[發(fā)明專利]一種飛輪儲能系統(tǒng)用飛輪轉(zhuǎn)子的鋼絲纏繞方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210560082.6
• 申請日: 2012-12-21
• 公開（公告）號: CN103878270A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發(fā)明（設計）人: 蔣濤
• 申請（專利權）人: 北京奇峰聚能科技有限公司
• 主分類號: B21F3/00
• 分類號: B21F3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及一種飛輪儲能系統(tǒng)用飛輪轉(zhuǎn)子的鋼絲纏繞方法。

背景技術

飛輪轉(zhuǎn)子是飛輪儲能系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。為了提高儲能密度，可以在金屬輪轂的外面布置碳纖維增強樹脂基復合材料，或者纏繞高強度鋼絲。碳纖維增強復合材料的價格在每公斤300～800元，高強度鋼絲的價格在每公斤20～50元。與復合材料飛輪相比，鋼絲纏繞飛輪具有體積小、成本低的優(yōu)點。

在儲能飛輪領域引入鋼絲纏繞技術，對飛輪轉(zhuǎn)子的設計構成了新挑戰(zhàn)。在鋼絲纏繞飛輪中，使用的是預應力鋼絲。預應力鋼絲常用于超高壓容器中、大型高壓水缸以及合成超硬材料設備上的高壓反應容器等，其工作壓力從幾千大氣壓到上萬大氣壓，其設計方法已經(jīng)成熟。

與高壓容器等設備上使用的鋼絲相比，飛輪轉(zhuǎn)子用鋼絲有明顯區(qū)別：飛輪是做旋轉(zhuǎn)運動的，而高壓容器是靜止的。旋轉(zhuǎn)運動會產(chǎn)生巨大的離心力，導致鋼絲直徑變大，從飛輪輪轂上脫落。因此，高壓容器等設備上的預應力鋼絲設計方法并不適用于飛輪轉(zhuǎn)子上的預應力鋼絲。

目前飛輪輪轂上還沒有使用鋼絲進行纏繞的先例，理論方法和工程實踐上都處于探索階段，尚未有公開文獻介紹飛輪轉(zhuǎn)子用鋼絲的設計方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種飛輪儲能系統(tǒng)用飛輪轉(zhuǎn)子的鋼絲纏繞方法，解決目前飛輪轉(zhuǎn)子用鋼絲設計方法空缺的問題。

本發(fā)明為解決上述技術問題采取的技術方案是：所述優(yōu)化設計方法由以下步驟實現(xiàn)：

步驟一：確定鋼絲部分的極轉(zhuǎn)動慣量指標J₁、鋼絲層的高度H₁、最內(nèi)層鋼絲的內(nèi)徑Φ₁，鋼絲以螺旋方式纏繞在輪轂外圓面上；

步驟二：選擇鋼絲的截面尺寸，鋼絲截面為長方形，截面長度為L₁，截面寬度為B₁，并獲取鋼絲材料的密度ρ₁、泊松比μ₁、彈性模量E₁、鋼絲的許用應力σ₁、鋼絲與鋼絲的摩擦系數(shù)f₁、鋼絲與輪轂的摩擦系數(shù)f₂，獲取輪轂的密度ρ₂、泊松比μ₂、彈性模量E₂；

步驟三：計算得到最外層鋼絲的外徑Φ_外，如公式(1)：

Φ_外＝2(2J₁/ρH₁π+Φ₁⁴/16)^1/4(1)

步驟四：計算得到鋼絲纏繞的圈數(shù)N，如公式(2)：

N＝H₁/L₁(2)

步驟五：計算得到鋼絲纏繞的層數(shù)M，如公式(3)：

M＝(Φ₂-Φ₁)/B₁(3)

步驟六：計算得到第n層鋼絲的內(nèi)徑Φ_n，如公式(4)：

Φ_n＝Φ₁+(n-1)B₁(4)

其中n表示鋼絲層的序號，從內(nèi)往外數(shù)，最內(nèi)層為第一層；

步驟七：將輪轂的三維實體模型導入到通用有限元分析軟件Ansys中，使用國際單位制；

步驟八：在Ansys軟件中，建立每層鋼絲的等效模型，等效模型為薄壁圓筒形狀，壁厚為B₁，圓筒內(nèi)徑為此層鋼絲的內(nèi)徑Φ_n，高度為H₁；

步驟九：在Ansys軟件中定義鋼絲的材料屬性，包括鋼絲的密度ρ₁、泊松比μ₁、彈性模量E₁，輪轂的密度ρ₂、泊松比μ₂、彈性模量E₂；

步驟十：對等效模型劃分網(wǎng)格，單元類型為六面體二十節(jié)點單元SOLID186，單元尺寸B₁；

步驟十一：對輪轂網(wǎng)格劃分，單元類型為四面體十節(jié)點單元SOLID187，單元尺寸為2B₁；

步驟十二：設置最內(nèi)層鋼絲的等效模型與輪轂的接觸對，接觸單元類型為面面接觸，摩擦系數(shù)f₂，接觸面偏移量為B₁/20；