Structural design of rotor and shaft in FESS with 60 MJ energy capacity

研究设计额定转速为2700 r/min、储能量为60 MJ的合金钢飞轮,以实现石油钻机动力系统飞轮单机MW级输出功率。飞轮材料为35CrMoA合金钢,采用“H”形变截面,直径1600 mm,厚380 mm,质量4000 kg。芯轴与轮毂局部过盈配合,采用圆柱销传递飞轮与芯轴之间的扭矩。有限元计算表明,轮辐内厚外薄,实现近似等强度设计;轮缘加厚,调整质量分布,实现大转动惯量;底部圆柱销传递扭矩,局部应力比键连接优化。飞轮轴系具备2.5倍应力安全系数,额定转速下最大应力小于500 MPa。2016年3月飞轮设备调试成功,实现150～200 kW充电、500～1000 kW放电功能,储能密度4.17 W·h/kg,比功率250 W/kg,标志着我国具备了单机WM级飞轮储能设备研制能力。     

Analysis and design of the capacity and efficiency of a flywheel energy storage system

分析了飞轮储能系统能量、功率参数特性。飞轮储能系统单机可实现储能0.5 ～ 100 kW·h、功率2～ 3000 kW。提出了储能100 kW·h级飞轮的方案,采用中低转速合金钢飞轮转子,储能密度13～ 18 W·h/kg,计算许用应力为800 MPa。尺寸为米级的飞轮转子整体锻造难度较高,可采用多圆盘轴向联接的结构设计。采用3层或4层纤维缠绕复合材料高速飞轮转子结构,分别进行了径向等应力结构设计,计算表明9000 r/min三层纤维缠绕复合材料飞轮和15000 r/min四层纤维缠绕复合材料飞轮均能够满足工作转速下的结构强度要求,储能密度50 ～ 70 W·h/kg。     

Analysis of stress characteristics of energy storage flywheel with different materials

为了解储能飞轮的应力特性,进而对其结构进行设计及优化,基于Workbench考虑多因素对其进行有限元对比分析研究。对给定速度的7075铝合金飞轮应力分布、不同转速下7075铝合金飞轮应力特性和不同材料的飞轮应力变化规律分别进行有限元分析研究。结果表明：7075铝合金材料飞轮在15000 r/min转速下最大径向应力出现在内壁,向外逐渐减小,最大值为243.42 MPa,最大环向应力出现在飞轮轮缘与轮盘交汇处,最大值为122.61 MPa。随着转速增大,应力值也增大,最大应力值位置未发生变化,相同转速下,7075铝合金作为飞轮材料优于其他3种合金材料。研究结果可为储能飞轮的结构设计及优化提供参考。     

飞轮储能装置设计初探

讨论了具有广泛应用前景的新型机械储能技术中飞轮储能装置设计的几个关键问题，包括飞轮转子材料的选择，飞轮最佳转速的确定及工作空间的计算，轴承支承的选择，轴承承载力，刚度与结构参数的计算，电机的选择，以及能量转换控制方式的分析等，为飞轮储能装置设计的进一步研究奠定了基础。     

柴油发电机组飞轮螺栓的应力分析

为了确保飞轮螺栓连接的可靠性,采用接触分析法对螺栓进行了应力分析。结果表明,螺栓最大平均von Mises应力分布在靠近螺栓帽的螺栓杆区域,离心力对于飞轮螺栓的应力分布有一定影响,但数值较小。     

盘式和柱式飞轮转子系统临界转速分析CSCD

针对飞轮储能系统升降速实验中极限转速为9300 r/min,小于飞轮储能的最高工作转速15000 r/min,这会大幅降低飞轮储能系统的最大储能量。为提高飞轮储能实验中极限转速,从结构设计角度出发,采用理论公式分析、SAMCEF Rotor有限元仿真分析并结合实验数据来研究盘式飞轮转子和柱式飞轮转子的临界转速分布规律及其稳定性。分析发现,质量相同、结构不同的盘式飞轮转子其二阶临界转速远远超过柱式飞轮转子,两者的一阶临界转速相同。根据不同工作转速和储能量要求的飞轮转子,采取不同的结构方案,确保其达到工作转速要求并稳定运行。     

Metallic materials for energy storage flywheel rotors

飞轮储能是利用高速旋转的转子来储存能量,是一种理想的绿色环保储能方式,高效清洁且寿命持久.由于储能飞轮的储能密度与比强度呈正比的关系,因此开发与制备新型高比强度材料的飞轮转子是提高其储能能力的重要途径.作者叙述了储能飞轮用金属材料的发展历程与应用现状:储能飞轮的研制初期一般采用储能密度较低的金属转子,目前储能飞轮的研究重点已转到密度低而强度高的复合材料飞轮,其最优的转子形状具有沿半径方向中间薄,两端厚的特征,以获得更高的储能密度.阐述了金属转子与轮毂的铸造,锻造,机加工,热处理以及质量检验等加工工艺的研究现状.储能飞轮转子用金属材料的发展最终取决于超高强度钢及合金的开发与研究,如超高纯冶炼技术的发展,热处理工艺的优化等.     

复合材料储能飞轮应力位移场分析及与均质材料飞轮比较

根据非均质各向异性弹性理论建立了复合材料飞轮的计算模型,得到了复合材料飞轮在工作转速情况下应力和位移计算的解析公式,给出了任一点的径向、环向应力及径向位移。并按照所建立的计算模型对不同材料对应力、位移分布的影响进行了分析比较。     

A flywheel in a wind turbine rotor for inertia control

In this paper, a flywheel energy storage that is an integral part of a wind turbine rotor is proposed. The rotor blades of a wind turbine are equipped with internal weights, which increase the inertia of the rotor. The inertia of this flywheel can be controlled by varying the position of the weights, i.e. by positioning them closer to the center of rotation (closer to the hub) or closer to the tip of the blades. The simulation model used in this study is introduced briefly. The equation system of the flywheel is set up. Finally, simulations of different scenarios show the performance of this controllable flywheel. The conclusion is that the proposed system can mitigate transients in the power output of wind turbines. Hence, it can support the frequency control in a power system by contributing to the power system inertia. © 2014 The Authors. Wind Energy published by John Wiley & Sons, Ltd.     

双质量飞轮性能参数优化设计方法

双质量飞轮用于降低汽车传动系统怠速工况和常速行驶工况下的扭转振动.在怠速工况下发动机、双质量飞轮与传动系统组成的多质量扭振模型的基础上,建立了双质量飞轮第1、2阶设计模型,并推导出双质量飞轮转动惯量、怠速级扭转刚度与系统固有频率的关系,结合减振原理,建立了其转动惯量分配和怠速级扭转刚度的设计方法;根据双质量飞轮的工作原理,推导出行驶级扭转刚度与发动机最大转矩、怠速级扭转刚度的关系,并以避免低速区和常速区动力传动系统发生主谐次扭转振动为目标,建立了多级扭转刚度的设计与优化方法.发动机的扭振试验验证了设计模型和设计方法的正确性,怠速工况下第1阶固有频率降至7.9,Hz,行驶工况下双质量飞轮对发动机速度波动衰减了80%左右.     

Design of a coordinated control unit for the charge process of a flywheel energy storage unit based on passivity and backstepping methods

针对非线性因素在飞轮储能单元之中产生的不利影响,文章基于双输入的飞轮储能系统提出了一种分步设计方法;通过Backstepping控制和无源性设计思想的有效结合,使系统转速和电流达到稳定输出。首先,基于双输入飞轮储能单元的充电模型,由Backstepping方法设计飞轮储能系统的 轴控制器;再者,利用协调无源性设计系统的 轴控制器,使得整个系统达到反馈无源,保证了系统的渐近稳定性。整个设计过程没有采用任何线性化处理,保证了整个控制律在非线性系统中的适用性,有效地提高了系统的稳定性能。通过仿真结果的对比可知,所提控制策略的有效性和正确性。     

双质量飞轮设计模型研究

研究了双质量飞轮的几种设计模型,按照设计模型计算分析得出了相应的扭矩特性曲线,同时给出了一种从声学问题、操控性和耐久性三方面综合评价分析设计模型的方法,分析了各设计模型所达到的性能等级,直观地显示了设计模型参数和整车性能的匹配程度,并为设计提供了一种具有借鉴意义的分析方法。     

Analysis of a two-stage flywheel unit for automobile braking energy recovery

相比于其他储能方式,飞轮储能的高功率密度和高效率能量存储方法有很大的优越性,但也带来了其质量较大的困扰。基于传统模式单级飞轮储能结构,提出了一种新型两级式飞轮储能装置,并通过选用某种确定车型的车辆制动时所能够回收的能量,证明在一定程度上提供相同的储能容量时,该装置的质量可以明显降低。基于证明结果,通过Ansys软件对飞轮转子系统进行了10阶的模态分析和等效应力分析。仿真结果表明：该飞轮转子系统不会发生共振情况且满足强度要求,可以安全可靠的工作。     

Load analysis of hydraulic‐pneumatic flywheel configurations integrated in a wind turbine rotor

In this paper, the impact on the mechanical loads of a wind turbine due to a previously proposed hydraulic‐pneumatic flywheel system is analysed. Load simulations are performed for the National Renewable Energy Laboratory (NREL) 5‐MW wind turbine using fatigue, aerodynamics, structures, and turbulence (FAST). It is discussed why FAST is applied although it cannot simulate variable rotor inertia. Several flywheel configurations, which increase the rotor inertia of the 5‐MW wind turbine by 15%, are implemented in the 61.5‐m rotor blade. Load simulations are performed twice for each configuration: Firstly, the flywheel system is discharged, and secondly, the flywheel is charged. The change in ultimate and fatigue loads on the tower, the low speed shaft, and the rotor blades is juxtaposed for all flywheel configurations. As the blades are mainly affected by the flywheel system, the increase in ultimate and fatigue loads of the blade is evaluated. Simulation results show that the initial design of the flywheel system causes the lowest impact on the mechanical loads of the rotor blades although this configuration is the heaviest.     

周向弧形弹簧双质量飞轮设计方法研究

根据周向弧形弹簧式双质量飞轮结构及工作原理,基于怠速工况和正常行驶工况下所建立的发动机、双质量飞轮与动力传动系统的多质量扭振模型,提出了周向弧形弹簧式双质量飞轮第1级扭转刚度的取值方法以及双质量飞轮转动惯量分配方法.根据弧形弹簧的布置形式,分析了第2级扭转刚度与第1级扭转刚度的关系,提出了第2级扭转刚度的取值方法.采用普通离合器式扭转减振器,动力传动系统在怠速工况下第1阶扭振频率在15～20Hz之间,与发动机怠速接近,容易发生扭振.利用此方法为某轿车设计了周向弧形弹簧式双质量飞轮,并对该车的动力传动系统进行了模态分析与振动试验验证.研究结果表明:怠速工况下,第1阶扭振频率降至9Hz,远低于怠速;正常行驶工况下,在正常行驶速度范围内未发生主谐次扭振,并对发动机的速度波动削减了67%,具有良好的减振效果.     

Structural design and optimization of metallic flywheel based on FEM

金属飞轮功率密度大,可靠性高,是我国推广飞轮储能技术应用的重要途径。本文综合考虑应力强度、金属疲劳、储能总量、储能密度和加工工艺,依托有限元计算优化金属飞轮设计,以应对不同工况要求。飞轮材料选用35CrMoA,设计储能量大于20 kW·h。频繁充放电飞轮采用4倍安全系数,具备高可靠性;高速待机飞轮以疲劳极限强度作为设计准则,平衡储能量和寿命。计算对比发现,“哑铃”形截面有利于实现轻质量大转动惯量,相同储能量下降低轴承负荷。此外,文章依托模块化设计思想,提出叠层铆合飞轮设计,评估轴孔螺孔应力集中影响。上述讨论为低速大功率金属飞轮进一步设计和量产化提供了有力参考。     

新型飞轮蓄能系统

介绍了欧美国家研制的新型飞轮蓄能系统,体积小,重量轻,损耗低,易与电力系统连接。这一新技术将给电力贮存领域带来一场新的革命。     

中速大功率长冲程单缸柴油机平衡装置设计

详细介绍了某中速大功率长冲程单缸柴油机平衡装置中的平衡轮系平衡块、曲轴平衡重、飞轮的设计方法;通过AVL Excite Designer软件仿真软件,对单缸机的往复惯性力、离心惯性力的平衡状态进行了分析,并对单缸机回转不均匀度进行了计算校核.分析表明:所设计的平衡装置满足设计要求.     

外转子储能飞轮结构优化设计研究

储能飞轮属于功率型储能技术,利用现代电力电子技术,实现电能与飞轮动能之间的转化。飞轮储能系统利用上、下主动电磁轴承将飞轮旋转体处于无接触悬浮。选择一种阶梯变截面近似等应力转子金属材料飞轮,以获得更高的储能密度,在高形状系数与加工制造难度之间合理优化。针对此飞轮进行强度以及转子动力学分析,此一体化外转子飞轮方案可有效解决飞轮转子轴向长度影响转子动力力学特性并将导致飞轮储能系统结构紧凑性欠佳的问题。     

某发动机飞轮连接圈固定螺栓连接可靠性分析

利用AVL Excite Designer软件建立了某发动机曲轴系扭转振动模型,获得飞轮端最大输出扭矩。利用Hypermesh软件建立曲轴系有限元模型并施加飞轮端输出的最大扭矩,对飞轮连接圈固定螺栓的连接可靠性进行仿真分析。结果显示,飞轮连接圈固定螺栓数量由9个减少为6个后,飞轮连接圈与飞轮接触面最大相对滑移量增加约10%,依然满足设计要求。因此,可以减少3个飞轮连接圈固定螺栓,实现降成本目的。