| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2246034
Маховикові НАКОПИЧУВАЧ ЕНЕРГІЇ
Ім'я винахідника: Гулиа Н.В.
Ім'я патентовласника: СЕЕБА-ЕНЕРГІСІСТЕМЕ ГМБХ (DE); Гулиа Нурбій Володимирович (RU)
Адреса для листування: 125009, Москва, а / я 184, ППФ "ЮС", пат.пов. В.І.Іонову
Дата початку дії патенту: 2001.01.05
Винахід відноситься до галузі енергетики і може бути використано в якості буферного накопичувача енергії, наприклад, для транспортних електрифікованих систем, джерел аварійного живлення, джерел безперебійного живлення для вітрових і сонячних електростанцій.
Винахід являє собою маховик і привід з опорами, розміщені в розділених між собою вакуумованих камерах, заповнених розрідженим газом з різним рівнем вакууму в них, причому в одній з них, з низьким рівнем вакууму, поміщений електропривод, а в інший, з підвищеним рівнем вакууму 0 , 1 ... 0,01 Па, поміщений маховик з розміщеним на його валу Турбомолекулярний насосом, що підтримує в камері маховика підвищений вакуум шляхом постійної перекачування газу з цієї камери в камеру приводу. При цьому число камер, в яких розміщені приводи і опори, як мінімум одна, і ці камери відділені від камери маховика ущільненнями по числу камер, герметичними, по крайней мере, при робочих частотах обертання маховика. Технічний результат полягає в забезпеченні низьких аеродинамічних втрат в камері маховика одночасно з ефективним охолодженням приводу без використання окремих систем охолодження.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до галузі енергетики і може бути використано в якості буферного накопичувача енергії, наприклад, для транспортних електрифікованих систем, джерел аварійного живлення, джерел безперебійного живлення для вітрових і сонячних електростанцій.
Відомі маховикові накопичувачі енергії, мають маховик і електропривод з їх опорами, розміщені в двох розділених між собою вакуумованих камерах, заповнених розрідженим газом з різним рівнем вакууму в них, причому в одній з них, з низьким рівнем вакууму, поміщений електропривод, а в іншій, з підвищеним рівнем вакууму, 0,1 ... 0,01 Па, поміщений маховик з розміщеним на його валу Турбомолекулярний насосом, що підтримує в камері маховика підвищений рівень вакууму шляхом постійної перекачування газу з цієї камери в камеру приводу (див. Джента Дж. " накопичення кінетичної енергії ", Москва, Мир, 1998, с.178-180, рис.3.10). Цей пристрій прийнято за прототип.
Недоліком пристрою-прототипу є головним чином те, що турбомолекулярні насоси будь-яких типів мають максимальне випускний тиск, менше 1 ... 10 Па - тиск, що відноситься до граничного між середнім і високим вакуумом (Розанов Л.Н. Вакуумна техніка, Москва, Вища школа , 1987, стор.93 і 196, табл. П4). Це означає, що в камері, де розташований електропривод, має підтримуватися саме це, вельми низький тиск, при якому газ має досить низьку теплопровідність, і тому не забезпечує ефективне охолодження електромашини. При більшому тиску, що відноситься вже до іншого рівня вакууму - низькому або форвакууму, при якому умови охолодження сприятливі, неможлива робота турбомолекулярного насоса. Тому-то в прототипі передбачена окрема система охолодження електромашини, істотно ускладнює пристрій. Іншим недоліком прототипу є те, що при знижених частотах обертання маховика, що може мати місце в практиці, турбомолекулярний насос непрацездатний.
Завданням, на вирішення якої спрямовано даний винахід, є створення маховичного накопичувача, що забезпечує низькі аеродинамічні втрати в камері маховика одночасно з ефективним охолодженням приводу без використання спеціальних систем охолодження. Технічний результат полягає в забезпеченні високого вакууму в камері маховика при низькому вакуумі в камерах приводу, в тому числі і при повільно обертається або нерухомому маховику, досягаючи тим самим високу теплопередачу від нагріваються елементів приводу, наприклад від ротора електромашини до стінок камери. У фізиці вакууму під низьким, середнім і високим вакуумом розуміється такий стан газу, при якому відповідно критерій Кнудсена набагато менше одиниці, близький до одиниці і набагато більше одиниці. Наближено для технічних розрахунків критерій Кнудсена можна визначити як L / d еф, де L - довжина вільного шляху молекул газу; d еф - ефективний розмір вакуумированной камери. Для камери обертання маховика з типовим зазором 
між маховиком і стінками камери, наприклад близько 0,01 м, d еф ~ 2 , Тобто 0,02 м. Довжина вільного шляху молекул в залежності від тиску газу Р (Па) визначається як L ~ 0,0063 / Р, м. Стало бути тиск, що відноситься до середнього вакууму для камер обертання маховика звичайних розмірів, так само Р ~ 0, 0063 / 0,02 = 0,315 Па.
Тиск, що істотно перевищує це значення, відноситься до низького вакууму, а якщо істотно нижче нього - до високого (див. Вищезгадану книгу Розанова Л.Н., С.20-23). Слід зазначити, що одне і теж значення критерію Кнудсена відповідає різному тиску газу, в залежності від розмірів і конфігурації вакуумированной камери. Так, наприклад, тиск 0,1 Па - це високий вакуум для камери маховика діаметром і висотою в 1 метр і зазором між маховиком і стінками 0,01 м, тиск 0,315 Па - це, як було зазначено вище, середній вакуум для тієї ж камери . Але якщо з цієї камери маховик вилучити, то для цього збільшеного обсягу тиск, відповідне середньому вакууму (якщо камера виконана за формою циліндра з діаметром 1 м), буде приблизно дорівнює 0,0063 Па, і тиск 0,1 Па, як і тиск 0,315 па, буде вже низьким вакуумом. При цьому такі фізичні властивості вакууму, як аеродинамічний опір і теплопровідність, залежать саме від критерію Кнудсена, а не від абсолютного значення тиску газу.
Для вирішення поставленого завдання і досягнення технічного результату у відомому маховикові накопичувачі, що містить маховик і привід з опорами, розміщеними в розділених між собою вакуумованих камерах, заповнених розрідженим газом з різним рівнем вакууму в них, причому в камері з низьким рівнем вакууму поміщений привід з опорами, а в камері - з підвищеним рівнем вакууму поміщений маховик, камера приводу з опорами відділена від камери маховика, щонайменше, одним ущільненням, виконаним герметичним, по крайней мере, в режимі робочих частот обертання маховика, причому тиск газу в камерах приводів і опор вище максимального тиску випуску турбомолекулярних насосів і відноситься до низького вакууму з критерієм Кнудсена нижче 0,01, а в камері маховика - відноситься до вакууму з критерієм Кнудсена вище 0,01.
Можливі й інші варіанти виконання винаходу, згідно з якими необхідно, щоб:
- Ущільнення між камерами були б виконані гідродинамічними;
- Ущільнення між камерами були б виконані статичного типу;
- Ущільнення між камерами були б виконані комбінованими статично-динамічного типу;
- Він був би забезпечений додатковими камерою і приводом з опорами, розташованими в додатковій камері, відокремленої від камери маховика, щонайменше, одним ущільненням, виконаним герметичним, по крайней мере, в режимі робочих частот обертання маховика;
- Камери були б забезпечені клапанами для повідомлення камери маховика з камерами приводів і опор при зниженні частоти обертання маховика нижче робочої;
- Рівень вакууму в камері маховика відповідав би критерієм Кнудсена, не менше ніж на два порядки більше такого в камерах приводів і опор.
Короткий опис креслень
 |
 |
 |
На фіг.1 зображена загальна схема маховичного накопичувача.
На фіг.2 - схема нижнього ущільнення (в розрізі).
На Фіг.3 - схема верхнього ущільнення (в розрізі).
Маховикові накопичувач містить маховик 1, вал 2 якого кінематично з'єднаний з приводами, в даному випадку з двома - з ротором 3 електромашини, поміщеним в камеру 4, відокремлену від камери 5 маховика 1 ущільненням 6, і з механічним приводом, наприклад хвильовим, що дозволяє висновок обертання з герметичних порожнин, причому хвильової генератор 7 поміщений в камеру 8, відокремлену від камери 5 ущільненням 9. Гнучке колесо 10 хвильової передачі герметизирует камеру 8 від атмосфери, а жорстке колесо 11 з вихідним валом 12 знаходиться в атмосферних умовах. Опори 13 і 14 знаходяться в камерах приводу. Ущільнення 6 і 9, наприклад, комбінованого типу - відцентрово-статичні (фіг.2 - ущільнення 6 і фіг.3 - ущільнення 9). Вони містять обертову порожнину 15, з'єднану з валом 2, і нерухому порожнину 16, з'єднану з корпусом камер. Кільцеві щілини між порожнинами заповнені мастилом 17, використовуваної в вакуумних системах. Зліва на фіг.2, 3 показаний рівень мастила h в динаміці, а праворуч - при нерухомому маховику 1, коли різниця тисків в камерах 4, 5 і 8 врівноважується стовпом мастила з різницею висот Н 100 ... 120 мм. При цьому 
, Так як в динаміці масло відганяється назовні через його обертання. Однак можливе використання і чисто динамічних, і чисто статичних (наприклад, магнітних) ущільнень.
У камері 5 встановлено тиск, відповідне середньому і високому вакууму - це для звичайних розмірів камери 5 і зазорів між маховиком і стінками камери близько 0,1 ... 0,01 Па, або критерієм Кнудсена 0,6 ... 6, а в камерах 4 і 8 - відповідне низького рівня вакууму і суттєво перевищує максимальне випускний тиск турбомолекулярних насосів - 10 Па і досягає 100 Па і вище при умовах Кнудсена нижче 0,01 для будь-яких реальних розмірів маховичного накопичувача. Бажаний розріджений газ в камерах - гелій.
ПРИКЛАД РЕАЛІЗАЦІЇ ВИНАХОДИ
У камерах 4, 5 і 8 за допомогою відповідних вакуум-насосів встановлюється відповідний тиск газу, переважно гелію. Гелій забезпечує, з одного боку, знижені втрати потужності на обертання маховика, а з іншого боку, високу теплопередачу в приводах. Відомо, що гази при низькому рівні вакууму мають майже тієї ж теплопровідністю, що і при атмосферному тиску (див. Розанов Л.Н. Вакуумна техніка, М., Вища школа, 1987, стор.25, рис.2.2). Тому при тиску 100 Па і вище охолодження приводів як ротора 3, так і генератора хвиль 7 буде задовільним. При цьому і умови мастила відповідатимуть необхідним вимогам, так як тиск 100 Па і вище не викликатиме активного газовиділення і випаровування мастила. Однак основний ефект пристрою полягає в тому, що силові дії перепаду тисків між камерами 5 і 4, 8 будуть незначними - різниця між, наприклад, 0,1 Па в камері 5 і 100 Па в камерах 4 і 8 викликає вплив всього 0,01 Н на 1 см 2 активної поверхні ущільнень 6 і 9. Якби довелося ущільнювати звичайне атмосферний тиск у камерах 4 і 8, то силовий вплив на ці ущільнення було б в 1000 разів вище. Таким чином, практично не порушуючи режиму охолодження приводів і підвищуючи вимоги до його окислення, корозійної стійкості та запилення, пристрій дозволяє використовувати найпростіші конструкції ущільнень 6 і 9, на два - три порядки менше напружені, ніж при атмосферному тиску в камерах 4 і 8. І це при набагато менших складності, розмірах, масі, вартості, втрати потужності при обертанні і істотно більшої довговічності. Зокрема, представлені на фіг.2 і 3 комбіновані ущільнення працездатні і витримують перепад тисків в 100 Па як в динаміці, так і при нерухомому маховику 1.
Якщо ж ущільнення тільки динамічні, наприклад відцентрові або вінтоканавочние, то їх розміри для зазначеного перепаду тисків можуть бути істотно меншими, 30 ... 50 мм по осі. В цьому випадку клапани 18 і 19, що з'єднують камери 4 і 8 з камерою 5, спрацьовують при зниженні частоти обертання маховика 1 нижче робочої.
У разі використання статичних, наприклад магніторідинні ущільнення, їх розміри, складність, вартість і втрати при обертанні набагато менше, ніж при перепаді тиску в один бар (100 кПа).
ПРОМИСЛОВЕ ЗАСТОСУВАННЯ
Винахід відповідає критерію "промислова придатність", оскільки здійсненно за допомогою відомих матеріалів, засобів виробництва і технологій.
Використання винаходу дозволяє створити маховикові накопичувач, що володіє високим ККД, при його достатній простоті, причому приводів відбору і підведення потужності від маховика і до маховика може бути кілька, із забезпеченням їх достатнього охолодження.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. маховикові накопичувач, що містить маховик і привід з опорами, розміщені в розділених між собою вакуумованих камерах, заповнених розрідженим газом з різним рівнем вакууму в них, причому в камері з низьким рівнем вакууму поміщений привід з опорами, а в камері з підвищеним рівнем вакууму поміщений маховик, який відрізняється тим, що камера приводу з опорами відділена від камери маховика, щонайменше, одним ущільненням, виконаним герметичним, по крайней мере, в режимі робочих частот обертання маховика, причому тиск газу в камерах приводів і опор вище максимального тиску випуску турбомолекулярних насосів і відноситься до низького вакууму з критерієм Кнудсена нижче 0,01, а тиск в камері маховика відноситься до вакууму з критерієм Кнудсена вище 0,01.
2. маховикові накопичувач по п.1, що відрізняється тим, що ущільнення між камерами виконані гідродинамічними.
3. маховикові накопичувач по п.1, що відрізняється тим, що ущільнення між камерами виконані статичного типу.
4. маховикові накопичувач по п.1, що відрізняється тим, що ущільнення між камерами виконані комбінованими статично-динамічного типу.
5. маховикові накопичувач по п.1, що відрізняється тим, що він забезпечений додатковими камерою і приводом з опорами, розташованими в додатковій камері, відокремленої від камери маховика, щонайменше, одним ущільненням, виконаним герметичним, по крайней мере, в режимі робочих частот обертання маховика.
6. маховикові накопичувач за допомогою одного з пп.1, 2 або 5, що відрізняється тим, що камери обладнані клапанами для повідомлення камери маховика з камерами приводів і опор при зниженні частоти обертання маховика нижче робочої.
7. маховикові накопичувач за допомогою одного з пп.1-6, що відрізняється тим, що рівень вакууму в камері маховика відповідає критерію Кнудсена, не менше ніж на два порядки більше такого в камерах приводів і опор.
Версія для друку
Дата публікації 16.02.2007гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.