DE3535394A1 - Schwungrad-energiespeichereinrichtung - Google Patents

Description

USSN 679,38.0

AT; 7.12. 1984

11875 Dr.v.B/Schä/68

ISOREG COiPORATION 410 Great. Road, . Littleton,-Ma. ttxs >-

Schwungrad-Energiespeichereiiiriohfung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schwungrad-Energiespeichereinrichtung ; gemäß dem.. Oberbegriff des Patentanspruchs 1. : _:

Schwungräder zur kinetischen Energiespeicherung sind schon seit einer Anzahl von Jahren bekannt. In der Praxis haben sie sich jedoch, hauptsächlich aus KostengrUnden, nicht in größerem Umfang durchsetzen können. Es ist zwar gelungen, die Kosten für solche Energiespeichereinrichtungen durch/ die Verwendung von neuar-, tigen Materialien und Konstruktionen; allrticihlich herabzusetzen, für eine breitere kommerzielle Anwendung der Schwungrad-Energiespeicherung waren bisher jedoch noch erhebliche Verbesserungen er f order Ii ein.

Der Betrag der in einem Schwungrad gespeicherten Energie hängt ■. von der Masse des;, Schvungradrotors und dem Quadrat der .Geschwindigkeit,: mit der die Masse rotiert, ab. Da die Geschwindigkeit mit dem Abstand von der Drehachse zunimmt, nimmt die in einer gegebenen Masse gespeicherte Energie mi-1 Ihrem Abstand

ORIGINAL INSPECTED

von der Drehachse zu. Für eine vorgegebene Drehzahl ist es daher am effektivsten, die Rotormasse im größtmöglichen Abstand von der Drehachse zu konzentrieren, um ein Maximum an Energiespeicherung zu erreichen. Aus diesem Grunde verwendet man im allgemeinen Schwungradrotoren mit verhältnismäßig schweren äußeren Rotorfelgen oder ⁱ -ringen, die mit einer zentralen Nabe durch relativ leichte Speichen verbunden sind.

Die Größe des Schwungrades wird andererseits im allgemeinen durch die Größe des zur Verfügung stehenden Raumes beschränkt. Bei einem vorgegebenen Betrag an gespeicherter Energie muß ein kleines Schwungrad schneller rotieren als großes Schwungrad, was zu einer höheren Beanspruchung des Schwungrad-Rotors führt. Der Betrag an Energie, der in einem Schwungrad gespeichert werden kann, ist daher durch die Fähigkeit der Schwungradstruktur begrenzt, die beträchtlichen Beanspruchungen aushalten zu können, die in einer schnell um eine Achse rotierenden Masse auftreten.

Ein rotierender Schwungrad-Rotor übt auf die Achse, um die er umläuft, eine Kraft aus. Die resultierende Kraft hängt vom Trägheitsmoment und von der Winkel-« geschwindigkeit des Rotors ab. Da jede bewegte Masse dazu strebt, sich geradlinig fortzubewegen und nicht längs eines Kreises um eine Achse, würde die Rotormasse ohne die entgegenwirkende Zentripetalkraft, die durch die Speichen auf den Felgenring ausgeübt wird, und ohne die Widerstandsfähigkeit der Felgenstruktur selbst geradlinig weggeschleudert werden. Die Zentripetalkraft hält die Schwungradfelge an der Nabe. Da die resultierende Schwungradrotorkraft von der Drehzahl und der Masse des Rotors abhängt, muß eine größere Zentripetalkraft aufgewendet werden, um den Rotor zusammenzuhalten, wenn die Drehzahl und/oder die;. Masse des Rotors vergrößert werden.

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Während der Beschleunigung und des Abbremsens des Schwungrades treten im Schwungradrotor zusätzliche Beanspruchungen auf. Diese .Beanspruchungen, die ihre Ursache in der relativen Trägheit und dem Moment der Felge und der Nabe haben, können dazu führen, daß die Schwungradspeichen, die ja schon durch die Zentripetalkraft stark beansprucht sind, reißen.

Die begrenzte Fähigkeit der bekannten Schwungradkonstruktionen, den durch diese Kräfte verursachten physikalischen Beanspruchungen zu widerstehen, hat die Größe, die Drehzahl -und die Anwendungen von Schwungrädern stark eingeschränkt. Man hat in jüngerer Zeit versucht, diese Probleme durch Schwungradkonstruktionen zu lösen, bei denen Teile des Schwungrades aus Faserwerkstoffen bestehen, um' die hohe Zugfestigkeit dieser Materialien im Vergleich zu amorphen oder kristallinen Werkstoffen hoher Dichte, wie Gußstahl, auszunutzen. Glas-, Aramid— und Kohlefasern sowie Stahldrähte sind einige der Fasermaterialien, die für Schwungradstrukturen in Betracht gezogen wurden. Diese Materialien niedriger Dichte, bei denen das Verhältnis von Festigkeit zu Masse hoch ist, ermöglichen hohe SchwungradcLrehzahlen während gleichzeitig die Gefahr eines Auseinanderbr^chens durch die rotationsbedingten Beanspruchungen verringert wird. Diese Materialien vermögen jedoch keinen größeren Querbeanspruchungen standzuhalten. Dies ist einer der Gründe, warum Schwungradkonstruktionen mit solchen Materialien nicht völlig zufriedenstellend arbeiten und keine ausreichende Lebensdauer bei hohen Drehzahlen haben, "■ - ■-.

Durch die vorliegende Erfindung soll dementsprechend eine Faserwerkstoffe enthaltende Schwungradenergiespeichereinrichtung angegeben werden, die den bei hohen Drehzahlen auftretenden Beanspruchungen besser standzuhalten vermag als die bekannten Einrichtungen dieser Art.

Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst. ■

Durch die Erfindung wird eine Schwungrad-Energiespeichereinrichtung angegeben, die eine gewickelte Faserfilament-Nabe und flexible Faserfilament-Speichen enthält.

Bei der Schwungrad-Energiespeichereinrichtung werden auf die Nabe nur Druckkraft ausgeübt, so daß sehr hohe Drehzahlen zulässig sind, ohne daß die Gefahr von Brüchen durch Materialermüdung auftritt. Man kann also vorzugsweise für den Felgenring und die Speichen Monofilament-Fasern verwenden und die Fasern so anordnen, daß sie in erster Linie Zugkräften und, wenn überhaupt, nur minimalen Scherungskräften ausgesetzt werden.

Die Faserfilament-Speichen sind an einer zweistüekigen Nabe angebracht. Die Nabenhälften sind an einer zentralen Welle angebracht, so daß sie sich mit dieser um eine Achse drehen, sie vermögen sich jedoch zwischen vorgegebenen Anschlägen axial längs der Welle zu bewegen« Vorzugsweise werden die Nabenhälften anfänglich durch Federn aus der durch die Felge gehenden, zur Welle senkrechten Ebene herausgedrückt.

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Um die Beanspruchung der Schwungrad-Ipeichen während der Beschleunigung, des Abbremsens und der Rotation mit hoher Drehzahl so gering wie.möglich zu halten, vermögen die .Nabenhälften; unter d£r Einwirkung der drehzahlbedingten Kräfte, die auf sie durch die Speiehen ausgeübt werden, aufeinander zu, -^u gleiten, so daß die Speichen im Effekt verlängert und dadurch die Speichenbeanspruchung direkt " verringert wird. Die Beanspruchung der Nabe und der Speichen wird ferner indirekt durch die resultierende generelle Verringerung der in der Struktur übertragenen Kräfte herabgesetzt.

B.ei einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Schwungrad-Energiespeichereinrichtung außerdem ein das Schwungrad einschließendes Gehäuse. Das Gehäuse dient in erster Linie dazu, Verunreinigungen vom Schwungrad sowie bei einem Versagen des Schwungrad-Rotors die im Schwungrad gespeicherte Energie aufzunehmen. Zu diesem Zweck enthält das Gehäuse einen Ablenk-Schirm und ein wasserhaltiges Material. Wenn der Schwüngradrotor auseinanderfliegt, bewirkt der Ablenk-Schirm, daß der Schwungrad-Rotor zwangsweise mit dem wasserhaltigen Material in Berührung kommt. Die Reibung des rotierenden Schwungrades bewirkt, daß sich in dem wasserhaltigen Material Dampf entwickelt. Die Rotationsenergie des Schwungrades wird auf diese Weise durch Umwandlung in Wärmeenergie effektiv absorbiert.

Ein weiteres Merkmal einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verwendung der Schwungrad-Rotorwelle als Pumpvorrichtung zur Evakuierung des das Schwungrad einschließenden Gehäuses, wodurch die Luftreibüng des Schwungradrotors herabgesetzt wird. Während der Rotation wird dabei Luft durch die Welle aus dem Gehäuse nach außen transportiert und das Gehäuse dadurch evakuiert.

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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden auch noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen«

Es zeigen: ·

Fig. T eine teilweise geschnittene Ansicht eines Schwungrad-Rotors und eines diesen einschließenden Gehäuses; ■

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Schwungrad-Rotors gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt des Felgenringes und der Nabe des Rotors gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Felgenring des Schwungrad-Rotors gemäß Fig. 3, wobei die Nabe, die Welle und der größere Teil der Speichen weggelassen ist;

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles des Felgenringes und der Nabe eines Schwungrades;

Fig. 6 einen Querschnitt eines Teiles einer Schwungrads nabe;

Fig. 7 eine axonoineirische, teilweise geschnittene Ansicht einer Schwungrad-Welle; ·

Fig. 8 ein Querschnitt in einer Ebene 8-8 der Fig. 7 und

Fig. 9 eine axonomeirische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Schwurt gradwelle gemäß

Fig. 7 und 8, _;- ~ - Γ . -

Fig. 1 zeigt eine Schwungrad-Energiespeichereinrichtung 10, welche einen Schwungrad-Rotor 30 und ein diesen einschließendes Gehäuse 20 enthält. Der Rotor 30 ist über eine Welle 28 mit einem Antrieb und einer leistungsaufnehmenden Einrichtung, wife- einem Elektromotor (nicht dargestellt) und einem Generator (ebenfalls nicht dargestellt) verbunden. ; Der Antrieb dient dazu, das - Schwungrad in Rotation zu versetzen, wenn die Einrichtung mit einer äußeren teistungsversorgung verbunden ist. Das Drehmoment des Schwungrades wird, auf diese Weise zur Speicherung von Energie verwendet. Wenn die gespeicherte Energie benötigt wird, setzt der Generator die gespeicherte Rotationsenergie wieder in elektrische Energie um.

Die Energie wird im Schwungrad-Rotor gespeichert, der eine Rotorfelge oder einen Rotor-Felgenring 32, Speichen 22 und Nabenteile ;24, 26 enthält. Der Felgenring 32 des Schwungrad-Rotiors ist durch die Speichen 22 mit den Nabenteilen 24 und 26 verbunden. Die Nabenteile 24, 26 sind drehfest auf einer Welle 28 montiert, so daß sie sich mit dieser drehen,- sie können jedoch innerhalb vorgegebener Positionen frei axial längs der Welle gleiten. Während der ,Rotation des Schwungrades können die Nabenteile 24 und 26 sich relativ frei aufeinander zu bewegen, so daß die Speichen effektiv verlängert werden und die Beanspruchung der Speichen verringert wird, die ihre Ursache in der Beschleunigung bzw. dem Abbremsen des Schwungrad-Rotors sowie rotationsbedingten Zentripetalkräften hat. Die Verlängerung der Speichen verhindert auch,

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daß die Speichen an den Befestigungspunkten am Felgenring schädliche Transversalkräfte auf den Felgen ring übertragen, die zu dessen Zerstörung führen könnten. Durch die beschriebene Maßnahme werden das Energiespeichervermögen und die Nutzungsdauer der Schwungradenergiespeichereinrichtung vergrößert.

Der Felgenring des Rotors und seine Anbringung an den Nabenteilen ist in den Figuren 2 bis 5 genauer dargestellt.

Der Felgenring 32 ist in erster Linie aus Monofilafasern 56 gefertigt. Die Fasern werden ausgehend entweder von einer einzigen Faser oder einem Faserbündel oder -strang zu einem Ring gewünschten Querschnittes gewickelt. Im Felgenring verlaufen die Fasern in Umfangsrichtung, um die hohe Zugfestigkeit des Materials auszunutzen. Diese Orientierung nutzt die Festigkeit des Faserwerkstoffs am besten aus, da die höchsten Beanspruchungen, die während der Rotation in der Felge auftreten, in gleicher Weise orientiert sind. "

Der Felgenring 32 hat einen eiförmigen Querschnitt, dessen stumpfes Ende sich am Außenumfang des Felgenringes befindet. Ein inneres Segment 58 des Felgenringes kann aus einem schwereren Werkstoff als die Fasern hergestellt werden, um die Gesamtmasse des Felgenringes und damit sein Energiespeichervermögen zu erhöhen. Das innere Segment 58, der "Ballast", kann also beispielsweise aus Blei oder einem anderen Material hoher Dichte bestehen. Das Gewicht des Ballasts muß jedoch sorgfältig kontrolliert werden, damit in den Fasern, die den Hauptteil des Felgenririges bilden, während des Betriebes des Rotors keine übermäßigen Beanspruchungen auftreten.

Die innere Peripherie des Felgenringes ist mit nach innen weisenden Höhlungen oder Ausnehmungen 60 (Fig. 4) versehen, die dazu dienen, den Schwungrad-Felgenring vor der Endmontage dynamisch auszuwuchten. Das dynamische Auswuchten geschieht durch selektives Einsetzen von Gewichten in die Ausnehmungen 60.

Der Felgenring wird zur Gänze mit einer dicht sitzenden elastischen Haut 62 überzogen. Die Haut besteht aus einem elastischen Material relativ hoher Zugfestigkeit, wie Silicongummi, das dazu beiträgt, die Fasern des Felgenringes zusammenzuhalten und eine verhältnismäßig weiche Grenzschicht zwischen dem Felgenring und den Speichen bildet. Dasselbe Material hoher Zugfestigkeit wird auch zwischen dem Ballast und dem Faserteil des Felgenringes vorgesehen, um zwischen diesen beiden Bereichen eine glatte elastische Fläche 63 zu bilden. Die weichen Grenzschichten oder Zwischenlagen zwischen den Felgenelementen verhindern weitestgehend Qüerbeanspruchungen der Filamentfasern an diesen Grenzflächen.

Die Speichen 22 sind jeweils schleifenförmig um den Felgenring 32 des Rotors geführt und umschlingen teilweise eine Nabenhälfte 24, 26 bevor sie wieder zum Nabenring zurückgeführt sind. Die Speichen alternieren derart zwischen dem unteren Nabenteil 26 und dem oberen Nabenteil 24, daß der Felgenring axial äquidistant zwischen den Nabenhälften oder -teilen 24, 26 zentriert wird. Zum Wickeln jeder Speiche wird ein einziges Faserfilament verwendet, dies erhöht die Festigkeit der Speichen dadurch erheblich, daß das Verbinden der Fasern unnötig wird und entfällt. Die Anzahl der Speichen kann von Fall zu Fall verschie-

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den sein, je nachdem welche Festigkeit die Speichen haben müssen, was vom Durchmesser und der Masse des Felgenringes sowie der maximalen Schwungrad-Drehzahl abhängt.

Die Fasern, die die Speichen 22 bilden, sind längs ihrer Längsachse auf das Rotationszentrum des Schwungrades gerichtet, so daß sie mit der Richtung der Zentripetalkräfte zusammenfallen, die auf die Speichen wirken. In den Naben sind Nuten 72 (Fig. 5) vorgesehen, welche Sitze für die Speichen bilden. Die Nuten sind so angeordnet und ihre Tiefe variiert so, daß eine körperliche Berührung der Speichen verhindert wird, welche dort, wo die Speichen sich kreuzen, einen unerwünschten Querdruck auf die Fasern ausüben würde.

Da die Fasern aus einem flexiblen Werkstoff bestehen, wird während der Beschleunigung und während des Abbremsens eine gewisse Winkelbewegung zwischen dem Felgenring und den Naben zugelassen. Dies ermöglicht ein geringfügiges Aufwickeln bzw. Abwickeln der Speichen auf die bzw. von den Nabennuten während Beschleunigungs- und Abbremsperioden. Die Fähigkeit, sich auf die Nabe aufzuwickeln bzw. von dieser abzuwickeln, verringert die Verformung der Speichen bei unterschiedlicher Drehung der Felge und der Nabenteile.

Ein Nabenteil ist in Fig. 6 genauer dargestellt. Die Nabenteile 24, 26 können zwar längs der Längsachse der zentralen Welle 28 gleiten, sie sind jedoch auf der Welle 28 durch einen Nabenkeilabschnitt 78 und einen WeIlenkeilabschnitt 79 so positioniert, daß Nabenteil und Welle sich nicht gegeneinander verdrehen können. Die Nabenteile 24 und 26 werden durch Federn ausein-

andergedrückt und befinden sich in der Ruhelage außerhalb der Ebene, die senkrecht zur Welle 28 durch den Schwungrad-Rotor 30 geht. Die einander gleichen Nabenteile weisen jeweils einen inneren Hohlraum 64 auf, der einen Federabstandshalter 70 und zwei Schraubenfedern 66, 68 aufnimmt. Die Federn liegen an einer Rückwand 65 des Hohlraums 64 sowie einer Wellen-Mutter 84 an und erzeugen eine Kraft, die die Nabenteile aus der Ebene des Schwungrad-Felgenringes herausdrückt.

Wenn der Schwungrad-Rotor beschleunigt oder abgebremst wird, entstehen wegen der Trägheit des Felgenringes geringe Drehzahlunterschiede zwischen dem Felgenring und den Nabenteilen. Diese geringfügige Verdrehung des Felgenringes bezüglich der Nabe würde ohne die Wirkung der geteilten Nabe sehr hohe Beanspruchungen in den Speichen erzeugen. Die Nabenteile werden als Reaktion auf eine Verdrehung der Nabe bezüglich des Felgenringes durch die Speichen zur Wellen-Mutter 84 hin gezogen. Diese Bewegung der Naben wirkt als Stoßdämpfer und verleiht den Speichen eine größere effektive Länge, indem der Winkel zwischen den Speichen und der Felgenebene verringert wird. Die Bewegung der Nabenteile setzt also die Beanspruchung der Speichen herab, die sonst die Speichen über ihren Scherpunkt oder ihre Elastizitätsgrenze dehnen und dadurch die Lebenserwartung des Schwungrades herabsetzen würde. Jede Verdrehung der Nabenteile bezüglich der Felge wird also durch die Flexibilität der Speichen und die Axialbewegung der Nabe kompensiert.

Man beachte auch, daß der Felgenring des Schwungrads bei hohen Drehzahlen dazu strebt, sich auszudehnen und

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daß die Speichen der vorliegenden Einrichtung auch effektiv verlängert werden, wenn der Felgendurchmesser zunimmt, um eine Trennung der Felge zu verhindern. Wenn die Speichen durch die Dehnung der Felge nach außen gezogen werden, bewegen sich die Nabenteile aufeinander zu, so daß die Speichen effektiv verlängert werden und die Beanspruchung der Speichen herabgesetzt wird. Die durch die Kompression der Federn 66 und 68 entstehende Federkraft führt die Nabenteile wieder in ihre ursprüngliche Position zurück, wenn die Drehung des Schwungrades nachläßt.

Für die Herstellung der Nabenteile werden leichte Materialien bevorzugt, um das Gewicht des Schwungrades in dem für die Energiespeicherung relativ ineffizienten mittleren Bereich des Rotors zu verringern. Der Grund, warum die Nabenteile ohne Beeinträchtigung der Sicherheit aus einem relativ leichten Material, wie Aluminium, hergestellt werden können, besteht darin, daß die einzigen Kräfte, die bei der vorliegenden Einrichtung durch die Speichen auf die Nabenteile übertragen werden, Druckkräfte und keine Zugkräfte sind. Durch die vorliegende Konstruktion der Verbindung zwischen Nabe; und Speichen braucht man also keine Nabenstruktur zu verwenden, die Beschränkungen durch die Zug- oder Scherfestigkeit des Nabenwerkstoffes unterworfen ist.

Die Schwungradwelle 28 besteht aus zwei Stücken 80 und? 82, die durch die Wellenmutter 84 und einen Stift 85 zusammengehalten werden. Durch Evakuierung des einschließenden Gehäuses 20 (Fig. 1) kann das Schwungrad relativ frei von Luftreibung betrieben werden, wodurch die dynamische Reibung des Schwungrades verringert

wird. Damit im Gehäuse 20 ein verringerter Luftdruck aufrechterhalten werden kann, ist die Welle 20 des Schwungradrotors durch Druckdichtungen 34 .und 36, denen es sich um Magnetdichtungen handeln kann, luftdicht bezüglich des Gehäuses 20 (Fig. 1) abgedichtet.

Die Figuren 7 und 8 zeigen zwei Möglichkeiten, wie die Welle ausgestaltet und geformt werden kann, um die Luft aus dem Gehäuse zu entfernen, so daß keine externe Vakuumpumpe benötigt wird. Die Welle besteht aus einem inneren Bauteil 86 und einer äußeren Hülse oder einem Mantel 88. An einem im Gehäuse befindlichen Teil der Welle ist im äußeren Mantel 88 eine als eine Art von Schöpfkelle arbeitende Luftschaufel 90 gebildet. Die Luft tritt in das hohle Innere der Welle durch die Luftschaufel 90 ein und wird durch einen im inneren Bauteil 86 gebildeten Luftkanal 94 zu einem Luftauslaß-92 beschleunigt. Der Luftauslaß 92 befindet sich an einem außerhalb des Gehäuses gelegenen Teil der Welle.

Der holzbohrerförmige Luftkanal 94 hat einen Querschnitt, der sich von der Lufteintritts- oder Luftschaufelöffnung 90, wo er am größten ist, zum Auslaß 92, wo er am kleinsten ist, allmählich verringert. Diese Querschnittsverringerung bewirkt, daß die Luft auf ihrem Weg durch den Luftkanal zum Auslaß komprimiert wird, so daß der Luftdruck am Auslaß höher ist als der Umgebungsdruck. Dies hat zur Folge, daß die Luft aus der Welle durch den Auslaß 92 herausgedrückt wird, während sich der Luftdruck am Einlaß 90 verringert und Luft aus dem Gehäuse herausgefördert wird. Der Luftauslaß 92 kann auch mit einem selbsttätig arbeitenden Luftventil (nicht dargestellt) versehen werden, das

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verhindert, daß die Luft vom Auslaß zurück zum Einlaß strömt, wenn sich die Drehzahl des Schwungrades verringert. Wenn eine stärkere Pumpwirkuhg gewünscht wird, können zwei oder mehr bohrerförmige Luftkanäle vorgesehen werden, die parallel zueinander längs der Welle von einer entsprechenden Anzahl von schaufelartig wirkenden Lufteintrittsöffnungen zu einer entsprechenden Anzahl von Luftaustrittsöffnungen verlaufen.

Bei einer abgewandelten.Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 9 dargestellt ist, sind in einer Hohlwelle 100 in der Nähe eines Auslasses 109 mehrere Luftflügel 95 angeordnet, die schräg stehen oder gekippt sind, so daß sie wie Luftschraubenblätter arbeiten. Zwischen den Flügeln und einer innerhalb des Gehäuses 20 befindlichen, schaufelartig wirkenden Eintrittsöffnung 105 ist ein Luftkanal 103 vorgesehen. Die Flügel rotieren, wenn sich der Schaft dreht und saugen die Luft aus dem Gehäuse heraus.

Das Schwungradgehäuse enthält ferner eine Sicherheitsanordnung zum Zurückhalten von Schwungradtrümmern und zum Aufnehmen der Schwungradenergie, falls das Schwungrad bei der Rotation auseinanderfliegt. Schwungräder fallen gewöhnlich entweder durch Materialermüdung infolge schneller Wechselbeanspruchung der Felgen- und Speichenstruktur oder durch allmähliche plastische Dehnung der Felge aus. Das das Schwungrad einschließende Gehäuse 20 ist daher so geformt, daß eine auseinanderfliegende Schwungradfelge in ein Wasserlagermaterial abgelenkt wird. Zu diesem Zweck sind das einschließende Gehäuse 38 (Fig. 1 ) und ein in der Ebene des Rotors angeordneter Ablenkring 48 aus einem zähen Material, wie Stahl, hergestellt. Die Innenfläche 50 des Ablenkringes 48 ist gerippt oder hat eine anderweitig abrasive Textur, so daß die Felge 32 abgerieben wird,

wenn sie über einen gewissen Betrag hinaus expandiert oder exzentrisch wird und den Ablenkring berührt. Durch diesen Abrieb wird die Felge in eine weiche, formlose plastische Masse aus Fasern verformt, die längs des Ablenkringes herumgeschleudert wird, ohne notwendigerweise in Stücke zu zerbrechen. Dies ist deshalb wünschenswert, da dadurch die Bildung von harten Bruchstücken vermieden wird, die als gefährliche Geschosse wirken. Solche Bruchstücke und die sich hieraus ergebenden Gefahren sind typisch für den Ausfall von Schwungrädern, deren Felgenring aus Gußmaterial, wie Stahl oder auch aus einer Masse von Fasern, die mit einem Bindemittel, wie einem Epoxyharz, miteinander verbunden sind, bestehen. Der Mantel 38 des Gehäuses und der Ablenkring 48 streben in Kombination dazu, einen sich zerlegenden Felgenring nach unten in ein Wasserabschirmmaterial 52 abzulenken.

Die Wasserabschirmung 52 besteht aus einer metallischen oder keramischen Wabenstruktur, die eine beträchtliche Menge Wasser enthält. Das wasserhaltige Material 52 kann aus einem halbfesten Gel oder einem mit Wasser verlängerten Polyester bestehen. Mit Wasser verlängerte Polyester haben eine ähnliche Konsistenz wie Mörtel oder Gips, sie enthalten jedoch bis zu 75 % chemisch nicht gebundenes Wasser. Das Wasser wird aus der Wasserabschirmung freigesetzt, wenn diese vom auseinanderfliegenden Felgenring 32 durchschlagen wird. Die Reibung, die bei der Wechselwirkung des auseinanderfliegenden Schwungrades und dem Gehäuse sowie der Wasserabschirmung entsteht, wandelt die Rotationsenergie des Schwungrades in Wärme um, durch die die Temperatur des Wassers erhöht und dieses

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dadurch in Dampf verwandelt wird. Die Umwandlung des Wassers in Dampf verbraucht erhebliche Mengen von Energie und macht dadurch die gespeicherte Rotationsenergie des auseinanderfliegenden Schwungrad-Rotors unschädlich, wobei gleichzeitig eine Entzündung des Schwungradmaterials beim Auseinanderfliegen verhindert wird.

Der vom Wasserabschirmmaterial erzeugte Dampf füllt das Gehäuse und erzeugt in diesem einen Druck, der zur weiteren Abbremsung des Rotors beiträgt. Wenn der Druck im Gehäuse weiter ansteigt, öffnet ein Überdruckventil 54, und der Dampf wird gefahrlos zur Atmosphäre abgelassen. Gewünschtenfalls kann der Dampf durch eine Rohr- oder Schlauchleitung vom Schwungrad weggeleitet werden.

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Claims (14)

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Littleton, Ma. (US)

Schwungrad-Energiespeichereinrichtung Patentansprüche

1/ Schwungrad-Energiespeichereinrichtung mit einem Rotor (30), der eine um eine Achse drehbare Welle (28), eine auf der Welle drehfest angeordnete Nabe (24, 26) und Speichen (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (22) aus Faserfilamenten bestehen und um die Nabe (24, 26) sowie einen zur Welle konzentrisch gehalterten Felgenring (32) geschlungen sind, durch den eine zur Achse der Welle senkrechte Ebene geht, und daß die Nabe (24, 26) mehrteilig ausgebildet ist sowie auf jeder Seite der genannten Ebene ein Nabenteil (24 bzw. 26) enthält, das axial längs der Welle (28) verschiebbar ist, so daß die Speichen während der Rotation des Schwungrades effektiv verlängert werden können und -die Beanspruchung der Speichen dementsprechend verringert wird.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1,■dadurch gekennzeichnet,

daß der Felgenring (32) einen elastischen Mantel (62) aufweist, der den Felgenring zusammenhält und eine weiche Zwischenlage zwischen dem Felgenring und den Speichen bildet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Speichen (22) während einer Beschleunigung bzw. eines Abbremsens des Schwungrades frei auf die Nabenteile (24, 26) aufwickeln bzw. von diesen abwickeln können.

4. Einrichtung nac'h Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (22) nacheinander zwischen den Nabenteilen (24, 26) alternieren.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Felgenring (32) Ballast (58) enthält.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der Ballast (58) bei der Innenseite des Felgenringes angeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein das Schwungrad einschließendes Gehäuse (20), welches ein wasserhaltiges Material (52) zur Absorption von Schwungradenergie bei Versagen des Schwungrades enthält.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gehäuse eine rauhe, reibeiMe Fläche (50) enthält.

9. Einrichtung, nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle eine Luftfördervorrichtung (90, 92, 94; 95, 103, 105) zum Evakuieren des Gehäuses während der Rotation des Schwungrades enthält.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabenteile (24, 26) Nuten aufweisen, die Sitze für die Speichen. (22) bilden.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die Nuten verschiedene Tiefen haben, um Scherbeanspruchungen zu verringern.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabenteile (24, 26) durch eine Federanordnung (66, 68) aus der genannten Ebene herausgedrückt sind.

13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Felgenring (32) aus Fasern gebildet ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ballast eine Anordnung (60) zur Aufnahme von Auswuchtgewichten enthält.