DE2540625A1 - Vorrichtung zur speicherung kinetischer energie - Google Patents

Vorrichtung zur speicherung kinetischer energie

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DE2540625A1
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flywheel
flywheel body
stress distribution
discs
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Pending
Application number
DE19752540625
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English (en)
Inventor
Peter Dipl Ing Dammann
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Oerlikon Barmag AG
Original Assignee
Barmag Barmer Maschinenfabrik AG
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/30Flywheels

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Description

  • Vorrichtung zur Speicherung kinetischer Energie"
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Speicherung kinetischer Energie, bestehend aus einem um eine feste Achse drehbar gelagerten Rotationskörper, der aus einzelnen in axialer Richtung aneinandergereihten, kreisringförmigen Scheiben gleicher Dicke und gleichen Durchmessers zusammengesetzt ist.
  • Mechanische Energiespeicher, deren Speicherwirkung auf der kinetischen Energie eines um eine ortsfeste Achse rotierenden Körpers beruht, sind seit langem bekannt. Als Energiespeicher wurden Vollscheibenmit oder ohne Bohrung, meist aus Stahl oder Holz, verwendet. In neuerer Zeit wurden aus führliche Untersuchungen im Rahmen der Energieverknappung und der Umweltbelastung an Schwungrädern durchgeführt. Aufgrund dieser Untersuchungen wurden spezielle Bauformen für die Schwungräder entwickelt. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Schwungradanlagen unter Vakuum zu betreiben, um die Verluste durch Luftreibung zu unterdrücken.
  • Die Leistungsfähigkeit eines Schwungrades läßt sich durch das Energiegewicht und das Energievolumen beurteilen.
  • Unter Energiegewicht ist die pro Gewichtseinheit speicherfähige Energiemenge zu verstehen, wobei bei der Berechnung des Gewichtes neben dem Schwungradgewicht auch das Gehäusegewicht mit zu berücksichtigen ist. Das Energievolumen ist als die pro Volumeneinheit speicherfähige Energiemenge zu definieren, wobei als Volumen das umhüllende Volumen einzusetzen ist.
  • Die in den US - Patentschriften 3 672 241, 3 698 262 und 3 737 694 vorgeschlagenen Bauformen besitzen nur eine geringe Energiespeicherfähigkeit wegen ihrer schlechten Volumenfüllung (Radvolumen/bestrichenes Volumen). Sie eignen sich deshalb schlecht zum Einsatz in mobilen Anlagen, beispielsweise straßen- und/oder schienengebundene Fahrzeuge. In der US - PS 3 788 162 werden Bauformen für Schwungräder beschrieben, die aus winkelversetzten laminierten Fadenebenen aufgebaut sind.
  • Die Fadenebenen bestehen hierbei aus parallel gelegten Einzelfäden. Diese Fadenebenen werden am günstigsten zu einer Scheibe gleicher Festigkeit zusammengesetzt, da hierbei eine optimale Ausnutzung der Werkstoffestigkeit stattfindet.
  • Diese Ausbildungsform besitzt - besonders bei Hintereinanderschaltung einzelner Scheiben auf einer gemeinsamen Welle -ein ungünstiges Energievolumen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine optimale Ausnutzung der Festigkeitseigenschaften eines isotropen Werkstoffes gestattet, ohne dabei zu einer schlechten Voluffienfüllung zu gelangen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rotationskörper das aus einer Anzahl gleichsinnig hintereinander geschalteter, flachgekrümmter Scheiben besteht.
  • Der Krümmungsradius der einzelnen Scheiben ist so auszulegen, daß sich bei Betriebsdrehzahl ein Zustand gleicher Festigkeitsbeanspruchung an allen Stellen der Scheiben einstellt. Aufgrund dieser Anordnung läßt sich ein Schwungrad schaffen, das bei Verwendung isotroper Werkstoffe ein hohes Energiegewicht (speicherfähige Energiemenge bezogen auf das Gesamtgewicht)bei gleichzeitig optimaler Volumenfüllung erreicht. Die einzelnen, zum Aufbau des Schwungrades benötigten Scheiben lassen sich relativ einfach ohne großen maschinentechnischen Aufwand herstellen, beispielsweise durch Drücken bzw. kreisförmiges Walzen oder Flachwalzen mit nachfolgendem Formprägen. Durch die geringe notwendige Wandstärke der einzelnen Scheiben läßt sich eine hohe Festigkeit erreichen. Ferner ist dadurch eine gute Kontrolle der Werkstoffqualität möglich, so daß eine hohe Sicherheit gegen Zerstörung durch Bruch während des Betriebes gegeben ist. Aufgrund der vorteilhaften Aneinanderreihung einzelner Scheiben läßt sich das Schwungrad an unterschiedliche Größen-und Leistungsanforderungen feinstufig anpassen. Als Einsatzgebiet eignen sich sowohl mobile als auch ortsfeste Anlagen.Das Energiegewicht läßt sich bei dieser Anordnung bei gleichem umhüllendem Volumen gegenüber der Stahlscheibegleicher Festigkeit um rund 95% steigern.
  • Bei der Verwendung einer größeren Anzahl einzelner Scheiben wird in einer erfindungsgemäßen Weiterbildung vorgesehlagen, den Rotationskörper aus zwei koaxial hintereinander angeordneten und gegensinnig geschalteten Paketen aufzubauen, die jeweils aus einer Anzahl gleichsinnig hintereinandergeschalteter, flachgekrümmter Scheiben bestehen, wobei zwischen den Paketen ein bikonvexgeformter Hohlraum entsteht. Dadurch wird ein im wesentlichen geschlossener und symmetrischer Rotaionskörper gebildet, so daß sich ein günstigeres Anlaufverhalten bis zum Erreichen der Betriebsdrehzahl einstellt.
  • Um bei diesem so aufgebauten Rotationskörper das Energievolumen zu optimieren, wird gemäß Anspruch 3 vorgeschlagen, in dem von den zwei Paketen gebildeten Hohlraum einen massiven Zwischenkörper einzubringen. Dieser Zwischenkörper erhält durch die Form des Hohlraumes die Kontur eines Körpers gleicher Festigkeit, so daß das so gebildete Schwungrad sowohl ein großes Energiegewicht wie auch ein großes Energievolumen besitzt.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Es stellen dar: Fig. 1: einen Querschnitt eines gemäß der Erfindung aufgebauten Schwungrades; Fig. 2: einen Querschnitt durch eine einzelne Scheibe.
  • In Fig. 1 wird das Schwungrad zwischen den festen, drehbar gelagerten Wellenzapfen 1 und 2, deren dem Schwungrad zugewandten Ende als Flansch ausgebildet ist, durch nicht dargestellte Befestigungselemente befestigt. Das Schwungrad ist aus zwei zueinander gegensinnig, koaxial ihrer Rotationsachse angeordneten Scheibenpaketen aufgebaut. Jedes Scheibenpaket besteht aus den flachgekrümmten Scheiben 3.Die einzelnen Scheiben 3 bestehen beispielsweise-wie in Fig. 2 dargestellt -aus einzelnen parallel zueinander angeordneten, fadenförmigen Elementen, deren Verband durch einen geeigneten Matrix-Werkstoff gewährleistet wird. Als Alternative zu diesem quasiisotropen Werkstoff, zu dem auch Schichtholz gezählt werden kann, bieten sich die isotropen Werkstoffe wie Stahl, Titan, Berillium, Aluminium - Legierung oder andere Knetlegierungen an. Der zwischen den beiden Scheibenpaketen vorhandene bikonvex geformte Hohlraum wird von einem massiven Zwischenkörper 4 ausgefüllt, dessen Oberfläche der Form des Hohlraumes angepaßt ist.
  • Bei Rotation einer ebenen Scheibe gleicher Dicke entsteht ein progressiver Anstieg der Radial- und Tangentialspannungen nach innen.Ist diese Scheibe aus einzelnen konzentrisch zueinander angeordneten Ringen ohne Radialverbund aufgebaut, so nimmt umgekehrt die Tangentialspannung mit dem Quadrat des Radius nach außen zu. Durch das Aufbringen einer bestimmten flachen Krümmung auf eine dünne Scheibe gleicher Dicke ist ein Radialverbund gegeben, bei dem für alle Ring zonen gleiche Vergleichsspannungen der zweiachsigen Spannungszustände bei Rotation der Scheibe,erreicht werden kann, weil sich durch Aufweiten der flachen Krümmung gegen die Scheibenebene geometrische Durchmesserverformungen einstellen; das bedeutet, die radial angreifenden Fliehkräfte bilden Kraftkomponenten senkrecht zur gekrümmten Scheibenfläche, so daß dadurch die Scheibe flacher verformt wird und eine Vorspannung aufgeprägt erhält, die die primäre Spannungsverteilung der ebenen Scheibe ausgleicht. Dabei ist es entscheidend, daß die Vorspannung sekundär aus dem Aufbau der Fliehkraftbelastung selbst entsteht. Durch Variation der Krummungsformen lassen sich auch andere Spannungsverteilungen einstellen, beispielsweise geringere Spannungen im Befestigungsbereich der Welle. Die notwendige Krümmung richtet sich nach der Betriebsdrehzahl der Vorrichtung.

Claims (3)

  1. Patentansprüche 1.).Vorrichtung zur Speicherung kinetischer Energie, bestehend aus einem um eine feste Achse drehbar gelagerten Rotationskörper, der aus einzelnen in axialer Richtung aneinandergereihten, kreisringförmigen Scheiben gleicher Dicke und gleichen Durchmessers zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper aus einer Anzahl gleichsinnig hintereinander-geschalteter, flachgekrümmter Scheiben besteht.
  2. 2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper aus zwei koaxial hintereinander angeordneten und gegensinnig geschalteten Paketen aufgebaut ist, die jeweils aus einer Anzahl gleichsinnig hintereinandergeschalteter,flachgekrümmter Scheiben bestehen, wobei zwischen den Paketen ein bikonvex - geformter Hohlraum gebildet ist.
  3. 3.) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum ein massiver Zwischenkörper angeordnet ist.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0145182A1 (de) * 1983-10-22 1985-06-19 The British Petroleum Company p.l.c. Schwungrad zum Speichern von Energie
US5692414A (en) * 1994-12-23 1997-12-02 Hughes Aircraft Company Flywheel having reduced radial stress
US5816114A (en) * 1995-12-06 1998-10-06 Hughes Electronics Corporation High speed flywheel
FR2910738A1 (fr) * 2006-12-20 2008-06-27 Dominique Mareau Dispositif de stockage d'energie cinetique en couches cloisonnees

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