CN105531113B - 用于飞轮容纳组件的管状容纳部件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于飞轮容纳组件中的管状容纳部件，其中，管状容纳部件通过由不同材料制成的能够容易地构造的层形成，并且其中，容纳壳体由螺旋地缠绕的管状结构构成，所述管状结构通过由一种或多种不同材料制成的层形成。本发明还涉及一种用于制备这种管状容纳部件的方法。

Description

用于飞轮容纳组件的管状容纳部件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于飞轮容纳组件的管状容纳部件，特别是用于高速飞轮(例如，机械飞轮、机电飞轮和用于临时存储能量的电动发动机)的管状容纳部件。本发明还涉及一种用于制备一定范围规格的容器的大规模生产的可行方法。
背景技术
高速机械飞轮、机电飞轮和电动发动机由于其设计使用寿命长以及处理非常高的能量充电率和能量放电率的能力，因而它们越来越多地用作静态和运动情况下的蓄电池储能的替代。然而，按照通常处于20,000至120,000RPM的范围内的工作速度，这些飞轮存储非常大量的动能。如果飞轮出现故障，若容纳壳体因响应而破碎，则通过释放初级旋转飞轮碎片的冲击碎裂和碎片的次级场，这种能量的瞬间释放将对周围设备的完整性和人员造成致命危险。
已知旨在针对储能飞轮的机械故障风险而提供的解决方案的大量储能飞轮容纳。例如，在US2005/0188777中，公开了一种容纳组件，其具有大量独立且共轴的圆筒形钢制护罩，在各护罩之间具有振动衰减材料。在US6203924中公开的容纳结构包括大量共轴的圆筒形层，所述圆筒形层具有内部结构层、能量吸收层和外部支撑层，其中对于这些相继层采用不同的材料。
最常见的爆破容纳形式是用于燃气涡轮中，其中使用昂贵的航空级材料以在特定的狭窄涡轮叶片盘周围形成能量吸收材料的强固且离散的“箍环”。在典型的燃气涡轮发动机的长度上，可能存在若干狭窄环形层形式的爆破容纳。
针对机动车或汽车应用而开发的当前容纳方案通常是使用机器精加工铸铝制成的圆柱体，或者通过从实心钢坯移除屑片而机加工至最终形状。这两个解决方案繁重，并且在所有已知的情况下是定制的，这使得它们造价昂贵并且速度太慢以至于大批量生产不可行。而且，释放存储在飞轮中的动能(对于客车上的小型制动能量回收系统而言所述动能为200kJ的数量级)将使得这种容器会发生破裂和分解，导致二级碎片和可能更危险的碎片场沿着不确定的方向以高的速度飞离设备。
发明目的
本发明的一个目的是提供一种成本低廉且易于适应的解决方案，以制备用于飞轮容纳组件的管状容纳部件，在壳体管内的飞轮出现故障时所述管状容纳部件完全能够吸收释放的动能。
本发明的另一目的是提供一种用于飞轮容纳组件的管状容纳部件，所述管状容纳部件能够完全容纳在使用中旋转的飞轮出现故障时由所述旋转的飞轮形成的碎片。
本发明的另一目的是提供一种用于飞轮容纳组件的管状容纳部件，所述管状容纳部件使用由不同材料制成的连续且多层的层。
本发明的另一目的是提供一种用于飞轮容纳组件的管状容纳部件，所述管状容纳部件出于强度和重量的原因而被优化，以便于实现特定飞轮质量和操作速度设计的容纳任务。
本发明的另一目的是提供一种用于飞轮容纳组件的管状容纳部件，所述管状容纳部件能够毫无困难地被构造成符合容器的特定尺寸和强度需求。
本发明的又一目的是提供一种用于飞轮容纳组件的管状容纳部件，所述管状容纳部件能够在工业规模大量制备中简单且成本低廉地制备。
发明内容
根据本发明的第一方面，本发明的一个或多个目的通过提供一种用于飞轮容纳组件的管状容纳部件而实现，其中，管状容纳壳体部件由不同材料制成的多层构成，其特征在于，管状容纳壳体部件的所述由不同材料制成的多层是螺旋地缠绕在彼此之上的连续层，连续层包括由结构材料制成的第一层以及由一种或多种不同材料制成的一层或多层相继层，其中，管状容纳壳体部件的内壁由第一层的结构材料形成。
管状容纳部件通过由不同材料制成的连续层构成，其中“连续”指的是特定材料的带或网连续呈螺旋地缠绕。然而，这并不必然指的是特定材料的每个螺旋缠绕与另一材料相同数量的绕圈。与对于每圈不同材料具有重复的“夹层结构”不同的是，还可以改变容纳部件外侧上或所述外侧附近每圈(多圈)的“夹层结构”的成分。这允许制备用于具有特定尺寸和强度需求的大量飞轮容纳组件的容纳部件。
根据本发明的螺旋缠绕壳体提供了在特定飞轮设计中处理碎片爆炸能量所需的多个不同层的紧密绕圈。由于各层的“夹层结构”的紧密绕圈，管状容纳部件的壁厚可以小于当前的单片式的“由实心体机加工而成”的容纳壳体，并且因而更轻。同时，由于各层紧密缠绕，就吸收飞轮出现机械故障期间所释放的动能以及阻止故障飞轮的碎片部分完全穿透如此形成的管状容纳部件而言，它们的有效性得以改进。
根据本发明的另一方面，由结构材料制成的第一层是钢带，其中钢选自包括高强度低合金钢、贝氏体钢、TWIP级以及中碳至高碳钢的组。同样，对于这层而言，规格以及表面硬度特征根据飞轮容纳组件的需求而确定。这个第一层或任何其它钢层的性能还可以进一步通过使用基于化学处理或热处理的表面处理而得以改进，以增强例如韧性或硬度。
用于容纳部件“夹层结构”的一层或多层相继层中的一些层的钢通常是具有良好延展性和强度性能的钢，这将导致由所述材料制成的壳体组件通过由于延展钢进行能量吸收而吸收破碎飞轮的碎片的动能以及随着碎片切穿内部钢层所产生的形变而吸收表面能量的一部分。
除了提供初始的抗冲击表面，钢材料制成的螺旋地缠绕的第一层或最内层还用作支撑层，以用于支撑由纤维和其它金属材料制成的构成管状容纳部件的相继的夹层结构连续层。
所述一层或多层相继层通过由一种或多种材料制成的带或网构成，所述一种或多种材料选自包括铝、铝合金、纤维材料和合金钢的材料组。纤维材料可以是金属纤维材料或塑料纤维材料或其组合。
纤维材料包括芳族聚酰胺纤维、尼龙纤维、玻璃纤维、碳纤维、钢纤维。这些纤维材料用于提供“网”屏障，如果飞轮碎片可能切穿由整个容纳部件提供给碎片的整个360度层状屏障，所述“网”屏障将吸收飞轮碎片的其余动能。
一层或多层相继层的金属层通常是高延展性和低强度的金属，所述金属可以提供以作为内层的多块薄板。作为替代，这些金属还可以提供在一层或多层金属相继层中作为波纹金属层，以增加容纳空间，所述波纹金属的空隙可以充满或部分地填充适当地选择的有机、无机或共晶相变材料，所述共晶相变材料将随着因碎片穿过这些层期间局部地产生的热量而从其自然固态变为液态，从而消耗动能。
根据本发明的又一方面，纤维材料将包括芳族聚酰胺纤维、尼龙纤维、玻璃纤维、碳纤维和钢纤维的混合物。根据本发明的另一方面，这些纤维材料是干分层(drylayered)、湿搁置(wet-laid up)或嵌入在预浸渍的树脂中，从而一旦管状容纳部件成型则进行随后的高温固化。
层还可以包括薄板金属和纤维材料的交替，其中，纤维材料可以嵌入在预浸渍的树脂中、干搁置或连续湿搁置以适于容纳需求。
根据本发明的另一方面，在由纤维材料制成的一层中或者在由纤维材料制成的不同层中，纤维成组地提供并且相对于彼此具有不同的定向以及经纬组合。以这样的方式，形成了“网”结构，其能够捕获已经穿过容纳壳体到达这些纤维层的飞轮碎片。
如此形成的第一层和多层相继夹层结构层延伸超过一个整圈，以形成螺旋地缠绕的管状容纳部件。
本发明还提供了用于飞轮的容纳组件，所述容纳组件包括根据如上说明书的管状容纳部件，其中，容纳部件在相对两侧处安装在端部部件中。根据另一方面，容纳部件被保持在切入至这些端部部件内的凹槽中，所述端部部件相对于容纳部件被轴向夹紧或以其它方式保持在合适的位置处，从而使得爆炸事件期间能量进一步消散—因为容纳部件可能或可能不能够在形成于这些端部部件内的凹槽内“旋转”。可以预期的是，端部部件还将保持轴承，所述轴承继而附接至飞轮上的主轴，并且因而将飞轮保持在主轴的旋转轴线上，从而还允许管壳体用于将整个组件安装至例如车辆底盘上。
随着飞轮爆炸事件开始，飞轮在单一位置或有时在多个位置处碎裂，而后碎成大小碎片—每个碎片均以高的径向和切向速度飞离旋转轴线。在最坏的情况下，飞轮仅仅碎成相对于飞轮的旋转轴线通常以高的切向速度(约1000m/s)移动的两大片或三大片。
这些碎片随后以速度的切向和径向分量冲击管状容纳部件的内层。根据每个碎片的能量，这些碎片将被偏转或更可能的是逐渐地穿透组成容纳部件的第一层以及一层或多层相继层。碎片通常将遇到第一绕圈的坚硬内部第一层，随后碰到能够减慢碎片的逐渐更软的层，同时随着较大的碎片碎裂成较小的片而应对较小尺寸的碎片。这些较小的碎片随后将再次遇到绕圈的坚硬层，并且随着碎片以越来越少的能量逐步地穿透每个夹层结构层而重复该过程。使用针对碎片容纳的这种层状/夹层屏障方法确保了碎片在每一层中必然产生新裂纹—而不是进一步裂开单个裂纹，在壳体管由单块/实心材料制成的情况下是进一步裂开单个裂纹。采用所推荐的螺旋缠绕的管状容纳部件，与单块铸件容纳壳体或由实心材料机加工的容纳壳体内的飞轮碎片相比，所吸收的能量因而消散成第一层和所述一层或多层相继层中的热形变表面能。
采用根据本发明的管状容纳部件，容纳壁的规格还能够容易地构造成具有容纳特定飞轮类型的碎片所需的直径、性能、质量和成本，这是通过选择形成管状容纳部件的夹层结构层的材料和厚度(例如，钢、芳族聚酰胺、碳纤维和其它材料的等级和规格)以及通过选择所形成的壳体上的整个绕圈的数量(因而选择容纳部件壁厚)而实现的。
此外，形成管状容纳部件的螺旋圈的定向相对于飞轮的旋转方向能够容易地构造—由此在最长可能爆炸事件时间期间以最优的性能、重量和制造成本提供最佳的能量吸收特征。
本发明还提供了一种制备用于飞轮容纳组件的管状容纳部件的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-选择用于由结构材料制成的第一层的钢带，其中，钢选自包括高强度低合金钢、贝氏体钢、TWIP级以及中碳至高碳钢的组，
-从包括铝、铝合金、纤维材料和合金钢的材料组中供选择用于一层或多层相继层的每一层的材料带或网，以及
-将第一层和所述一层或多层相继层的带缠绕成螺旋，从而使得如此形成的管状容纳部件的内壁由第一层的结构材料形成。
不同层作为连续带或网缠绕至少超过一圈。在大部分情况下，最终的管状容纳部件包括数圈不同的连续层。术语“连续”指的是特定层的材料是连续的，而并非其必须在容纳部件的所有圈上都连续。相继层中的任一层或第一层可以在一圈或多圈之后与由另一材料制成的带或网连续。第一层或相继层还可以连续额外的一圈或一圈的一部分，以提供管状容纳部件的均匀外侧表面。
被选择用于夹层结构的第一层的钢通常是出于良好表面硬度和韧性目的而提供具有合适的延展性和强度性能的低成本结构材料的钢，所述第一层形成管状容纳部件的内壁。
用于相继夹层结构层的金属优选是高延展性材料，所述材料可以设置作为多个薄板，包括笔直或编制的“织物”纤维材料或波纹板金属材料。
纤维材料层可以包括芳族聚酰胺纤维、尼龙纤维、玻璃纤维、碳纤维、钢纤维(例如轮胎帘布)或者其它金属纤维—编织成单一或多根纬编织物并且经纬方向相对于飞轮旋转轴线适当地定向，从而使得其碎片捕获和能量吸收效果最大化。
根据本发明的另一方面，一层或多层相继层包括浸渍有可固化树脂的纤维材料，并且其中，第一层的结构材料的带连同包括浸渍层的一层或多层施加的相继层经受后续的在后制造室温或高温固化操作。
可以在将各层缠绕在管状容纳部件中之后或者使用合适的设备而实施固化操作，可以在随着形成管状容纳部件而将各层缠绕在芯轴上时开始固化。
第一层以及一层或多层相继层优选从独立供应源给送至连续或半连续的生产线，以形成多层螺旋地缠绕的管状容纳部件。在独立的线圈上采用不同材料的情况下，易于根据容纳部件中各层所需的相继性而定位这些线圈。
作为将不同材料层缠绕在管状容纳部件上的替代方案，使线圈缠绕有多层“夹层结构”带而作为中间产品，其中，带的长度对于大量管状容纳部件而言是足够的。在生产位置处，可以从中间线圈切割出适当长度的多层材料，并且根据规格而将所述适当长度的多层材料缠绕至管状容纳部件中。在将带切割至所需的长度之前，该带还可以首先缠绕在芯轴等上。
为了获得管状容纳部件的合适内部圆筒形形状和尺寸，可以通过围绕具有通常但并不唯一的标称圆形横截面的芯轴等缠绕夹层材料的相继圈而形成壳体。将第一绕圈的起始端部固定在芯轴上的装置可以集成在芯轴设计中。
一旦制成为管状容纳部件，则现有技术中可获得的数个机械限制中的一个将用于在将缠绕管从芯轴上移除并且在使用预浸渍纤维材料的情况下将缠绕管转移至高压釜或类似热固化设备时，保持缠绕管呈合适的形状。此外，相同最终内径的多个壳体可以通过使得形成每个连续夹层结构层的合成夹层结构带材料被纵切而形成—因为它们从大块单层材料线圈上解绕，因而能够并行地制备容纳“管状”组件。
根据本发明的方法相对于现有技术的改进之处在于：容纳壳体能够以因而更为便宜的连续方法制成，并且能够通过配置钢规格、等级、组分的数量、金属内层以及通过配置编制纤维、编法、聚合物基体和固化系统元件而被构造成抵抗不同飞轮能量存储装置设计的碎片能量容纳需求。而且，该方法提供了在一个操作中将多个材料层(金属、非金属、纤维等)快速且简单地配置在管状容纳部件中的工业可行的手段；随后在流线制备处理中共固化或后固化整个管状容纳部件。
附图说明
通过在附图中示意性地示出的制备操作示例，进一步解释了本发明，在所述附图中以横截面示出了螺旋地缠绕的管状容纳部件。
具体实施方式
在附图中，示出了芯轴1上的具有由结构材料制成的最内第一层2的示例性容纳壳体的制造，其中，第一结构层是强固且坚韧的钢带，例如S900、S960、高强度贝氏体钢或具有合适的延展性、强度和韧性的其它高碳钢。
下一层3由预浸渍的编织芳族聚酰胺纤维构成，所述层可以具有各种编织、纤维角度组合和厚度。
相继层4和5使用薄(0.1mm)但是高延展性的钢板形成，所述钢板散布有例如约45/45度碳纤维的预浸渍层。
最外层6(离第一钢层2最远的层)由散布有编织的2000-4000Mpa极限拉伸强度的轮胎帘布和预浸渍的玻璃纤维的其它薄钢和/或铝板构成，以进一步容纳更低速但是更高温的碎片。
将根据不同行业的典型飞轮设计的需要来选择钢层和纤维夹层的材料，即更厚的层和/或更多的绕圈用于轨道和发电飞轮系统，而更薄和/或更少的层用于例如汽车和其它机动车飞轮系统应用。可以具有比图中所示更多或更少的层，并且各层的排列可以被构造以适于飞轮类型的能量容纳需求。此外，线状湿式绞合且预固化的步骤7以及纵切步骤可以置入在大块材料线圈和芯轴之间。
为了选择用于钢层和纤维层的材料，将确定运动碎片能量等级，这与在最坏情况碎片容纳下所需的飞轮设计直径和安全壳速度时的需求相关。
基于该信息，配置适于碎片容纳的数量、规格、宽度和钢等级(以及其它金属夹层等级)。此外，还将限定符合碎片能量容纳需求的编织纤维夹层和基体粘合组合。
所需的钢的规格和等级以及其它金属等级将基于韧性、应变率敏感度、表面硬度、延展性、可焊性、屈服强度、极限拉伸强度、密度和成本而进行选择。
合成物等级和纤维材料(包括绞合方向性)将基于拉伸强度、树脂基体结合、能量吸收性能、重量和成本而进行选择。
可以选择介于0.15和2.5mm之间的钢，包括例如S960、TWIP包装钢和双相等级钢，以符合韧性、延展性和能量吸收需求。出于成本、强度以及适于其高压釜固化温度和性能曲线的适应性的原因，可以选择预浸渍碳纤维和芳族聚酰胺等级。
当限定了管状容纳部件的材料和结构时，特定的材料被送入至连续生产线，以形成多层的管状容纳部件。
随后，以适于树脂系统和所选的钢等级的方式，对具有形成的直径和壁厚的“螺旋缠绕”的管状容纳部件进行固化—这可以包括采用合适的温度烘烤而对最终部件使用烤箱固化和/或金属连接方法，其中例如在夹层结构层中使用钢纤维(例如，轮胎帘布)。还可以考虑在线固化手段。为了确保壳体管具有适当的形状，随着树脂或其它粘合基体固化，可以在已形成管上使用管热收缩或者使用机械夹紧设置。

Claims (15)

1.一种用于飞轮容纳组件的管状容纳壳体部件，其中，管状容纳壳体部件通过由不同材料制成的层组成，其特征在于，管状容纳壳体部件的所述由不同材料制成的层是螺旋地缠绕在彼此之上的连续层，连续层包括由结构材料制成的第一层以及由一种或多种不同材料制成的一层或多层相继层，其中，管状容纳壳体部件的内壁由第一层的结构材料形成。
2.根据权利要求1所述的管状容纳壳体部件，其中，由结构材料制成的第一层是钢带，其中，钢选自包括高强度低合金钢、贝氏体钢、TWIP钢等级以及中碳至高碳钢的组。
3.根据权利要求1所述的管状容纳壳体部件，其中，所述一层或多层相继层通过由一种或多种材料制成的带或网制成，所述一种或多种材料选自包括铝、铝合金、纤维材料和合金钢的材料组。
4.根据权利要求3所述的管状容纳壳体部件，其中，纤维材料包括芳族聚酰胺纤维、尼龙纤维、玻璃纤维、碳纤维、钢纤维。
5.根据权利要求4所述的管状容纳壳体部件，其中，纤维材料被嵌入在已固化树脂中。
6.根据权利要求3-5中的任一项所述的管状容纳壳体部件，其中，在由纤维材料制成的一层中或者在由纤维材料制成的不同层中，纤维成组地提供并且相对于彼此具有不同的经纬定向。
7.根据权利要求3所述的管状容纳壳体部件，其中，当所述一种或多种材料选自铝、铝合金和合金钢时，一层或多层金属层中的金属是波纹金属。
8.根据权利要求7所述的管状容纳壳体部件，其中，由波纹形成的空隙填充有相变材料，以进一步增强碎片能量吸收。
9.根据权利要求3所述的管状容纳壳体部件，其中，第一层和每个相继层在螺旋地缠绕的管状容纳壳体部件上延伸超过一圈。
10.一种飞轮容纳组件，其包括根据权利要求1-9中的任一项所述的管状容纳壳体部件，其中，如此形成的管状容纳壳体部件在相对两侧处安装在凹槽中，所述凹槽切入至飞轮容纳组件的相应端部部件内。
11.一种制备用于飞轮容纳组件的管状容纳壳体部件的方法，其中，所述方法包括如下步骤：
-选择用于由结构材料制成的第一层的钢带，其中，钢选自包括高强度低合金钢、贝氏体钢、TWIP钢等级以及中碳至高碳钢的组，
-从包括铝、铝合金、纤维材料和合金钢的材料组中选择用于一层或多层相继层中的每一层的材料带或网，以及
-将第一层和所述一层或多层相继层的带缠绕成螺旋状，从而使得如此形成的管状容纳壳体部件的内壁由第一层的结构材料形成。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，各层中的一层或多层包括浸渍有可固化树脂的纤维材料，并且其中，螺旋缠绕的各层经受固化操作。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在将第一层和相继层缠绕在管状容纳壳体部件中之后进行固化操作。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，通过使用连续湿式绞合处理而固化和浸渍纤维材料。
15.根据权利要求11-13中的任一项所述的方法，其中，各层缠绕在具有标称圆形或其它横截面的芯轴周围。
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