CN108321977A - 一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮 - Google Patents

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戴兴建
钟国彬
王超
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Abstract

本发明提供的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，包括：芯轴、轮毂和轮缘；芯轴、轮毂和轮缘由内向外同轴设置；轮毂包括分瓣式圆环壳、圆环板和圆柱壳；圆环板通过圆环板中心设置的与圆柱壳对应的孔与圆柱壳固定连接；圆环板通过圆环板外围分割形成的与分瓣式圆环壳对应的边缘与分瓣式圆环壳固定连接；分瓣式圆环壳具体为空心圆柱体分割形成的不完整圆环壳体。本发明通过轮毂的分瓣式圆环壳和圆环板的搭配，使得在组合储能飞轮高速旋转时，分瓣式圆环壳由于被分割成不完整壳体，因而能够自动向外张开，紧贴轮缘的内侧，轮毂与轮缘在高速旋转时能够紧密协调而不会散架，实现了轮毂与轮缘的大变形协调，保证了大变形协调下的强度安全。

Description

一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮
技术领域
本发明涉及发电机检测技术领域，尤其涉及一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮。
背景技术
飞轮储能是一种功率密度高、响应迅速、寿命长、环境特性友好的先进物理储能技术。为提高储能密度和功率密度，飞轮通常运行在很高的转速(超过10000rpm),飞轮结构内部存在高速离心载荷引起的强大应力，为防止应力超过材料的强度，必须采用高强度、低密度的先进材料，比如缠绕纤维增强复合材料，因缠绕纤维复合材料的各向异性，需要考虑环向和径向两个方向的应力状态和许用强度。
纤维增强复合材料飞轮的径向应力将随飞轮厚度的增加而增加，而且缠绕纤维树脂基体复合圆环结构的径向强度一般只有20～30MPa，径向强度成为限制飞轮极限转速的重要因素。为防止径向强度不足而脱层，采用多个薄圆环过盈套装、预应力缠绕等技术，增强转子外缘复合材料径向抗拉强度，充分发挥纤维材料环向比强度高的优势。
纤维缠绕飞轮一般难以做成径向厚度很厚的结构，需要采用高强度合金材料的轮毂连接飞轮与芯轴，轮毂设计的难点是实现大变形协调下的强度安全。
因此，如何实现大变形协调下的强度安全是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，用于解决传统的储能飞轮在大变形协调下的强度安全不能保证的技术问题。
本发明提供的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，包括：芯轴、轮毂和轮缘；
所述芯轴、所述轮毂和所述轮缘由内向外同轴设置；
所述轮毂包括分瓣式圆环壳、圆环板和圆柱壳；
所述芯轴外围与所述圆柱壳固定连接；
所述圆环板通过所述圆环板中心设置的与所述圆柱壳对应的孔与所述圆柱壳固定连接；
所述圆环板通过所述圆环板外围分割形成的与所述分瓣式圆环壳对应的边缘与所述分瓣式圆环壳固定连接；
所述分瓣式圆环壳具体为空心圆柱体分割形成的不完整圆环壳体。
优选地，所述分瓣式圆环壳具体包括若干个圆环壳分瓣；
所述圆环壳分瓣在所述分瓣式圆环壳圆周上均匀分布并固定与所述圆环板边缘。
优选地，所述轮毂与所述轮缘之间过盈配合。
优选地，所述轮缘包括第一轮缘和第二轮缘；
所述第一轮缘具体为所述轮毂上缠绕成型的纤维环氧复合材料圆柱；
所述第二轮缘具体为所述第一轮缘上缠绕成型的纤维环氧复合材料圆柱；
所述第一轮缘的模量比所述第二轮缘的模量小。
优选地，所述第一轮缘具体为玻璃纤维环氧复合材料圆柱。
优选地，所述第二轮缘具体为高强度碳纤维环氧复合材料圆柱。
优选地，所述轮毂上设置有螺纹孔；
所述芯轴的突缘法兰上设置有与所述螺纹孔对应的螺纹过孔；
所述芯轴和所述轮毂具体通过穿过所述螺纹孔和所述螺纹过孔的螺栓连接，用于传递扭矩。
优选地，所述轮毂的所述圆柱壳与所述芯轴外壁过渡配合，用于所述轮毂与所述芯轴的同轴定位。
优选地，该组合储能飞轮为扁平圆盘结构，所述组合储能飞轮的高度与直径之比小于二分之一。
优选地，该组合储能飞轮外圆尺寸为900-600mm。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，包括：芯轴、轮毂和轮缘；所述芯轴、所述轮毂和所述轮缘由内向外同轴设置；所述轮毂包括分瓣式圆环壳、圆环板和圆柱壳；所述芯轴外围与所述圆柱壳固定连接；所述圆环板通过所述圆环板中心设置的与所述圆柱壳对应的孔与所述圆柱壳固定连接；所述圆环板通过所述圆环板外围分割形成的与所述分瓣式圆环壳对应的边缘与所述分瓣式圆环壳固定连接；所述分瓣式圆环壳具体为空心圆柱体分割形成的不完整圆环壳体。本发明中通过轮毂的分瓣式圆环壳和圆环板的搭配，使得在组合储能飞轮高速旋转时，分瓣式圆环壳由于被分割成不完整壳体，因而能够自动向外张开，紧贴轮缘的内侧，轮毂与轮缘在高速旋转时能够紧密协调而不会散架，实现了轮毂与轮缘的大变形协调，保证了大变形协调下的强度安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮的一个实施例的示意图；
图2为本发明提供的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮的一个实施例中轮毂的示意图；
图3为本发明提供的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮的一个实施例的俯视图；
图4为本发明提供的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮的一个实施例的仰视图；
图5为本发明提供的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮的一个实施例中芯轴与轮毂的连接示意图(即A-A剖面图)；
其中，附图标记为：
1、芯轴；11、螺纹过孔；2、轮毂；21、分瓣式圆环壳；211、第一圆环壳分瓣；212、第二圆环壳分瓣；213、第三圆环壳分瓣；214、第四圆环壳分瓣；22、圆环板；23、圆柱壳；231、螺纹孔；3、第一轮缘；4、第二轮缘；5、螺栓。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，用于解决传统的储能飞轮在大变形协调下的强度安全不能保证的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，本发明提供的一种分瓣圆环壳21合金轮毂2组合储能飞轮的一个实施例，包括：芯轴1、轮毂2和轮缘(轮缘包括第一轮缘3和第二轮缘4)；
芯轴1、轮毂2和轮缘由内向外同轴设置；
轮毂2包括分瓣式圆环壳21、圆环板22和圆柱壳23；
芯轴1外围与圆柱壳23固定连接；
圆环板22通过圆环板22中心设置的与圆柱壳23对应的孔与圆柱壳23固定连接；
圆环板22通过圆环板22外围分割形成的与分瓣式圆环壳21对应的边缘与分瓣式圆环壳21固定连接；
分瓣式圆环壳21具体为空心圆柱体分割形成的不完整圆环壳体。
其中，分瓣式圆环壳21、圆环板22和圆柱壳23在图1和图2中呈现门字形，即三个结构件形成了中空的凹槽，从而使得飞轮在高速旋转时更加柔韧，且分瓣式圆环壳21的分瓣式结构(即分割成多个瓣)，使得分瓣式圆环壳21在向外张开的时候不会收到自身结构的拉扯，如果没有这种分瓣结构，普通的圆环壳会由于圆环本身的圆形结构将外圈紧紧结合为一个整体，则很难自动向外张开。因此，本发明的分瓣式结构解决了这一物理限制，创造性地实现了飞轮高速旋转时，分瓣式圆环壳21可以自动向外张开，从而与轮缘(具体是第一轮缘3)更加紧密地结合，保证了大变形协调下的强度安全。
本发明中通过轮毂2的分瓣式圆环壳21和圆环板22的搭配，使得在组合储能飞轮高速旋转时，分瓣式圆环壳21由于被分割成不完整壳体，因而能够自动向外张开，紧贴轮缘的内侧，轮毂2与轮缘在高速旋转时能够紧密协调而不会散架，实现了轮毂2与轮缘的大变形协调，保证了大变形协调下的强度安全。
进一步地，分瓣式圆环壳21具体包括若干个圆环壳分瓣；
圆环壳分瓣在分瓣式圆环壳21圆周上均匀分布并固定与圆环板22边缘。
在本实施例中，图3和图4中，圆环壳分瓣具体为4个，分别是第一圆环壳分瓣211、第二圆环壳分瓣212、第三圆环壳分瓣213和第四圆环壳分瓣214。飞轮整体高速旋转时，圆环壳分瓣211、212、213、214在离心力作用下自动向外张开，紧贴轮缘3的内侧，实现轮毂2与轮缘的大变形协调。
请参阅图3和图4，组合结构合金轮毂22由高比强度金属(超硬铝合金、超高强合金钢、钛合金等)材料制成，外侧采用分瓣式圆环壳21，中间部分为空心圆环板22，内侧为厚的圆柱壳23。分瓣式圆环壳21由4瓣圆环壳分瓣组成：211、212、213、214。圆环壳分瓣由一完整的圆环壳沿着圆周均匀分割获得(分瓣数目通常为3-9)。空心圆环板22外侧有4处半圆形缺口，与分瓣圆环壳21分割位置一一对应。内侧的厚圆柱壳23的底端设有4处螺纹孔231。
进一步地，轮毂2与轮缘之间过盈配合。
过盈配合使得轮毂2产生沿着径向向内的变形和预压应力，该变形和应力与离心力引起的变形和应力方向相反，在离心载荷作用下，向内变形和压应力才逐步消失，相当于抵消部分离心载荷，从而可以获得更高的工作转速。过盈配合也在轮缘3内产生径向压应力，抵消部分离心载荷引起的径向拉伸应力，从而获得更高的轮缘工作转速。
进一步地，轮缘包括第一轮缘3和第二轮缘4；
第一轮缘3具体为轮毂2上缠绕成型的纤维环氧复合材料圆柱；
第二轮缘4具体为第一轮缘3上缠绕成型的纤维环氧复合材料圆柱；
第一轮缘3的模量比第二轮缘4的模量小。
高速旋转时，第一轮缘3的模量小，径向变形大，第二轮缘4的模量大，径向变形小，第一轮缘3和第二轮缘4自动压紧，不会发生松脱。
进一步地，第一轮缘3具体为玻璃纤维环氧复合材料圆柱。
进一步地，第二轮缘4具体为高强度碳纤维环氧复合材料圆柱。
请参阅图1，组合储能飞轮的轮缘由两层复合材料空心圆柱(分别是第一轮缘3和第二轮缘4，单层径向厚度为50-100mm)组成，由外向内，分别是高强度碳纤维环氧复合材料圆柱(第二轮缘4)，玻璃纤维环氧复合材料圆柱(第一轮缘3)。复合材料基体为环氧树脂，由碳纤维及玻璃纤维湿法缠绕工艺制作，内部空心成型采用内圆芯模，先缠绕成型第一轮缘3，固化后再成型缠绕第二轮缘4。缠绕成型第一轮缘3或第二轮缘4的工艺工程中，分成5-10个薄层分别缠绕-固化：即缠绕完一薄层，固化完一薄层再缠绕。第一轮缘3和第二轮缘4内部的中间部分，在高速条件下，会产生径向拉伸应力，设计控制其厚度，使其在高速工作条件下的应力不超过断裂应力的70％(通常为15MPa)。轮缘内部再次分层缠绕-固化，可得到均匀分布性能更好复合材料，防止整体缠绕后固化开裂的倾向。
进一步地，请参阅图5，轮毂2上设置有螺纹孔231；
芯轴1的突缘法兰上设置有与螺纹孔231对应的螺纹过孔11；
芯轴1和轮毂2具体通过穿过螺纹孔231和螺纹过孔11的螺栓5固定连接，用于传递扭矩。
进一步地，轮毂2的圆柱壳23与芯轴1外壁过渡配合，用于轮毂2与芯轴1的同轴定位。
请参阅图5，芯轴1的突缘法兰部分开有4处螺纹过孔11。芯轴1与轮毂2之间采用4个螺栓5紧固连接，传递扭矩。芯轴1与轮毂2的内侧圆柱壳23的径向同直径的配合圆柱面采用过渡配合，实现同轴精度高的安装，但不传递扭矩。轮毂2与芯轴1同心定位与传递扭矩功能分开，防止因高速旋转定位微小变形不协调而松脱引起传递扭矩失效。
进一步地，该组合储能飞轮为扁平圆盘结构，组合储能飞轮的高度与直径之比小于二分之一。
进一步地，该组合储能飞轮外圆尺寸为900-600mm。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，其特征在于，包括：芯轴、轮毂和轮缘；
所述芯轴、所述轮毂和所述轮缘由内向外同轴设置；
所述轮毂包括分瓣式圆环壳、圆环板和圆柱壳；
所述芯轴外围与所述圆柱壳固定连接；
所述圆环板通过所述圆环板中心设置的与所述圆柱壳对应的孔与所述圆柱壳固定连接；
所述圆环板通过所述圆环板外围分割形成的与所述分瓣式圆环壳对应的边缘与所述分瓣式圆环壳固定连接；
所述分瓣式圆环壳具体为空心圆柱体分割形成的不完整圆环壳体。
2.根据权利要求1所述的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，其特征在于，所述分瓣式圆环壳具体包括若干个圆环壳分瓣；
所述圆环壳分瓣在所述分瓣式圆环壳圆周上均匀分布并固定与所述圆环板边缘。
3.根据权利要求1所述的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，其特征在于，所述轮毂与所述轮缘之间过盈配合。
4.根据权利要求1所述的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，其特征在于，所述轮缘包括第一轮缘和第二轮缘；
所述第一轮缘具体为所述轮毂上缠绕成型的纤维环氧复合材料圆柱；
所述第二轮缘具体为所述第一轮缘上缠绕成型的纤维环氧复合材料圆柱；
所述第一轮缘的模量比所述第二轮缘的模量小。
5.根据权利要求4所述的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，其特征在于，所述第一轮缘具体为玻璃纤维环氧复合材料圆柱。
6.根据权利要求4所述的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，其特征在于，所述第二轮缘具体为高强度碳纤维环氧复合材料圆柱。
7.根据权利要求1所述的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，其特征在于，所述轮毂上设置有螺纹孔；
所述芯轴的突缘法兰上设置有与所述螺纹孔对应的螺纹过孔；
所述芯轴和所述轮毂具体通过穿过所述螺纹孔和所述螺纹过孔的螺栓连接，用于传递扭矩。
8.根据权利要求7所述的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，其特征在于，所述轮毂的所述圆柱壳与所述芯轴外壁过渡配合，用于所述轮毂与所述芯轴的同轴定位。
9.根据权利要求1所述的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，其特征在于，该组合储能飞轮为扁平圆盘结构，所述组合储能飞轮的高度与直径之比小于二分之一。
10.根据权利要求1所述的一种分瓣圆环壳合金轮毂组合储能飞轮，其特征在于，该组合储能飞轮外圆尺寸为900-600mm。
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