DE19714549A1

DE19714549A1 - Vakuumgehäuse für ein Schwungrad für hohe Drehzahlen

Info

Publication number: DE19714549A1
Application number: DE1997114549
Authority: DE
Inventors: Frank Dr Taeubner
Original assignee: Wtz Motoren & Maschforsch GmbH
Current assignee: Wtz Motoren & Maschforsch GmbH
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2017-04-10
Also published as: DE19714549C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuumgehäuse für Schwungräder für hohe Drehzahlen, wobei die Schwungräder zur Energiespeicherung dienen.

Es wurde bereits ein Schwungrad für hohe Drehzahlen vorgeschla gen, mit dem es gelingt, große Energiemengen aufzunehmen und zu speichern (DE-PS 196 51 668.4).

Damit die Speicherung der auf genommenen Energiemenge möglichst verlustfrei erfolgt, muß die Reibung mit der das Schwungrad umgebenden Luft gering gehalten werden.

Es wurde bereits ein Gehäuse für ein Metallschwungrad bekannt, wobei das Gehäuse aus einem Zylinder besteht, der wiederum einen Spalt aufweist. Mit dieser Anordnung sollte erreicht werden, daß durch die Rotation des Schwungrades sich ein Unterdruck im Gehäuse einstellt (DE-PS 20 51 108).

Nachteil dieses Vorschlages ist, daß keine hohen Drehzahlen des Schwungrades und damit nur ein geringes Vakuum erzielt werden konnten.

Ferner wurde ein komplettes Schwungradspeichersystem bekannt, wobei die Schwungradwelle zur Erzeugung eines Vakuums mit einer Vakuumpumpe ausgestattet ist (DE-PS 35 35 394).

Ebenso wurde ein Schwungradspeichersystem bekannt, bei dem die Schwungradwelle benutzt wird, um daran Schaufeln einer Turbomole kularpumpe anzubringen (US-PS 54 62 402).

Nachteile der beiden vorgenannten Vorschläge sind, daß sich die im Gehäuse befindlichen Gasmoleküle durch die Drehung des Schwungrades an die Gehäuseinnenwand gedrückt werden, so daß die jeweils mittig im Gehäuse angeordnete Vakuumpumpe nur einen geringen Wirkungsgrad erreicht. Im übrigen ist die Größe des zu erzielenden Vakuums durch die Leistungsfähigkeit der Vakuum pumpe begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vakuumgehäuse für Schwungräder für hohe Drehzahlen vorzuschlagen, das kosten günstig und einfach herzustellen ist und einen möglichst geringen Energieverlust des Schwungrades gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Vakuumgehäuse hat eine glockenartige Form, wobei an den dem Schwungrad zugewandten Innenseiten Stege ange bracht sind, die einen Winkel von 10°-45° in Drehrichtung des Schwungrades mit der Fläche bilden, auf der die Drehachse des Schwungrades senkrecht steht.

Erfindungsgemäß weist das Vakuumgehäuse an seinem unteren Ende einen umlaufenden ringförmigen Raum auf, der seinerseits mit einer Vakuumpumpe verbunden ist. Zwischen dem umlaufenden ring förmigen Raum und dem Innenraum des Gehäuses sind Leitschaufeln angebracht, die einen Winkel von 5°-20° in der Drehrichtung des Schwungrades mit der Fläche bilden, auf der die Drehachse des Schwungrades senkrecht steht. Erfindungsgemäß wird der Ab stand zwischen Gehäuseinnenwand und Schwungrad so gewählt, daß er kleiner als ein Fünftel des größten Durchmessers des Schwung rades ist. Anstelle einer Vakuumpumpe kann in den umlaufenden ringförmigen Raum ein Absorptionsmaterial zur Aufnahme der Gasmo leküle eingebracht werden.

Wenn das Schwungrad schnell rotiert, werden die im Vakuumgehäuse noch verbleibenden Gasmoleküle beim Auftreffen auf die Schwung radoberfläche stark in tangentialer Richtung beschleunigt. Sofern keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden, würden diese Gasmo leküle nun ziellos zwischen den Wänden und dem Schwungrad pendeln und dabei die Energie des Schwungrades langsam reduzieren.

Durch die entsprechend der Erfindung geformten Wände des Gehäuses wird vorteilhafterweise erreicht, daß die Bewegung der Gasmolekü le sowohl auf der Außenseite, als auch in der Innenseite des Schwungrades eine Vorzugsrichtung bekommt. Die Moleküle bewegen sich dadurch spiralförmig nach unten. Diese Vorzugsrichtung entsteht durch die spezielle Form des Gehäuses und der daran angebrachten Stege.

Nachdem die Gasmoleküle das untere Ende des Schwungrades erreicht haben, treten sie ohne Behinderung durch den Kranz der Leitschau feln. Dabei ist in jedem Fall die richtige Drehrichtung des Schwungrades einzuhalten. Die Drehrichtung muß so festgelegt werden, daß die vom Schwungrad beschleunigt sich nach unten bewegenden Gasmoleküle ohne anzustoßen durch den Kranz der Leit schaufeln hindurchtreten können.

In der unteren Kammer des Vakuumgehäuses wird die Bewegung der Gasmoleküle durch Stöße an den Wänden und Stöße untereinander abgebremst. Da jedoch die Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, daß die Gasmoleküle in die entgegengesetzte Richtung reflektiert werden, bleiben sie in dem unteren Begrenzungsteil des Gehäuses.

Die Wirkung der Anordnung besteht nun darin, daß durch die Rota tion des Schwungrades der Druck in der Umgebung des Schwungrades abgesenkt wird und der Druck im unteren Begrenzungsteil sich erhöht. Sofern das im unteren Begrenzungsteil vom Schwungrad hineingepumpte Gas mit einer geeigneten Vorvakuumpumpe abgesaugt wird, kann die Gasreibung für das Schwungrad wesentlich weiter gesenkt werden, als das bei einem Vakuumgehäuse nach dem Stand der Technik mit der gleichen Pumpe der Fall ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch das Vakuum gehäuse mit Schwungrad.

Dabei sind
1 Schwungrad
2 Metallnabe des Schwungrades
3 oberes Lager, hier als Kugellager ausgeführt
4 unteres Lager, hier auch als Kugellager ausgeführt
5 Läufer des Motorgenerators, hier als Permanentmagneten ausgeführt
6 Ständerwicklung des Motorgenerators
7 Flüssigkeitskühlung des Motorgenerators
8 Stege an der inneren Gehäusewand
9 innere Gehäusewand
10 Stege an der äußeren Gehäusewand
11 äußere Gehäusewand
12 Kranz aus Leitschaufeln
13 umlaufender ringförmiger Raum
14 Stutzen Vakuumpumpe

Das hierbei verwendete Schwungrad 1 besteht aus einem Grafit-Epo xidharz-Verbund und ist in der Erfindungsmeldung Aktenzeichen 196 51 668.4 beschrieben. Dieses Schwungrad sitzt auf einer Metallnabe 2, die in einem oberen Kugellager 3 und einem unteren Kugellager 4 geführt wird. Das Schwungrad wird durch einen Motor generator beschleunigt oder abgebremst. Der Motorgenerator ist im Gehäuse integriert und besteht aus einem Läufer mit Permanent magneten 5, die in einer Wicklung 6 laufen. Zur Abführung der Verlustwärme des Motorgenerators ist eine Flüssigkeitskühlung 7 vorgesehen.

Das Gehäuse besteht aus mehreren Formteilen, damit ein einfacher Zusammenbau möglich wird. Die Form des Gehäuses wurde so geschaf fen, daß der Abstand von den Gehäusewänden zum Schwungrad überall möglichst 10 bis 20 mm beträgt.

Weiterhin wurden an der Außenwand des Gehäuses 11 innen, das heißt, dem Schwungrad zugewandt, spiralförmig verlaufende Stege 10 angebracht. Die Stege haben eine Höhe von 5 bis 15 mm. Der Abstand zwischen zwei Stegen beträgt 20 bis 40 mm. Die Ansicht der Stege ähnelt einem Gewinde. Die Steigung wurden zu 20° bis 30° gewählt.

Auf der Außenseite der inneren Gehäusewand 9 sind in gleicher Weise Stege 8 angebracht. Deren Richtung und Steigung stimmt mit den Stegen auf der Außenwand überein. Die Stege dienen sowohl der Führung des Gasströmung als auch der Stabilisierung des Gehäuses gegen den äußeren Luftdruck.

Der untere Teil des Vakuumgehäuses wird durch eine ringförmige Kammer 13 gebildet. Diese Kammer ist durch einen Kranz aus Leit schaufeln 12 vom Schwungradgehäuse abgeschirmt. Die Leitschaufeln 12 haben eine Steigung von 10° und sind stromlinienförmig gestal tet. Als Vakuumpumpe wird eine zweistufige Drehschieberpumpe an dem Vorvakuumflansch 14 angeschlossen. Damit läßt sich in der unteren Kammer ein Vakuum von < 0,1 mbar und besser erzeugen. Durch die Rotation des Schwungrades wird das Vakuum im Gehäuse um den Faktor 10 bis 1000 je nach Drehzahl und Durchmesser ver bessert.

Sofern durch geeignete Maßnahmen, wie zum Beispiel das Ausheizen der Anlage und die Herstellung des Faserverbundes im Vakuum, eine geringe Leckrate der Anordnung gewährleistet werden kann, ist es möglich, das Vakuum durch ein in der Kammer 13 eingebrach tes Absorbermedium aufrecht zu erhalten. Dann kann die Anordnung ohne Vorvakuumpumpe auskommen.

Claims

1. Vakuumgehäuse für ein Schwungrad für hohe Drehzahlen, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuumgehäuse eine glockenartige Form aufweist, daß sich an dem unteren äußeren Ende des Vakuumgehäuses ein umlaufender ringförmiger Raum (13) befindet, der seinerseits mit einer Vakuumpumpe (14) verbunden ist und daß zwischen dem umlaufenden ringförmigen Raum (13) und dem Innenraum des Gehäuses Leitschaufeln (12) angeordnet sind, die einen Winkel von 5°-20° in Drehrichtung des Schwungrades (1) mit der Fläche bilden, auf der die Drehachse des Schwungrades (1) senkrecht steht.

2. Vakuumgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dessen dem Schwungrad (1) zugewandten Innenwänden (9, 11) Stege (8, 10) angebracht sind, die einen Winkel von 10°-45° in Dreh richtung des Schwungrades (1) mit der Fläche bilden, auf der die Drehachse des Schwungrades (1) senkrecht steht.

3. Vakuumgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Gehäuseinnenwand (9, 11) und dem Schwungrad (1) so gewählt wird, daß er kleiner als ein Fünftel des größten Durchmessers des Schwungrades (1) ist.

4. Vakuumgehäuse nach Anspruch 1 + 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich im umlaufenden ringförmigen Raum (13) ein Absorptionsmateri al zur Aufnahme der Gasmoleküle befindet.