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用于減少支撐結(jié)構(gòu)上負載的裝置,特別是慣性能蓄積裝置的制造方法

文檔序號:9308260閱讀:491來源:國知局
用于減少支撐結(jié)構(gòu)上負載的裝置,特別是慣性能蓄積裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于減少諸如軸承之類的支撐結(jié)構(gòu)上的負載的裝置,特別地,本發(fā)明涉及一種慣性能蓄積裝置,其允許例如吸收與諸如電動機或者風(fēng)力渦輪機之類的用于產(chǎn)生能量的單元關(guān)聯(lián)的能量產(chǎn)生和/或消耗中的波動。后一類型的裝置也可被用于回收且然后恢復(fù)或者以一些其它方式使用減慢和/或減速的功率。根據(jù)本發(fā)明的裝置也可用于穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。
【背景技術(shù)】
[0002]已知各種類型的能量存儲系統(tǒng)。一種類型是基于飛輪,也就是說,基于通過能量輸入設(shè)置為旋轉(zhuǎn)的至少一個質(zhì)塊,該質(zhì)塊在能量輸入停止之后在慣性作用下將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)質(zhì)塊被連接到馬達,馬達在能量存儲期構(gòu)成輸入能量的機構(gòu),或者在能量恢復(fù)期構(gòu)成發(fā)電機。飛輪越重并且飛輪越能夠以最低可能的摩擦快速旋轉(zhuǎn),則能夠儲存的能量的量越大。因此,飛輪軸承的安裝至關(guān)重要。
[0003]在一些類型的飛輪中,通過施加電磁力來使軸承至少部分地解除飛輪重量。
[0004]另一類型的飛輪在PCT申請PCT/NL2009/000248中描述。該基于飛輪的慣性能蓄積裝置包括框架和安裝成能夠相對于框架繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的至少一個飛輪,以及用于將飛輪的至少一個面暴露于氣壓的機構(gòu),該氣壓與施加到飛輪的大致相反面的壓力相比產(chǎn)生向上的壓差力,該向上的壓差力至少部分地補償飛輪重量,諸如借助于圍繞飛輪的被暴露于氣壓的面的所謂得氣流減速機構(gòu)(在本申請中稱為密封件)實現(xiàn)。陳述了在該裝置中,不僅飛輪軸承被至少部分地解除飛輪重量,由此它們的壽命增加,而且還明顯降低了每千瓦/小時的成本。這些氣流減速機構(gòu)使得可以在泄漏空間中產(chǎn)生壓強水頭差降(drop inpressure head)。它們典型在形成在飛輪和與框架一體的表面之間。在一實施例中,這些流動減速機構(gòu)包括迷宮式密封件。在這樣的密封件中,氣流路徑包括產(chǎn)生壓強水頭差降(“落差”)的一系列特定特征。例如,用于氣體通路的橫截面被交替地減小和擴大。
[0005]現(xiàn)在看起來,在根據(jù)所述PCT申請的中試規(guī)模模型的裝置中,總的能量損失出乎意料地高,且因此飛輪可傳送能量,例如用于對一個或者更多個其它設(shè)備提供能量(charge)的時間周期較短。因此,該裝置不能以經(jīng)濟可行方式運行。此外,制造這樣的裝置是復(fù)雜的,因為結(jié)構(gòu)上不可避免的公差大于設(shè)計特性。
[0006]在W02011/155838A1中,已經(jīng)提出了使用具有倒置截頭錐形形狀的轉(zhuǎn)子,其帶有位于直立壁之間的間隙中的匹配(半)迷宮式密封件。該設(shè)計具有自對中效果。但是,該裝置的穩(wěn)定性和安全性尚不令人滿意??傮w上,密封件的易損性較高。在緊急狀況下,例如故障、缺陷、意外事件等等,由于轉(zhuǎn)子和密封件之間的(摩擦)接觸,很可能使密封件的精確地制成的、通常為定制的特定特征發(fā)生嚴重損壞。轉(zhuǎn)子本身也可能受損。此外,操作是復(fù)雜的,特別地起動以及保持適當?shù)拈g隙尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]總體上,本發(fā)明旨在降低物體作用在其支撐結(jié)構(gòu)上的負載的裝置。
[0008]本發(fā)明還旨在進一步改進基于轉(zhuǎn)子的慣性能蓄積裝置,特別地旨在減少轉(zhuǎn)子作用在軸承上的負載。
[0009]本發(fā)明的進一步目的在于提高該裝置的安全性和/或減少密封件和/或物體諸如轉(zhuǎn)子在故障情況下的損壞。
[0010]本發(fā)明的再一目的在于允許以準確方式定位密封件,以允許主要通過氣流控制諸如轉(zhuǎn)子的物體的懸浮。根據(jù)本發(fā)明,用于減少支撐結(jié)構(gòu)上的負載的裝置包括:限定腔室的殼體;至少一個物體,具有第一面和大致相反的第二面,其中物體借助于所述支撐結(jié)構(gòu)被安裝在腔室中,使得物體能夠相對于殼體移位以在物體的外周和腔室的內(nèi)周之間留出間隙,其中密封件被提供在所述間隙中以將腔室的第一區(qū)段和腔室的第二區(qū)段分隔開;暴露機構(gòu),用于使物體的在第一區(qū)段中的至少第一面暴露于氣壓,該氣壓與施加在位于第二區(qū)段中的大致相反的第二面上的壓力相比產(chǎn)生向上的壓差力,該壓差力至少部分地補償物體的重量,其中所述密封件由殼體的可移動部分支撐,并且該裝置進一步包括用于調(diào)節(jié)殼體的至少所述可移動部分相對于物體的位置的調(diào)節(jié)機構(gòu)。
[0011]在根據(jù)本發(fā)明的裝置中,物體借助于支撐結(jié)構(gòu)被安裝在由殼體限定的腔室中,該支撐結(jié)構(gòu)諸如是一個或者更多個軸承,如樞軸承(止推軸承)。在物體的外周和殼體的內(nèi)周之間存在間隙。透氣(即允許氣體流動)的密封件作為氣體流動限制機構(gòu)被提供在該間隙中。為了減少軸承上的負載,在物體上施加氣壓差,由此使物體懸浮??紤]到使得氣體從腔室的第一區(qū)段至第二區(qū)段的流動最小化,將密封件和物體之間的距離且由此懸浮高度保持為小,通常為數(shù)十微米的數(shù)量級。然而,由氣流確定的這樣小的高度不足以明顯降低軸承上的負載,其中游隙通常為數(shù)十毫米的量級。在根據(jù)本發(fā)明的裝置中,在懸浮時,由調(diào)節(jié)機構(gòu)支撐的密封件的相對于支撐結(jié)構(gòu)的位置用調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié),以便物體與其支撐結(jié)構(gòu)的距離被增加直至支撐結(jié)構(gòu)上的負載被明顯減輕,同時從密封件到懸浮的物體的距離不明顯改變。在優(yōu)選實施例中,該至少一個物體能夠相對于殼體繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)以在物體外周和腔室的內(nèi)周之間留出間隙,例如轉(zhuǎn)子、飛輪、離心機、車床等等。在該實施例中,物體可具有水平旋轉(zhuǎn)軸線,其中減少軸承上負載的懸浮是豎向位移。在最優(yōu)選實施例中,可旋轉(zhuǎn)物體具有豎向旋轉(zhuǎn)軸線,而懸浮同樣是在豎向方向。
[0012]在本發(fā)明另一優(yōu)選實施例中,特別地用于蓄積慣性能,根據(jù)本發(fā)明的裝置包括限定轉(zhuǎn)子腔室的殼體,至少一個物體是具有作為第一面的底端面和作為第二面的大致相反的頂端面的至少一個轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子被安裝在轉(zhuǎn)子腔室中,使得轉(zhuǎn)子能夠相對于殼體豎向移位并且使得轉(zhuǎn)子能夠相對于殼體繞豎向旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)以在轉(zhuǎn)子外周和轉(zhuǎn)子腔室的內(nèi)周之間留出間隙,其中密封件被提供在所述間隙中以將轉(zhuǎn)子腔室的第一區(qū)段和轉(zhuǎn)子腔室的第二區(qū)段分隔開,并且其中暴露機構(gòu)是用于將轉(zhuǎn)子的在第一區(qū)段中的至少底端面暴露于氣壓的機構(gòu),該氣壓與施加在位于第二區(qū)段中的大致相反的頂端面上的壓力相比產(chǎn)生向上的壓差力,該壓差力至少部分地補償轉(zhuǎn)子的重量。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的慣性能蓄積裝置包括殼體,殼體具有壁,諸如底壁、(圓柱形的)直立壁和頂壁,該殼體對于環(huán)境是氣密密封的。殼體的內(nèi)部限定轉(zhuǎn)子腔室,諸如飛輪之類的轉(zhuǎn)子被安裝在轉(zhuǎn)子腔室中且在操作期間與殼體的壁分離開間隙。轉(zhuǎn)子能夠繞豎向軸線旋轉(zhuǎn)。通常,旋轉(zhuǎn)軸從轉(zhuǎn)子的兩個端面延伸到提供在殼體的頂部和底部中的合適軸承中。在有利實施例中,旋轉(zhuǎn)軸僅從轉(zhuǎn)子的底端面延伸到殼體的底部中的合適(樞)軸承中。轉(zhuǎn)子能夠在存儲時間期間聯(lián)接到用于輸入能量的機構(gòu),諸如電動機或者風(fēng)力渦輪機,而在用于將能量傳送到一個或者更多個設(shè)備的釋放周期期間被聯(lián)接到發(fā)電機。具有高的重量的轉(zhuǎn)子具有由底端面、相反的上端面和連接該兩個端面的例如直立壁限定的外周。透氣(即允許氣體流動)的密封件作為氣體流動限制機構(gòu)被提供在該間隙中。該密封件將轉(zhuǎn)子腔室劃分為轉(zhuǎn)子腔室的第一(下部)區(qū)段和轉(zhuǎn)子腔室的第二(上部)區(qū)段。轉(zhuǎn)子的頂面被包含在上部區(qū)段中,而底面被至少部分地包含在下部區(qū)段中。裝置還包括用于使轉(zhuǎn)子的在第一區(qū)段中的至少底端面暴露于氣壓的機構(gòu),該氣壓與施加于在上部區(qū)段中的大致相反的頂端面上的壓力相比產(chǎn)生向上的壓差力,該壓差力至少部分地補償轉(zhuǎn)子的重量。該壓差主要由密封件產(chǎn)生。通常,氣體將被幾乎從殼體底部中以豎向旋轉(zhuǎn)軸為中心的一個或者更多個位置吹送-或者在負壓操作中被抽離,同時同心的密封件被布置成與豎向旋轉(zhuǎn)軸線同心。在操作期間,轉(zhuǎn)子在殼體的底部上方自由旋轉(zhuǎn)。如上所述,密封件位置的調(diào)節(jié)有助于減少在支撐軸承上的負載。在緊急狀況下,還存在轉(zhuǎn)子將下降并接觸密封件的風(fēng)險,而與其位置無關(guān)。為了在這種情況下保護密封件免受損壞,調(diào)節(jié)機構(gòu)可運行以使由可移動部分支撐的密封件縮回到殼體的鄰近可移動部分的相應(yīng)區(qū)段中,由此防止接觸且由此防止損壞脆弱且昂貴的密封件。由此,根據(jù)本發(fā)明的裝置的該設(shè)計允許容易且安全的操作。
[0014]申請人還發(fā)現(xiàn),對于經(jīng)濟操作而言,間隙寬度優(yōu)選地應(yīng)當非常小,為數(shù)十微米至數(shù)百微米的數(shù)量級。但是,如果密封件是裝置的固定部分,則結(jié)構(gòu)公差容易超過這樣小的尺寸。承載密封件的可移動部分使得能夠設(shè)定這種小間隙。由此,調(diào)節(jié)機構(gòu)允許以微米水平準確定位可移動部分以及由此準確定位密封件??紤]到能量效率因素,氣體向間隙中的流動優(yōu)選地是小的,但對于物體的懸浮是足夠的。這要求在第一區(qū)段和第二區(qū)段之間的密封件上有足夠的壓降。密封件中非常小的間隙寬度,例如小于100微米,諸如50微米,已被證明是成功的。
[0015]物體在操作期間的實際懸浮主要通過調(diào)節(jié)流動波動時的氣體流動被控制。借助于調(diào)節(jié)機構(gòu)進一步調(diào)節(jié)可移動部分可以有助于穩(wěn)定物體相對于殼體的位置。與流動控制相比,后者是緩慢調(diào)整。
[0016]在殼體的內(nèi)壁和物體的表面之間的間隙中的密封件允許氣體從腔室底部區(qū)段到其上部區(qū)段的受限流動。有利
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