ЛЕНТОЧНЫЙ СУПЕРМАХОВИК Российский патент 2021 года по МПК F16F15/30 

Область техники

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для накопления кинетической энергии, в частности, в энергетике и на транспорте.

Уровень техники

Известна конструкция супермаховика, выполненного из графена, описанного в работе национальной лаборатории Sandia (США) - «Nanofillers for Improved Flywheel Materials», авторы Timothy J. Boyle и др., 18.09.2014. Эта конструкция принята за аналог. Из-за чрезвычайно высокой энергоемкости таких графеновых супермаховиков их разрыв крайне опасен. Недостатком аналога является отсутствие данных об опасности разрыва и методов его предотвращения.

Известно устройство ленточного супермаховика, выполненного, в частности из графена, описанного в публикации на интернет-ресурсе http://lit.lib.m/img/g/gulia_n_w/text_0320/gulian.w-perspektiwnyjsupermahowik.pdf, авторы Н.В. Гулиа, А.И. Лаврентьев, раздел «Графеновая лента, как материал для ленточных супермаховиков Кинетик». Описанное устройство принято за аналог. Недостатком аналога является отсутствие детальных сведений о достижениях безопасности разрыва для супермаховиков из графеновых лент.

Известно устройство, описанное в патенте № RU2599105 «Разрывобезопасный волоконный супермаховик», 26.05.2015, авторы Н.В. Гулиа и др. Это устройство принято за прототип. В устройстве-прототипе описана конструкция супермаховика, выполненного из трех основных частей - массивной центральной части, навитой из различных материалов, в том числе графена, промежуточной упругой прокладки и тонкого бандажа, являющегося предохранительным звеном, разрыв которого, наступающего при аварийной частоте вращения, предохраняет от опасного разрыва массивной центральной части. Однако по публикациям по эксплуатации (https://eastwickpress.com/news/2011/07/a-mishap-at-the-beacon-power-frequency-flywheel-plant/) чрезвычайно опасные разрывы волоконных супермаховиков происходили и на рабочей частоте вращения от внутренних дефектов. В таких случаях защитный бандаж в устройстве-прототипе не способен обезопасить разрыв внутренней массивной части супермаховика. Это является существенным недостатком устройства-прототипа.

Задача изобретения

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание ленточного супермаховика с возможностью увеличения энергоемкости за счет использования, в частности графеновых лент, при этом с сохранением гарантированного безопасного разрыва.

Для достижения технического результата при решении поставленной задачи предложен ленточный супермаховик, включающий обод, навитый, в частности из графеновой ленты, со склейкой на упругий ступичный центр, с закреплением последних витков ленты с возможностью их безопасного разрыва при превышении допустимой частоты вращения, характеризующийся тем, что толщины используемой ленты и/или клея на внутренней намотке должны быть выполнены переменными так, чтобы напряжения от вращения были бы близки к равным для всех витков.

Следующим отличием является то, что введена упругая прокладка между внешней и внутренней намотками, причем толщины слоев клея под несколькими внешними витками, склеенными плотно между собой и витками внутренней намотки, должны быть выбраны так, чтобы натяг внешних витков при вращении был бы существенно большим, чем внутренних для обеспечения гарантированного разрыва внешних витков при превышении частоты вращения супермаховика.

Последним отличием является то, что последние витки ленты выполнены переменной толщины с убавлением ее по длине за счет убавления числа слоев, образующих, в частности графеновую ленту, вплоть до минимальных, допустимых свойств материала, например графена.

Указанные признаки изобретения являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, заключающегося в обеспечении безопасного разрыва ленточного супермаховика.

Сущность патентуемого изобретения поясняется чертежами, где

на фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого ленточного супермаховика (с утрированно увеличенным сектором-сечением, показывающим выполнение намотки);

на фиг. 2 изображена графеновая лента, выпускаемая промышленностью, навитая на внутреннее ступичное кольцо.

Конструктивные элементы ленточного супермаховика, представленного на чертежах, имеют следующие обозначения:

1 - упругий ступичный центр;

2 - вал;

3 - лента, в частности графеновая;

4 - клей;

5 - внутренняя намотка;

6 - упругая прокладка;

7 - внешняя намотка;

8 - последний виток;

9 - утрированно увеличенный сектор сечения ленточного супермаховика.

Изобретение поясняется конкретным примером выполнения ленточного супермаховика, в частности из графеновой ленты, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.

Ленточный супермаховик состоит из упругого ступичного центра 1, насаженного на вал 2, передающим крутящий момент на устройства отбора/приема мощности (обратимые электромашины, редукторы и пр.). На упругий ступичный центр 1 навита лента 3, например графеновая, выполненная, в частности, переменной толщины по длине, со склейкой 4, которая также может быть выполнена переменной толщины, образующая внутреннюю намотку 5. На внешней части внутренней намотки 5 установлена упругая прокладка 6, на внешней стороне которой навита внешняя намотка 7 убывающей толщины по длине, вплоть до минимально возможной толщины для материала, например графена, на последнем витке 8 со склейкой 4. Для наглядности приводится утрированно увеличенный сектор сечения ленточного супермаховика 9, показывающий сечение намотки заявляемого ленточного супермаховика.

Устройство функционирует следующим образом.

Расчет компьютерным методом показывает, что меняя толщины ленты 3 и клевого слоя 4 во внутренней намотке 5 можно добиться требуемого распределения напряжений при вращении, в частности равномерного по всей внутренней намотке 5, обеспечивая такую ее прочность, запас которой заведомо больший прочности внешних витков внешней намотки 7, которая должна разрываться первой, обеспечивая безопасность выхода из строя всего ленточного супермаховика. Выполнение переменной толщины ленты 3, в частности из графена, по ее длине стало возможным, исходя из технологии ее изготовления из тончайших графеновых слоев. Ранее для других материалов такой метод был бы крайне затруднителен. Введение упругой прокладки 6,

разделяющей внутреннюю намотку 5 и внешнюю намотку 7 с последним витком 8, позволяет обеспечить разницу напряжений в ленте 3, гарантирующей безопасность выхода из строя ленточного супермаховика, путем разрыва внешней намотки 7, которая имеет малое число витков и убывающую толщину графеновой ленты 3. Убывание толщины ленты 3 может быть доведено до минимальной на последнем витке 8, допустимой, например, для материала - графена, которая ничтожно мала. Характер безопасности разрыва ленточных супермаховиков описан и подтвержден многочисленными испытаниями.

Изобретение относится к области машиностроения. Ленточный супермаховик включает обод, навитый из графеновой ленты со склейкой на упругий ступичный центр. Последние витки ленты закреплены с возможностью их безопасного разрыва при превышении допустимой частоты вращения. Толщины ленты и/или клея на внутренней намотке должны быть выполнены переменными так, чтобы напряжения от вращения были близки к равным для всех витков. Достигается увеличение энергоемкости с сохранением гарантированного безопасного разрыва. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ленточный супермаховик, включающий обод, навитый, например из графеновой ленты, со склейкой на упругий ступичный центр, с закреплением последних витков ленты с возможностью их безопасного разрыва при превышении допустимой частоты вращения, отличающийся тем, что толщины ленты и/или слоев клея на внутренней намотке должны быть выполнены переменными так, чтобы напряжения от вращения были бы близки к равным для всех витков.

2. Ленточный супермаховик по п. 1, отличающийся тем, что введена упругая прокладка между внешней и внутренней намотками, причем толщины слоев клея под несколькими внешними витками, склеенными плотно между собой и витками внутренней намотки, должны быть выбраны так, чтобы натяг внешних витков был бы существенно большим, чем внутренних для обеспечения гарантированного разрыва внешних витков при превышении частоты вращения супермаховика.

3. Ленточный супермаховик по п. 1, отличающийся тем, что последние витки ленты, например графеновой, выполнены переменной толщины с убавлением ее по длине за счет убавления числа слоев, образующих ленту, вплоть до минимальных, допустимых свойств материала.