CN110748603B - 一种高疲劳寿命飞轮和飞轮储能系统 - Google Patents

一种高疲劳寿命飞轮和飞轮储能系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及飞轮储能技术领域，提供了一种高疲劳寿命飞轮、以及包含该高疲劳寿命飞轮的飞轮储能系统。其中，该飞轮包括飞轮本体，该飞轮本体包括若干个轴向堆叠连接的无轴向通孔的金属圆盘，各个该金属圆盘的轴向厚度小于或等于40cm，相邻金属圆盘的径向直径尺寸不同。相比较于传统的整体金属圆柱结构，由于金属圆盘厚度薄、体积小，因此成型容易、成本低，且降低了制造过程的热处理难度，使得金属圆盘的材料特性更加均匀，不易产生裂纹，保证了力学性能和疲劳特性；同时该结构限制了裂纹生长的方向，降低了裂纹生长速度，进一步提升了疲劳特性；此外，由于相邻金属圆盘的径向直径尺寸不同，可以进一步实现存储更多能量。

Description

一种高疲劳寿命飞轮和飞轮储能系统
技术领域
本发明涉及飞轮储能技术领域，更具体而言，涉及一种高疲劳寿命飞轮、以及包含该高疲劳寿命飞轮的飞轮储能系统。
背景技术
飞轮设备通过高速旋转产生的动能储存能量，高速旋转作用会在转子材料中产生较高的应力。由于飞轮在能量存储的过程中，需要不断的升高和降低转速，造成飞轮材料上任一点的应力一直在最高值和最低值之间变换。这种应力变换会使得材料中由于制造缺陷所产生的初始裂纹不断增长，直到生长到一个阈值时，飞轮会有破坏性的损坏。飞轮从初始制造到最终裂纹达到危险值会经历一定的应力循环数目（飞轮充放电次数），该应力循环数目即为飞轮的疲劳寿命。传统的金属飞轮结构如图1所示，为一个整体的金属圆柱，这种结构体积庞大，整体结构制造较难；且由于一体化制造，飞轮内部易产生初始裂纹，且该裂纹增长空间自由，增长速度快，降低了飞轮的疲劳寿命。不仅如此，由于体积庞大，制造时易产生初始裂纹，也限制了该金属飞轮的存储大量能量的能力。
发明内容
本发明提供了一种高疲劳寿命飞轮和飞轮储能系统，以解决现有的金属飞轮疲劳寿命低、以及能量存储能力低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种高疲劳寿命飞轮，包括飞轮本体，所述飞轮本体包括若干个轴向堆叠连接的无轴向通孔的金属圆盘，各个所述金属圆盘的轴向厚度小于或等于40cm，相邻金属圆盘的径向直径尺寸不同。
作为本发明的进一步改进，沿着位于中间位置的金属圆盘至最上端金属圆盘方向，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小，以及沿着位于中间位置的金属圆盘至最下端金属圆盘，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小。
作为本发明的进一步改进，所述金属圆盘的一个表面轴向中心位置上设有轴向凸起，另一个表面轴向中心位置上设有轴向凹槽，相邻金属圆盘通过第一金属圆盘的轴向凸起与第二金属圆盘的轴向凹槽配合连接；所述轴向凸起的高度和所述轴向凹槽的深度均小于所述金属圆盘的轴向厚度。
作为本发明的进一步改进，所述高疲劳寿命飞轮还包括转轴、分别固接于所述飞轮本体上表面的上档板、以及下表面的下档板；所述转轴包括固接于所述上档板的上表面的上转轴、以及固接于所述下档板的下表面的下转轴；或者所述转轴包括穿过所述上档板并固接于所述飞轮本体上表面的上转轴、以及穿过所述下档板并固接于所述飞轮本体下表面的下转轴。
作为本发明的进一步改进，所述上档板卡入所述最上端金属圆盘的轴向凹槽中，所述下档板的上表面上设有与所述最下端金属圆盘的轴向凸起相配合的轴向凹槽；或者
所述下档板卡入所述最下端金属圆盘的轴向凹槽中，所述上档板的下表面上设有与所述最上端金属圆盘的轴向凸起相配合的轴向凹槽。
作为本发明的进一步改进，所述轴向凹槽的内角和所述轴向凸起的顶角均为圆角。
作为本发明的进一步改进，各个所述金属圆盘的材料为合金钢或工具钢。
作为本发明的进一步改进，各个所述金属圆盘的轴向厚度的设置范围为0.2~30cm。
作为本发明的进一步改进，相邻金属圆盘中，大径向直径尺寸的金属圆盘中残余压应力，小径向直径尺寸的金属圆盘中残余拉应力。
为了进一步解决上述技术问题，本发明第二方面提供了一种飞轮储能系统， 该飞轮储能系统中包含上述的高疲劳寿命飞轮。
与现有技术相比，本发明提供的高疲劳寿命飞轮采用若干个轴向堆叠连接的金属圆盘代替传统的整体金属圆柱结构，由于金属圆盘厚度薄、体积小，因此成型容易、成本低，且降低了制造过程的热处理难度，使得金属圆盘的材料特性更加均匀，不易产生裂纹，保证了力学性能和疲劳特性；同时，轴向堆叠连接的金属圆盘也限制了成型飞轮中裂纹生长的方向，降低了裂纹生长速度，进一步提升了疲劳特性；此外，通过将相邻金属圆盘的径向直径尺寸设计得不同，可以进一步提高飞轮所能达到的最大转速，进而提升飞轮本体的能量存储能力，以实现存储更多能量。本发明提供的飞轮储能系统因包含该高疲劳寿命飞轮而具备存储大量能量的能力。
附图说明
图1是现有技术提供的传统飞轮结构示意图；
图2是本发明第一实施例高疲劳寿命飞轮的第一种正视结构示意图；
图3是本发明第一实施例高疲劳寿命飞轮的第二种正视结构示意图；
图4是本发明第一实施例中相邻金属圆盘组装示意图；
图5是本发明第一实施例高疲劳寿命飞轮的第三种正视结构示意图；
图6是本发明第二实施例高疲劳寿命飞轮的第一种正视结构示意图；
图7是本发明第二实施例高疲劳寿命飞轮的第二种正视结构示意图；
图8是本发明第二实施例高疲劳寿命飞轮的第三种正视结构示意图；
图9是本发明第二实施例高疲劳寿命飞轮的第四种正视结构示意图；
图10是本发明第二实施例高疲劳寿命飞轮的第五种正视结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
为了解决现有的金属飞轮疲劳寿命低、以及能量存储能力低的问题，本发明提供了一种高疲劳寿命飞轮，请参阅图2所示，图2是本发明第一实施例提供的高疲劳寿命飞轮的正视结构示意图，该飞轮10包括飞轮本体11、以及分别固接于飞轮本体11上表面的上档板14、和下表面的下档板15，其中，该飞轮本体11由若干个金属圆盘111轴向堆叠连接而成，通过将传统飞轮结构中的金属圆柱体替换成由若干个金属圆盘111轴向堆叠连接形成的飞轮本体11，当由于金属圆盘中的裂纹（简称裂纹盘）引发飞轮故障时，可以通过一个或多个相邻金属圆盘支撑裂纹盘直到飞轮的速度降到安全范围内，避免安全事故的发生。
可选地，上档板14和下档板15均通过焊接或粘合的方式分别固接于飞轮本体11的上表面和下表面。上档板14和下档板15用于对飞轮本体11进行锁定，当飞轮本体11高速旋转时，可以防止飞轮本体11在轴向上移动，以及防止各个金属圆盘111由于部分轴向作用力而散开，避免安全事故的发生。
可选地，各个金属圆盘111上均无轴向通孔。飞轮本体高速旋转时，金属圆盘上若设有轴向通孔，会大大增加该金属圆盘的环向应力，从而限制飞轮本体的最高转速，而转速大小直接影响飞轮本体的能量存储能力，因而也限制了飞轮本体的储能能力。因此，在本发明中，各个金属圆盘111上均无轴向通孔。
可选地，各个金属圆盘111的轴向厚度不超过40cm。金属圆盘过厚时，不仅增加了制造过程中的热处理难度，而且金属圆盘中心材料在热处理后由于不能快速冷却，使得金属圆盘的靠近中心材料处的部分材料力学性能大大降低，如硬度、抗拉强度等，容易产生初始裂纹，并且裂纹的增长空间自由，加快了裂纹增长速度，降低了疲劳特性。并且金属圆盘的径向中心是飞轮本体在旋转时受到最大应力的位置，因此，也会限制该飞轮本体所能达到的最大转速，进而限制了该飞轮本体的能量存储能力。优选地，各个金属圆盘111的轴向厚度设置范围为0.2~30cm，更优选为0.5~5.5cm，该厚度范围下金属圆盘体积小，成型容易、成本低，且降低了制造过程的热处理难度，使得金属圆盘的材料特性更加均匀，不易产生裂纹，保证了力学性能和疲劳特性；同时，由于厚度薄，限制了裂纹生长的方向，降低了裂纹生长速度，因此进一步提升了疲劳特性。此外，还由于材料力学性能优异，提升了飞轮本体所能达到的最大转速，进而提升了飞轮本体的能量存储能力。
请继续参阅图2所示，该飞轮10还包括固接于上档板14的上表面的上转轴12、以及固接于下档板15的下表面的下转轴13。可选地，上转轴12和下转轴13均通过焊接或粘合的方式分别固接于上档板14的上表面、以及下档板15的下表面。
可选地，当上档板14的径向直径尺寸远小于最上端金属圆盘的径向直径尺寸时，还可以将上转轴12设置为穿过上档板14后固接于飞轮本体11的上表面上，如图3中所示。这是因为，当上档板14的径向直径尺寸越小时，可以承受的旋转应力越多，因此，此时在档板上设置用于转轴穿过的通孔是可以被接受的，不会对飞轮的疲劳特性以及能量存储能力产生很大的影响。同理，当下档板15的径向直径尺寸远小于最下端金属圆盘的径向直径尺寸时，也可以将下转轴13设置为穿过下档板15后固接于飞轮本体11的下表面上，如图3中所示。更可选地，上转轴12和下转轴13上均设有螺纹，上档板14和下档板15均可通过螺栓与对应的螺纹配合，从而实现分别固接于飞轮本体11的上表面和下表面。
继续参阅图2所示，在该飞轮本体11中，相邻金属圆盘的径向直径尺寸不同。通过这样的设置方式，可以进一步减小径向直径尺寸较大的金属圆盘在旋转过程中所产生的拉伸应力，从而进一步提高飞轮所能达到的最大转速，提升飞轮本体的能量存储能力，以实现存储更多能量。下面以相邻两个金属圆盘为例进行解释说明：
如前所述，飞轮本体旋转时，金属圆盘的中心位置是受到径向拉伸应力最大的位置，对于任意一块金属圆盘，其中心位置所受的径向拉伸应力大小均可用下述公式进行表示：
Figure 76595DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 56053DEST_PATH_IMAGE002
表示径向拉伸应力，
Figure 371541DEST_PATH_IMAGE003
表示环向应力，
Figure 907696DEST_PATH_IMAGE004
表示金属圆盘的材料密度，
Figure 518806DEST_PATH_IMAGE005
表示泊松比 (对大部分金属材料而言，泊松比为0.3)，
Figure 685476DEST_PATH_IMAGE006
表示转速，Ro 表示金属圆盘外径，Ri表示旋转轴外径。假设径向直径尺寸较小的金属圆盘在单体旋转过程中产生的径向拉伸应力最大值为σrot1，径向直径尺寸较大的金属圆盘在单体旋转过程中产生的径向拉伸应力最大值为σrot2，根据该公式可知，σrot1小于σrot2。
如图4中所示，组装相邻金属圆盘时，利用不同的加工原理，可以使得径向直径尺寸较小的金属圆盘中残余拉应力（假定为σres1，σres1>0），使得径向直径尺寸较大的金属圆盘中残余压应力（假定为-σres2，σres2>0）。其中一种方法是利用热胀冷缩，将冷热金属圆盘同时装配。当组装后的相邻金属圆盘旋转时，径向直径尺寸较小的金属圆盘中产生的最大径向拉伸应力变为σ1=σrot1+σres1，而径向直径尺寸较大的金属圆盘中产生的最大径向拉伸应力变为σ2=σrot2-σres2。可见，通过设计优化，为相邻金属圆盘装配不同类型和大小的残余应力，可以减小径向直径尺寸较大的金属圆盘在旋转过程中产生的最大径向拉伸应力，在保证径向直径尺寸较小的金属圆盘在旋转过程中产生的最大径向拉伸应力不超标的同时，使得相邻金属圆盘中的应力达到均衡最优，从而提高飞轮所能达到的最大转速，提升飞轮本体的能量存储能力，以实现存储更多能量。
可选地，相邻金属圆盘的设置方式也可如图5中所示，沿着位于中间位置的金属圆盘至最上端金属圆盘方向，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小，以及沿着位于中间位置的金属圆盘至最下端金属圆盘，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小。
可选地，相邻金属圆盘之间可以通过本领域中任何合适的方式实现固定连接，例如通过焊接或者粘合的方式实现固定连接。
可选地，各个金属圆盘111的材料为合金钢或工具钢，由于合金钢的材料成本更低且具有更高的淬透性，因此更优选为合金钢。淬透性与碳和其他合金元素如镍的百分比直接相关，因此，在本发明中，可以控制合金钢中镍的质量大于该合金钢总质量的1%，以获得更优异淬透性的合金钢材料。当然也可以使用其他合适的钢材料。
本发明第一实施例提供的高疲劳寿命飞轮采用若干个轴向堆叠连接的金属圆盘代替传统的整体金属圆柱结构，由于金属圆盘厚度薄、体积小，成型容易、成本低，且降低了制造过程的热处理难度，使得金属圆盘的材料特性更加均匀，不易产生裂纹，保证了力学性能和疲劳特性；同时，轴向堆叠连接的金属圆盘也限制了成型飞轮中裂纹生长的方向，降低了裂纹生长速度，进一步提升了疲劳特性；此外，通过将相邻金属圆盘的径向直径尺寸设计得不同，可以进一步提高飞轮所能达到的最大转速，进而提升飞轮本体的能量存储能力，以实现存储更多能量。
请参阅图6所示，图6是本发明第二实施例提供的高疲劳寿命飞轮的正视结构示意图，该飞轮20包括飞轮本体21、以及分别固接于飞轮本体21上表面的上档板24、和下表面的下档板25，上档板24和下档板25用于对该飞轮本体21进行锁定。其中，该飞轮本体21由若干个金属圆盘211轴向堆叠连接而成，各个金属圆盘211上均无轴向通孔，相邻金属圆盘211的径向直径尺寸不同。
该飞轮20还包括上转轴22和下转轴23，可选地，该上转轴22和下转轴23均通过焊接或粘合的方式分别固接于上档板24的上表面、以及下档板25的下表面。可选地，上档板24和下档板25均通过焊接或粘合的方式分别固接于飞轮本体21的上表面和下表面。
或者可选地，设置该上转轴22穿过上档板24后固接于飞轮本体21的上表面、以及设置该下转轴23穿过下档板25后固接于飞轮本体21的下表面。可选地，上转轴22和下转轴23上均设有螺纹，上档板24和下档板25均可通过螺栓与对应的螺纹配合，从而实现分别固接于飞轮本体21的上表面和下表面。
可选地，在飞轮本体21中，沿着位于中间位置的金属圆盘至最上端金属圆盘方向，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小，以及沿着位于中间位置的金属圆盘至最下端金属圆盘，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小，如图7中所示。
可选地，各个金属圆盘211的轴向厚度不超过40cm；优选地，各个金属圆盘211的轴向厚度设置范围为0.2~30cm，更优选为 0.5~5.5cm。
可选地，各个金属圆盘211的材料为合金钢或工具钢，优选为合金钢；可选地，控制合金钢中镍的质量大于该合金钢总质量的1%。
可选地，相邻金属圆盘之间可以通过本领域中任何合适的方式实现固定连接，例如通过焊接或者粘合的方式实现固定连接。
在本实施例中，上述介绍的结构特征和连接方式均在第一实施例中已经详细阐述，为简约起见，在此不再赘述。
请继续参阅图6所示，金属圆盘211的一个表面轴向中心位置上设有轴向凸起2111，另一个表面轴向中心位置上设有轴向凹槽2112，组装时，相邻金属圆盘通过第一金属圆盘的轴向凸起2111与第二金属圆盘的轴向凹槽2112配合连接，该连接方式可以使得相邻金属圆盘之间连接更牢固。优选地，轴向凸起2111的高度和轴向凹槽2112的深度均远远小于金属圆盘的211轴向厚度。在第一实施例中已经阐述，金属圆盘上不适宜设置轴向通孔，会显著增加径向及环向应力，因此，在该实施例中，轴向凸起2111的高度和轴向凹槽2112的深度相对于金属圆盘的轴向厚度应足够短。更优选地，轴向凹槽的内角和轴向凸起的顶角均为圆角（如图8中所示），以使得飞轮高速旋转时，集中在此处的应力最小化。当然，轴向凸起2111和轴向凹槽2112也可以通过螺纹的方式连接，如轴向凸起2111的外周壁上设有螺纹，轴向凹槽2112的内壁上设有与之相配合的螺纹。
请继续参阅图6所示，上档板24的截面尺寸大小小于最上端金属圆盘211的轴向凹槽2112的截面尺寸大小，以使得上档板24可以卡入最上端金属圆盘的轴向凹槽2112中。下档板25的上表面上设有轴向凹槽251，最下端金属圆盘211的轴向凸起2111的截面尺寸大小小于下档板25的轴向凹槽251的截面尺寸，以使得最下端金属圆盘211的轴向凸起2111可以卡入下档板25的轴向凹槽251中。优选地，控制上档板24的截面尺寸大小略小于最上端金属圆盘211的轴向凹槽2112的截面尺寸大小，以使得上档板24可以刚好卡入最上端金属圆盘的轴向凹槽2112中。以及控制最下端金属圆盘211的轴向凸起2111的截面尺寸大小略小于下档板25的轴向凹槽251的截面尺寸，以使得最下端金属圆盘211的轴向凸起2111可以刚好卡入下档板25的轴向凹槽251中。当然，在该实施例中，下档板25上也可以不设置轴向凹槽251，直接连接在最下端金属圆盘的轴向凸起2111上，与上档板24一起对飞轮本体21进行锁定。
同理，若高疲劳寿命飞轮结构如图9和图10中所示，对应的上档板24的下表面上设有轴向凹槽241，最上端金属圆盘的轴向凸起2111卡入上档板24的轴向凹槽241中，下档板25卡入最下端金属圆盘的轴向凹槽2112中。当然，上档板24上也可以不设置轴向凹槽241，直接连接在最上端金属圆盘的轴向凸起2111上，与下档板25一起对飞轮本体21进行锁定。
本发明第二实施例提供的高疲劳寿命飞轮采用若干个轴向堆叠连接的金属圆盘代替传统的整体金属圆柱结构，由于金属圆盘厚度薄、体积小，成型容易、成本低，且降低了制造过程的热处理难度，使得金属圆盘的材料特性更加均匀，不易产生裂纹，保证了力学性能和疲劳特性；同时，轴向堆叠连接的金属圆盘也限制了成型飞轮中裂纹生长的方向，降低了裂纹生长速度，进一步提升了疲劳特性；此外，通过将相邻金属圆盘的径向直径尺寸设计得不同，可以进一步提高飞轮所能达到的最大转速，进而提升飞轮本体的能量存储能力，以实现存储更多能量。
为了进一步解决技术问题，本发明还提供了一种飞轮储能系统，该飞轮储能系统包括上述任一实施例中所述的高疲劳寿命飞轮，因此该飞轮储能系统具备存储大量能量的能力。在一些优选实施例中，该飞轮储能系统可以存储大于10千瓦时甚至更多的能量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高疲劳寿命飞轮，包括飞轮本体，其特征在于，所述飞轮本体包括若干个轴向堆叠连接的无轴向通孔的金属圆盘，各个所述金属圆盘的轴向厚度小于或等于40cm，所述飞轮本体仅包含两种径向直径尺寸的金属圆盘，相邻金属圆盘的径向直径尺寸不同；
组装后的相邻金属圆盘中，大径向直径尺寸的金属圆盘中残余压应力，小径向直径尺寸的金属圆盘中残余拉应力；
当组装后的相邻金属圆盘旋转时，小径向直径尺寸的金属圆盘中产生的最大径向拉伸应力σ1为σrot1+σres1，大径向直径尺寸的金属圆盘中产生的最大径向拉伸应力σ2为σrot2-σres2，
其中，σrot1为小径向直径尺寸的金属圆盘在单体旋转过程中产生的径向拉伸应力最大值，σrot2为大径向直径尺寸的金属圆盘在单体旋转过程中产生的径向拉伸应力最大值，σres1为小径向直径尺寸的金属圆盘中残余的拉应力，-σres2为大径向直径尺寸的金属圆盘中残余的压应力，σres1>0，σres2>0。
2.根据权利要求1所述的高疲劳寿命飞轮，其特征在于，所述金属圆盘的一个表面轴向中心位置上设有轴向凸起，另一个表面轴向中心位置上设有轴向凹槽，相邻金属圆盘通过第一金属圆盘的轴向凸起与第二金属圆盘的轴向凹槽配合连接；所述轴向凸起的高度和所述轴向凹槽的深度均小于所述金属圆盘的轴向厚度。
3.根据权利要求2所述的高疲劳寿命飞轮，其特征在于，所述高疲劳寿命飞轮还包括转轴、分别固接于所述飞轮本体上表面的上档板、以及下表面的下档板；所述转轴包括固接于所述上档板的上表面的上转轴、以及固接于所述下档板的下表面的下转轴；或者所述转轴包括穿过所述上档板并固接于所述飞轮本体上表面的上转轴、以及穿过所述下档板并固接于所述飞轮本体下表面的下转轴。
4.根据权利要求3所述的高疲劳寿命飞轮，其特征在于，所述上档板卡入所述最上端金属圆盘的轴向凹槽中，所述下档板的上表面上设有与所述最下端金属圆盘的轴向凸起相配合的轴向凹槽；或者
所述下档板卡入所述最下端金属圆盘的轴向凹槽中，所述上档板的下表面上设有与所述最上端金属圆盘的轴向凸起相配合的轴向凹槽。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的高疲劳寿命飞轮，其特征在于，所述轴向凹槽的内角和所述轴向凸起的顶角均为圆角。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的高疲劳寿命飞轮，其特征在于，各个所述金属圆盘的材料为合金钢或工具钢。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的高疲劳寿命飞轮，其特征在于，各个所述金属圆盘的轴向厚度的设置范围为0.2~30cm。
8.一种飞轮储能系统，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的高疲劳寿命飞轮。
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