轴线(20)旋转并留有间隙(32)，其中密封(36)设置于隔开所述转子室(16)的上部(34)和所述转子室(16)的底部(38)的所述间隙(32)中，用于将在所述底部(38)中的所述转子(18)的至少底端面(26)暴露在气体压力下的机构(40)，与被施加到所述上部(34)中的大致相对的顶端面(24)的压力相比，所述气体压力产生至少部分地补偿所述转子(18)的重量的向上的差压力，并且所述装置设置有用于减少在所述上部(18)中的压力的机构(40)。
2.根据权利要求1的装置，其中暴露所述转子(18)的至少底端面(26)的所述机构(40)适于将所述底端面(26)暴露在小于1个大气压的气体压力下。
3.根据权利要求1或2的装置，其中用于减少所述上部(18)中的压力的所述机构(40)包括吸入侧，其至少连接至所述密封(36)。
4.根据任意一个前述权利要求的装置，其中所述转子室(16)的底部设置有凸起的平台(42)，并且所述转子(18)的底端面(26)设置有相应的凹槽(44)。
5.根据权利要求4的装置，其中所述凸起的平台(42)具有圆锥形。
6.根据前述权利要求4—5的任意一个的装置，其中所述密封(36)设置于所述凸起的平台(42)的外周与所述转子(18)的相应的凹槽(44)的内周之间的所述间隙(32)中。
7.根据任意一个前述权利要求的装置，进一步包括气体输送管道(54)，其用于以相对的过压将气体输送到连接至所述转子室(16)的下部(38)的所述转子(18)的底端面(26)；以及吸入管道(56)，其连接至所述下部(38)用于去除气体，其中管道(54、56)通过在所述转子(18)的底端面(26)上的小通道彼此流体连通。
8.根据权利要求7的装置，包括中央的气体输送管道(54)和围绕管道(54)同轴布置的吸入管道。
9.根据任意一个前述权利要求的装置，其中用于减少所述上部(34)中的压力的所述机构(40)包括连接至所述下部(38)的输送侧。
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