CN116292762B - 一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，飞轮同步稳定密封架与飞轮室之间安装有气体活动密封装置，固定架与飞轮同步运动，所述固定架与所述飞轮同步稳定密封架之间安装有气体旋转密封装置，所述固定架与所述飞轮之间密封连接；本装置通过在现有各种飞轮储能装置中的飞轮底部加装气垫，用气垫支撑飞轮，从而通过提高飞轮重量提高储能能力，并且通过使用飞轮同步稳定密封架提高气垫密封效率，使得气垫式飞轮储能装置达到实用化水平。

Description

一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置

技术领域

本发明涉及飞轮储能技术领域，具体涉及一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置。

背景技术

在现有高速飞轮储能领域，高速飞轮储能质量都比较轻，是靠提高速度转动来提高储能能力。主要缺点是提高转速比较困难，目前转速也达到飞轮材料的极限，所以到了一个瓶颈期。

中低速飞轮储能领域和高速飞轮特性不一样，本发明主要也是中低速飞轮领域，现有中低速飞轮储能主要问题是，飞轮重量太大支撑困难，给轴承带来很高要求，这样就进一步限制中低速飞轮重量增加，现有技术采用在飞轮上方安装永磁铁的方式分担飞轮对轴承的压力，但永磁铁吸力还是太小，清华大学研制的类似飞轮储能的飞轮仅重1.2吨。

由于气垫密封难题，气垫飞轮领域基本是空白，仅有少量专利申请，例如我国公开号为CN101873027A的发明专利，公开了气垫飞轮储能。但未能授权，该气垫专利的主要问题在于：

一、该方案“由于密封气垫正好承载了飞轮及其附件的全部重量”因此需要精确控制气压，但精确控制气压非常困难。因此影响气垫支撑飞轮方案的实现。

二、该方案气垫仅用单一的普通旋转密封进行密封，但实际使用中飞轮会出现振动，特别是启动时振动更明显，而且振动中的摆动会随着气垫面积增加，离飞轮轴越远处密封部位的摆动会被放大，也就是飞轮与飞轮室之间的间隙也就会被放大。因此普通气垫的密封非常困难，气体泄露量大，能耗很大，难以实现。

再例如我国公开号为CN101788034A的发明专利，公开了“浮在气垫上的飞轮”，该专利的主要问题在于：

一、该方案飞轮底部或顶部有“密封气盒”，由于是气盒是密封的，因此气垫或负压作用力是作用在气盒底部或顶部，这造成三个问题。首先：当气压非常高时，大面积的气盒会变形，不容易制造。其次：金属的密封气盒底部是完全没有必要的设计，是浪费材料，增加了不必要的成本。最后：最重要的是该方案思考并不成熟，不可行；密封气盒必须要有支撑结构才能把力最终传给地面，最终必须是地面承担了飞轮的重量，而不是密封气盒底部承担了飞轮重量，但最重要的这点该专利没说明，该方案没写明如何支撑密封气盒，并且给出的结构也看不出密封气盒得到了支撑，那么没有支撑的密封气盒就是无效结构。

二、该发明与所有气垫飞轮装置一样，密封气盒周边仅有一处密封，即气垫周边仅有一处密封，该发明其中一个实施例仅有周边一处密封，另一个实施例的密封处也在飞轮轴处，这样支撑飞轮的气垫无法将力传递到地面，仅能传递到密封气盒底部。

三、密封气盒和飞轮轴之间没有轴承，没有轴承密封气盒与飞轮间不能保证高精度的同步，不能保证高精度的同步就不能解决旋转密封间隙问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，包括飞轮储能装置、飞轮、转子轴、飞轮室，所述飞轮中部的转子轴通过轴承安装在飞轮室上，转子轴底部通过轴承安装有飞轮同步稳定密封架，飞轮同步稳定密封架呈环形，飞轮同步稳定密封架中部为透气结构，飞轮同步稳定密封架与飞轮室之间安装有气体活动密封装置，所述飞轮下部与飞轮同步稳定密封架上部设有固定架，所述固定架与飞轮固定，固定架与飞轮同步运动，所述固定架与所述飞轮同步稳定密封架之间安装有气体旋转密封装置，所述飞轮同步稳定密封架上还设有防转动装置，飞轮同步稳定密封架与飞轮同步振动且飞轮同步稳定密封架不随飞轮转动，且飞轮室底部的密闭空间通过管道与空气压缩机连通。

进一步的，所述气体活动密封装置为密封圈，该密封圈设在飞轮同步稳定密封架环形周边，密封圈与飞轮室内壁连接，该密封圈具有防转动作用以及气体密封作用。

进一步的，所述防转动装置为飞轮室底部设置的止转台，止转台固定在地面上，止转台上端固定有弹性的止转垫，止转垫夹在飞轮同步稳定密封架与止转台之间，飞轮同步稳定密封架通过与止转台间摩擦不随飞轮转动。

进一步的，所述气体活动密封装置为不透气的柔性密封片，柔性密封片的一侧连接在飞轮同步稳定密封架的环形周边上，柔性密封片的另一侧固定在飞轮室壁上，柔性密封片将飞轮同步稳定密封架与飞轮室壁之间密封。

进一步的，位于飞轮下方的飞轮室底部设有可调节支撑装置，可调节支撑装置推动飞轮向上运动，飞轮室底部的密闭空间充气后，可调节支撑装置下行与飞轮分离。

进一步的，所述可调节支撑装置为支撑块式可调节支撑装置或者升降式可调节支撑装置，支撑块式可调节支撑装置包括轮子、驱动器、垫板和支撑块，且驱动器驱动支撑块的轮子在垫板上移动。

进一步的，所述飞轮包括金属转子与非金属转子，所述飞轮靠近转轴中部为金属转子，金属转子外侧嵌套多层不同材料非金属转子。

进一步的，固定架为固定稳定密封架或高精度转子片，固定稳定密封架呈环形，固定稳定密封架中部为透气结构，所述固定稳定密封架与所述飞轮的最底端密封连接。

进一步的，气体旋转密封装置为迷宫式汽封、刷式汽封或接触式汽封。

由以上的技术方案可知，本发明的有益效果是：

通过在现有各种飞轮储能装置中的飞轮底部加装气垫，用气垫支撑飞轮，从而通过提高飞轮重量提高飞轮储能能力。气垫支撑飞轮的飞轮重量提升空间远远大于永磁铁飞轮的飞轮重量承受能力。如一般汽封下气垫气压0.35MPa，每平方米气垫就可以抬起约35吨的飞轮重量，因此本发明使得几吨甚至几百吨的重型或超重型飞轮成为可能，飞轮储能能力得到进一步的提升。

由于本发明设有飞轮同步稳定密封架，该设计将气垫边缘的密封分解为高精度的旋转密封和裕度非常大的活动密封两种密封，一方面飞轮同步稳定密封架会随着飞轮振动但不会旋转，所以飞轮同步稳定密封架和飞轮之间的气体旋转密封装置配合精度可以非常高，这样就能保证密封效果，提高气垫飞轮储能效率。另一方面飞轮同步稳定密封架与飞轮室的间隙虽然非常大，但由于同步架与飞轮室是相对不转动的，因此再大的间隙也可以用柔性密封片等裕度更大的活动密封方式进行密封，使得气垫式飞轮装置更容易实现，成本更低，从而达到实用化水平。本发明是气垫与轴向轴承共同承担飞轮重量，因此气垫气压不用精确控制气压，减少了气压控制难度，使得气垫式飞轮装置更容易实现，从而达到实用化水平。

相比我国公开号为CN101873027A的发明专利，公开了“气垫飞轮储能”的优点还在于：

本发明是气垫与轴向轴承共同承担飞轮重量，因此气垫气压不用精确控制气压，减少了气压控制难度，使得气垫式飞轮装置更容易实现，从而达到实用化水平。

相比我国公开号为CN101788034A的发明专利，公开了“浮在气垫上的飞轮”的优点还在于：

与密封气盒不同，本发明飞轮同步稳定密封架是透气的支架且做不密封处理，由于飞轮同步稳定密封架不密封，气垫直接作用在飞轮底部与地面之间，飞轮重量直接由地面承担，因此设计合理。

与密封气盒周边仅有一处密封不同，本发明飞轮同步稳定密封架环形周边有两种密封，而地面气垫能承担飞轮重量的有效面积是飞轮同步稳定密封架与地面密封的范围内，因此本发明承担飞轮重量的有效的气垫面积更大。

与密封气盒和飞轮轴之间没有轴承不同，本发明飞轮同步稳定密封架与飞轮轴之间有轴承，轴承能够保证飞轮同步稳定密封架与飞轮间能保证高精度的同步。

综上所述本发明通过使用飞轮同步稳定密封架提高气垫密封效率，使得气垫式飞轮储能装置达到实用化水平，填补气垫飞轮储能的空白。并且气垫飞轮可以极大提高飞轮储能能力，并因为飞轮储能比电池储能更环保，符合未来环保的更高要求，将为了风光新能源领域做出重要贡献。

附图说明

图1为实施例一气垫飞轮储能装置非工作状态侧剖原理示意简图；

图2为实施例一气垫飞轮储能装置工作状态侧剖原理示意简图；

图3为实施例一气垫飞轮储能装置飞轮同步稳定密封架俯视原理示意简图；

图4为实施例二气垫飞轮储能装置非工作状态侧剖原理示意简图；

图5为实施例二气垫飞轮储能装置工作状态侧剖原理示意简图；

图6为实施例二气垫飞轮储能装置飞轮同步稳定密封架工作状态俯视原理示意简图；

图7为实施例三气垫飞轮储能装置非工作状态侧剖原理示意简图；

图8为实施例三气垫飞轮储能装置工作状态侧剖原理示意简图。

图中标号：1、转子片；2、飞轮；3、盖子；4、整流罩；5、转子轴；6、径向电磁轴承；7、空气压缩机；8、飞轮室；9、升降式可调节支撑装置；10、柔性密封片；11、固定稳定密封架；12、飞轮同步稳定密封架；13、止转台；14、止转垫；15、推力轴承；16、径向机械轴承；17、齿轮盘；18、电动/发电机；19、联合轴承；20、迷宫式汽封；21、密封门；22、检修井；23、轴向电磁轴承；24、真空泵；25、O型密封圈；26、刷式汽封；27、高精度转子片；28、支撑块式可调节支撑装置；29、轮子；30、驱动器；31、垫板；32、支撑块；33、金属转子；34、高强度玻璃纤维转子；35、碳纤维复合材料转子；36、接触式汽封。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据厂家的条件作进一步调整，未说明的实施条件通常为常规实验条件。

实施例一

参考图1-3所示的同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，包括飞轮储能系统，飞轮储能系统包括电力电子控制装置、变频/逆变控制器、电力转换器、辅助系统等现有各种飞轮储能方案。

地面有圆形井作为飞轮室8，井壁硬化处理并且密闭形成密封腔室；飞轮室8一侧有检修井22，检修井22通向飞轮室8底部，检修井22与飞轮室8底部之间设有密封门21，当不需要检修时，密封门21关闭，进而保证飞轮室8底部的密闭性。

飞轮室8底部设有升降式可调节支撑装置9、推力轴承15、径向机械轴承16、电动/发电机18、止转台13。

飞轮室8上部有盖子3；盖子3上安装有径向电磁轴承6。

多片的转子片1叠加并且固定在一起，分体式的转子片1容易运输和安装；转子片1可以是金属也可以是水泥钢筋构成的，钢筋水泥块构成的转子片1需要转子外缠绕碳纤维带等增加强度。

转子片1外侧安装有整流罩4，整流罩4为表面光滑的金属或塑料，以减少空气阻力带来的损耗。

转子片1中间为转子轴5，转子片1和转子轴5固连。

转子片1、转子轴5、整流罩4构成飞轮2。

转子片1下部安装有固定稳定密封架11，固定稳定密封架11固定在转子轴5上，固定稳定密封架11由内圆环和外圆环构成，内圆环的外壁与外圆环的内壁之间由辐条连接，由于主要是上下方向受力，因此辐条上下宽，中间窄；辐条底部部分安装有整流罩4，这样既能保证固定稳定密封架11与转子片1同步转动中的阻力减少，透气部分又能保证气垫压力能够传到转子片1底部，托起转子片1。

固定稳定密封架11的外圆环上部与最底层转子片1之间采用静密封，将固定稳定密封架11与最底层转子片1之间密封。

转子轴5上还安装有联合轴承19，固定稳定密封架11下部安装有飞轮同步稳定密封架12，飞轮同步稳定密封架12安装在联合轴承19上，飞轮同步稳定密封架12由内圆环和外圆环构成，内圆环的外壁与外圆环的内壁之间由辐条连接，由于主要是上下方向受力，因此辐条上下宽，中间窄；联合轴承19是推力轴承与径向轴承并为一体的轴承，可采用多颚式或扇形瓦片式，联合轴承19使得转子轴5在飞轮同步稳定密封架12中间转动，并且飞轮同步稳定密封架12轴向定位。

飞轮室8底部设置金属支架构成的止转台13，止转台13固定在地面上，止转台13上端固定有弹性的止转垫14，实际使用中止转垫14可以是弹性好摩擦系数高的橡胶垫，止转垫14夹在飞轮同步稳定密封架12与止转台13之间，这样由于止转垫14有弹性，因此飞轮同步稳定密封架12能够随飞轮振动，又由于止转垫14夹在飞轮同步稳定密封架12与止转台13之间，因此靠摩擦力保证了飞轮同步稳定密封架12不随飞轮转动。

由于固定稳定密封架11和飞轮同步稳定密封架12的辐条之间均为透气结构，因此气垫直接作用在飞轮2底部与地面之间，飞轮2重量直接由地面承担。

飞轮同步稳定密封架12的外圆环侧面上设有不透气的柔性密封片10，柔性密封片10另一侧固定在飞轮室壁上，柔性密封片10与飞轮同步稳定密封架12及飞轮室8内壁连接，将飞轮同步稳定密封架12与飞轮室8内壁之间密封；柔性密封片为柔性不透气有一定强度的布或不透气的橡胶材料。

固定稳定密封架11与飞轮同步稳定密封架12的外圆环之间安装有相互配合的迷宫式汽封20。

转子轴5底部安装在推力轴承15上，推力轴承15是机械轴承，转子轴5上部安装有径向电磁轴承6，转子轴5下部安装有径向机械轴承16，径向机械轴承16与推力轴承15均设在飞轮室8的底部，转子轴5下部还安装有齿轮盘17，电动/发电机18设在飞轮室的底部，电动/发电机18上部有齿轮，齿轮盘17与电动/发电机18上部齿轮啮合，齿轮盘17与多个电动/发电机18传动连接。

飞轮室底部还安装有升降式可调节支撑装置9，升降式可调节支撑装置9可以是千斤顶等升降支撑装置，升起后顶起转子片1并锁定，支撑起飞轮2，升降式可调节支撑装置9下降后，飞轮2可以转动。

地面还有空气压缩机7，空气压缩机7出气口设在位于飞轮室8底部的迷宫式汽封20下方，空气压缩机开动后在飞轮底部充气形成气垫。

本实施例中空气压缩机7为普通带储气罐的活塞式空气压缩机，储气罐出气口设在位于飞轮室8底部的迷宫式汽封20下方，这样空气压缩机7的气压控制装置可以让气垫气压保持在设定范围内，由于空气压缩机7不能精确控制气压，因此气垫仅仅承担大部分飞轮重量，少量重量由推力轴承承担，这样既减轻了推力轴承损耗，又能保证飞轮轴向的稳定。

未使用时整个系统如图1所示，飞轮重量由升降式可调节支撑装置9承担。

使用时整个系统如图2所示，空气压缩机7对迷宫式汽封20下部飞轮室底部充气形成气垫，空气压缩机7的储气罐向气垫内供气，使得气垫内气压保持在设定范围内，使得大部分飞轮重量由气垫承担。之后控制升降式可调节支撑装置9下降，飞轮重量由气垫与推力轴承15共同承担。电动/发电机18通过控制飞轮转动，完成飞轮储能或输出能量。

本实施例为大型飞轮装置，因此地面挖井作为飞轮室，飞轮也可以是水泥浇筑，由于飞轮比较粗糙，因此需要单独制造的固定稳定密封架11与飞轮同步稳定密封架12配合，由于大型飞轮装置气垫气压较低，故采用柔性密封片10密封。

针对大型气垫，飞轮精加工难度大，因此用相对简单的固定稳定密封架11支撑能减少飞轮加工难度，特别是加工成标准件，拼接组装更方便，由于固定稳定密封架11与转子片1是同步运动，因此可以采用静密封。

本实施例的飞轮同步稳定密封架12是大型飞轮装置重要组件，其中外圆环是分段制造后拼接而成的，中间的辐条的材质选择为轻质的碳纤维，具有刚度更好体量更轻的特点。

实施例二

参考如图4-6所示的同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，包括飞轮储能系统，飞轮储能系统包括电力电子控制装置、变频/逆变控制器、电力转换器、辅助系统等现有各种飞轮储能方案。

地面有圆形井，井上有中心开有通气孔的盖子3，圆形井内放置飞轮室8，飞轮室8放置在井内能够增加安全性。飞轮室8为密封的金属容器，图中仅说明原理，因此金属容器简单画成一体的，实际使用中是分段制造，拼接后固定连接并且进行密封处理。

多片的转子片1叠加并且固定在一起，分体式的转子片1容易运输和安装；位于最上层的转子片1是实心结构，转子片1与转子轴5固连。中部的转子片1是中空的筒式结构，位于最底部的转子片1与高精度转子片27固定连接。

根据转动惯量公式转子片1效果更好，由于要与飞轮同步稳定密封架12配合，因此需要单独制造高精度转子片27。

转子轴5上还安装有联合轴承19，高精度转子片27下部安装有飞轮同步稳定密封架12，飞轮同步稳定密封架12安装在联合轴承19上，联合轴承是推力轴承与径向轴承并为一体的轴承，可采用多颚式或扇形瓦片式，联合轴承19使得转子轴5在飞轮同步稳定密封架12中间转动，并且飞轮同步稳定密封架12轴向定位，飞轮同步稳定密封架12为圆环形状，内外圆之间由辐条连接，由于主要是上下方向受力，因此辐条上下宽，中间窄。

由于飞轮同步稳定密封架12的辐条之间是透气结构，因此保证气垫压力能够传到高精度转子片27底部，托起高精度转子片27。飞轮同步稳定密封架12的外圆环设有两个密封圈，密封圈为O型密封圈25，O型密封圈25与飞轮室8内壁连接，将飞轮同步稳定密封架12与飞轮室8内壁之间密封，O型密封圈25既保证了飞轮同步稳定密封架12能在一定范围内摆动，又保证飞轮同步稳定密封架12不随转子轴5转动。

高精度转子片27与飞轮同步稳定密封架12的外圆环之间安装有相互配合的刷式汽封26。

飞轮室8底部设有支撑块式可调节支撑装置28和径向电磁轴承6。

支撑块式可调节支撑装置28由轮子29，驱动器30，垫板31，支撑块32构成，垫板31是带坡度中间高的实心金属板；支撑块32是实心金属块，支撑块32前部有驱动器30，驱动器30里有电机，电机带动轮子29转动，轮子29转动带动支撑块32在垫板31上移动，从而使得支撑块32滑上垫板31或滑下垫板31。

转子轴5上部还安装有齿轮盘17，飞轮室8上部还安装有电动/发电机18，电动/发电机18上部有齿轮，齿轮盘17与电动/发电机18上部齿轮啮合，齿轮盘17与多个电动/发电机18传动连接。

飞轮室8上部还安装有径向电磁轴承6与轴向电磁轴承23。

飞轮室8上外部还有空气压缩机7与真空泵24。空气压缩机7的出气口设在位于飞轮室8底部的刷式汽封26的下方。空气压缩机7开动后在飞轮2底部充气形成气垫。真空泵24抽气口设在飞轮室8上部，飞轮室8上部抽真空后需要承受的压强较大，因此在飞轮室8外壁设有环形加强筋，提高飞轮室8外壁的强度。

本实施例中空气压缩机7是普通带储气罐的活塞式空气压缩机，储气罐出气口设在位于飞轮室8底部的刷式汽封26的下方。这样空气压缩机7气压控制装置可以让气垫气压保持在设定范围内，轴向电磁轴承23保证飞轮轴向运动的稳定。

未使用时整个系统如图4所示，飞轮重量由支撑块式可调节支撑装置的支撑块32承担。

使用时整个系统如图5所示，真空泵24将飞轮室8上部抽成真空，同时空气压缩机7对飞轮室8底部充气，使得底部密封空间形成气垫，空气压缩机7的储气罐向气垫内供气，使得气垫内气压保持在设定范围内，轴向电磁轴承23控制飞轮脱离与支撑块式可调节支撑装置28接触，之后控制支撑块式可调节支撑装置28的轮子29带动支撑块32滑下垫板31，飞轮2重量由气垫与轴向电磁轴承23共同承担。电动/发电机18通过控制飞轮转动，完成飞轮储能或输出能量。

本实施例为中小型飞轮装置，所以高精度转子片27直径小，容易加工，不需要使用固定稳定密封架11。飞轮同步稳定密封架12也可以是一整块金属加工而成。并且飞轮同步稳定密封架12摆动小，所以采用比较大的O型密封圈25密封，采用O型密封圈25，气垫压力可以更高，因此可以通过增加飞轮高度，增加飞轮质量，提高储能能力。

实施例三

参考图3，7，8所示的同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，包括飞轮储能系统，飞轮储能系统包括电力电子控制装置、变频/逆变控制器、电力转换器、辅助系统等现有方案。

地面有圆形井作为飞轮室8，井壁硬化处理并且密闭形成密封腔室。

飞轮室8底部还设有升降式可调节支撑装置9、推力轴承15、径向机械轴承16、止转台13。

飞轮室8上部有盖子3；盖子与地面圆形井之间做密封处理，盖子3上安装有径向机械轴承16、电动/发电机18。盖子外有空气压缩机7和真空泵24。

转子轴5、金属转子33、高强度玻璃纤维转子34、碳纤维复合材料转子35固连在一起，金属转子33固定在转子轴5上，金属转子33外侧固定高强度玻璃纤维转子34，高强度玻璃纤维转子34外侧固定碳纤维复合材料转子35。即金属转子外侧嵌套多层不同材料的非金属转子。

本实施例是通过增加飞轮直径增加飞轮储能能力，因此离轴越远线速度越高，而飞轮转子材料密度比从高到低依次是：碳纤维复合材料、高强度玻璃纤维、金属钢，所以多层转子既保证转子不解体，又用不同材料增加飞轮直径，从而最大增加储能能力。

转子轴5、金属转子33、高强度玻璃纤维转子34、碳纤维复合材料转子35构成飞轮2。

飞轮2下部安装有固定稳定密封架11，如图7所示，固定稳定密封架11固定在转子轴5上，固定稳定密封架11由内圆环和外圆环构成，内圆环的外壁与外圆环的内壁之间由辐条连接，辐条底部部分安装有整流罩4，这样既能保证固定稳定密封架11与转子片1同步转动中的阻力减少，透气部分又能保证气垫压力能够传到金属转子33底部，托起飞轮2。

固定稳定密封架11的外圆环外侧部上部设有一个O型密封圈25，O型密封圈25与金属转子33下部连接，将固定稳定密封架11与金属转子33之间密封。

转子轴5通过两个联合轴承19安装飞轮同步稳定密封架12，固定稳定密封架11下部安装有飞轮同步稳定密封架12，飞轮同步稳定密封架12由内圆环和外圆环构成，内圆环的外壁与外圆环的内壁之间由辐条连接，辐条由多个钢管焊接成桁架，桁架中有多个三角结构，桁架固定在上下两个联合轴承19上。如果要采用碳纤维杆可以去掉中间的杆，只保留上下两层碳纤维杆，形成只有一个三角形结构的桁架。

固定稳定密封架11与飞轮同步稳定密封架12俯视结构与图3中飞轮同步稳定密封架12结构一致。

本实施例适合用在大型气垫中，工字梁和三角结构的桁架，实际是桥梁工程常用结构，不仅结构轻而且有非常高的刚度，上下两个联合轴承19也使得飞轮同步稳定密封架12与飞轮同步精度更高，因此适合大型气垫采用。

联合轴承是推力轴承与径向轴承并为一体的轴承，可采用多颚式或扇形瓦片式，联合轴承19使得转子轴5在飞轮同步稳定密封架12中间转动，并且飞轮同步稳定密封架12轴向定位。

飞轮室8底部设置金属支架构成的止转台13，止转台13固定在地面上，止转台13上端固定有弹性的止转垫14，实际使用中止转垫14可以是弹性好摩擦系数高的橡胶垫，止转垫14夹在飞轮同步稳定密封架12与止转台13之间，这样由于止转垫14有弹性，因此飞轮同步稳定密封架12能够随飞轮振动，又由于止转垫14夹在飞轮同步稳定密封架12与止转台13之间，因此靠摩擦力保证了飞轮同步稳定密封架12不随飞轮转动。

由于固定稳定密封架11和飞轮同步稳定密封架12的辐条之间均是透气结构，因此气垫直接作用在飞轮底部与地面之间，飞轮重量直接由地面承担。

飞轮同步稳定密封架12的外圆环下端面设有柔性密封片10，柔性密封片10与飞轮同步稳定密封架12及飞轮室8内壁连接，将飞轮同步稳定密封架12与飞轮室8内壁之间密封。柔性密封片为柔性不透气有一定强度的布。

固定稳定密封架11与飞轮同步稳定密封架12的外圆环之间安装有相互配合的接触式汽封36。

转子轴5底部安装在推力轴承15上，推力轴承15是机械轴承。径向机械轴承16与推力轴承15设在飞轮室8底部，飞轮室8上方还设置有一组径向机械轴承16。

飞轮室底部还安装有升降式可调节支撑装置9，升降式可调节支撑装置9可以是千斤顶等升降支撑装置，升起后顶起飞轮2并锁定，支撑起飞轮2，升降式可调节支撑装置9下降后，飞轮2可以转动。

盖子3上部还安装有径向机械轴承16。

转子轴5上部还安装有齿轮盘17，盖子3上部还安装有电动/发电机18，电动/发电机18上部有齿轮，齿轮盘17与电动/发电机18上部齿轮啮合，齿轮盘17与多个电动/发电机18传动连接。

盖子3上空气压缩机7出气口设在位于飞轮室8底部的接触式汽封36的下方。空气压缩机7开动后在飞轮底部充气形成气垫。盖子3上还有真空泵24。真空泵24的抽气口设在飞轮室8内上部。

本实施例中空气压缩机7是普通带储气罐的活塞式空气压缩机，储气罐出气口设在位于飞轮室8底部的接触式汽封36的下方。这样空气压缩机7气压控制装置可以让气垫气压保持在设定范围内，由于空气压缩机7不能精确控制气压，因此气垫承担大部分飞轮重量，少量重量由推力轴承15承担，这样既减轻了推力轴承损耗，又能保证飞轮轴向的稳定。

未使用时整个系统如图7所示，飞轮重量由升降式可调节支撑装置9承担。

使用时整个系统如图8所示，真空泵24将飞轮室8上部抽成真空，同时空气压缩机7对飞轮室8底部充气，使得底部密封空间形成气垫，空气压缩机7的储气罐向气垫内供气，使得气垫内气压保持在设定范围内，升降式可调节支撑装置9下降，飞轮2重量由气垫与推力轴承15共同承担。电动/发电机18通过控制飞轮转动，完成飞轮储能或输出能量。

本实施例为大型气垫飞轮装置，由于气垫比较大，因此固定稳定密封架11和飞轮同步稳定密封架12采用三角式的结构刚度更高，更加可以稳定支撑，采用上下两个联合轴承19方式也能有更高的精度，同时为了防止固定稳定密封架11与金属转子33之间有微小的变形，采用O型密封圈密封更好。

本发明示意图仅仅是简单说明原理，因此空气压缩机仅仅用方形表示，轴承也用方形表示。

本发明电磁轴承和机械轴承都可以混用，转速慢，承载大适合机械轴承，转速高，承载低可以用电磁轴承，也可以混合使用。机械轴承可以使用各种轴承，如螺旋槽油膜轴承，宝石枢轴承等等。

实施例中所有转子都需要调动平衡。

实施例中迷宫式汽封、刷式汽封、接触式汽封是侧面水平安装的，还可以竖直安装。

气体旋转密封装置可以采用现有的各种气体旋转密封装置。

本发明固定稳定密封架11与飞轮同步稳定密封架12的外圆环可以直接由密封件构成，例如实施例一中外圆环可以直接由分段拼接的迷宫式汽封构成。当然也可以是外圆环上安装密封件，例如实施例二就是整体的外圆环上安装刷式汽封26。

实施例中飞轮同步稳定密封架12的轴承采用联合轴承19，实际使用也可以是轴向轴承和轴向轴承分体式的。可以是采用机械轴承，还可以采用电磁轴承。

实际使用时飞轮同步稳定密封架12与飞轮室8的活动连接可以采用现有的各种气体活动密封装置及各种活动密封方式。

实际使用中止转台13，还可以是水泥做的台，也可以根据具体设计，止转台13内部设有电动/发电机18等，只要固定在地面并且上方安放止转垫14，配合气体活动密封装置，防止飞轮同步稳定密封架12转动。

本发明实施例中采用普通带储气罐的活塞式空气压缩机，将出气口直接接入气垫内，由空气压缩机7自动的控制气压。也可以不要储气罐，直接控制气垫气压。不工作时可以控制调节阀将气垫内空气排出。进一步，还可以用专用复杂的气压控制系统控制气压，例如气压控制系统有计算机，气垫内气体压力传感器，进气阀，排气阀，真空泵，空气压缩机。计算机通过分析压力传感器采样数据，控制空气压缩机，进气阀工作，保证气垫气压在设定范围内，特殊情况可以控制排气阀紧急排气，同时让飞轮刹车，升降式可调节支撑装置升起支撑飞轮，气垫外也装有压力控制器，计算机同时控制真空泵工作，使得气垫内外气压也保持在设定范围内。

飞轮还可以设置刹车装置，气垫内也设置安全阀泄压装置等。

需要说明飞轮储能是复杂的系统，其中大部分也是众所周知成熟系统，因此本文重点仅仅在说明涉及本发明点部分，其他如电力电子控制装置，变频/逆变控制器，电力转换器，辅助系统等等可作为众所周知的知识都包括在飞轮储能系统表述中。另外除气垫飞轮部分外，其他也可以使用现有飞轮储能系统的各种方案。

径向电磁轴承是指包括控制系统的整个电磁轴承系统。

由于齿轮盘17与多个电动/发电机18传动连接，多个电动/发电机18可以同时驱动飞轮或同时发电。但也可以一部分电动/发电机18驱动飞轮，另一部分电动/发电机18发电，如实施例一中，2台电动/发电机18驱动飞轮，1台电动/发电机18发电，这样就可以连续发电。

实际使用时，如果飞轮尺寸较小，可以与普通飞轮储能装置一样仅仅使用一个与转子轴5连接的电动/发电机18。

实际使用时，如果飞轮尺寸较小，飞轮室底部直接通过轴承支撑。

气体旋转密封装置与气体活动密封装置在飞轮同步稳定密封架12的外圆环可以灵活安装，除了实施例1-3的位置外，还可以将气体旋转密封装置和气体活动密封装置安装在飞轮同步稳定密封架12环形的上下端面；还可以将气体旋转密封安装在飞轮同步稳定密封架12环形的内侧或外侧，气体活动密封安装在飞轮同步稳定密封架12环形的下端面；还可以将气体旋转密封装置和气体活动密封装置安装在飞轮同步稳定密封架12环形内侧或外侧的相同侧面，但气体旋转密封装置在气体活动密封装置上部；还可以将气体旋转密封装置安装在飞轮同步稳定密封架12外环上端面等多种方案。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，包括飞轮储能系统、飞轮、转子轴、飞轮室，其特征在于，所述飞轮中部的转子轴通过轴承安装在飞轮室上，转子轴底部通过轴承安装有飞轮同步稳定密封架，飞轮同步稳定密封架呈环形，飞轮同步稳定密封架中部为透气结构，飞轮同步稳定密封架与飞轮室之间安装有气体活动密封装置，所述飞轮下部与飞轮同步稳定密封架上部设有固定架，所述固定架与飞轮固定，固定架与飞轮同步运动，所述固定架与所述飞轮同步稳定密封架之间安装有气体旋转密封装置，所述飞轮同步稳定密封架上还设有防转动装置，飞轮同步稳定密封架与飞轮同步振动且飞轮同步稳定密封架不随飞轮转动，且飞轮室底部的密闭空间通过管道与空气压缩机连通。

2.根据权利要求1所述的一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，其特征在于：所述气体活动密封装置为密封圈，该密封圈设在飞轮同步稳定密封架环形周边，密封圈与飞轮室内壁连接，该密封圈具有防转动作用以及气体密封作用。

3.根据权利要求1所述的一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，其特征在于：所述防转动装置为飞轮室底部设置的止转台，止转台固定在地面上，止转台上端固定有弹性的止转垫，止转垫夹在飞轮同步稳定密封架与止转台之间，飞轮同步稳定密封架通过与止转台间摩擦不随飞轮转动。

4.根据权利要求1所述的一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，其特征在于：所述气体活动密封装置为不透气的柔性密封片，柔性密封片的一侧连接在飞轮同步稳定密封架的环形周边上，柔性密封片的另一侧固定在飞轮室壁上，柔性密封片将飞轮同步稳定密封架与飞轮室壁之间密封。

5.根据权利要求1所述的一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，其特征在于：位于飞轮下方的飞轮室底部设有可调节支撑装置，可调节支撑装置推动飞轮向上运动，飞轮室底部的密闭空间充气后，可调节支撑装置下行与飞轮分离。

6.根据权利要求5所述的一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，其特征在于：所述可调节支撑装置为支撑块式可调节支撑装置或者升降式可调节支撑装置，支撑块式可调节支撑装置包括轮子、驱动器、垫板和支撑块，且驱动器驱动支撑块的轮子在垫板上移动。

7.根据权利要求1所述的一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，其特征在于：所述飞轮包括金属转子与非金属转子，所述飞轮靠近转子轴中部为金属转子，金属转子外侧嵌套多层不同材料非金属转子。

8.根据权利要求1所述的一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，其特征在于：固定架为固定稳定密封架或高精度转子片,固定稳定密封架呈环形，固定稳定密封架中部为透气结构，所述固定稳定密封架与所述飞轮的最底端密封连接。

9.根据权利要求1所述的一种同步稳定密封架式气垫飞轮储能装置，其特征在于：气体旋转密封装置为迷宫式汽封、刷式汽封或接触式汽封。