[发明专利]提高高储能飞轮系统中阻尼装置可靠性的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及机械科学领域，尤其是一种提高高储能飞轮系统中阻尼装置可靠性的方法及装置。

背景技术

高储能飞轮系统的储能原理，决定了其工作在多阶临界转速以上。为确保高储能飞轮系统运行平稳，引入特制阻尼系统必不可少。本发明中飞轮支撑系统为机械轴承及轴向磁力轴承构成的混合支承系统，轴承系统阻尼往往很低，当转子不平衡量不变时，随临界转速增大，振幅不断增大，这样可能带来物理接触、破裂、局部过热、材料性能劣化、动力学失稳等一系列问题，产生转子碰擦、轴承损坏等故障，造成重大损失。通常有两种方法来控制转子的振动。第一种方法是对转子进行动平衡，包括传统动平衡方法和在线动平衡。第二种方法是通过增加外部阻尼来吸收和耗散振动能量。传统平衡方法很难实现完全的动平衡，而在线主动平衡仍存在执行系统反应速度慢、无法抑制瞬态及非同步振动等缺点。因而，采用外部阻尼系统是一种抑制高储能飞轮系统振动的有效手段。外部阻尼系统对不同类型的振动响应都具有一定的衰减作用，常用的阻尼系统有挤压油膜阻尼系统、电磁阻尼系统等。挤压油膜阻尼系统对安装精度要求很高，电磁阻尼价格较高，使用不方便。粘弹性径向阻尼系统利用材料的粘弹性阻尼特性，在振动挤压力的作用下耗散能量起到阻尼减振作用。与挤压油膜阻尼系统和电磁阻尼系统相比，粘弹性径向阻尼系统具有：结构紧凑，无需润滑系统和其它附加设备，使用方便，制造简单，成本低等优点；另外不同粘弹性材料，其刚度和损耗因子相差较大，可通过材质的选择来改变粘弹性径向阻尼系统的刚度和阻尼。

外部阻尼可通过两种途径完成，一是直接增加支承阻尼，二是引入一个或多个阻尼系统。支承系统确定后，阻尼大致较稳定，本发明中采用引入阻尼系统的方法。如果一个刚性转子处于较低的刚性支撑系统下，引入平行阻尼系统来支撑轴承是非常有效的。当转子发生大变形时，增加阻尼效果不大。高阻尼粘弹性体成本较低，结构简单，易于更换。是可在旋转轴与固定部件之间添加的最简单阻尼系统，位于机械轴承外端。粘弹体阻尼系统，已成功运用于飞轮储能系统测试设备中，但是存在过热问题。当阻尼系统中能量耗散至足够的量, 弹性体的温度会上升，达到粘弹体的玻璃化转变温度而失效,其主要原因为粘弹体具有较低的导热系数，飞轮系统工作的真空状态下，缺少空气冷却表面，粘弹体的温度升高问题更加严重。另外所产生的热量是有材料分子内部摩擦产生的，表面冷却并不能有效解决这个问题。而在粘弹性材料内插入的高导热系数的元素,比如在粘弹性材料内插入铜导线，又会降低阻尼效果。严格控制飞轮初始平衡条件，安装在轴承上的粘弹性径向阻尼系统可减振、导热、降低轴承载荷，延长轴承寿命、保护磁力提升轴承、创造良好的径向阻尼环境。粘弹性阻尼可有效降低刚体临界速度，有利于加速时通过临界转速。

该粘弹性径向阻尼系统具有相对较低的轴向、径向、横向刚度。因为阻尼的轴向刚度较低，不会对提升系统中的磁力轴承产生刚度影响；较低的径向刚度，可有效减小轴承上的动载荷，提升轴承寿命；反之，将带来更多的与不平衡量相关的动力学问题；较小的轴向及横向刚度可使操作力矩减小。

以上分析可知：高储能飞轮系统中理想的轴承阻尼应具有以下特点：在飞轮组件高速运行时，即越过临界转速后，具有较低的阻尼；在低速运行时，具有较高的阻尼；在临界转速附近运行时，阻尼达到最大值。当阻尼粘弹性较大——刚度小时，临界转速运行时，振幅最小。

在美国卡贝尔的储能飞轮系统中的丝网轴承阻尼器（专利号：09/728822）中所公开的丝网阻尼器，在低临界转速时具有不错的粘弹性特征及较好的导热效果。而另一种阻尼系统，则含有弹性体——如硅橡胶，具有更好的粘弹性特征且制造成本较丝网低。但弹性体是热的绝缘体，丝网也是热的不良导体。而在真空中，热传导是唯一的传热方式。对于丝网阻尼系统及弹性阻尼系统来说刚度可满足要求，而导热性能达不到上述要求。

发明内容

本发明的目的是：提高高储能飞轮系统中阻尼装置可靠性的方法及装置，它能起到减小振幅、降低轴承载荷，提高轴承寿命、防止转子与定子间接触的作用，并可及时有效的传递轴承摩擦损耗及粘弹性阻尼器耗能产生的热量，防止阻尼系统失效，以克服现有技术的不足。