CN105317924B - 大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，包括飞轮和芯轴，飞轮为轴对称的合金钢飞轮，其对称轴左右两侧为H型截面，飞轮中部为轮毂，其内部下圆柱孔半径显著小于上圆柱孔半径，轮毂左右两侧由内至外依次为轮辐和轮缘；芯轴为阶梯轴，由上至下依次为第一圆轴、第二圆轴、第三圆轴和第四圆轴，且半径依次减小；飞轮与芯轴为立式轴系，采用无键连接方式配合，第一圆轴与飞轮的上圆柱孔局部过盈配合，第三圆轴与飞轮的下圆柱孔局部过盈配合，飞轮与芯轴通过螺栓进行轴向连接，通过圆柱销传递扭矩。本发明的储能飞轮外直径为1000～2000mm，额定转速为2400～4800r/min，储能为20～160MJ。
Description
技术领域
本发明属于储能飞轮技术领域，特别涉及一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮。
背景技术
飞轮储能技术是一种可快速充放电的长寿命储能新技术，飞轮储能的基本原理是首先把电能转换成旋转物体的机械能，然后进行能量存储，它利用电机带动飞轮升速或降速实现电动储能、发电释能，在储能阶段，通过电动机拖动飞轮，使飞轮本体加速到一定的转速，将电能转化为机械能；在能量释放阶段，电动机作发电机运行，使飞轮减速，将机械能转化为电能，特别适用于需要快速充放电的独立动力系统调峰、风力发电稳定性调节等领域。现代飞轮储能电源综合了先进复合材料转子技术、磁轴承技术、高速电机以及功率电子技术而极大地提高了性能，在2000年前后，以美国为代表的现代飞轮储能电源商业化产品开始推广，应用于IC生产企业、精密仪器仪表制造业、工业控制自动化、航空航天、交通运输、医疗救生、信息数据中心以及电信和网络通讯系统等，为大型高级用户提供对不间断的和高质量的供电需求。如惯性储能合金钢飞轮配上芯轴(连接飞轮和电机转子)、电机转子组成立式飞轮储能电机轴系，作为大型飞轮储能电源系统的储能核心关键部件。大型飞轮储能电源系统可应用于独立动力系统调峰、不间断供电电源、轨道交通刹车动能再生等领域。
飞轮储存的能量与转速平方成正比，为提高功率密度和能量密度，飞轮电机轴系需要高速旋转，其转速通常高于普通电机的转速(1500-3000r/min)。边缘圆周线速度高于100m/s的高速轴系的结构强度问题突出，需要仔细考察结构内的应力是否在材料的许用强度以内并有足够的安全系数，以及分析各零件配合面在旋转条件下是否出现松脱，因此材料的强度和变形是制约飞轮速度的关键因素。
飞轮旋转结构因离心载荷引起的应力与飞轮的密度成正比，提高飞轮储能密度的关键是采用高比强度(高拉伸强度、低密度)的材料。工业应用中实用的有合金钢飞轮(200-300m/s)、纤维增强复合材料飞轮(500-600m/s)，金属飞轮的密度大，体积小，重量大，性能安定、成本低廉，受金属材料强度和密度的制约，金属制飞轮难以达到很高的储能密度；复合材料飞轮重量轻，但造价昂贵；玻璃纤维和碳纤维已被广泛应用于制造飞轮转子；然而纤维缠绕的复合材料飞轮是各向异性的，其环向与纤维方向一致，因此强度很高，可以达到1000MPa以上；而径向(垂直与纤维方向的横向)强度主要由环氧树脂与纤维/树脂界面提供，通常低于100MPa，因此遇到了径向分层的难题。
另外，合金钢飞轮与电机芯轴的牢固连接是飞轮电机轴系设计的一个重要问题，通用旋转机械的轮盘与芯轴之间的套装结构设计不适用是因为飞轮高速旋转条件下内圆柱面大变形会引起轮与轴之间松脱，如果采用键连接，飞轮键槽处出现的高的应力水平将显著降低飞轮结构强度安全系数，轮轴之间采用过盈转配可以防止松脱，但依靠过盈配额传递轮轴之间的扭矩将大大增加工作转速下飞轮结构的应力水平，而且增加了装配难度。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮。
一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，包括飞轮1和芯轴2，飞轮1为轴对称的合金钢飞轮，其对称轴左右两侧均为H型截面，飞轮1中部为轮毂14，轮毂14内侧包括上圆柱孔141和下圆柱孔142，上圆柱孔141和下圆柱孔142的轴心线位于同一条直线OO’上，且下圆柱孔142的半径比上圆柱孔141的半径小50～70％，轮毂14左右两侧由内至外依次为轮辐13和轮缘12；
芯轴2为阶梯轴，由上至下依次为第一圆轴21、第二圆轴25、第三圆轴22和第四圆轴26，其中第一圆轴21、第二圆轴25、第三圆轴22和第四圆轴26的轴心线位于直线OO’上，且半径依次减小；
飞轮1与芯轴2为立式轴系，采用无键连接方式配合；芯轴2第一圆轴21的下部与飞轮1的上圆柱孔141过盈配合，芯轴2第三圆轴22的上部与飞轮1的下圆柱孔142过盈配合，从而使得飞轮1与芯轴2在旋转状态下不松脱、定位精准，但不传递扭矩；
m个第一圆柱销孔145和n个第一螺栓孔144分别均匀分布在上圆柱孔141到下圆柱孔142的轴向过渡台阶143上，芯轴2的第二圆轴25下侧平台上设置m个第二圆柱销孔23与第一圆柱销孔145一一配合，且直径相同，以及n个第二螺栓孔24与第一螺栓孔144一一配合；采用m个圆柱销3，每个圆柱销3安装于第一圆柱销孔145和第二圆柱销孔23内，与飞轮1和芯轴2过渡配合，以连接飞轮1和芯轴2，并传递扭矩；轮毂14下侧设有压环5，采用n个螺栓4，每个螺栓4依次穿过压环5、第一螺栓孔144与第二螺栓孔24，并紧固于飞轮1和芯轴2上，用以飞轮1和芯轴2的轴向连接，以及将飞轮1的重力载荷传递给芯轴2，同时将压环5固定在飞轮1上，防止圆柱销3脱落；其中，4≤m≤8，4≤n≤8。
所述轮缘12上、下侧开有燕尾槽11，燕尾槽11内放置质量平衡块。
所述轮辐13的厚度小于轮缘12和轮毂14的厚度，轮缘12的厚度和轮毂14侧缘的厚度分别为200～400mm，轮辐13的厚度为100～300mm，且轮辐13上侧面131和下侧面132与轮缘12内侧面的连接处为圆弧过渡，以及其上侧面131和下侧面132与轮毂14外侧面的连接处为圆弧过渡。
所述轮辐13的径向宽度和厚度均由内至外依次减小。
所述轴向过渡台阶143上侧平面比轮辐13的下侧面132低15～20mm。
所述第二圆轴25比第一圆轴21小2～3mm，第四圆轴26比第三圆轴22小5～10mm。
所述两处过盈配合的过盈量通过计算确定，过盈设计值分别为额定转速下，轮毂14的上圆孔141与下圆孔142的变形量。
所述m＝n，且第一圆柱销孔145和第一螺栓孔144的中心均匀间隔地分布在同一个圆上，该圆的圆心位于直线OO’上。
所述飞轮1的外径为1000～2000mm，质量为1200～9800kg，材料拉伸强度在800MPa以上，飞轮1额定转速为2400～4800r/min，储能为20～160MJ。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种低成本的大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，通过合理的设计转子形状，使得飞轮结构形状系数取得最优值；飞轮与芯轴采用圆柱梢传递扭矩、螺栓传递飞轮重量；飞轮与芯轴的两个过盈量较小的配合保证旋转条件下，定位精准但不传递扭矩。
1、采用轴对称的H型截面实现了质量分布偏重于外侧轮缘而增加了飞轮的转动惯量。
2、轮毂内侧为上大下小的变径设计，轮毂的轴向过渡台阶面低于轮辐的下侧面，从而显著降低轮毂下端上开设圆柱梢孔、螺栓孔引起的应力增加。在轮毂内，芯轴局部与飞轮过盈装配，配合长度短，压力装配难度大大低，同轴定位精度高；轮毂凸缘的设计大大减小了飞轮与芯轴配合的内圆柱面处的变形，从而减少过盈量，使安装容易。
3、轮辐外侧厚度小，内侧厚度大，实现了近似等强度设计，降低了飞轮结构在离心载荷下的应力。
4、采用圆柱销传递飞轮与芯轴之间的扭矩，保证飞轮在加速或减速过程中，飞轮与芯轴之间不出现松脱打滑；采用螺栓实现飞轮与芯轴之间的轴向连接，传递飞轮的重力载荷；提高了飞轮与芯轴之间连接的冗余可靠性。
附图说明
图1为一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮结构示意图；
图2为飞轮与芯轴装配示意图。
标号说明：1-飞轮，2-芯轴，3-圆柱梢，4-螺栓，5-压环，6-导向圆杆，11-燕尾槽，12-轮缘，13-轮辐，14-轮毂，21-第一圆轴，22-第三圆轴，23-第二圆柱销孔，24-第二螺栓孔，25-第二圆轴，26-第四圆轴，131-上侧面，132-下侧面，141-上圆柱孔，142-下圆柱孔，143-轴向过渡台阶，144-第一螺栓孔，145-第一圆柱销孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
如图1所示一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，包括飞轮1和芯轴2，飞轮1为轴对称的大型合金钢飞轮，其对称轴左右两侧均为H型截面，飞轮1中部为轮毂14，轮毂14内侧包括上圆柱孔141和下圆柱孔142，且上圆柱孔141和下圆柱孔142的轴心线位于同一条直线OO’上，下圆柱孔142的半径显著小于上圆柱孔141的半径，本实施例中，上圆柱孔141半径为120mm，下圆柱孔142半径为300mm。轮毂14左右两侧由内至外依次为轮辐13和轮缘12。轮缘12上、下侧开有燕尾槽11，燕尾槽11内放置质量平衡块。轮辐13的厚度小于轮缘12和轮毂14的厚度，轮辐13的径向宽度和厚度由内至外依次减小，本实施例中，轮缘12厚度为400mm，轮辐13从内至外厚度从200mm过渡至150mm，轮毂14侧缘的厚度为400mm。轮辐13的上侧面131和下侧面132与轮缘12的内侧面的连接处为圆弧过渡，本实施例中，圆弧半径为50mm，圆弧角为90°，以及其上侧面131和下侧面132与轮毂14的外侧面的连接处为圆弧过渡，本实施例中，圆弧半径为50mm，圆弧角为90°。轮毂14内侧上圆柱孔141到下圆柱孔142的轴向过渡台阶143，其上侧平面比轮辐13的下侧面132低15～20mm。本实施例中大型合金钢飞轮1，其材料拉伸强度大于850MPa，外径为1600mm，质量为4000kg。
芯轴2为阶梯轴，由上至下依次为第一圆轴21、第二圆轴25、第三圆轴22和第四圆轴26，且第一圆轴21、第二圆轴25、第三圆轴22和第四圆轴26的轴心线位于直线OO’上，且半径依次减小。其中，第二圆轴25比第一圆轴21小2～3mm，第四圆轴26比第三圆轴22小5～10mm。
飞轮1与芯轴2为立式轴系，采用无键连接方式配合。轮毂14的轴向过渡台阶143的上侧平面为飞轮1与芯轴2连接的装配定位面，芯轴2的第一圆轴21与飞轮1的上圆柱孔141过盈配合，芯轴2的第三圆轴22与飞轮1的下圆柱孔142过盈配合，该两处过盈量通过计算确定，过盈设计值分别为额定转速下，轮毂14的上圆柱孔141与下圆柱孔142的变形量，从而使得飞轮1与芯轴2在旋转状态下不松脱、定位精准，但不传递扭矩。
所述轴向过渡台阶143上设置4个第一圆柱销孔143和4个第一螺栓孔144，第一圆柱销孔145和第一螺栓孔144的中心均匀间隔地分布在同一个圆上，该圆的圆心位于直线OO’上。芯轴2的第二圆轴25下侧平台上设置4个第二圆柱销孔23与第一圆柱销孔145一一配合，且直径相同；以及设置4个第二螺栓孔24与第一螺栓孔144一一配合。采用4个相同的圆柱梢3，其长度等于圆柱销孔143和圆柱销孔23的总深度，每个圆柱销3安装于第一圆柱销孔143和第二圆柱销孔23内，与飞轮1和芯轴2过渡配合，用以连接飞轮1和芯轴2，并传递扭矩。轮毂14下侧设有压环5，采用4个相同的螺栓4，每个螺栓4依次穿过压环5、第一螺栓孔144与第二螺栓孔24，并紧固于飞轮1和芯轴2上，用以飞轮1和芯轴2的轴向连接，以及将飞轮1的重力载荷传递给芯轴2，同时将压环5固定在飞轮1上，防止圆柱销3脱落。
将上述变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，通过芯轴2与电机转子连接，控制飞轮1的升速或降速，进行能量的存储与释放。飞轮1额定转速为3000r/min，边缘线速度为251m/s，储能为70MJ。
上述一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，加工及安装步骤为：
1)铸造合金钢圆柱毛坯，锻压得到合金钢圆盘锻件；
2)对锻件进行粗加工，进行超声无损检测锻件，锻件应满足重型机械锻件国家技术标准；
3)对合格的锻件进行精密机械加工得到变截面飞轮1；
4)加工比圆柱销3外直径小0.05mm的两根导向圆杆6；
5)将两根导向圆杆6插入芯轴2上两个相邻180°的第二圆柱销孔23中；
6)调整两根导向圆杆6与飞轮1的周向位置，使得导向圆杆6插入飞轮1的第一圆柱销孔143内；
7)调整飞轮1的端面与芯轴2垂直；
8)向飞轮1与芯轴2施加轴向压力，使得芯轴2的第一圆轴21在飞轮1的上圆柱孔141内，以及芯轴2的第三圆轴22在飞轮1的下圆柱孔142内，安装到位；
9)拔出导向圆杆6，依次安装4个圆柱销3、压环5和4个螺栓4。
其中，飞轮的材料还可以替换为其他高强度低密度的合金材料，如超硬铝、钛合金。
Claims (8)
1.一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，其特征在于，包括飞轮(1)和芯轴(2)，飞轮(1)为轴对称的合金钢飞轮，其对称轴左右两侧均为H型截面，飞轮(1)中部为轮毂(14)，轮毂(14)内侧包括上圆柱孔(141)和下圆柱孔(142)，上圆柱孔(141)和下圆柱孔(142)的轴心线位于同一条直线OO’上，且下圆柱孔(142)的半径比上圆柱孔(141)的半径小50～70％，轮毂(14)左右两侧由内至外依次为轮辐(13)和轮缘(12)；
芯轴(2)为阶梯轴，由上至下依次为第一圆轴(21)、第二圆轴(25)、第三圆轴(22)和第四圆轴(26)，其中第一圆轴(21)、第二圆轴(25)、第三圆轴(22)和第四圆轴(26)的轴心线位于直线OO’上，且半径依次减小；
飞轮(1)与芯轴(2)为立式轴系，采用无键连接方式配合；芯轴(2)第一圆轴(21)的下部与飞轮(1)的上圆柱孔(141)过盈配合，芯轴(2)第三圆轴(22)的上部与飞轮(1)的下圆柱孔(142)过盈配合，从而使得飞轮(1)与芯轴(2)在旋转状态下不松脱、定位精准，但不传递扭矩；两处过盈配合的过盈量通过计算确定，过盈设计值分别为额定转速下，轮毂(14)的上圆柱孔(141)与下圆柱孔(142)的变形量；
m个第一圆柱销孔(145)和n个第一螺栓孔(144)分别均匀分布在上圆柱孔(141)到下圆柱孔(142)的轴向过渡台阶(143)上，芯轴(2)的第二圆轴(25)下侧平台上设置m个第二圆柱销孔(23)与第一圆柱销孔(145)一一配合，以及n个第二螺栓孔(24)与第一螺栓孔(144)一一配合；采用m个圆柱销(3)，每个圆柱销(3)安装于第一圆柱销孔(145)和第二圆柱销孔(23)内，与飞轮(1)和芯轴(2)过渡配合，以连接飞轮(1)和芯轴(2)，并传递扭矩；轮毂(14)下侧设有压环(5)，采用n个螺栓(4)，每个螺栓(4)依次穿过压环(5)、第一螺栓孔(144)与第二螺栓孔(24)，并紧固于飞轮(1)和芯轴(2)上，用以飞轮(1)和芯轴(2)的轴向连接，以及将飞轮(1)的重力载荷传递给芯轴(2)，同时将压环(5)固定在飞轮(1)上，防止圆柱销(3)脱落；其中，4≤m≤8，4≤n≤8；轴向过渡台阶(143)上侧平面比轮辐(13)的下侧面(132)低15～20mm。
2.根据权利要求1所述一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，其特征在于，轮缘(12)上、下侧开有燕尾槽(11)，燕尾槽(11)内放置质量平衡块。
3.根据权利要求1所述一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，其特征在于，轮辐(13)的厚度小于轮缘(12)和轮毂(14)的厚度，轮缘(12)的厚度和轮毂(14)侧缘的厚度分别为200～400mm，轮辐(13)的厚度为100～300mm，且轮辐(13)的上侧面(131)和下侧面(132)与轮缘(12)内侧面的连接处为圆弧过渡，以及其上侧面(131)和下侧面(132)与轮毂(14)外侧面的连接处为圆弧过渡。
4.根据权利要求3所述一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，其特征在于，轮辐(13)的径向宽度和厚度均由内至外依次减小。
5.根据权利要求1所述一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，其特征在于，第二圆轴(25)比第一圆轴(21)小2～3mm，第四圆轴(26)比第三圆轴(22)小5～10mm。
6.根据权利要求1所述一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，其特征在于，m＝n，且第一圆柱销孔(145)和第一螺栓孔(144)的中心均匀间隔地分布在同一个圆上，该圆的圆心位于直线OO’上。
7.根据权利要求1所述一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，其特征在于，飞轮(1)的外直径为1000～2000mm，质量为1200～9800kg，材料拉伸强度在800MPa以上。
8.根据权利要求1所述一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，其特征在于，飞轮(1)额定转速为2400～4800r/min，储能为20～160MJ。
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