Айналмалы энергияны сақтауға арналған механизм - Жүйекті дөңгелек

Кіріспе

Айналу энергиясын сақтауға арналған механикалық құрылғы

Айналу дөңгелегі – бұрыштық импульстің сақталуын пайдаланып айналу энергиясын сақтайтын механикалық құрылғы; кинетикалық энергияның түрі, оның инерция моменті мен айналу жылдамдығының квадратына пропорционалды. Атап айтқанда, егер айналу дөңгелегінің инерция моменті тұрақты болса (яғни, белгілі бір оське айналатын, тұрақты массасы және екінші моменті бар дөңгелек), онда сақталған (айналмалы) энергия оның айналу жылдамдығының квадратына тікелей байланысты. Айналу дөңгелегі кейін пайдалану үшін механикалық энергияны сақтауға қызмет ететіндіктен, оны электрлік индуктордың кинетикалық энергияға ұқсас аналогы деп қарастыруға болады. Тиісті түрде абстракцияланғаннан кейін, энергияны сақтаудың осы ортақ принципі аккумулятордың жалпыланған түсінігімен сипатталады. Басқа аккумулятор түрлері сияқты, айналу дөңгелегі жүйенің қуат шығысындағы шағын ауытқуларды тегістейді, осылайша жүйенің механикалық жылдамдығына (бұрыштық немесе басқа) қатысты төмен өткізгіш сүзгі рөлін атқарады. Нақтырақ айтқанда, айналу дөңгелегінің сақталған энергиясы қуат кірісі төмендегенде қуат шығысын арттырады, ал керісінше, жүйеде өндірілген артық қуатты айналу энергиясы түрінде сіңіреді. Айналу дөңгелегінің кең таралған қолданыстары: поршеньді қозғалтқыштарда қуатты тегістеу, энергияны сақтау, энергияны көзден жоғары жылдамдықпен беру, гироскоптар мен реакциялық дөңгелектерді пайдалану арқылы механикалық жүйенің бағытын басқару және т.б. Айналу дөңгелектері әдетте болаттан жасалады және стандартты подшипниктерде айналады; олардың максималды айналу жылдамдығы әдетте бірнеше мың айналымға дейін шектеледі. Жоғары энергия тығыздығына ие айналу дөңгелектерін көміртекті композиттерден жасауға болады және магниттік подшипниктерді қолдану арқылы оларды 60,000 айналым/мин (1 кГц) жылдамдықпен айналуға мүмкіндік береді.

Тарих

Ұшақтың принципі неолиттік өрмек және тоқымашының дөңгелегінде, сондай-ақ көне замандағы дөңгелеклеу тастарында кездеседі. 11-шы ғасырдың басында Ибн Бассал нория мен сакияда ұшақты қолдануды алғаш рет енгізді. Американдық ортағасырлық зерттеуші Линн Уайттың сөзіне сәйкес, неміс шебері Теофилус Пресвитер (шамамен 1070–1125 жж.) өзінің бірнеше машиналарында осы құрылғыны қолданғанын жазған. Өнеркәсіптік революция кезінде Джеймс Уотт бу машинасының ұшағын жетілдіруге үлес қосты, ал оның замандасы Джеймс Пикард ұшақты кривошиппен біріктіріп, түзу сызықты қозғалысты айналмалы қозғалысқа түрлендірді.

Физика

Двигательдің роторы сақтаған кинетикалық энергияны (немесе нақтырақ айтқанда, айналмалы энергияны) бұрыштық жылдамдық ω арқылы есептеуге болады, ал – симметрия осьіне қатысты двигательдің инерция моменті болып табылады. Инерция моменті – айналатын объектіге қолданылатын моментке қарсы кедергінің өлшемі (яғни, инерция моменті неғұрлым жоғары болса, берілген момент қолданылғанда оның үдеуі соғұрлым баяу болады). Инерция моментін масса m және радиус r арқылы анықтауға болады. Қатты цилиндр үшін ол , жұқа қабырғалы қуыс цилиндр үшін шамамен , ал тұрақты тығыздығы бар қалың қабырғалы қуыс цилиндр үшін – болады. Берілген дөңгелек конструкциясы үшін кинетикалық энергия дөңгелектің кернеуіне, материалдың тығыздығына және массаға қатынасына пропорционалды. Дөңгелектің нақты созу беріктігі деп анықталады. Ең жоғары нақты созу беріктігіне ие материал бірлік массаға ең жоғары энергияны сақтайды. Көміртек талшығының қызығушылық тудыратын материал болып табылуының бір себебі де осы. Берілген конструкция үшін сақталған энергия дөңгелектің кернеуіне және көлеміне пропорционалды. Электрмотормен қуатталатын дөңгелектер практикада көп қолданылады. Электрмотордың шығыс қуаты шамамен дөңгелектің шығыс қуатына тең. Оны , мұндағы – ротор орамасының кернеуі, – статор кернеуі және – екі кернеу арасындағы бұрыш арқылы есептеуге болады. Ротордың сынуына дейін дөңгелекте айналу энергиясының мөлшерін арттыруға болады. Бұл ротордың ішіндегі дөңгелектің кернеуі ротор материалының соңғы созу беріктігінен асып кеткен кезде болады. Созу кернеуін , мұндағы – цилиндрдің тығыздығы, – цилиндрдің радиусы және – цилиндрдің бұрыштық жылдамдығы арқылы есептеуге болады.

Дизайн

Қабырғалы серпімді дөңгелектің қабырғасы, ортасы және спицалары болады. Серпімді дөңгелектің инерция моментын есептеуді әртүрлі жеңілдетулерді қолдану арқылы оңай талдауға болады. Бір әдіс – спицалардың, біліктің және ортаның инерция моменттері нөлге тең деп есептеу, ал серпімді дөңгелектің инерция моменты тек қана қабырғасынан тұрады деу. Тағы бір тәсіл – спицалардың, ортаның және біліктің инерция моменттерін серпімді дөңгелектің инерция моментының пайызы ретінде бағалау, мұнда көп бөлігі қабырғаға тиесілі. Мысалы, егер ортаның, спицалардың және біліктің инерция моменттері мардымсыз деп есептелсе, ал қабырғаның қалыңдығы оның орташа радиусына қарағанда өте кішкентай болса, қабырғаның айналу радиусы оның орташа радиусына тең болады. Біліксіз серпімді дөңгелекте жылтырғышты тесіктер, білік немесе орта болмайды. Оның энергия тығыздығы дәстүрлі конструкцияға қарағанда жоғарырақ, бірақ арнайы магниттік тіреу және басқару жүйесі қажет. Серпімді дөңгелектің меншікті энергиясы пішін коэффициенті , материалдың созу беріктігі және тығыздығы арқылы анықталады. Дәстүрлі серпімді дөңгелектің пішін коэффициенті 0,3 болса, біліксіз серпімді дөңгелектің пішін коэффициенті шамамен 0,6-ға жуық, ал теориялық шегі 1-ге тең. Супер-серпімді дөңгелек қатты өзектен (ортадан) және оның айналасына оралған жоғары беріктігі бар иілгіш материалдардың (мысалы, арнайы болат, көміртекті композиттер, шыны талшықтары немесе графен) бірнеше жұқа қабаттарынан тұрады. Дәстүрлі серпімді дөңгелектерге қарағанда супер-серпімді дөңгелектер көбірек энергия сақтай алады және пайдалану қауіпсіздігі жоғары. Ақаулық туындаған жағдайда супер-серпімді дөңгелек, әдеттегідей жарылып, үлкен сынықтарға бөлінбейді, керісінше қабаттарға бөлінеді. Бөлінген қабаттар кейіннен қоршаудың ішкі қабырғаларына сүйкеліп супер-серпімді дөңгелектің жылдамдығын төмендетіп, одан әрі зақымданудың алдын алады. Супер-серпімді дөңгелектің энергия тығыздығының нақты мәні қолданылатын материалға байланысты болғанымен, теориялық тұрғыдан алғанда графен супер-серпімді дөңгелек үшін 1 кг массаға 1200 Вт⋅сағ (4,4 МДж) дейін жете алады. Бірінші супер-серпімді дөңгелекті 1964 жылы советтік-ресейлік ғалым Нурбей Гуилия патенттеген.

A rimmed flywheel has a rim, a hub, and spokes. Calculation of the flywheel's moment of inertia can be more easily analysed by applying various simplifications. One method is to assume the spokes, shaft and hub have zero moments of inertia, and the flywheel's moment of inertia is from the rim alone. Another is to lump moments of inertia of spokes, hub and shaft may be estimated as a percentage of the flywheel's moment of inertia, with the majority from the rim, so that For example, if the moments of inertia of hub, spokes and shaft are deemed negligible, and the rim's thickness is very small compared to its mean radius , the radius of rotation of the rim is equal to its mean radius and thus
A shaftless flywheel eliminates the annulus holes, shaft or hub. It has higher energy density than conventional design but requires a specialized magnetic bearing and control system. The specific energy of a flywheel is determined by, in which is the shape factor, the material's tensile strength and the density. While a typical flywheel has a shape factor of 0.3, the shaftless flywheel has a shape factor close to 0.6, out of a theoretical limit of about 1. A superflywheel consists of a solid core (hub) and multiple thin layers of high strength flexible materials (such as special steels, carbon fiber composites, glass fiber, or graphene) wound around it. Compared to conventional flywheels, superflywheels can store more energy and are safer to operate. In case of failure, a superflywheel does not explode or burst into large shards like a regular flywheel, but instead splits into layers. The separated layers then slow a superflywheel down by sliding against the inner walls of the enclosure, thus preventing any further destruction. Although the exact value of energy density of a superflywheel would depend on the material used, it could theoretically be as high as 1200 Wh (4.4 MJ) per kg of mass for graphene superflywheels. The first superflywheel was patented in 1964 by the Soviet Russian scientist Nurbei Guilia.

Материалдар

Ұшақ дөңгелектері әртүрлі материалдардан жасалады; материалды таңдау қолданылуына байланысты. Қорғаштан жасалған кішкентай ұшақ дөңгелектері балалар ойыншықтарында кездеседі. Ескі бу машиналарында құйма темірден жасалған ұшақ дөңгелектері қолданылады. Автомобиль қозғалтқыштарында қолданылатын ұшақ дөңгелектері құйма немесе шар тәрізді темірден, болаттан немесе алюминийден жасалады. Көлік құралдарының энергия сақтау және тежеу жүйелерінде жоғары беріктікті болаттан немесе композиттерден жасалған ұшақ дөңгелектерін пайдалану ұсынылған. Ұшақ дөңгелегінің тиімділігі салмақ бірлігіне сақталатын энергия мөлшерімен анықталады. Ұшақ дөңгелегінің айналу жылдамдығы немесе бұрыштық жылдамдығы артқан сайын, сақталған энергия да артады; бірақ, сонымен бірге кернеулер де артады. Егер шеңберлік кернеу материалдың созу беріктігінен асып кетсе, ұшақ дөңгелегі сынды. Осылайша, созу беріктігі ұшақ дөңгелегінің сақтай алатын энергия мөлшерін шектейді. Осыған байланысты, балалар ойыншығында ұшақ дөңгелегі үшін қорғаш пайдалану тиімді емес; алайда, ұшақ дөңгелегінің жылдамдығы ешқашан жарылу жылдамдығына жетпейді, себебі бұл жағдайда шектеу баланың тарту күші болып табылады. Басқа қолданыстарда, мысалы, автомобильде, ұшақ дөңгелегі белгілі бір бұрыштық жылдамдықпен жұмыс істейді және орналасуы керек кеңістікпен шектеледі, сондықтан мақсат – бірлік көлемге сақталатын энергияны барынша арттыру. Сондықтан материалды таңдау қолданылу жағдайына байланысты.

Қолданбалар

Flywheels көбінесе энергия көзі үздіксіз болмайтын жүйелерде үздіксіз қуат беру үшін қолданылады. Мысалы, серпімді дөңгелек поршеньді қозғалтқыштағы коленвалдың жылдам бұрылу жиілігінің өзгеруін тегістеу үшін қолданылады. Бұл жағдайда, серпімді дөңгелек поршеньнің итеруінен энергияны жинақтап, содан кейін сол энергияны поршеньге қайтарып, ауа мен отынның жаңа қоспасын қысыммен толтырады. Тағы бір мысал – ойыншық көліктер сияқты құрылғыларды қуаттандыратын үйкеліс қозғалтқышы. Қымбат емес және төмен күш қолданылатын жағдайларда, шығындарды үнемдеу үшін дөңгелектің көп бөлігі шетіне қарай орналастырылады. Массаны айналу осінен алыстату, жалпы масса бірдей болғанда айналу инерциясын арттырады. Сондай-ақ, серпімді дөңгелек энергия көзінің мүмкіндіктерінен асып түсетін қуат деңгейінде энергияның үзіліссіз импульстарын беру үшін де қолданылуы мүмкін. Бұл энергияны энергия көзінің жылдамдығымен үйлесімді уақыт аралығында серпімді дөңгелекте жинақтау арқылы және қажет болған кезде салыстырмалы түрде қысқа уақыт ішінде әлдеқайда жоғары жылдамдықпен босату арқылы жүзеге асырылады. Мысалы, серпімді дөңгелектер қуатты балғалар мен қаптау машиналарында қолданылады. Дөңгелектер бағытты басқаруға және қажетсіз қозғалыстарға қарсы тұруға мүмкіндік береді. Осы контексте серпімді дөңгелектердің қолданылу салалары кең: құралдар үшін гироскоптар, кемелердің тұрақтылығы, спутниктік тұрақтандыру (кері реакциялық дөңгелек), ойыншықты айналдыру (үйкеліс қозғалтқышы), магниттік күшпен көтерілген объектілерді тұрақтандыру (айналу арқылы тұрақтандырылған магниттік күшпен көтерілу). Серпімді дөңгелектер электрлік компенсатор ретінде де қолданылуы мүмкін, мысалы, синхронды компенсатор, ол реактивті қуатты өндіре немесе жұта алады, бірақ активті қуатқа әсер етпейді. Мұндай қолданылудың мақсаты – жүйенің қуат коэффициентін жақсарту немесе желілік кернеуді реттеу. Әдетте, осы салада қолданылатын серпімді дөңгелектер құрылысы мен орнатылуы бойынша синхронды қозғалтқышқа ұқсас (бірақ бұл жағдайда синхронды компенсатор немесе синхронды конденсатор деп аталады). Сонымен қатар, серпімді дөңгелектерді пайдаланатын басқа да компенсатор түрлері бар, мысалы, бір фазалық индукциялық машина. Бірақ негізгі идеялар бірдей: дөңгелектер сіз компенсациялауды қалайтын жиілікте дәл айналады. Синхронды компенсатор үшін ротор мен статордың кернеуін фазада ұстау қажет, бұл ротордың магниттік өрісі мен жалпы магниттік өрісті айналу координаттарында фазада ұстаумен бірдей.

Flywheels are often used to provide continuous power output in systems where the energy source is not continuous. For example, a flywheel is used to smooth the fast angular velocity fluctuations of the crankshaft in a reciprocating engine. In this case, a crankshaft flywheel stores energy when torque is exerted on it by a firing piston and then returns that energy to the piston to compress a fresh charge of air and fuel. Another example is the friction motor which powers devices such as toy cars. In unstressed and inexpensive cases, to save on cost, the bulk of the mass of the flywheel is toward the rim of the wheel. Pushing the mass away from the axis of rotation heightens rotational inertia for a given total mass. A flywheel may also be used to supply intermittent pulses of energy at power levels that exceed the abilities of its energy source. This is achieved by accumulating energy in the flywheel over a period of time, at a rate that is compatible with the energy source, and then releasing energy at a much higher rate over a relatively short time when it is needed. For example, flywheels are used in power hammers and riveting machines. Flywheels can be used to control direction and oppose unwanted motions. Flywheels in this context have a wide range of applications: gyroscopes for instrumentation, ship stability, satellite stabilization (reaction wheel), keeping a toy spin spinning (friction motor), stabilizing magnetically levitated objects (Spin stabilized magnetic levitation). Flywheels may also be used as an electric compensator, like a synchronous compensator, that can either produce or sink reactive power but would not affect the real power. The purposes for that application are to improve the power factor of the system or adjust the grid voltage. Typically, the flywheels used in this field are similar in structure and installation as the synchronous motor (but it is called synchronous compensator or synchronous condenser in this context). There are also some other kinds of compensator using flywheels, like the single phase induction machine. But the basic ideas here are the same, the flywheels are controlled to spin exactly at the frequency which you want to compensate. For a synchronous compensator, you also need to keep the voltage of rotor and stator in phase, which is the same as keeping the magnetic field of rotor and the total magnetic field in phase (in the rotating frame reference).