ES2851325T3

ES2851325T3 - Procedimiento para producir un sistema de almacenamiento de energía cinética

Info

Publication number: ES2851325T3
Application number: ES14823201T
Authority: ES
Inventors: Cheruvari Karthik Hari Dharan
Original assignee: Saint Augustin Canada Electric Inc
Current assignee: Saint Augustin Canada Electric Inc
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2021-09-06
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: JP6461131B2; US9735645B2; WO2015006136A3; US20150013148A1; CA3124308A1; EP3020122A4; US20150008778A1; EP3020122A2; CA3124308C; CA2917848C; US20150007686A1; EP3020122B1; US9136741B2; JP2016526872A; US11283328B2; US10587165B2; US20180069453A1; US20200212762A1; WO2015006136A2; CA2917848A1

Abstract

Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia que comprende: una carcasa sellada (14, 16, 18) que comprende una placa superior (14), una placa inferior (18), y un recinto vertical cilíndrico (16); un rotor (12) dispuesto dentro de la carcasa sellada (14, 16, 18); un paquete de cojinetes superior (20) que tiene una carcasa exterior del paquete de cojinetes (46) dispuesta en la placa superior (14), que comprende uno o más cojinetes de contacto por rodadura (42) dispuestos entre el rotor (12) y la placa superior (14), y un paquete de cojinetes inferior (20) que tiene una carcasa exterior del paquete de cojinetes (46) dispuesta en la placa inferior (18), que comprende uno o más cojinetes de contacto por rodadura (42) dispuestos entre el rotor (12) y la placa inferior (18), y un imán de descarga (28) configurado para proporcionar una fuerza de descarga vertical que eleva el rotor (12) contra los cojinetes de contacto por rodadura (42) del paquete de cojinetes superior (20) en una dirección vertical y fuera de los cojinetes de contacto por rodadura (42) del paquete de cojinetes inferior (20) en una dirección vertical; y caracterizado por el hecho de que comprende una galga extensométrica (62) configurada para monitorizar deformación en el rotor (12) en tiempo real, en el que la galga extensométrica (62) está unida a una superficie del rotor (12) en el interior del recinto vertical cilíndrico (16) y orientada a lo largo de una dirección paralela y tangencial al vector radial, y en el que la galga extensométrica comprende un transmisor inalámbrico (62) para transmitir de manera inalámbrica mediciones de deformación a un receptor en el interior del recinto vertical cilíndrico (16).

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para producir un sistema de almacenamiento de energía cinética

REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS ANTECEDENTES DE LA DESCRIPCIÓN

La siguiente descripción se da para como ayuda a la comprensión del lector. Ninguna información que se da se admite como técnica anterior.

La presente descripción se refiere, en general, al campo del almacenamiento de energía cinética. Más concretamente, se refiere almacenamiento de energía en un volante de inercia para aplicaciones estacionarias donde el coste es de gran importancia, en algunos casos, de mayor importancia que el peso. Estas aplicaciones incluyen regulación de frecuencia, tiempo de uso, suministro de energía ininterrumpida (Uninterruptible Power Supply, UPS), respuesta a demanda y suavizado de fuentes de generación de energía renovable, entre otras aplicaciones, tal como se muestra en los documentos US 7946181 B2, GB 2463534 A, WO 2012/127192 A, US 5731645 A, y US 6642682 B1.

Los volantes de inercia se han utilizado como dispositivos de almacenamiento de energía o para suavizar energía mecánica o eléctrica durante cientos de años. Recientemente, ha habido avances significativos en el campo del almacenamiento de energía de volantes de inercia debido a la disponibilidad de materiales de alta resistencia al peso (la resistencia específica), tales como los compuestos. Puede demostrarse que la energía cinética almacenada por unidad de masa de material del volante de inercia es directamente proporcional a la resistencia específica (resistencia dividida por densidad) del material. Debido a que algunos materiales compuestos tienen una resistencia específica muy elevada, los compuestos son candidatos atractivos para volantes de inercia que tienen un alto potencial de almacenamiento de energía por unidad de masa. Como ejemplo, un compuesto de fibra de carbono de alta resistencia (por ejemplo, T700 a una fracción de volumen de un 70%) tiene una resistencia a la fractura de 3430 megapascales (MPa), o 490000 libras por pulgada cuadrada (psi) y una densidad de 1845 kilogramos por metro cúbico (kg/m3), o 0,067 libras por pulgada cúbica (lb/pulg3). Compárese eso con un material no compuesto, tal como un acero de aleación de alta resistencia, que tiene un límite elástico de 1400 MPa (200000 psi) y una densidad de 7870 kg/m3 (0,285 lb/pulg3). Por lo tanto, en base a la resistencia al peso, los materiales compuestos tienen una resistencia específica más de diez veces mayor y, por lo tanto, pueden almacenar más de diez veces la energía por unidad de masa en comparación con el acero. Este potencial ha llevado a los inventores a seguir diseñando volantes de inercia basados en rotores compuestos.

Sin embargo, los materiales compuestos no han sido económicos en aplicaciones estacionarias (es decir, aplicaciones en las que el peso no es la preocupación principal) donde el objetivo principal es la energía máxima almacenada por coste unitario, en lugar de la energía máxima almacenada por unidad de peso.

SUMARIO DE LA DIVULGACIÓN

Una realización de ejemplo no de acuerdo con la invención se refiere a un material utilizado para un rotor de volante de inercia y un procedimiento utilizado para fabricar el rotor con ejes integrales. Algunos materiales preferidos incluyen aceros aleados que pueden tratarse térmicamente hasta un alto nivel de resistencia mientras mantienen suficiente ductilidad para permitir el flujo de plástico. Las aleaciones de acero tienen una alta relación resistenciacoste, además de un bajo coste de procesamiento y fabricación. El rotor puede forjarse en múltiples etapas en una forma monolítica que puede mecanizarse después para formar ejes integrales. Ejemplos de aleaciones de acero adecuadas incluyen AISI 4340, 4330, 17PH, m 300, y otras aleaciones de alta resistencia.

Otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención se refiere a la forma del rotor. Cuando un rotor de acero se trata térmicamente, los rotores que tienen una mayor área de superficie tendrán una velocidad de refrigeración más elevada. Dado que la velocidad de refrigeración afecta a las propiedades del material del acero resultante, la forma del rotor puede afectar a las características de funcionamiento del rotor. En particular, se necesita una velocidad de refrigeración grande para producir la transformación en acero martensítico (un acero de alta resistencia, deseable en volantes de inercia). Por lo tanto, una forma de rotor que permita una refrigeración más rápida también puede permitir materiales de rotor que tengan una mayor proporción de acero martensítico. Específicamente, un rotor delgado en forma de disco puede moldearse en un material con una mayor proporción de acero martensítico que un rotor en forma de cilindro del mismo volumen preparado de la misma manera. En esta situación, el disco puede presentar una resistencia específica más elevada que el cilindro (debido a la mayor proporción de martensita) y, por lo tanto, el volante de inercia en forma de disco tendrá una mayor densidad de energía. Dado que la fabricación de las dos estructuras tendría el mismo coste, el rotor en forma de disco sería más económico debido a la mayor densidad de energía. Un disco también puede presentar una dureza más uniforme (proporcional a la resistencia) en toda la sección transversal en comparación con un cilindro, ya que la velocidad de refrigeración sería más uniforme.

Otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención se refiere al diseño de un rotor y al uso de cojinetes convencionales con dicho rotor. Puede demostrarse que, para un nivel determinado de energía almacenada, un diámetro mayor del rotor del volante de inercia da como resultado una menor velocidad de rotación. Esta menor velocidad permite utilizar un rotor de gran diámetro con cojinetes de rodadura de contacto convencionales de bajo coste, que son altamente fiables, económicos, y de fácil mantenimiento, en lugar de sistemas sin contacto (por ejemplo, levitación magnética) que deben utilizarse en diseños con altas velocidades de rotación y son complejos, costosos, requieren mantenimiento y comprometen la confiabilidad.

Otra realización de ejemplo se refiere a un procedimiento para reducir la carga sobre los cojinetes mediante el uso de un electroimán de descarga. Se dispone un electroimán de manera que proporciona una fuerza de descarga vertical que eleva todo el rotor contra los cojinetes superiores y parcialmente fuera de los cojinetes inferiores, reduciendo la carga sobre los cojinetes inferiores. Dado que la vida útil de los cojinetes se reduce drásticamente al aumentar la carga, la característica de descarga de esta realización da como resultado un sistema con una vida útil muy larga en comparación con un sistema de rotor no elevado a la vez que se emplean cojinetes de bajo coste y un rotor pesado. Como realización específica, un rotor de 5 toneladas puede elevarse mediante una bobina de aproximadamente 0,75 metros (30 pulgadas) de diámetro, que consta de 3420 vueltas de cable de cobre de tamaño 18 AWG.

Otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención se refiere al uso de una célula de carga en el cojinete superior para medir la carga que se le aplica cuando el electroimán eleva el rotor, y un procedimiento para utilizar un sistema de control que regula el campo del electroimán para asegurar que la carga deseada se aplica siempre a los cojinetes. En algunas realizaciones, esta carga puede mantenerse a un valor muy bajo, lo que da como resultado una larga vida útil del cojinete. Por ejemplo, la carga en el cojinete superior durante el funcionamiento puede ser sólo de 1,3 kN (300 lbs) y la capacidad de la célula de carga superior puede ser sólo de 2 kilo-Newtons (kN) o 450 lbs para una implementación.

Otra realización se refiere al uso de un sistema de control para regular la tensión aplicada al electroimán para asegurar que se mantenga la carga deseada. Pueden establecerse límites de carga en el controlador para iniciar acciones apropiadas en caso de que el electroimán y/o el cojinete funcionen mal. A continuación, puede emplearse un bucle de retroalimentación desde los circuitos de tensión magnética y de detección de carga para mantener automáticamente la carga correcta.

Otra realización se refiere a un procedimiento en el que se utiliza un cojinete inferior como cojinete de contacto que está considerado como adecuado para para soportar todo el peso del rotor durante varias horas en caso de avería del descargador.

En otra realización, una célula de carga en el cojinete inferior mide la carga que se le aplica. Esto se utiliza para garantizar que se aplica la carga deseada en el arranque y que se detectan cambios en la carga en caso de que el electroimán falle durante el funcionamiento normal. Esta célula de carga también está conectada a un sistema de control para que puedan iniciarse las acciones apropiadas. En una implementación, la capacidad deseada de la célula de carga inferior para una masa de rotor nominal de 5 toneladas es 110 kN (25000 libras).

Otra realización de ejemplo se refiere al diseño del imán de descarga y su bajo consumo de energía. En esta realización, una única bobina de cable de cobre aislado proporciona una fuerza de elevación adecuada mientras mantiene una baja pérdida de potencia debido a la disposición de una sección transversal suficientemente grande para el flujo magnético. En una aplicación típica, una bobina de 125 mm de ancho y 35 mm de profundidad con un diámetro promedio de 750 mm proporcionará una fuerza de descarga de 50 kN con un consumo de energía de sólo 45 W.

Otra realización se refiere a mejorar la fiabilidad de los cojinetes y el motor/generador mediante el uso de juntas para permitir el funcionamiento de estos componentes en el aire mientras el rotor gira en un vacío. Dado que las elevadas velocidades periféricas del rotor darán como resultado pérdidas por resistencia al aire, el rotor va encerrado en una carcasa de vacío y funciona en vacío. Sin embargo, es posible que los cojinetes de contacto no funcionen de manera fiable durante períodos prolongados en un vacío debido a la liberación de gases del lubricante y una tendencia a formar soldaduras de metal a metal en un vacío debido a la falta de formación de óxido a medida que avanza el desgaste. Además, colocar el motor/generador dentro de un vacío dificulta la refrigeración ya que el calor debe conducirse fuera del vacío. En tales configuraciones, puede ser necesario añadir costosos tubos térmicos y/o elementos conductores grandes para asegurar una refrigeración adecuada. En el caso de motores refrigerados por líquido, es posible que la tubería que lleva el refrigerante deba penetrar la envoltura de vacío a través de juntas que son costosas y propensas a tener fugas. En algunas realizaciones, el eje superior e inferior del rotor atraviesan la envoltura de vacío a través de unas juntas de labio de fluoropolímero de baja rozamiento. Este diseño permite colocar los cojinetes y el motor fuera de la envoltura de vacío, lo que ayuda a que sea más fácil y menos costoso enfriar, inspeccionar, mantener, monitorizar y reemplazar, si es necesario. A las bajas velocidades de rotación características de un rotor en forma de disco, la pérdida de potencia de las juntas es pequeña, por ejemplo, menos de 50 W para una junta de un eje de 40 mm que gira a 6000 rpm.

En otra realización, el sistema de almacenamiento de energía va soportado sobre unos soportes con clasificación sísmica para proporcionar un movimiento lateral en un terremoto. Estos soportes sísmicos se utilizan para soportar grandes edificios en lugares propensos a terremotos. Esta realización proporciona un funcionamiento seguro del sistema de almacenamiento del volante de inercia si sufriera un terremoto.

Otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención se refiere a un procedimiento para aumentar la densidad de energía del rotor mediante un tratamiento de preacondicionamiento que también sirve de prueba de ensayo del rotor antes de su puesta en servicio. En el proceso de preacondicionamiento, se hace girar en exceso el rotor más allá del límite elástico del material. Dado que la tensión de tracción máxima se produce en el centro de un disco giratorio de grosor uniforme, la fluencia procede del centro hacia el diámetro exterior. Si, mediante este proceso, la zona de fluencia crece a un radio deseado (por ejemplo, a aproximadamente 1/V2 del radio del rotor, que corresponde a la mitad del volumen del disco), y posteriormente se reduce la velocidad del disco a cero, se crean tensiones de compresión beneficiosas en el centro del disco. Al girar el disco de nuevo, las tensiones resultantes son menores que antes del proceso de preacondicionamiento y giro en exceso debido a estas tensiones de compresión residuales. Al alcanzar la velocidad de rotación a la que se producía anteriormente la fluencia, los nuevos niveles de tensión serán menores que la tensión de fluencia, lo que ayudará a aumentar el margen de seguridad. Este proceso de preacondicionamiento, por lo tanto, permite hacer funcionar el disco a una velocidad correspondiente al límite elástico, aumentando así la densidad de energía, mientras se mantiene un margen positivo de seguridad. Dado que la densidad de energía (la energía cinética almacenada por unidad de masa) es proporcional al cuadrado de la velocidad de rotación, el aumento de la velocidad aumentará la densidad de energía almacenada en el rotor.

Otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención se refiere a un procedimiento en el que la superficie del disco se cubre con una pintura frágil que indica el estado de tensión en el rotor. La pintura frágil tiene un umbral de deformación muy bajo para una fractura frágil y sirve de indicador de la magnitud de las tensiones en el rotor y su distribución. A medida que aumenta de velocidad del rotor, la deformación correspondiente al estado de tensión del rotor se registra en el revestimiento a través de un patrón de grietas finas. La separación entre las grietas es una medida de la tensión; unas grietas más juntas significan un estado de tensión más elevado que unas grietas más separadas. Al cargar una muestra de tracción del mismo material con el mismo revestimiento, puede calibrarse la separación entre grietas respecto a la tensión. Esta técnica ayuda a estimar no sólo la magnitud y la dirección de las tensiones experimentadas por el rotor, sino también la distribución de las tensiones. Estos valores estimados pueden compararse con los resultados analíticos para verificar la fidelidad de un modelo de cálculo utilizado en el análisis del rotor. Además, la distribución de tensiones obtenida de esta manera corresponde a cada rotor específico que se analiza. Por lo tanto, pueden obtenerse estadísticas precisas sobre la variabilidad de fabricación entre rotores, lo que ayuda a proporcionar una medida cuantitativa de la reproducibilidad y fiabilidad del proceso de fabricación que se utilizó para formar el disco.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, se describe una disposición en la que una cámara de vídeo y una luz estroboscópica colocadas dentro de la envoltura de vacío permiten la observación en tiempo real del estado de tensión en el rotor. La frecuencia de la luz estroboscópica está sincronizada con la velocidad de rotación del rotor, lo que facilita la observación en tiempo real de la progresión de las grietas en la pintura quebradiza y, por tanto, la distribución de tensiones en el rotor. Esta capacidad puede ser útil para determinar los márgenes de seguridad relativos durante el funcionamiento del sistema, particularmente durante el proceso de preacondicionamiento cuando es esencial una medición precisa de la progresión de la zona plástica con la velocidad.

Otra realización se refiere a un procedimiento en el cual se utilizan unas galgas extensométricas conectadas a transmisores y receptores para controlar el estado de tensión en el rotor. En esta realización, a la superficie del rotor se unen unas galgas extensométricas en ubicaciones de interés paralelas y tangenciales al vector de radio. La adición de un transmisor de telemetría a cada galga extensométrica permite leer la deformación en tiempo real a medida que gira el rotor. Un receptor dentro de la envoltura de vacío y acoplado a la carcasa recibe la lectura de la galga extensométrica y la transmite a través de un cable conectado a un ordenador para su visualización y registro. Esta disposición proporciona una medición en tiempo real de la distribución tensiones en el rotor mientras gira, información que puede ser particularmente importante durante el proceso de preacondicionamiento, ya que la distribución de tensiones y la extensión de la zona plástica pueden monitorizarse con precisión con la velocidad del rotor.

Otra realización se refiere a un procedimiento para reducir el momento inducido por la precesión en un rotor giratorio que surge de la rotación de la tierra, mientras se mantiene una alta frecuencia de resonancia en la disposición rotor/eje. Los cojinetes de empuje por sí solos no son adecuados para absorber este momento a altas velocidades de rotación. En una realización de ejemplo, el momento inducido por la precesión en un rotor en rotación que surge de la rotación de la tierra lo resisten dos cojinetes de contacto angular en los extremos de los ejes del rotor. Los cojinetes de contacto angular proporcionan soporte axial durante el funcionamiento y capacidad de carga radial (o lateral) para resistir cargas inducidas por precesión.

Otra realización se refiere a una carcasa de vacío integrada y una estructura de soporte para un rotor de volante de inercia. Dicha carcasa integrada puede ayudar a minimizar el número de piezas y reducir el coste. La carcasa puede diseñarse para mantener un vacío en el espacio ocupado por el rotor. Para minimizar el coste y el número de componentes, la cámara de vacío también sirve de: estructura que soporta el rotor; dispositivo de alineación para el eje y los cojinetes; y sistema de suspensión para el rotor. La placa superior de la envoltura de vacío también puede servir de elemento de suspensión. Durante el funcionamiento, el rotor es elevado por el electroimán, que está integrado estructuralmente en la placa superior de la cámara de vacío. La rigidez de la placa superior está diseñada de modo que, cuando el rotor está suspendido, la frecuencia de resonancia mínima de los sistemas se encuentra en un valor que está muy por debajo del rango de velocidad de funcionamiento del rotor. Esta disposición ayuda a evitar que se produzcan resonancias fundamentales durante el funcionamiento normal del sistema.

Otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención presenta un procedimiento para regular la rigidez de la placa superior añadiendo o eliminando refuerzos de nervios radiales, proporcionando así un medio para promover resonancias a las velocidades de rotación deseadas.

Otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención es una forma de bajo coste para un sistema alineado con precisión con rigidez a medida que utiliza tres componentes: una placa superior, una placa inferior, y una sección cilíndrica. Fabricando la placa superior e inferior de hierro fundido y la sección cilíndrica a partir de una sección de tubería estándar, se obtiene un diseño económico pero resistente. Las nervaduras o refuerzos pueden añadirse o quitarse soldando o mecanizando a partir de una forma básica de hierro fundido.

Otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención es un procedimiento para el uso de pasadores para determinar con precisión la posición relativa de la placa superior e inferior del sistema de tres componentes.

Otra realización es un procedimiento para el uso de labios ranurados en la placa superior e inferior que quedan asentados en los extremos de la sección cilíndrica para situar con precisión la placa superior e inferior una respecto a la otra.

En una realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, unas ranuras de estanqueidad para juntas tóricas integrales en los dos extremos de la sección cilíndrica proporcionan un mecanismo de bajo coste para garantizar una junta extraíble a prueba de fugas en el sistema de vacío.

En otra realización, la estructura del electroimán está integrada en la placa superior del sistema de tres componentes, lo que da como resultado una estructura integrada que es multifuncional, que puede funcionar de carcasa para la bobina y de sección transversal para el flujo magnético, la cual es suficientemente grande para impedir la saturación.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, un paquete de cojinetes/juntas en cada una de las dos ubicaciones de cojinetes proporciona un medio conveniente para retirar e inspeccionar cojinetes sin desmontar el sistema.

En otra realización, el paquete de cojinetes superior tiene un medio para situar con precisión la posición axial del eje del rotor respecto al espacio de aire entre el electroimán y el rotor.

En otra realización, el paquete de cojinetes inferior tiene un medio para situar con precisión la posición axial del rotor respecto al espacio de aire entre éste y el electroimán. Con esta realización, desplazamientos relativos entre el cojinete superior e inferior que resultan de deformaciones en la placa superior e inferior debido al peso del rotor y/o la presión de vacío se compensan de modo que hay un juego axial adecuado entre el tope del eje inferior y el cojinete inferior durante el funcionamiento.

En otra realización, unos muelles ondulados compactos de bajo perfil aseguran la precarga de los cojinetes en cada paquete de cojinetes. Es necesaria una precarga axial mínima para evitar el deslizamiento de la bola en la pista (en lugar de rodar) a altas velocidades, lo que hace que la temperatura aumente, lo cual, a su vez, puede provocar la degradación del lubricante y el fallo del cojinete.

En otra realización, un actuador, tal como un engranaje de tornillo sinfín accionado por motor, en la base de la unidad proporciona un medio para regular la posición axial del rotor de manera remota y autónoma cuando se utiliza junto con un transductor de desplazamiento y un sistema de control.

Otra realización presenta un medio para elevar el rotor después del montaje inicial de modo que quede en el espacio de aire deseado para ser sostenido magnéticamente por el electroimán. La aplicación de vacío al interior de la carcasa sellada da como resultado un desplazamiento hacia abajo de la placa superior y un desplazamiento hacia arriba de la placa inferior, debido a la presión atmosférica externa. Cuando el rotor se encuentra estacionario y apoyado sobre la placa inferior, la fuerza debida a la presión atmosférica externa es suficiente para elevar el rotor desviando la placa inferior de modo que el eje del rotor haga contacto con el tope del cojinete en el paquete de cojinetes superior. Esta característica proporciona un medio para lograr el espacio de aire deseado entre el rotor y el imán, de modo que pueda obtenerse una fuerza adecuada para elevar el rotor. Por ejemplo, una carcasa de 1,85 m (73 pulgadas) de diámetro dará como resultado una fuerza de 271 kN (61600 libras) aplicada hacia abajo sobre la placa superior y la misma fuerza aplicada hacia arriba sobre la placa inferior. Para un rotor de 5 toneladas, que queda apoyado sobre la placa inferior, esta fuerza es suficiente para elevar el rotor a un diferencial de presión de aproximadamente un 20% de la presión atmosférica al nivel del mar. Regulando el nivel de vacío, puede controlarse la cantidad de desplazamiento de elevación del rotor. Esta realización es un medio de bajo coste, pero efectivo para posicionar el rotor para permitir que sujetarlo magnéticamente antes de la rotación.

Otra realización describe un procedimiento para soportar el rotor. Una estructura cilíndrica hueca situada en el eje y en la parte inferior del paquete de cojinetes inferior actúa de pata única regulable que soporta el peso del rotor cuando el descargador no está activado.

Otra realización describe la disposición de varias patas regulables situadas debajo de la placa inferior y debajo de la sección de tubería cilíndrica de la carcasa.

Otra realización describe un procedimiento para aislamiento sísmico del sistema mediante la adición de aisladores discretos en cada pata.

Otra realización describe un procedimiento para aislamiento sísmico mediante el uso de un soporte flexible continuo, tal como una lámina de caucho gruesa situada debajo de la placa inferior que permite tanto deslizamiento como cizallamiento.

Otra realización describe el uso de sensores de desplazamiento sin contacto, tales como medidores capacitivos, situados en el interior de la cámara de vacío y separados alrededor de la periferia del rotor que miden la variación del radio del rotor con la velocidad.

Otra realización describe un medio para determinar y eliminar desequilibrios dinámicos en el rotor. Alrededor de la periferia de los paquetes de cojinetes se montan unos acelerómetros para medir el nivel de desequilibrio. Las señales del acelerómetro se correlacionan con el codificador rotatorio del motor para determinar con precisión la ubicación angular del desequilibrio neto en el rotor. Esta información se utiliza para eliminar una pequeña cantidad de material en la periferia correspondiente a la ubicación del desequilibrio para reducir o eliminar el desequilibrio. Otra realización describe el uso de medidores de desplazamiento para medir el desplazamiento axial del rotor respecto a la estructura. En la base de la unidad, dentro del paquete de cojinetes, se montan unos medidores de desplazamiento, tales como extensómetros, para registrar el movimiento dinámico (axial) del rotor suspendido en todos sus rangos de velocidad de funcionamiento y preacondicionamiento para determinar las velocidades a las que el rotor experimenta cada modo resonante. Esta realización proporciona la componente axial del desplazamiento solo, lo cual es valioso ya que puede caracterizar la componente axial de la respuesta dinámica del rotor suspendido en varios modos operativos.

En otra realización, junto a las pistas exteriores del cojinete superior e inferior o sobre las mismas se colocansensores de temperatura para controlar cambios de temperatura que pueden indicar fallos potenciales y/o desgaste.

En otra realización, por debajo del cojinete superior y/o inferior se coloca un sensor de ruido y par. La señal de este sensor, en comparación con la señal del transductor de par en el acoplamiento motor-rotor, es una medida del desgaste en el cojinete y proporciona una detección temprana de un fallo potencial del cojinete.

En otra realización, en varios lugares de la estructura se colocan unos sensores de emisión acústica (AE) incluyendo en los paquetes de cojinetes y dentro de la carcasa de vacío. Los transductores quedan en estrecho contacto con los elementos estructurales a través de un medio de acoplamiento acústico de gel o grasa.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, unos elementos individuales o haces de fibra de carbono de módulo ultra alto (ultra-high modulus, UHM) se unen (o se acoplan de otro modo) tangencial y radialmente a la superficie del rotor a varias distancias radiales desde el eje del rotor. Dado que la deformación por fallo de la fibra de carbono UHM es baja (~1000 x 10-6) respecto a deformaciones experimentadas por el rotor al girar (~5000 x 10-6), las fibras individuales comenzarán a fallar a medida que la deformación en el rotor aumenta con la velocidad. Los fallos de fibra tienen una firma AE característica, que puede ser detectada por un sensor AE (por ejemplo, un sensor de 500 kHz) unido a la estructura cerca de la ubicación del cojinete del rotor. Esta realización proporciona un medio para determinar las deformaciones en el rotor de manera remota mientras se encuentra dentro de la envoltura de vacío. El procedimiento puede utilizarse en otras aplicaciones en las que no pueden utilizarse extensímetros u otros procedimientos, por ejemplo, en entornos hostiles, tales como atmósferas de alta temperatura y/u oxidativas y corrosivas. También pueden emplearse de manera similar otras fibras tales como fibras minerales, de vidrio y poliméricas para diferentes niveles de capacidad de deformación por fallo.

Otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención describe un medio para una absorción de energía eficiente en caso de fallo por rotura del rotor. Se construye una estructura de contención enterrada de acero y hormigón de paredes gruesas muy próxima a la pared exterior del cilindro de la carcasa, y preferiblemente en contacto con la misma. Esta disposición evita que fragmentos de la rotura del rotor queden contenidos mientras se encuentran todavía en modos de rotación (minimizando modos de traslación) de modo que la disipación de energía se ve facilitada por el rozamiento y la interacción entre partículas.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, la estructura de contención se construye con una geometría cónica de modo que el diámetro de la estructura de contención aumenta gradualmente al aumentar la profundidad desde la parte inferior de la unidad. En caso de fallo del rotor, los fragmentos tenderán a desplazarse axialmente hacia abajo y se recogerán debajo de la unidad en lugar de moverse hacia arriba y ser expulsados por encima de la superficie.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, se coloca una disposición de agregado graduado de tal manera que el tamaño del agregado disminuye con la distancia radial desde la pared de hormigón. Esto da como resultado una estructura de absorción de energía con una mayor porosidad adyacente a la estructura de contención de hormigón, donde el aplastamiento y la compactación del agregado proporciona una absorción de energía. Al aumentar la distancia radial, el tamaño decreciente del agregado se acerca al de las partículas de arena que también están dispuestas con un tamaño de partícula decreciente al aumentar la distancia radial. En esta zona, el movimiento de los fragmentos lo resiste el rozamiento con las partículas de arena.

En otra realización, unos paquetes de cojinetes, cada uno incluyendo uno de un conjunto de cojinete/junta/célula de carga alineados con precisión, están contenidos en unas carcasas que están provistas de pasadores o características de ubicación que ubican con precisión el eje de cada uno con respecto al eje de la carcasa y, por lo tanto, entre sí.

En otra realización, un software de control proporciona un funcionamiento seguro del sistema en sus diversos modos de funcionamiento: preacondicionamiento, ciclo de velocidad, ciclo de potencia, respuesta a demanda, tiempo de uso, y otras estrategias para maximizar los beneficios del almacenamiento respeto a la red y/u otras fuentes de generación tales como renovables (solares, eólicos, mareomotrices) y/o generadores de gas o diésel.

En otra realización, en el software de control va incorporada una lógica de control para un funcionamiento seguro y eficiente en varios escenarios de fallos potenciales incluyendo, entre otros, fallos del motor/generador, cojinetes, descargador, bomba de vacío, sistemas de refrigeración, eventos sísmicos. y picos de temperatura.

En otra realización, el rotor va conectado a una transmisión variable continua (continuously variable transmission, CVT) controlada electrónicamente o mecánicamente u otra transmisión de engranajes de manera que la velocidad variable del rotor pasa a un motor de inducción. Sobrecargar el motor de inducción de esta manera más allá de la velocidad de deslizamiento da como resultado una salida de potencia, mientras que, si se realiza un accionamiento insuficiente, la fuente de alimentación externa acciona el motor de inducción para almacenar energía cinética en el rotor aumentando su velocidad a su valor máximo nominal. Se trata de un procedimiento de bajo coste para almacenamiento y suministro de energía, ya que no implica motores de CC sin escobillas y sus esquemas de control y software de controlador asociados.

En otra realización, se mantiene un gradiente de temperatura radial a lo largo del radio del rotor. Si el centro del rotor se encuentra a una temperatura más elevada que su periferia, se crea una deformación térmica no uniforme que da como resultado una tensión térmica beneficiosa (de compresión en el centro, de tracción en la periferia), que mejora el estado general de tensión y, por lo tanto, aumenta la densidad de energía en el rotor.

En otra realización, la geometría del rotor es un simple disco de grosor fijo o variable sin ejes. Los ejes se mecanizan por separado a partir de acero de aleación que puede ser austenítico (y, por lo tanto, no magnético) y se unen al disco. Dado que el rotor lo eleva directamente el descargador magnético, las tensiones en las juntas de unión son bajas y principalmente a compresión, debido a la precarga de compresión axial, y se adaptan fácilmente a la fuerza de unión de adhesivos estructurales de polímero convencionales.

En otra realización, el rotor es un disco simple de grosor fijo o variable sin ejes. Los ejes se mecanizan por separado a partir de acero de aleación que puede ser austenítico (y, por lo tanto, no magnético) y se unen al disco. Después de la operación de soldadura, unos procedimientos de tratamiento térmico convencionales eliminan las concentraciones de tensiones introducidas en el rotor en los lugares de soldadura. El descargador magnético eleva el rotor directamente y no por sus ejes, por lo que las tensiones en las soldaduras son bajas.

En otra realización, el rotor está realizado como un simple disco de grosor fijo o variable sin ejes. Los ejes se mecanizan por separado a partir de acero de aleación que puede ser austenítico (y, por lo tanto, no magnético). Los ejes se sueldan por rozamiento al disco haciéndolos girar a una velocidad elevada y luego presionándolos axialmente contra el disco. Después de la operación de soldadura por rozamiento, unos procedimientos de tratamiento térmico convencionales eliminan cualquier concentración de tensiones introducida en el rotor en las soldaduras por rozamiento. Dado que la masa del rotor la eleva el descargador magnético, las tensiones en las soldaduras son bajas.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, el rotor incluye varias placas laminadas que se unen entre sí con adhesivo utilizando adhesivos estructurales convencionales. La única tensión en las juntas entre las laminaciones es la carga por gravedad que se produce al elevar el rotor. Esta tensión es baja y se adapta fácilmente a la resistencia a la tracción del adhesivo. Por ejemplo, para diez laminaciones de 25 mm de grosor (1 pulgada) cada una, la tensión a tracción en la primera junta de laminación (la junta adherida con mayor carga) es inferior a 0,021 MPa (3 psi). Los adhesivos estructurales tienen resistencias a tracción que superan fácilmente los 7 MPa (1000 psi). Pueden tratarse térmicamente láminas delgadas de manera individual para obtener resistencias más elevadas, aumentando así la densidad de energía del rotor. Además, los rotores laminados tienen un alto grado de redundancia ya que la propagación de defectos en una lámina tiende a estar restringida por las láminas adyacentes. Además, el fallo de una lámina no da como resultado el fallo de todo el rotor. Además, dado que las láminas son delgadas, éstas se encuentran en un estado de tensión plana biaxial cuando el rotor está girando, correspondiendo un estado de tensión más uniforme a una densidad de energía más elevada que el estado de deformación del plano biaxial que existe en un rotor monolítico grueso.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, los materiales utilizados en cada laminación pueden ser diferentes para un modo de fallo a prueba de fallos. Por ejemplo, las laminaciones adyacentes a los ejes pueden estar realizadas en un acero dúctil, pero de una resistencia relativamente menor, ya que la rotura del fallo del eje al rotor sería catastrófica. Las laminaciones internas pueden estar realizadas en un acero de mayor resistencia, cuyo fallo sería detectable y no sería catastrófico.

Otra realización describe el uso de imanes permanentes en lugar de electroimanes. Esta disposición es un esquema de descarga más fiable, menos costoso y menos complejo, ya que no se requiere la fuente de alimentación, bobina, cables y canaletas.

En otra realización, un actuador controlado a distancia establece un espacio de aire ajustable y controlable entre el rotor y el descargador de imán permanente.

En otra realización, el espacio de aire entre el rotor y el descargador electromagnético o de imán permanente se mantiene mediante retroalimentación de la célula de carga que mide las fuerzas magnéticas de elevación. Esta disposición proporciona un control de circuito cerrado de cargas de elevación que pueden variar debido a la dinámica, desgaste, y variaciones de temperatura durante el funcionamiento.

En otra realización, motor/generadores de CC simples o múltiples conectados alimentados por CC de dos inversores montados en el extremo curso abajo de un controlador bidireccional conectado a la red a 460 V, trifásico (u otras tensiones de distribución) es un esquema de bajo coste para el almacenamiento de energía a escala de red. La disposición proporciona modularidad tanto en almacenamiento de energía como en potencia. Por ejemplo, un volante de inercia con una capacidad de 150 kWh junto con un motor/generador de 30 kW puede entregar 30 kW de manera continua durante 5 horas para aprovechar los precios diferenciales para el almacenamiento por tiempo de uso. Para una respuesta a la demanda y aplicaciones de mayor potencia y en corto tiempo, puede sustituirse fácilmente un motor/generador con una potencia de 150 kW para que entregue 150 kW durante 1 hora. La adición de un segundo motor/generador de 150 kW en la ubicación del eje inferior duplica la potencia nominal al suministrar una potencia de 300 kW durante 30 minutos.

Otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención se refiere a un procedimiento para la fabricación a alta velocidad de rotores compuestos. En esta realización, se fabrica un anillo compuesto reforzado con fibra utilizando un molde cilíndrico giratorio de alta velocidad en el cual se introduce un haz de fibras desde un carrete giratorio situado dentro del molde. El eje de giro del carrete dispensador de fibra es paralelo al eje del molde giratorio. A medida que el haz de fibras se desenrolla del carrete, éste se mantiene contra la superficie interior del molde giratorio mediante la fuerza centrífuga. Sobre el haz de fibras que se encuentra apoyado contra la pared se pulveriza una resina de curado termoendurecible precatalizada a temperatura ambiente desde una boquilla perpendicular a la pared vertical del molde giratorio. La elevada fuerza g proporciona una presión adecuada para que la resina líquida se infiltre en el haz de fibras a medida que avanza el curado de la resina. Cuando se completa el curado, el molde se detiene y el anillo se expulsa del molde. Este proceso es de 10 a 50 veces más rápido que el bobinado de filamentos, el proceso convencional para fabricar anillos compuestos. Por ejemplo, con esta disposición son posibles velocidades de dispensación de fibra de 4500 m/min en comparación con velocidades de bobinado de filamentos de 60 - 90 m/min. Alternativamente, puede utilizarse un sistema de resina que cura a temperatura elevada, junto con un procedimiento para calentar la superficie del molde, ya sea mediante calefactores de resistencia eléctrica internos, calefactores de gas o lámparas infrarrojas que iluminan el molde desde el interior. Alternativamente, el molde giratorio tiene un eje central y unas juntas de labios del eje para que la infiltración y el curado se realicen al vacío para minimizar huecos en el material compuesto. Pueden disponerse simultáneamente bobinas adicionales de modo que los tiempos de procesamiento puedan reducirse todavía más y/o puedan dispensarse diferentes fibras o cables (vidrio, carbono, Kevlar, polímeros, cables metálicos, etc.) simultáneamente o en secuencia de manera que el anillo compuesto final tenga una configuración en capas o mixta de diferentes tipos de fibras, que puede ser ventajosa para ciertas aplicaciones. Alternativamente, pueden aplicarse diferentes sistemas de resina en secuencia para variar las propiedades radialmente. Por ejemplo, un anillo compuesto puede fabricarse fácilmente de esta manera con fibras de carbono en su diámetro exterior y fibras de vidrio en su diámetro interior. Debido a la alta carga de g en esta realización, por ejemplo, 300 g's en un molde de 2 m de diámetro que gira a 520 rpm, pueden producirse anillos compuestos libres de huecos a altas velocidades.

En realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, se fabrica una bobina de cable metálico utilizando un molde cilíndrico giratorio de alta velocidad en el cual se introduce un cable metálico, tal como cable de cobre, dispensado desde un carrete giratorio situado dentro del molde cuyo eje de giro es paralelo al eje del molde giratorio. A medida que el haz de fibras se desenrolla del carrete, éste se mantiene contra la superficie interior del molde giratorio mediante la fuerza centrífuga. Se pulveriza una resina de encapsulamiento precatalizada de curado a temperatura ambiente desde una boquilla perpendicular a la pared vertical para encapsular la bobina y utilizarla como bobina de electroimán, para motores eléctricos, u otros dispositivos eléctricos.

Otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención describe un procedimiento para realizar un anillo compuesto utilizando un haz de fibras preimpregnadas, o "tow-preg", que se dispensa en un molde cilíndrico giratorio de alta velocidad, un carrete giratorio ubicado dentro del molde cuyo eje de giro es paralelo al eje del molde giratorio. A medida que el haz de fibras se desenrolla del carrete, éste se mantiene contra la superficie interior del molde giratorio mediante la fuerza centrífuga. Unos calefactores de infrarrojos, aire caliente, u otros tipos de calefactores, proporcionan el calor para curar el polímero de matriz en el "tow-preg'. Al igual que antes, pueden dispensarse varias fibras y/o cables metálicos de esta manera, simultánea o secuencialmente.

El funcionamiento de un electroimán de elevación es inestable dado que, a medida que disminuye la separación entre éste y el rotor, la fuerza de elevación debe reducirse rápidamente para mantener una separación estable. En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, la estabilidad del imán de elevación se mejora significativamente incorporando dos muelles compactos a cada lado del rotor a través de los cojinetes. Estos muelles pueden ser, por ejemplo, unas arandelas de disco o unos muelles ondulados que se colocan entre las pistas exteriores estacionarias de los cojinetes y un tope firme. A medida que aumenta la corriente de activación del electroimán y disminuye la separación entre éste y el rotor, el muelle superior tiende a aumentar la resistencia a la elevación del rotor mientras que la fuerza del muelle inferior disminuye. Esta disposición permite un posicionamiento estable del rotor utilizando un imán de elevación que, de otro modo, sería imposible. Adaptar las constantes de muelle de cada muelle permite un rango de funcionamiento estable del imán de elevación para diversas aplicaciones.

En otra realización, la elevación del rotor es asistida por el uso de vacío, lo que da como resultado una reducción de la separación del imán haciendo que la corriente requerida para elevar el imán sea mucho menor. Para rotores grandes (necesarios para volantes de inercia de alta capacidad de almacenamiento), la masa del rotor resultará en un pandeo estructural que aumenta la distancia entre éste y el imán. En esta posición, se requiere una gran corriente para que el imán eleve el rotor para cerrar la separación. La aplicación de vacío da como resultado que tanto la carcasa superior (que soporta el imán) como la carcasa inferior (que soporta el rotor) se acerquen debido a la deformación estructural. En un experimento, una carcasa de 1,8 metros (71 pulgadas) de diámetro sometida a vacío dio como resultado una disminución en la separación entre el rotor y el imán en más de 1 mm (0,040 pulgadas).

En otra realización, en la carcasa superior se monta uno o más transductores de desplazamiento tales como, por ejemplo, un transformador diferencial variable lineal (linear variable differential transformer, LVDT) o un potenciómetro lineal o un medidor capacitivo para medir directamente la separación entre el rotor y el imán. Un medidor capacitivo sin contacto sería lo mejor para monitorizar el espacio durante el funcionamiento. Pueden utilizarse dos indicadores a 90 grados entre sí para medir la separación en cada lugar a partir de lo cual puede determinarse la inclinación del rotor. Esta información puede enviarse al controlador del electroimán para regular la corriente para el posicionamiento del rotor para facilitar el control y la gestión de la potencia del electroimán.

En otra realización, el cojinete superior va montado sobre un soporte que está unido a un actuador lineal motorizado como, por ejemplo, un engranaje helicoidal accionado por motor. Esta realización presenta un procedimiento para controlar activamente la separación del rotor durante el funcionamiento. La expansión térmica, cambios en el vacío y las condiciones ambientales externas que afectan a la posición del cojinete (y, por lo tanto, a la separación entre el rotor y el imán) pueden compensarse para controlar la carga del cojinete y, por lo tanto, su vida útil y temperatura.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, alrededor del soporte del cojinete inferior se dispone una estructura cónica que soportará el eje del rotor si el cojinete falla. El calor generado por el rozamiento y la consiguiente fusión progresiva de la estructura cónica provoca una reducción controlada de la velocidad de rotación del rotor con la energía disipada por el calor de fusión del material que constituye la estructura cónica. Materiales tales como aceros inoxidables aleados de bajo contenido de carbono, así como aleaciones de aluminio y titanio, proporcionan unos niveles adaptados de disipación de energía. En un experimento, el fallo del cojinete de un rotor de 5 toneladas que giraba a 5350 rpm resultó en una fusión de la estructura cónica de manera progresiva y controlada, de modo que el rotor se detuvo con un desgaste leve a lo largo de su borde inferior y sin salir de la carcasa.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, la carcasa inferior va soportada por un anillo de un diámetro específico relacionado con el diámetro del rotor. Además, el perfil de la carcasa es tal que, en caso de fallo del cojinete, el borde inferior del rotor giratorio queda en contacto con la superficie de la carcasa que está conformada en ángulo en el punto de contacto, de modo que la fusión del borde inferior del rotor procede a formar una fina película de metal fundido sobre la cual desliza el rotor hasta que se detiene. En un experimento, un rotor de 5 toneladas que experimentó un fallo en el cojinete a 5350 rpm se detuvo de manera controlada sin penetrar en la carcasa. Se encontró que un ángulo 0 adecuado de la superficie en contacto de la carcasa de 30 - 50 grados era el mejor para la absorción de energía sin penetrar y/o deformar la pared de la carcasa. En una realización, se encontró que un anillo de soporte de un diámetro que es de 70 - 95% del diámetro del rotor es el más adecuado para soportar el rotor después del fallo del cojinete.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, un acoplamiento de eje entre el motor/generador y el rotor sirve para aislar el rotor del motor. Dado que el rotor tiende a girar un pequeño ángulo respecto a la vertical debido a la precesión que surge de la rotación de la tierra y también de tolerancias inherentes al montaje del sistema, un acoplamiento que incluye una ranura externa que conecta dos ranuras internas - una desde el rotor y la otra desde el motor - proporciona un medio para el desplazamiento axial (desde la elevación del rotor) así como un desplazamiento angular (desde la inclinación del rotor) mientras que, al mismo tiempo, permite la transmisión de par. Esta disposición hace que el sistema sea mucho más tolerante y evita que el rotor se cargue involuntariamente por vibraciones transmitidas por el motor.

Un volante de inercia de alto rendimiento tal como se explica en esta descripción puede alcanzar velocidades periféricas muy superiores a 1,5 Mach (510 m/s, 1100 mph). A estas velocidades, el rotor debe mantenerse en vacío. Sin embargo, si el vacío falla debido a un fallo de la junta o de la bomba, el aire que entra se calienta rápidamente cuando entra en contacto con el rotor en rotación, lo que aumenta la presión interna, lo cual, a su vez, puede provocar que la carcasa sea expulsada con resultados catastróficos. En otra realización, las dos mitades de las carcasas que comprenden el recinto del volante de inercia se mantienen juntas mediante lengüetas y pernos soldados. Las lengüetas tienen una dimensión tal que, si la presión interna aumenta, se doblarían plásticamente y abrirían la junta entre las carcasas, liberando así la presión de manera segura. En un experimento, un fallo de la junta de vacío a 6000 rpm de un volante de inercia que giraba a una velocidad periférica de 560 m/s (1250 mph) resultó en una liberación segura de la sobrepresión sin fallo estructural.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, una válvula de descarga de presión incorporada en la envoltura de la carcasa de vacío del volante de inercia proporciona una reducción de la acumulación de presión de aire tras un fallo de la junta de vacío. La válvula de descarga de presión, junto con un tubo de alimentación que penetra en la carcasa de vacío, puede disponerse en cualquier lugar de la carcasa (por ejemplo, en la carcasa superior o inferior, o en la sección cilíndrica entre la carcasa superior e inferior). La válvula de descarga de presión proporciona una junta estanca al vacío cuando una bomba de vacío evacua la cámara. En este modo de funcionamiento, la junta de vacío impide que la atmósfera externa entre en el recinto evacuado. Sin embargo, si hubiera una fuga repentina en la envoltura de vacío, por ejemplo, debido al fallo de una junta en otra parte del recinto, cuando el rotor gira a alta velocidad, el aire entrante puede calentarse rápidamente debido a la resistencia aerodinámica ejercida sobre el rotor, lo que resulta en un rápido aumento de presión. La válvula de descarga de presión que también actúa de junta de vacío está diseñada para abrirse y liberar el aumento de presión dentro del recinto para evitar fallos catastróficos de la carcasa. La válvula de descarga de presión incluye un cuerpo de válvula que es presionado contra un asiento de válvula mediante un muelle. La presión atmosférica externa añade una fuerza de sellado adicional cuando se evacúa el recinto. Si el vacío falla y se desarrolla presión dentro del recinto, la válvula se abre cuando la presión interna que actúa sobre la válvula supera la fuerza del muelle, liberando así la presión de manera segura. Regulando la tensión del muelle de la válvula, se regula fácilmente el valor de la presión mínima que abrirá la válvula.

Un impedimento importante para el uso de volantes de inercia monolíticos es la dificultad de realizar el mantenimiento de los cojinetes, juntas y sensores sin desmontara el rotor. Dado que los rotores a menudo son muy pesados y superan fácilmente varias toneladas, esto dificulta mucho el mantenimiento de un volante de inercia in situ. La única manera de llevar a cabo esto es utilizar una grúa grande para elevar el volante de inercia en un camión para transportarlo a una instalación de mantenimiento/reparación. Dado que las aplicaciones de almacenamiento de energía a menudo se encuentran en lugares inaccesibles, por ejemplo, para el almacenamiento en localidades remotas o en estaciones de retransmisión de televisión/teléfono móvil, este inconveniente limita el uso del almacenamiento de energía del volante de inercia. En una realización, el conjunto de cojinete, sensor de carga y junta de vacío puede desmontarse y reemplazarse sin tener que levantar el rotor. En esta realización, un cartucho de cojinete incluye dos componentes, el componente exterior va atornillado a la carcasa mientras que un componente interior que incluye el cojinete, el sensor de carga, y la junta de vacío puede desmontarse con el rotor en su lugar. A continuación, el técnico de mantenimiento sustituye este componente o módulo interior por un nuevo componente interior. Para el cojinete inferior, dado que la masa del rotor está cargando el cojinete inferior cuando se encuentra estacionario, la extracción del módulo interno requiere la elevación del rotor. Esto se realizar activando el electroimán para descargar el rotor. En un experimento, una corriente de 1.5 amperios aplicada a la bobina del electroimán elevará un rotor de 5 toneladas más de 1 mm, lo que permite una extracción y reemplazo más fácil del módulo de cojinete/sensor/junta. La operación requirió menos de 250 vatios en un experimento.

En otra realización, unas juntas de labios dinámicas permiten que el rotor esté en un vacío mientras el motor y los cojinetes se encuentran en la atmósfera. Esta realización elimina la necesidad de operar cojinetes en vacío donde los coeficientes de rechazo térmico y de rozamiento pueden ser elevados y el uso de lubricación seca puede ser difícil para cojinetes muy cargados como es normal en volantes de inercia de alta capacidad. Esta realización también permite sustituir fácilmente unidades de motor/generador para aplicaciones específicas.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, el componente interior que soporta el conjunto de cojinetes tiene su superficie interior tratada mediante granallado o anodizado o galvanoplastia de modo que existe un elevado coeficiente de rozamiento entre la pista exterior del cojinete estacionario y su cilindro de soporte. Esta realización da como resultado una histéresis inducida por rozamiento entre el cojinete y su carcasa cuando el imán eleva o desciende el rotor. Dicha histéresis proporciona estabilidad de control de modo que la corriente del electroimán puede estar dentro de un rango razonablemente amplio para una posición (axial) dada del cojinete. Por el contrario, una superficie de bajo rozamiento requeriría un control de alta resolución que deberá ajustarse constantemente incluso si hay pequeños cambios en las condiciones de funcionamiento, tal como temperatura y carga.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, un revestimiento de refrigeración rodea el cojinete con entrada(s) y salida(s) conectadas a un radiador externo, una bomba, y un ventilador de refrigeración. El revestimiento de refrigeración y los componentes de conexión adyacentes al cojinete pueden estar realizados en un material de alta conducción térmica, tal como aluminio, para proporcionar una mayor eficiencia de refrigeración y menores gradientes térmicos. Dado que la temperatura del cojinete aumenta con la carga del cojinete y la velocidad de rotación, y dado que la temperatura reduce la vida útil del cojinete, mantener la temperatura baja mediante una refrigeración eficiente es vital para los prolongados tiempos de funcionamiento del volante.

En otra realización, un controlador está configurado para ajustar la corriente del electroimán continuamente durante el funcionamiento con el fin de mantener una carga mínima en el cojinete sin comprometer su vida. Unos termopares montados en los cojinetes proporcionan directrices para que el controlador regule las cargas de los cojinetes de manera que se mantenga una precarga adecuada en todo momento y que la fuerza de elevación del imán sea suficiente para mantener el rotor elevado mientras está en funcionamiento.

En otra realización, un controlador está configurado para monitorizar un número de revoluciones del cojinete, así como una carga en el cojinete en todo momento. Utilizando un algoritmo de carga/vida útil del cojinete, el controlador monitoriza cuánta vida útil se ha consumido para cada volante de inercia específico y el ciclo de trabajo que éste experimenta. El controlador puede entonces indicar el reemplazo deseado del cojinete cuando se alcanza su vida útil esperada. Esta realización permite la determinación de la vida restante en un cojinete ya que el ciclo de trabajo en cada instalación puede ser diferente. Además, puede generarse una base de datos que puede utilizarse para mejorar el algoritmo de carga/vida a lo largo del tiempo.

En otra realización de ejemplo no de acuerdo con la invención, el estado de integridad del rotor puede determinarse con el rotor en funcionamiento mediante un transductor ultrasónico incorporado que explora la superficie del rotor después de un cierto número de horas de funcionamiento. El transductor va montado en el extremo de un brazo que permite que el transductor explore el rotor en busca de defectos internos. Durante la operación de exploración, la velocidad del rotor se reduce a aproximadamente 0,1-10 rpm. Después de completar una rotación del rotor, el transductor se indexa radialmente de modo que su trayectoria es una pista en espiral con una separación suficiente para inspeccionar el volumen completo del rotor. Dado que el estado de tensión máxima está en el centro de un rotor en rotación o cerca del mismo, en la práctica, sólo es necesario realizar la exploración en un radio de aproximadamente un 20% del radio del rotor. El tipo de transductor requerido dependerá del grosor del rotor, y la incorporación de una guía de ondas angular permitirá la inspección por debajo de la región del eje en el plano medio del rotor y cerca del mismo. Para el cableado se requiere una alimentación a través de la envolvente de vacío y para suministrar el gel de acoplamiento. Esta realización permite la extracción de todo el rotor del dispositivo para la inspección ultrasónica convencional, proporcionando, de este modo, eficiencias mejoradas que resultan en un transporte y desmontaje más fáciles y una pérdida de económica mínima. Además, la inspección puede realizarse a intervalos que sean convenientes para el perfil operativo de todo el sistema de almacenamiento de energía.

Debido al aspecto crítico de seguridad del almacenamiento de energía mecánica, es importante determinar el número de ciclos de vida de los que es capaz un volante de inercia. Esto resulta difícil de hacer en sistemas grandes ya que el tiempo de carga/descarga para niveles de carga completos es alto. Por ejemplo, una unidad de motor/generador de 60 kW requerirá 4 horas para cargar y descargar un volante de inercia de 120 kWh. Someter dicha unidad a 10000 ciclos tardará por lo menos 4-1/2 años sin incluir el tiempo de mantenimiento. Una realización que se describe aquí permite una prueba de vida acelerada utilizando un rotor escalado en diámetro, pero no en grosor. Dado que las propiedades de la aleación de acero dependen del tratamiento térmico y este último depende del grosor, mantener el mismo grosor y el diámetro por lo menos tan grande como el doble del grosor asegura que se mantengan las propiedades del material idénticas a las del rotor a escala completa. En un cálculo, la reducción del diámetro en un factor de 3 aumenta las rpm en el mismo factor (para el mismo estado de tensión) y reduce el tiempo de ciclo a 5 ciclos por hora o 10000 ciclos en menos de 3 meses. En esta realización, el rotor más pequeño queda suspendido en una cámara de vacío y se hace girar utilizando un aumentador de velocidad 5:1 y un motor/generador de 130 kW. Se utilizan dos unidades de las mismas dimensiones para cargarse y descargarse entre sí conjuntamente, minimizando de este modo el consumo de energía. La conexión a la red proporciona la energía restante para las pérdidas en los dos sistemas. De esta manera, pueden completarse pruebas realistas de la vida útil del rotor en un período de tiempo razonable.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Las características anteriores y otras de la presente descripción serán más claras a partir de la siguiente descripción y las reivindicaciones adjuntas, tomadas junto con los dibujos adjuntos. Entendiendo que estos dibujos representan sólo varias realizaciones de acuerdo con la descripción y, por lo tanto, éstos no deben considerarse limitativos de su alcance, la descripción se dará con especificidad y detalle adicionales mediante el uso de los dibujos adjuntos. La figura 1 es un diagrama de flujo de proceso que muestra una secuencia de etapas de procesamiento para la fabricación de un rotor de alta densidad de energía a bajo coste de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 2 es un dibujo esquemático que muestra un dispositivo de almacenamiento de energía cinética en forma de rotor giratorio soportado por unos cojinetes dentro de una envolvente de vacío y accionado por un motor/generador externo de acuerdo con una realización ilustrativa.

Las figuras 3A-D muestra gráficas del efecto beneficioso del preacondicionamiento sobre el estado de tensión en el rotor de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 4A es un dibujo esquemático que muestra el uso de un revestimiento de pintura frágil para determinar el estado de tensión en el rotor de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 4B es un ejemplo de un patrón de grietas en el revestimiento de pintura frágil, resultando las grietas del giro del rotor de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 5 es un dibujo esquemático que muestra una disposición de una cámara de vídeo conectada a una luz estroboscópica para obtener imágenes de los patrones de grietas en el revestimiento de pintura frágil mientras el rotor gira de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 6 es un dibujo esquemático que muestra una disposición de galgas extensométricas conectadas a unos circuitos de transmisión de radiofrecuencia y unas antenas para determinar las deformaciones en el rotor mientras gira de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 7 es un dibujo esquemático que muestra cómo la placa superior de la carcasa de vacío también sirve de elemento de suspensión elástica del rotor de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 8 es un dibujo esquemático que muestra unas nervaduras de refuerzo en una placa superior de una carcasa, que actúa de elemento de suspensión del rotor, alterando las nervaduras añadidas o retiradas la rigidez de la placa superior y, por lo tanto, la frecuencia de resonancia del sistema de suspensión del rotor de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 9A es un dibujo esquemático que muestra cómo se dispone con precisión la placa superior (y el cojinete superior) respecto a la placa inferior (y el cojinete inferior) a través de un labio ranurado mecanizado para una alineación precisa del eje del rotor de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 9B es un dibujo esquemático que muestra cómo puede subirse o bajarse el soporte central inferior para mantener el espacio de aire deseado entre el rotor y el imán de descarga de elevación empleando un mecanismo accionado por motor soportado sobre unos cojinetes de empuje de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 10 es un dibujo esquemático de la pata de soporte central de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 11 es un dibujo esquemático que muestra una lámina a base de caucho o elastómero para proporcionar aislamiento sísmico a la unidad de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 12 es un dibujo esquemático que muestra unos medidores de desplazamiento para controlar una variación de diámetro del rotor mientras gira de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 13 es un dibujo esquemático que muestra acelerómetros para medir y controlar desequilibrios de rotación en el rotor de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 14 es un dibujo esquemático que muestra un extensómetro para medir el desplazamiento del eje axial y la vibración durante el funcionamiento de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 15 es un dibujo esquemático que muestra unos sensores de emisión acústica para controlar el desgaste de los cojinetes y el daño progresivo en el dispositivo durante el funcionamiento de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 16 es un dibujo esquemático que muestra un diseño de contención para capturar fragmentos de un rotor averiado de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 17 es un dibujo esquemático que muestra un agregado graduado y una disposición de arena para detener fragmentos liberados durante un fallo del rotor de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 18 es un dibujo esquemático que muestra una disposición que incluye un motor de inducción como motor/generador cuando está acoplado al rotor a través de una transmisión variable continua (CVT) de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 19 es un dibujo esquemático que muestra la imposición de un gradiente térmico en el rotor para mejorar la densidad de energía de almacenamiento mediante la introducción de tensiones térmicas beneficiosas de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 20 es un dibujo esquemático que representa el acoplamiento de un eje mecanizado por separado a un rotor mediante unión adhesiva de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 21 es un dibujo esquemático que representa el acoplamiento de un eje mecanizado por separado a un rotor mediante soldadura por fusión o rozamiento de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 22 es un dibujo esquemático que muestra un rotor realizado en varias laminaciones de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 23 es un dibujo esquemático que muestra un procedimiento para la fabricación rápida de un anillo compuesto utilizando haces de fibras secas dispensadas en un molde giratorio junto con resina precatalizada de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 24 es un dibujo esquemático que muestra un procedimiento para la fabricación rápida de un anillo compuesto utilizando haces de fibras preimpregnadas ("tow preg") dispensados en un molde giratorio calentado internamente de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 25 es un esquema que muestra dos muelles superior e inferior que permiten un funcionamiento estable de un electroimán para elevar el rotor de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 26 es un dibujo esquemático que muestra un vacío para ayudar a la elevación del rotor para reducir la separación respecto al electroimán de elevación de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 27 muestra un transductor de desplazamiento para medir directamente la separación entre el rotor y el imán de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 28 muestra una disposición en la cual se utiliza un soporte de cojinete superior motorizado para regular la posición axial del rotor en el volante de inercia de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 29 muestra la configuración del cartucho de cojinete inferior que está diseñado para soportar el rotor cuando falla el cojinete y absorber parte de la energía de rotación del rotor por fusión mientras soporta el rotor de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 30 muestra el soporte del borde del rotor por la carcasa después del fallo del cojinete que da lugar a una absorción de energía rotacional progresiva y segura de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 31 muestra un acoplamiento por engrane entre el rotor y el motor para aislar el rotor de vibración y desplazamientos del motor de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 32 muestra unos pernos insertados a través de unas lengüetas deformables plásticamente que mantienen juntas las carcasas del volante de inercia mientras permiten una deformación suficiente para liberar la sobrepresión interna debida al fallo de vacío a altas velocidades de rotación del rotor de acuerdo con una realización ilustrativa. La figura 33 muestra una válvula de descarga de presión para liberar la sobrepresión interna en la carcasa debido a un fallo de vacío de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 34 muestra una disposición para soportar el cojinete del rotor de manera que permite el reemplazo del cojinete y las juntas sin retirar el rotor de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 35 muestra una disposición para una refrigeración eficaz del cojinete durante el funcionamiento de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 36 muestra una disposición para un detector ultrasónico dentro de la carcasa del volante de inercia para explorar el rotor en busca de fallos de acuerdo con una realización ilustrativa.

La figura 37 muestra dos unidades de volante de inercia que se cargan y descargan entre sí para un ciclo eficiente para evaluar ciclos de vida y fiabilidad de acuerdo con una realización ilustrativa.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS

En la siguiente descripción detallada se hace referencia a los dibujos que se acompañan, los cuales forman parte de la misma. En los dibujos, símbolos similares identifican típicamente componentes similares, salvo que el contexto indique lo contrario. Las realizaciones ilustrativas descritas en la descripción detallada, dibujos y reivindicaciones no pretenden ser limitativas. Se entenderá fácilmente que los aspectos de la presente descripción, tal como se describe en general aquí y se ilustra en las figuras, pueden disponerse, sustituirse, combinarse, y diseñarse en una amplia variedad de configuraciones diferentes, todas las cuales se contemplan explícitamente y forman parte de esta descripción.

Con referencia a las figuras adjuntas, la presente descripción está relacionada con el almacenamiento de energía cinética, específicamente el almacenamiento de energía basado en volantes de inercia, para su uso en redes eléctricas, sistemas de generación de energía renovable tales como aerogeneradores, paneles solares, máquinas mareomotrices, y aplicaciones industriales donde el suavizado de la demanda de energía reduce costes tanto de inversión como operativos. La presente descripción también se refiere a procedimientos para producir, controlar e integrar dichos dispositivos de almacenamiento con sistemas de distribución de energía de red y micro-red existentes. Si bien lo que se describe aquí se presenta en el contexto de dispositivos de almacenamiento de energía en el campo de aplicaciones a escala de red, dichos dispositivos pueden utilizarse en aplicaciones alternativas tales como el almacenamiento de energía independiente para estaciones de carga de vehículos eléctricos, sistemas de transporte ferroviario, ascensores, grúas, sistemas de embarcaciones, o cualquier otro dispositivo que utilice almacenamiento de energía cinética, tal como apreciarán los expertos en la materia que revisen esta descripción. Haciendo referencia a la figura 1, se muestra una secuencia de ejemplo de operaciones de conformado de metal para producir un rotor con la resistencia y uniformidad deseadas a bajo coste. El rotor puede ser uno de los componentes más costosos en el diseño del dispositivo de almacenamiento de energía que se describe aquí. Puede ser de grosor constante o variable. Al girar a alta velocidad, las tensiones en un rotor de grosor constante son máximas en su centro, donde las tensiones radiales y tangenciales son ambas de tracción. La integridad estructural en el centro es, por lo tanto, más importante que la integridad del material en los bordes, ya que es más probable que los fallos se inicien y se propaguen en el centro del rotor. La secuencia de fabricación mostrada en la figura 1 es un procedimiento para ayudar a reducir el tamaño de los defectos de manera económica y reproducible.

Se corta al volumen deseado un lingote de fundición de la aleación deseada, por ejemplo, designación 4340 del American Iron and Steel Institute (AISI), y se somete a una o más operaciones de recalcado en una configuración de matriz abierta en una prensa hidráulica a la temperatura de forja en caliente. Este proceso comprime los huecos en el lingote y estira inclusiones en partículas delgadas y más finas denominadas larguerillos. Dado que la carga es simétrica al eje, el proceso también puede resultar en la dispersión de larguerillos. En una realización de ejemplo, la pieza en bruto se forja en caliente en una forma que contiene protuberancias en cualquier superficie utilizando un juego de herramientas de matriz cerrada. En algunas realizaciones, las alturas de las protuberancias superan las alturas finales de los ejes integrales del rotor. Las protuberancias pueden tener diferentes alturas para aplicaciones específicas. Después de esta operación, el rotor está ahora casi en su forma final. Esta forma puede presentar una sección transversal relativamente delgada para una refrigeración rápida y uniforme durante la operación de templado en el proceso de tratamiento térmico.

Las aleaciones de acero de endurecimiento por transformación tal como AISI 4340 dependen de una velocidad de refrigeración mínima para la formación de martensita que, después del proceso de templado, determina la resistencia y ductilidad del producto final. La velocidad de refrigeración mínima se produce en la posición de mayor grosor de la sección transversal más alejada de la superficie. Por lo tanto, el diseño del rotor, para una máxima capacidad de densidad de almacenamiento de energía a un coste mínimo, depende de un factor de forma (relación entre grosor y diámetro) bajo. En un ejemplo, un factor de forma de aproximadamente un 15% da como resultado un grosor de 0,25 m (10 pulgadas) para una capacidad máxima de almacenamiento de energía de 150 kWh cuando se utiliza acero de aleación AISI 4340 tratado térmicamente. En otras realizaciones, pueden utilizarse grosores de menos de 0,25 m (por ejemplo, un grosor en el intervalo de 0,05 m - 0,25 m).

Después de la operación de matriz cerrada para formar las protuberancias, la pieza en bruto se mecaniza en bruto para reducir todavía más el grosor máximo de la pieza en bruto. Este proceso puede ir seguido de templado y revenido (tratamiento térmico). Un templado de ejemplo es calentar la pieza en bruto a 850 grados Celsius, templarlo en un baño de agua modificado con polímero, seguido de revenido entre aproximadamente 210 grados Celsius y 250 grados Celsius. Después de la operación de templado, la pieza se mecaniza y se equilibra. Esta secuencia de proceso puede dar como resultado un límite elástico mínimo de aproximadamente 1200 MPa (170000 psi), una resistencia a la tracción final de aproximadamente 1300 MPa (185000 psi), y una ductilidad de por lo menos un 6% para un rotor de ejemplo de las dimensiones descritas anteriormente. Puede ser importante asegurar una ductilidad adecuada para que el rotor, cuando se someta al proceso de preacondicionamiento que se describe a continuación, tenga el estado de tensión residual beneficioso deseado que mejora la densidad de energía y asegura unos márgenes de seguridad adecuados.

Haciendo referencia a la figura 2, un sistema 10 muestra un dispositivo de almacenamiento de energía de volante de inercia que incluye un rotor 12 que se encuentra situado dentro de una carcasa sellada herméticamente que incluye una placa superior 14, un recinto vertical cilíndrico 16, y una placa inferior 18. Dos conjuntos de cojinetes 20 permiten que el rotor gire libremente en contacto por rodadura con los cojinetes contenidos dentro de cada conjunto de cojinetes. Unos pasadores 22 colocan con precisión la placa superior e inferior entre sí. Unas juntas tóricas 24 en el recinto cilíndrico 16 sellan la placa superior e inferior para formar el recinto de vacío. Unas nervaduras 26 en la placa superior e inferior proporcionan el nivel de rigidez deseado a cada placa. Un electroimán 28 muy próximo a la superficie superior del rotor proporciona una fuerza vertical lo suficientemente grande como para elevar el rotor. En el cuerpo del electroimán hay formada una ranura anular 30 cuyo eje coincide con el eje del rotor. La ranura anular se llena con una bobina de cobre 32 que incluye varias bobinas de un cable aislado único que, cuando se conecta a una fuente de alimentación de CC, proporcionará una fuerza de elevación controlable en el rotor.

Una serie de patas 34 montadas externamente sostienen el dispositivo sobre una plataforma 36 que incluye una serie de capas de acero/caucho unidas y laminadas que proporcionan aislamiento al dispositivo de eventos sísmicos. El paquete de cojinetes 20 contiene una junta de labio 38 que sella el eje giratorio contra la infiltración de aire en la envoltura de vacío. Un muelle ondulado 40 asegura que exista una precarga axial mínima en el cojinete de contacto por rodadura 42 y una célula de carga 44 proporciona un medio para monitorizar la carga axial sobre el cojinete durante el funcionamiento. El eje del rotor 12 tiene una serie de escalones mecanizados para alojar la junta, el muelle, el cojinete, y la célula de carga. La carcasa exterior 46 del paquete de cojinetes está situada con precisión en la placa superior mediante unos pasadores 48. La posición axial del eje se regular mediante una pieza cilíndrica hueca internamente roscada 50 que, al girarla, establece el punto de ajuste superior que sitúa la posición axial de la célula de carga 44 (y, por tanto, del eje). Esta característica proporciona un medio para regular el espacio de aire entre la superficie superior del rotor 12 y el electroimán 20. Un eje de acoplamiento 52 conecta la parte superior del eje del rotor al motor/generador 54.

Las figuras 3A-D muestran unas gráficas de la distribución de esfuerzos en el rotor cuando se realiza un tratamiento de preacondicionamiento, tal como se describe a continuación, en el rotor. La figura 3A muestra la distribución de tensiones (tensiones radiales y tangenciales) en un rotor que gira a una velocidad a la que justo comienza a producirse la fluencia en el centro del rotor. Este punto se considera el nivel máximo de carga para el rotor y su velocidad máxima de funcionamiento generalmente se establece en un valor muy por debajo de este valor. Sin embargo, el aumento de la velocidad del rotor por encima del punto correspondiente al inicio de la fluencia crea una zona plástica que crece tal como se muestra en la figura 3B a un radio rp. Al reducir la velocidad del rotor a cero, existe ahora un estado de tensión residual tal como se muestra en la figura 3C, que se caracteriza por una zona central de compresión. Al volver a girar el rotor a la velocidad que ha alcanzado en la figura 3A, la zona de compresión residual reduce la tensión máxima de modo que existe ahora un margen positivo a la velocidad correspondiente a la velocidad de fluencia. Este proceso de preacondicionamiento aumenta así la densidad de almacenamiento de energía en el rotor.

En algunas realizaciones, la deformación del rotor puede estimarse utilizando modelos de cálculo. En dicha realización, la cantidad de deformación deseada puede convertirse en la velocidad de rotación para un material y una geometría del rotor determinados. De esta manera, una cantidad de tensión suficiente sería simplemente una velocidad de giro determinada, sin medir realmente la tensión en cada rotor. En otros casos, tal como se mostrará, la deformación puede medirse mientras se lleva a cabo el giro de manera que pueda determinarse la deformación y pueda aumentarse la velocidad de giro hasta que se produzca la zona de fluencia deseada.

La figura 4A muestra la aplicación de una pintura frágil 56 sobre el rotor 12. Al girar el rotor, la deformación en el rotor produce un patrón de grietas 57, mostrado en la figura 4B, en la pintura frágil que representa el estado de tensión en el rotor. El patrón de grietas incluye grietas distribuidas tangencial y radialmente, cuya separación es una medida de la magnitud de la tensión; cuanto más cercana sea la separación, mayor será la tensión. Los valores cuantitativos de la distribución de la tensión pueden obtenerse mediante calibración al cargar una muestra de tracción a cargas conocidas y midiendo el patrón de grietas. Además de la magnitud de las tensiones, las direcciones de las tensiones principales también se muestran en el patrón, ya que las orientaciones de las grietas son perpendiculares a las direcciones de las tensiones principales.

La figura 5 ilustra el uso de una cámara de vídeo 58 y una luz estroboscópica 60 cuya frecuencia está sincronizada con la velocidad del rotor. De esta manera, la progresión de las grietas en la capa de pintura frágil en el rotor 12 dentro de la envolvente de vacío 16 puede registrarse en función de la velocidad del rotor.

En la figura 6, se unen unos extensímetros con transmisores de radiofrecuencia (RF) 62 a la superficie del rotor 12 dentro de la pared 16 de la cámara de vacío y son orientados a lo largo de direcciones de interés paralelas y tangenciales al vector radial. En realizaciones alternativas, los transmisores 62 pueden ser cualquier tipo de transmisor inalámbrico o sistema de comunicación inalámbrico conocido en la técnica y no se limita a transmisores de radiofrecuencia. Un receptor dentro de la envolvente de vacío comunica las lecturas del extensímetro a un registrador a través de un cable para visualización y registro. Esta disposición proporciona una medición en tiempo real de la distribución de la deformación en el rotor mientras gira; información que es particularmente importante durante el proceso de preacondicionamiento, ya que la distribución de la tensión y la extensión de la zona plástica se monitoriza con precisión con la velocidad del rotor. Además, un software de control puede utilizar esta información para advertir de respuestas que no son nominales y apagar la unidad, si es necesario.

La figura 7 ilustra el uso de la respuesta elástica de la placa superior de la que está suspendido el rotor como muelle que determina la frecuencia de resonancia mínima del sistema. El peso del rotor desvía la placa superior dependiendo de su rigidez. La frecuencia de resonancia es proporcional a la raíz cuadrada de la relación entre la rigidez de la placa (el peso del rotor dividido por la deflexión de la placa, que se muestra como la línea de puntos en la figura) y el peso del rotor. Por tanto, si puede ajustarse la rigidez de la placa superior, puede obtenerse la frecuencia de resonancia deseada del sistema. Esta característica se ilustra en la figura 8, que muestra cómo puede ajustarse la rigidez de la placa superior 14 añadiendo o quitando refuerzos de nervaduras 64. Las cargas laterales dependen, para una velocidad de rotor determinada, de las longitudes de los ejes del rotor, y la carga disminuye al aumentar la longitud del eje. Sin embargo, la frecuencia de resonancia del primer modo de flexión de la estructura del rotor/eje aumenta al disminuir la longitud del eje. Mientras que la frecuencia de resonancia disminuye con la longitud del eje como L3/2, ésta aumenta con el diámetro del eje como d2. Por lo tanto, una relación adecuada entre el diámetro del eje y la longitud proporciona un sistema que tiene una baja carga lateral sobre los cojinetes debido a la precesión del rotor y una alta frecuencia de resonancia.

La figura 9A es un dibujo esquemático que muestra cómo la placa superior (y el cojinete superior) se ubica con precisión respecto a la placa inferior (y el cojinete inferior) a través de un labio ranurado mecanizado para una alineación precisa del eje del rotor de acuerdo con una realización ilustrativa. Un labio ranurado 66 en la placa superior 14 ubica con precisión la placa superior 14 respecto a la pared de la cámara de vacío 16. También puede estar presente un labio ranurado similar en la placa inferior. La colocación de la pared de la cámara de vacío 16 dentro del labio ranurado 66 asegura que la alineación entre los paquetes de cojinetes superior e inferior sea exacta y precisa.

La figura 9B es un dibujo esquemático que muestra cómo puede subirse o bajarse el soporte central inferior para mantener el espacio de aire deseado entre el rotor y el imán de descarga de elevación empleando un mecanismo accionado por motor soportado sobre unos cojinetes de empuje de acuerdo con una realización ilustrativa. Se utiliza un engranaje de tornillo sinfín 68 para ubicar con precisión la posición axial del paquete de cojinetes 20 y, por lo tanto, el rotor, respecto al espacio de aire entre éste y el electroimán. El engranaje de tornillo sinfín es accionado por un motor (no mostrado), o manualmente, para hacer girar el eje de salida 70, que, en virtud de un tornillo que se acopla al paquete de cojinetes, eleva o desciende todo el conjunto. Con esta realización, los desplazamientos relativos entre el cojinete superior e inferior debido a deflexiones en la placa superior e inferior que resultan del peso del rotor y/o la presión de vacío pueden compensarse de manera que haya un espacio libre axial adecuado entre el tope del eje inferior y el cojinete inferior durante el funcionamiento. Estos ajustes pueden realizarse de manera remota y, si es necesario, de manera autónoma cuando se utilizan junto con un transductor de desplazamiento y un controlador.

Haciendo referencia a la figura 10, una estructura cilíndrica hueca 72 situada en el eje y en la parte inferior del paquete de cojinetes inferior actúa como pata única regulable que soporta la placa inferior 26 cuando el rotor 12 se encuentra estacionario y/o el descargador no está activado. En una realización, la pata incluye una extensión roscada que permite variar la longitud de la pata para adaptarse a los contornos de la superficie del suelo en un sitio de instalación.

Haciendo referencia a la figura 11, toda la unidad se coloca sobre una lámina de goma gruesa o un conjunto laminado de placas de acero y láminas de goma 74 para proporcionar aislamiento sísmico. En esta realización, la estructura de soporte del volante de inercia se coloca sobre la lámina de caucho directamente o se atornilla al conjunto de placas de acero y láminas de caucho 74 que constituyen un componente de aislamiento sísmico. En una realización, el conjunto de placas de acero y láminas de caucho 74 puede ubicarse dentro de una bóveda o contenedor configurado para reducir el daño resultante de un fallo catastrófico del dispositivo.

Haciendo referencia a la figura 12, unos sensores de desplazamiento sin contacto 76, tales como medidores capacitivos, situados en el interior de la pared de la cámara de vacío 16 y separados alrededor de la periferia del rotor 12 determinan la variación del radio del rotor con la variación de su velocidad. Esta información es útil para verificar el modelo numérico, así como para advertir sobre cambios de desplazamiento anómalos que pueden indicar un fallo inminente del rotor o del cojinete. En una realización de ejemplo, un conjunto de doce sensores de desplazamiento colocados a treinta grados de distancia dará un perfil del diámetro exterior del rotor mientras gira. Los desplazamientos de la periferia del rotor pueden determinarse cada 20 microsegundos utilizando un convertidor de analógico a digital (A/D) con una frecuencia de muestreo de 50 kilohercios. Esto corresponde a una medición del perfil del rotor por cada 0,72 grados de rotación para un rotor que gira a 6000 rpm. El perfil en tiempo real, así como cualquier error en la redondez del perfil, puede determinarse a partir de los datos registrados y compararlos con un modelo informático. Además, los modos de vibración lateral y modos de forma pueden determinarse en tiempo real. Haciendo referencia a la figura 13, alrededor de la periferia de cada paquete de cojinetes van montados dos o más acelerómetros 78 para medir un nivel de desequilibrio del rotor. Las amplitudes de las señales del acelerómetro proporcionan información sobre la masa del desequilibrio si se conoce la velocidad del rotor. Cuando la marca de tiempo de cada señal del acelerómetro se correlaciona con el codificador rotatorio del motor, puede identificarse y eliminarse la ubicación angular del desequilibrio neto en el rotor en una operación de mecanizado posterior. Además, las variaciones en las señales del acelerómetro durante el funcionamiento pueden utilizarse como indicadores de desgaste de los cojinetes y/o fallo inminente del sistema.

Haciendo referencia a la figura 14, en la base de la unidad, dentro del paquete de cojinetes, va montado un indicador de desplazamiento 80 para registrar el movimiento dinámico (axial) del rotor suspendido en todos sus rangos de velocidad de funcionamiento y preacondicionamiento para determinar las velocidades a las que el rotor experimenta cada modo resonante. Esta información también puede utilizarse para indicar un comportamiento anómalo del sistema.

Haciendo referencia a la figura 15, en la estructura se disponen, en varios lugares, unos sensores de emisión acústica (AE) 82, incluyendo en los paquetes de cojinetes y dentro de la carcasa de vacío. Estos sensores miden los sonidos que emanan de los cojinetes o la propagación de fallos en el rotor, proporcionando así una medida del desgaste o fallo inminente de uno o más componentes en el sistema. En una realización, los sensores de emisión acústica 82 miden sonidos de alta frecuencia (por ejemplo, 500 kHz o más).

Haciendo referencia a la figura 16, una estructura de contención de hormigón y acero de paredes gruesas 84, 86 está construida para quedar muy próxima, preferiblemente, en contacto con la pared exterior del cilindro del dispositivo 10. Esta disposición mantiene fragmentos que resultan del fallo del rotor contenidos en modos rotacionales (minimizando modos de traslación) de modo que la disipación de energía se ve facilitada por el rozamiento y la interacción entre partículas. La estructura de contención presenta una geometría cónica 84 modo que el diámetro de la estructura de contención aumenta gradualmente al aumentar la profundidad desde la parte inferior de la unidad. En caso de fallo del rotor, los fragmentos tenderán a desplazarse axialmente y se acumularán por debajo de la unidad en lugar de moverse hacia arriba y ser expulsados por encima de la superficie. En una realización, la estructura de contención 84, 86 puede estar enterrada por lo menos parcialmente.

Haciendo referencia a la figura 17, se coloca una disposición de agregado graduado 88 de manera que el tamaño del agregado disminuye con la distancia radial desde la pared de hormigón. Esto da como resultado una estructura absorbente de energía con mayor porosidad adyacente a la estructura de contención de hormigón y un tamaño decreciente de las partículas al aumentar la distancia radial.

Haciendo referencia a la figura 18, el dispositivo de volante de inercia 10 está conectado a un motor de inducción 90 a través de una transmisión variable continua (CVT) 100 controlada electrónica o mecánicamente u otra transmisión de engranajes. Sobrecargar el motor de inducción de esta manera más allá de la velocidad de deslizamiento hace que funcione como un generador que envía energía a la red. Un accionamiento insuficiente del motor variando la relación de transmisión en la CVT dará como resultado que el motor de inducción sea accionado por la fuente de energía externa para acelerar el rotor y, por lo tanto, almacenar energía. Se trata de un procedimiento de bajo coste ya que no implica motores de CC sin escobillas, inversores y sus esquemas de control y software de controlador asociados.

Haciendo referencia a la figura 19, los calefactores 110 imponen un gradiente de temperaturas radial sobre el rotor 12. Cuando el centro del rotor se encuentra a una temperatura más elevada que su periferia, la deformación térmica no uniforme resultante da como resultado una tensión térmica beneficiosa (de compresión en el centro, de tracción en la periferia), que mejora el estado general de tensión y, por lo tanto, aumenta la densidad de energía en el rotor. En una realización, los calefactores pueden incluir calefactores eléctricamente resistivos o cualquier otro calefactor adecuado conocido por los expertos en la materia. En una realización, los calefactores están dispuestos concéntricos al rotor y acoplados a la carcasa por encima del rotor. Se produce un perfil de temperaturas específico con diferentes entradas de corriente a cada elemento calefactor concéntrico. El perfil de temperaturas se mide durante el funcionamiento con una matriz lineal de pirómetros dispuestos radialmente desde el centro del rotor hacia su periferia.

La figura 20 ilustra un concepto para utilizar ejes discretos mecanizados por separado 120, que pueden estar realizados en un acero de aleación que puede ser austenítico (y, por lo tanto, no magnético) y adherirse al rotor 12 con un adhesivo estructural 122. Dado que el descargador magnético eleva directamente el rotor, las tensiones en las juntas de unión son bajas y principalmente de compresión, debido a la precarga de compresión axial, y son compensadas fácilmente por la fuerza de unión de adhesivos estructurales de polímero convencionales. Esta solución permite utilizar un rotor de geometría muy simple que es fácil de forjar y mecanizar ya que no tiene ejes integrales.

Haciendo referencia a la figura 21, el rotor 12 es un simple disco de grosor fijo o variable sin ejes como en la figura 20. En este caso, los ejes 120 están soldados al rotor. En algunas realizaciones, los ejes pueden soldarse al motor con soldaduras de fusión en ángulo convencionales entre la superficie de contacto 126 y el rotor 12. Después de la operación de soldadura, procedimientos de tratamiento térmico convencionales eliminan concentraciones de tensiones introducidas en el rotor en los lugares de soldadura. Dado que el descargador magnético eleva directamente el rotor, las tensiones en las soldaduras son bajas.

En otra realización, los ejes 120 se sueldan por fricción al rotor utilizando una fuerza axial 128 elevada para presionar el eje sobre una pieza en bruto de rotor giratoria. La superficie de contacto 126 alcanza una temperatura elevada suficiente para soldar la superficie de contacto. Después de la operación de soldadura, procedimientos de tratamiento térmico convencionales eliminan las concentraciones de tensiones introducidas en el rotor en la soldadura. Dado que el descargador magnético eleva el rotor directamente, las tensiones en las soldaduras son bajas.

Haciendo referencia a la figura 22, el rotor se construye a partir de varias placas laminadas que se unen mediante adhesivos mediante adhesivos estructurales convencionales. En diversas realizaciones, los adhesivos pueden incluir adhesivos epoxi estructurales, adhesivos flexibles a base de polisulfuro tolerantes al aceite, adhesivos a base de silicona o cualquier otro adhesivo adecuado conocido por los expertos en la materia. La única tensión en las uniones entre las laminaciones es la carga por gravedad que se produce al elevar el rotor. Esta tensión es baja y se adapta fácilmente a la resistencia a la tracción del adhesivo. Por ejemplo, para diez laminaciones cada una de 25 mm de grosor (1 pulgada), la tensión de tracción en la primera unión de laminación (la unión unida con mayor carga) es inferior a 0,021 MPa (3 psi). Los adhesivos estructurales tienen resistencias a la tracción que superan fácilmente los 7 MPa (1000 psi). Las láminas delgadas pueden tratarse térmicamente de manera individual para obtener resistencias más elevadas, aumentando así la densidad de energía del rotor. Además, los rotores laminados tienen un alto grado de redundancia ya que la propagación de defectos en una lámina tiende a estar restringida por las láminas adyacentes. Además, el fallo de una lámina no da como resultado el fallo de todo el rotor. Además, dado que las láminas son delgadas, están en un estado de tensión plana biaxial cuando el rotor está girando, que es un estado de tensión más uniforme que el estado de tensión plana biaxial que existe en un rotor monolítico grueso. Además, pueden tratarse térmicamente placas delgadas con un límite elástico más alto que placas gruesas; por lo tanto, un rotor que comprende placas delgadas laminadas juntas presentará una densidad de energía más alta que en un rotor monolítico del mismo grosor total.

Haciendo referencia a la figura 23, se fabrica un anillo compuesto reforzado con fibra utilizando un molde cilíndrico giratorio de alta velocidad 132 en el cual se introduce un haz de fibras desde un carrete giratorio 134 situado dentro del molde cuyo eje de giro es paralelo al eje del molde giratorio. A medida que el haz de fibras se desenrolla del carrete, éste se mantiene contra la superficie interior del molde giratorio mediante fuerza centrífuga. Desde una boquilla 136 perpendicular a la pared vertical del molde rotatorio se pulveriza una resina termoendurecible precatalizada curada a temperatura ambiente sobre el haz de fibras que se apoya contra la pared. La elevada fuerza g proporciona una presión adecuada para que la resina líquida se infiltre en el haz de fibras a medida que avanza el curado de la resina. Cuando se completa el curado, se retira el molde y se expulsa el anillo del molde. Este proceso es de 10 a 50 veces más rápido que el devanado de filamento, el proceso convencional para fabricar anillos compuestos. Por ejemplo, son posibles velocidades de dispensación de fibra de 4500 m/min en comparación con velocidades de bobinado de filamentos de 60 - 90 m/min. Alternativamente, puede utilizarse un sistema de resina que cura a alta temperatura junto con un procedimiento para calentar la superficie del molde, ya sea mediante calefactores de resistencia eléctrica internos, calefactores de gas, o lámparas infrarrojas que iluminan el molde desde el interior. Alternativamente, el molde giratorio tiene un eje central y juntas de labio del eje para que la infiltración y el curado puedan realizarse al vacío para minimizar huecos en el material compuesto. Pueden desplegarse simultáneamente bobinas adicionales de modo que los tiempos de procesamiento puedan reducirse todavía más y/o puedan dispensarse diferentes fibras (vidrio, carbono, Kevlar, cables metálicos, etc.) simultáneamente o en secuencia, de modo que el anillo compuesto final tenga una estructura en capas de diferentes tipos de fibras que pueden resultar ventajosas en determinadas aplicaciones. Alternativamente, pueden aplicarse diferentes sistemas de resina en secuencia para variar las propiedades radialmente. Por ejemplo, puede fabricarse fácilmente un anillo compuesto de esta manera con fibras de carbono en su diámetro exterior y fibras de vidrio en su diámetro interior. Debido a la alta carga g en esta aplicación, pueden producirse anillos compuestos libres de huecos a velocidades elevadas.

Haciendo referencia a la figura 24, desde un carrete 134 se dispensa un haz de fibras preimpregnado y parcialmente curado ("tow preg", 138), como en la figura 23, en un molde cilíndrico giratorio de alta velocidad 132. Un calefactor interno 142 (o externo) calienta el "tow preg' dispensada, permitiendo que fluya y cure.

La figura 25 es un esquema que muestra dos muelles superior e inferior que permiten un funcionamiento estable de un electroimán para elevar el rotor de acuerdo con una realización ilustrativa. En la figura 25, se colocan unos muelles compactos 138 tales como arandelas de disco o muelles ondulados encima del cojinete superior 42 y por debajo del cojinete inferior dentro del cartucho del cojinete 20. Esta disposición proporciona un control más estable de la posición del rotor 12 respecto a la corriente del electroimán 28. Dado que la corriente de la bobina requerida para elevar el rotor disminuye rápidamente al disminuir la separación, la adición del muelle cuya fuerza de resistencia aumenta con la reducción de la separación compensa las características del imán.

La figura 26 es un dibujo esquemático que muestra un vacío para ayudar a la elevación del rotor para reducir la separación respecto al electroimán de elevación de acuerdo con una realización ilustrativa. Haciendo referencia a la figura 26, la aplicación de vacío a la carcasa 14, 16, 18 da como resultado la elevación del rotor 12 respecto al cartucho de cojinete 20 mediante la desviación 140 de la sección superior e inferior 14 y 18 de la carcasa. Este movimiento da como resultado una reducción de la distancia entre el rotor 12 y su posición final respecto al electroimán 32. Esta característica permite una reducción de la corriente continua necesaria para recorrer la distancia entre el rotor y su posición de funcionamiento final. Por ejemplo, en una prueba que implicaba una carcasa de 6-1/2 pies (2 metros) de diámetro, la aplicación del vacío redujo la distancia relativa entre el rotor y el imán en más de 0,10 pulgadas (2,5 mm). Para lograr esto sólo con el imán, sería necesario duplicar la corriente en el electroimán (y, por lo tanto, el tamaño de la fuente de alimentación). El grado de vacío puede regularse para controlar la velocidad a la que se recorre la distancia entre el rotor y el imán.

La figura 27 muestra un transductor de desplazamiento para medir directamente la separación entre el rotor y el imán de acuerdo con una realización ilustrativa. Haciendo referencia a la figura 27, un transductor de desplazamiento tal como un transformador diferencial lineal (LVDT) o medidor capacitivo, 142 mide directamente la separación entre el rotor 12 y el imán 32. Se utiliza un transductor de desplazamiento de contacto, tal como el LVDT, después del montaje para garantizar que se logre la separación deseada al activar el electroimán y al aplicar vacío. Un cuerpo del LVDT está acoplado a la carcasa dentro de la envoltura de vacío con su sonda en contacto con el rotor para realizar la medición. La sonda se levanta del rotor mediante un solenoide antes de que el rotor comience a girar. Un transductor de desplazamiento sin contacto, tal como un medidor capacitivo, está orientado de manera similar para medir directamente la separación. Un transductor de desplazamiento sin contacto puede realizar mediciones si el rotor está parado o girando y tiene la ventaja de monitorizar la separación en el rango de velocidad del rotor.

La figura 28 muestra una disposición en la que se utiliza un cojinete superior motorizado para regular la posición axial del rotor en el volante de inercia de acuerdo con una realización ilustrativa. En la figura 28, un cojinete superior motorizado 144 montado en la carcasa superior 14 traslada la posición del tope en el cartucho de cojinete 20 el cual, a su vez, establece la posición del rotor 12. Al conectar esta característica a un sistema de control, puede regularse la corriente del electroimán para varias condiciones de separación para optimizar el rendimiento del volante de inercia y el posicionamiento con la carcasa. La posición del rotor se establece mediante el elemento interior 176 en el cartucho de cojinete 20 (tal como se aprecia en la figura 34). Al girar el componente interno 176 se mueve el componente interno 176 a través de la interfaz roscada entre el componente interno 176 y el cuerpo del cartucho de cojinete 20 lo que, a su vez, establece la posición del rotor cuando el electroimán lo eleva contra el componente interno 176. La adición de una característica motorizada al cartucho de cojinete 20 permite que este ajuste se realice durante el giro del volante. Un pequeño motor acoplado a un reductor de velocidad por engranaje de tornillo sinfín permite pequeños desplazamientos del componente interno 176 hacia arriba o hacia abajo, variando de este modo el espacio entre el rotor y el imán.

La figura 29 muestra un cartucho de cojinete inferior de forma cónica 20 montado en la carcasa inferior 18. Un fallo del cojinete da como resultado que el rotor 12 funda el cartucho del cojinete de modo que su velocidad se reduzca de manera controlada. Cuando se produce un fallo del cojinete, el cojinete se agarrota y se fractura, lo que hace que el rotor giratorio caiga y haga contacto con la parte superior del cartucho del cojinete inferior de forma cónica 20. El rozamiento resultante funde rápidamente la parte superior de la forma cónica, que posteriormente comienza a deformar y ensanchar su superficie de contacto. A medida que el rotor se desplaza más, el diámetro creciente de la forma cónica aumenta progresivamente el área de la superficie de contacto y la fuerza de rozamiento de resistencia para reducir la velocidad del rotor de manera controlada.

La figura 30 muestra la conformación de la carcasa inferior 18 que tiene una forma tal que, en caso de fallo del cojinete, el rotor giratorio 12 quedará apoyado sobre la carcasa en su borde inferior. La carcasa está configurada en un ángulo 0 para que el borde inferior se funda de forma controlada hasta que el rotor se detenga. La capa de fusión depositada sobre la carcasa evita que ésta sea cortada o penetrada por el rotor. Un soporte cilíndrico 146 de diámetro 147 proporciona soporte a la carcasa del rotor.

La figura 31 muestra una estría interna 150 unida al eje del rotor 148. La estría interna 150 se acopla a un cilindro estriado externo 152. El cilindro estriado externo 152 se acopla a otro eje estriado interno unido al motor 160. Esta disposición proporciona un movimiento axial relativo entre los dos ejes mientras que el par se transmite entre el motor y el rotor. Dicho movimiento axial permite mejorar la elevación y el descenso del rotor mientras gira. Además, la pequeña holgura entre las ranuras internas y externas permite pequeñas desalineaciones angulares entre los ejes geométricos del eje del rotor y el motor.

Haciendo referencia a la figura 32, en cada una de la sección superior 14 e inferior 18 de la carcasa hay unidas unas lengüetas soldadas 154. La sección superior e inferior de la carcasa 14, 18 pueden unirse atornillando entre sí las lengüetas alineadas 154 en la sección superior e inferior de la carcasa 14, 18, respectivamente, con unos pernos 158. Tras el asentamiento completo de las dos secciones de la carcasa, entre las caras de las lengüetas existe una pequeña separación 160 que asegura un ajuste sin holgura entre la sección superior e inferior de la carcasa 14, 18. Las lengüetas y los pernos correspondientes están separados circunferencialmente alrededor de cada una de la sección superior e inferior de la carcasa 14, 18 una distancia 156. En una realización, las lengüetas 154 tienen menor resistencia que la sección superior e inferior de la carcasa 14, 18. Si se produce un fallo del vacío durante el funcionamiento a alta velocidad, el aire que entra será calentado por el rotor giratorio lo cual, a su vez, provocará una rápida expansión del aire y un aumento de la presión en el interior de la carcasa. En esta realización, una deformación plástica de las pestañas más débiles permite que las carcasas más resistentes se separen y liberen la presión rápidamente sin separación o expulsión de las carcasas.

La figura 33 muestra una válvula de descarga de presión 162 en la carcasa de vacío 14. La válvula de descarga de presión 162 permite un sellado al vacío y, sin embargo, liberará cualquier sobrepresión dentro de la carcasa de vacío 14 si falla el vacío. La válvula de descarga de presión 162 va unida al exterior de la carcasa de vacío 14. Una estructura de alimentación 168 incluye una junta tórica que queda presionada contra la carcasa de vacío 14 con una tuerca 172 que rosca sobre una sección roscada 166, que forma parte de la estructura de alimentación 168. La estructura de alimentación 168 tiene un orificio interno que contiene un asiento cónico en el cual queda asentada una válvula 164 que queda sujeto contra el asiento cónico mediante un muelle. Cuando se evacua el aire dentro de la carcasa de vacío 14, la presión atmosférica externa en la válvula de descarga de presión 164 aumenta la fuerza del muelle para aumentar la fuerza de asentamiento de la válvula de descarga de presión 164 sobre la estructura de alimentación 168 garantizando, además, una estanqueidad al vacío. Si el vacío dentro de la carcasa de vacío 14 se pierde debido a una junta giratoria o a un fallo del conducto, el aire que entra desde el punto de fallo puede ser calentado aerodinámicamente por el rotor giratorio, aumentando así rápidamente la presión dentro de la carcasa de vacío 14 a unos valores que pueden superar la presión atmosférica. Debido a la gran superficie de la carcasa de vacío 14, una pequeña presión positiva da como resultado una gran fuerza que puede provocar un fallo de la unión entre varios componentes de las carcasas de vacío 14. Dicho fallo podría resultar en la expulsión de la carcasa de vacío 14, convirtiéndolo en un proyectil con resultados potencialmente catastróficos. Por ejemplo, una presión de 5 psi que actúe sobre una carcasa de 7 pies de diámetro ejerce una fuerza de 3,5 toneladas sobre la carcasa. En esta realización, cualquier presión positiva que se desarrolle en el interior de la carcasa hace que la válvula de descarga de presión 162 se levante contra el muelle, permitiendo que el aire se libere a través de un orificio 170. La velocidad del muelle y la precarga inicial en el muelle pueden diseñarse para proporcionar una liberación segura de la presión interna para un tamaño de orificio y una característica de aumento de presión determinados.

La figura 34 muestra una realización para el cartucho de cojinete 20 que permite la extracción y la sustitución del cojinete, el sensor de carga, y la junta sin tener que retirar el rotor. El cartucho de cojinete 20 incluye un componente interno 174 que está montado en la carcasa de vacío 14 (también denominada carcasa superior). El sensor de carga 176, el soporte del sensor 178, el muelle de precarga 180, el soporte del muelle 182, el cojinete 184, la junta giratoria 186, y los anillos de retención 188 se encuentran en el interior del componente interno 174. La posición del rotor 12 se mantiene respecto al imán 28 mediante la regulación del componente interno del cartucho de cojinete 174. Un eje de acoplamiento inferior 192 está unido al motor a través de un acoplamiento de engranaje 194 y un eje de acoplamiento superior 196 que queda situado mediante un cojinete de bolas radial de aislamiento 198. El motor/generador está montado en una estructura de soporte del motor 200. En una realización, la estructura de soporte del motor 200 es una carcasa de campana que alinea el eje geométrico del eje del motor respecto al eje geométrico del eje del rotor. Desatornillar la estructura de soporte del motor 200 de la carcasa de vacío 14 permite elevar del rotor el conjunto de motor/estructura de soporte del motor/eje de acoplamiento. A continuación, desenroscando el componente interno 174 lo separa del cartucho de cojinete 20. Una vez que se ha retirado el componente interno 174, el sensor de carga 176, el muelle de precarga 180, el cojinete 184, y la junta giratoria 186 pueden retirarse fácilmente para inspección y, si es necesario, reemplazo.

En la figura 35, se muestra un revestimiento refrigerado por agua 220 que rodea el cartucho de cojinete. Un conjunto de aletas 260 mecanizadas integrales con la pared del revestimiento de refrigeración proporciona un buen acoplamiento térmico con el cojinete, lo que facilita una eliminación del calor eficiente. Un tubo de entrada 222 proporciona el fluido refrigerante que circula dentro del revestimiento de refrigeración y sale a través de un tubo de salida a un radiador (no mostrado). El tubo de entrada está conectado a través de una manguera 224 al lado frío del colector del radiador.

La figura 36 muestra una realización para la inspección in situ del rotor utilizando un transductor ultrasónico escaneado 228. El transductor va montado en el extremo de un brazo giratorio 230 que bascula desde una articulación 232 que también forma parte de un puerto sellado al vacío 236 a través del cual un cableado para la señal y cables de alimentación pasan a través de la carcasa superior 14. El transductor queda apoyado directamente sobre el rotor 12 a través de un medio de acoplamiento de gel que se inyecta a través de una esponja porosa en el borde de ataque del transductor. El giro del brazo a través de un arco 234 mientras el rotor gira lentamente permite la inspección del volumen completo del rotor. El transductor va equipado con unas guías de ondas en ángulo apropiado para penetrar en el material del rotor por debajo del eje en su centro y en todo su grosor.

La figura 37 muestra una disposición de dos volantes de inercia 238 a escala accionados en modo tándem con uno cargando mientras el otro está descargando para proporcionar datos de la vida útil en una prueba de duración acelerada. La red 240 proporciona la energía para cubrir las pérdidas en esta disposición. El componente 242 es un interruptor entre los dos volantes de inercia 238.

Se ha descrito aquí uno o más procedimientos y puede haberse utilizado aquí uno o más diagramas de flujo. La descripción de las operaciones del procedimiento y el uso de diagramas de flujo no pretende ser limitativa respecto al orden de las operaciones realizadas. Lo que se describe aquí a veces ilustra diferentes componentes contenidos dentro otros componentes diferentes o conectados a éstos. Debe entenderse que tales arquitecturas representadas son meramente ilustrativas y que, de hecho, pueden implementarse muchas otras arquitecturas que logren la misma funcionalidad. En un sentido conceptual, cualquier disposición de componentes para lograr la misma funcionalidad se "asocia" efectivamente de manera que se logra la funcionalidad deseada. Por tanto, cualesquiera dos componentes aquí combinados para lograr una funcionalidad particular pueden verse como "asociados" entre sí de manera que se logre la funcionalidad deseada, independientemente de arquitecturas o componentes intermedios. Asimismo, dos componentes cualesquiera así asociados también pueden verse como "conectados operativamente", o "acoplados operativamente", entre sí para lograr la funcionalidad deseada, y dos componentes cualesquiera que puedan estar asociados de esta manera también pueden verse como "acoplables operativamente" entre sí para lograr la funcionalidad deseada. Ejemplos específicos de operativamente acoplable incluyen componentes físicamente conectables y/o que pueden interactuar físicamente y/o componentes que interactúan de manera inalámbrica y/o que interactúan de manera inalámbrica y/o componentes que interactúan de manera lógica y/o que pueden interactuar de manera lógica, pero sin limitarse a éstos.

Respecto al uso aquí de sustancialmente cualquier término en plural y/o singular, los expertos en la materia pueden traducir del plural al singular y/o del singular al plural según sea apropiado para el contexto y/o aplicación. Las diversas permutaciones de singular/plural pueden establecerse expresamente aquí por motivos de claridad.

Los expertos en la materia entenderán que, en general, los términos utilizados aquí, y especialmente en las reivindicaciones adjuntas (por ejemplo, los cuerpos de las reivindicaciones adjuntas) generalmente se entienden como términos "abiertos" (por ejemplo, el término "que incluye" debe interpretarse como "que incluye pero sin limitarse a", el término "que tiene" debe interpretarse como "que tiene por lo menos", el término "incluye" debe interpretarse como "incluye, pero sin limitarse a", etc.). Los expertos en la materia entenderán, además, que, si se pretende un número específico en una indicación en una reivindicación, dicha intención quedará explícitamente indicada en la reivindicación y, en ausencia de dicha indicación, dicha intención no está presente. Por ejemplo, como ayuda para la comprensión, las siguientes reivindicaciones adjuntas pueden contener el uso de las frases introductorias "por lo menos uno" y "uno o más" para presentar indicaciones en las reivindicaciones. Sin embargo, el uso de tales frases no debe interpretarse en el sentido de que la introducción de una indicación en una reivindicación por los artículos indefinidos "un" o "una" limite cualquier reivindicación particular que contenga dicha indicación en la reivindicación introducida a invenciones que contengan sólo una de esas indicaciones, incluso si la misma reivindicación incluye las frases introductorias "uno o más" o "por lo menos uno" y artículos indefinidos tales como "un" o "una" (por ejemplo, "un" y/o "una" debe interpretarse normalmente como "por lo menos uno" o "uno o más"); lo mismo es válido para el uso de artículos definidos utilizados para introducir indicaciones en las reivindicaciones. Además, incluso si se indica explícitamente un número específico de una indicación en una reivindicación introducida, los expertos en la materia reconocerán que dicha indicación debe interpretarse típicamente en el sentido de por lo menos el número indicado (por ejemplo, la mera indicación de "dos indicaciones", sin otros modificadores, normalmente significa por lo menos dos indicaciones, o dos o más indicaciones). Además, en aquellos casos en que se utiliza una convención análoga a "por lo menos uno de A, B y C, etc.", dicha construcción está pensada, en general, en el sentido en que un experto en la materia entendería la convención (por ejemplo, "un sistema que tiene por lo menos uno de A, B y C" incluiría, entre otros, sistemas que tienen A solo, B solo, C solo, A y B juntos, A y C juntos, B y C juntos, y/o A, B y C juntos, etc.). En aquellos casos en los que se utiliza una convención análoga a "por lo menos uno de A, B o C, etc.", en general, dicha construcción está pensada en el sentido en que un experto en la técnica entendería la convención (por ejemplo, "un sistema que tiene por lo menos uno de A, B o C" incluiría, entre otros, sistemas que tienen A solo, B solo, C solo, A y B juntos, A y C juntos, B y C juntos, y/o A, B y C juntos, etc.). Los expertos en la materia entenderán, además, que prácticamente cualquier palabra y/o frase disyuntiva que presente dos o más términos alternativos, ya sea en la descripción, las reivindicaciones, o los dibujos, debe entenderse que contempla las posibilidades de incluir uno de los términos, cualquiera de los términos, o ambos términos. Por ejemplo, se entenderá que la frase "A o B" incluye las posibilidades de "A" o "B" o "A y B."

Además, debe entenderse que cualquier referencia a controladores, transmisores, receptores, y/o componentes que realizan cualquier tipo de procesamiento o representación de determinaciones o decisiones puede llevarse a cabo a través de un dispositivo informático que incluya un procesador y una memoria que almacena instrucciones ejecutables por el procesador.

La descripción anterior de realizaciones ilustrativas se ha presentado con fines ilustrativos y descriptivos. No se pretende que sea exhaustiva o limitativa respecto a la forma precisa descrita, y son posibles modificaciones y variaciones a la luz de las enseñanzas anteriores o pueden adquirirse al poner en práctica las realizaciones descritas. Se pretende que el alcance de la invención esté definido por las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia que comprende:

una carcasa sellada (14, 16, 18) que comprende una placa superior (14), una placa inferior (18), y un recinto vertical cilíndrico (16);

un rotor (12) dispuesto dentro de la carcasa sellada (14, 16, 18);

un paquete de cojinetes superior (20) que tiene una carcasa exterior del paquete de cojinetes (46) dispuesta en la placa superior (14), que comprende uno o más cojinetes de contacto por rodadura (42) dispuestos entre el rotor (12) y la placa superior (14), y

un paquete de cojinetes inferior (20) que tiene una carcasa exterior del paquete de cojinetes (46) dispuesta en la placa inferior (18), que comprende uno o más cojinetes de contacto por rodadura (42) dispuestos entre el rotor (12) y la placa inferior (18), y

un imán de descarga (28) configurado para proporcionar una fuerza de descarga vertical que eleva el rotor (12) contra los cojinetes de contacto por rodadura (42) del paquete de cojinetes superior (20) en una dirección vertical y fuera de los cojinetes de contacto por rodadura (42) del paquete de cojinetes inferior (20) en una dirección vertical; y

caracterizado por el hecho de que comprende una galga extensométrica (62) configurada para monitorizar deformación en el rotor (12) en tiempo real, en el que la galga extensométrica (62) está unida a una superficie del rotor (12) en el interior del recinto vertical cilíndrico (16) y orientada a lo largo de una dirección paralela y tangencial al vector radial, y en el que la galga extensométrica comprende un transmisor inalámbrico (62) para transmitir de manera inalámbrica mediciones de deformación a un receptor en el interior del recinto vertical cilíndrico (16).

2. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, unos cojinetes de contacto angular situados en extremos de un eje conectado al rotor (12), en el que los cojinetes de contacto angular están configurados para proporcionar soporte axial del rotor (12) durante el funcionamiento para resistir cargas inducidas por precesión.

3. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, dos o más acelerómetros (78) montados alrededor de una periferia de la carcasa del cojinete (46) y configurados para medir un desequilibrio en el rotor (12).

4. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, un medidor de desplazamiento (80) montado en una base de la carcasa del cojinete (46) y configurado para medir un movimiento axial dinámico del rotor (12).

5. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, una pluralidad de sensores de emisión acústica (82) situados en la carcasa del cojinete (46) y dentro de la carcasa sellada (14, 1618) para medir sonidos dentro del dispositivo de volante.

6. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, un calefactor (110) configurado para imponer un gradiente de temperatura radial en el rotor (12) para que un centro del rotor (12) se encuentre a una temperatura más elevada que la periferia del rotor (12).

7. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, un componente de aislamiento sísmico (34, 36, 74) configurado para proporcionar aislamiento sísmico para el dispositivo de volante de inercia.

8. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 7, en el que el componente de aislamiento sísmico (34, 36, 74) comprende por lo menos uno de patas regulables montadas externamente en la carcasa sellada (14, 16 18) y en una almohadilla flexible (36) o una lámina de soporte flexible continua (74) colocada por debajo de una placa inferior (18) de la sección de carcasa sellada (14, 1618).

9. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, una pluralidad de sensores de desplazamiento sin contacto (76) situados dentro de una cámara de vacío dentro del rotor (12), en el que la pluralidad de sensores de desplazamiento sin contacto (76) están colocados alrededor de una periferia del rotor (12), en el que la pluralidad de sensores de desplazamiento sin contacto (76) están configurados para medir una variación del radio del rotor (12) a medida que gira, y en el que la pluralidad de sensores de desplazamiento sin contacto (76) comprende una pluralidad de calibres capacitivos.

10. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el que el imán comprende un imán permanente.

11. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende, además:

un actuador controlado a distancia configurado para regular una posición del rotor (12) en el interior de la carcasa sellada (14, 16 18) para controlar un espacio de aire entre el rotor (12) y el imán permanente (28), en el que el actuador comprende un engranaje de tornillo sinfín accionado por motor (68); y

un controlador configurado para controlar el actuador en respuesta a mediciones de un sensor de carga (44), en el que el sensor de carga (44) está configurado para medir fuerzas magnéticas de elevación.

12. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, un motor de inducción (90) conectado a una transmisión variable continua (100).

13. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 1, en el que un primer extremo del recinto vertical cilíndrico (16) está colocado dentro de un labio ranurado (66) de la placa superior (14), y en el que un segundo extremo del recinto vertical cilíndrico (16) está colocado dentro de un labio ranurado de la placa inferior (18).

14. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el rotor en forma de disco (12) comprende una relación entre grosor y diámetro de un 15% o menos.

15. Dispositivo de almacenamiento de energía de un volante de inercia de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el rotor en forma de disco (12) comprende un grosor de 0,25 m o menos.