WO2018006941A1

WO2018006941A1 - Flywheel store comprising a protective device

Info

Publication number: WO2018006941A1
Application number: PCT/EP2016/065803
Authority: WO
Inventors: Ralf Fischer; Markus Reinhard
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2019-01-05

Abstract

The invention relates to a flywheel store that comprises a flywheel mass (2) enclosed in a housing (1). In particular, the invention is characterised in that a protective device (3) having a braking force effect is arranged between the flywheel mass (2) and the housing (1). The braking force of the housing prevents an accident in the event of a rotor imbalance or similar malfunctions.

Description

Beschreibung description

SCHWUNGRADSPEICHER MIT SCHUTZVORRICHTUNG Die Erfindung betrifft einen Schwungradspeicher mit einer Schwungmasse, welche in einem Gehäuse eingefasst ist. The invention relates to a flywheel accumulator with a flywheel, which is enclosed in a housing.

Rotierende Schwungmassenspeicher und andere hochdrehende Antriebe rotieren oftmals im Vakuum oder unter einer Schutzgas- atmosphäre, um den Wirkungsgrad durch Vermeidung von Reibgasverlusten zu erhöhen. Sie speichern Energie in rotatorischer Form gemäß der Formel Rotating flywheel mass accumulators and other high-speed drives often rotate in a vacuum or under a protective gas atmosphere in order to increase efficiency by avoiding friction gas losses. They store energy in rotational form according to the formula

E=l/ 2 x J x ω² , wobei (J) die Rotationsschwungsmasse und ω die Drehzahl angibt. Um höhere Energien speichern zu können, sind demnach hohe Drehzahlen und/oder sehr große Schwungmassen notwendig. Da diese schnell rotierenden Massen immer auch ein inhärentes Gefährdungspotential für Menschen und Betriebsmittel bergen, werden sie meist im massiven Gehäuse verbaut, um im Fall einer Havarie den Austritt der Bruchstücke zu verhindern. Sollten die für diesen Fall konzipierten Berstschutzvorrichtungen nicht ausreichend dimensioniert sein, so können bei einer Ha- varie ernsthafte Schäden an Betriebsmitteln in der näheren Umgebung auftreten oder Personen ernsthaft verletzt werden. Die Gehäuse solcher Schwungmassenspeicher werden gleichzeitig auch als Berstschutzvorrichtung verwendet, die im Fall eines Materialversagens Bruchteile der Schwungmasse am Austritt aus der Maschine hindern sollen. Auf Grund der hohen kinetischen Energie werden diese Berstschutzgehäuse sehr massiv ausgeführt. Alternativ dazu werden Schwungmassenspeicher auch im Boden eingelassen, so dass das Erdreich die Funktion des Berstschutzes übernimmt. E = 1/2 x J x ω ² , where (J) indicates the rotational flywheel mass and ω indicates the rotational speed. In order to store higher energies, therefore, high speeds and / or very large flywheel masses are necessary. Since these rapidly rotating masses always contain an inherent hazard potential for people and equipment, they are usually installed in a massive housing in order to prevent the escape of the fragments in the event of an accident. If the anti-burst devices designed for this case are not sufficiently dimensioned, a hairline can cause serious damage to equipment in the immediate vicinity or seriously injure persons. The housing of such flywheel mass storage are also used as a burst protection device, which should prevent in the event of material failure fractions of the flywheel at the exit from the machine. Due to the high kinetic energy, these anti-burst housing are made very solid. Alternatively, flywheel accumulators are also embedded in the ground, so that the soil assumes the function of bursting protection.

Weiterhin sind die mechanischen Lager oftmals durch Magnetlager ersetzt, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Somit kann die Schwungmasse eines rotierenden Schwungmassenspeichers durch fehlende Verluste über eine lange Dauer hinweg, beispielsweise mehrere Tage, bei höchsten Drehzahlen, das heißt bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute rotieren. Aus Sicherheitsgründen muss die Schwungmasse deshalb bei einem mechanischen Ver- sagen schnellstmöglich abgebremst werden. Die darin befindliche Bewegungsenergie muss abgeleitet und in eine andere Form überführt werden. Eine mechanische Bremse zum Beispiel eine Backenbremse oder Scheibenbremse kommt nicht in Frage, da die Drehzahlen dafür zu hoch sind und das Risiko besteht, den ro- tierenden Schwungmassenspeicher beim Blockieren zu zerstören. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Vakuumraum zu belüften oder mit einem fluiden Medium zu fluten, wodurch die Reibung erhöht wird und ein schnelleres Abbremsen erfolgen kann. Allerdings kann es sein, dass die Bremswirkung nicht hoch genug ist, um einen schnellen Stillstand zu gewährleisten. Außerdem kann das sehr schnelle Einbringen von Atmosphäre beispielweise durch pyrotechnische Gasgeneratoren auch eine Stoßwirkung auf die Schwungmasse haben, die daraufhin noch stärker außer Kontrolle gerät. Furthermore, the mechanical bearings are often replaced by magnetic bearings to increase the efficiency. Thus, the flywheel of a rotating flywheel mass storage can lack of losses over a long period of time, for example, several days, at the highest speeds, that is, rotate up to 30,000 revolutions per minute. For safety reasons, the flywheel must therefore be braked as quickly as possible in the event of a mechanical failure. The kinetic energy contained therein must be derived and converted into another form. A mechanical brake such as a brake shoe or disc brake is out of the question, because the speeds are too high and there is the risk of destroying the rotating flywheel mass storage when blocking. Another possibility is to aerate the vacuum space or to flood with a fluid medium, whereby the friction is increased and a faster deceleration can take place. However, it may be that the braking effect is not high enough to ensure a fast shutdown. In addition, the very rapid introduction of atmosphere, for example by pyrotechnic gas generators also have a shock effect on the flywheel, which then gets even more out of control.

Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Schwungradspeicher zu schaffen, welcher im Fall einer Havarie oder einer Notbremsung eine schnellstmögliche Bremswirkung erzeugt. Accordingly, the object of the present invention is to provide a flywheel storage, which generates the fastest possible braking effect in the event of an accident or emergency braking.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schwungradspeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a flywheel storage with the features of claim 1. Advantageous embodiments and developments, which can be used individually or in combination with each other, are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Schwungradspeicher mit einer Schwungmasse gelöst, welche in einem Gehäuse eingefasst ist. Die Erfindung zeichnet sich dabei da- durch aus, dass zwischen Schwungmasse und Gehäuse eine According to the invention this object is achieved by a flywheel storage with a flywheel, which is enclosed in a housing. The invention is characterized in that between flywheel and housing a

Schutzvorrichtung mit Bremskraftwirkung angeordnet ist. Der Kern der Erfindung besteht in einer stärkeren Bremswirkung der Schwungmasse durch die Wirkung eines thermoplastischen Materials, welches sich bei einem Ausrücken der Protective device is arranged with braking force. The essence of the invention consists in a stronger braking effect of the flywheel by the action of a thermoplastic material, which in a disengagement of the

Schwungmasse filamentartig um die rotierende Masse legt. Flywheel filament-like around the rotating mass sets.

Thermoplastische Materialien wie Polyamide, Polyäthylene und Elastomere, etc. haben die Eigenschaft, bei höheren Temperaturen formbar zu werden und in einen quasi flüssigen Zustand überzugehen, so dass eine Filamentbildung möglich wird. Kommt es zu einer Havarie der Schwungmasse, wird zwangsläufig ein Teil der schnell rotierenden Masse Kontakt zum umgebenden Berstschutzgehäuse bekommen. Dabei entstehen teilweise hohe, aber lokal begrenzte Temperaturen, da nicht der ganze rotierende Zylinder sich gleichmäßig an die Wandung presst, son- dern nur ein Teil davon. Die dabei entstehende Reibungswärme und die sich weiterhin drehende Schwungmasse führen dazu, dass ein sich auf der Wandung befindlicher Thermoplast in den plastischen Zustand übergeht und von der Schwungmasse mitgenommen wird. Da sich nicht der ganze Thermoplast verflüssigt, sondern nur ein Teil davon, wobei der Rest weiterhin im festen Zustand verbleibt, bilden sich Fäden oder Filamente aus. Diese werden von der Schwungmasse, die an der Oberfläche eine gewisse Rauigkeit aufweist, mitgenommen und wickeln sich um den rotierenden Körper. Dadurch wird die kinetische Energie der Schwungmasse deutlich verringert, da sie thermisch und mechanisch abgeführt wird. Der rotierende Schwungradspeicher kommt dadurch schneller zum Stillstand als beim Einleiten eines fluiden Bremsmediums. Je großflächiger die Kontaktfläche zwischen Schwungmasse und Thermoplast ist, desto mehr Materi- al wird plastisch. Die Bremswirkung wird dabei weiter verstärkt, so dass diese Lösung einer der Schwere der Havarie entsprechende Bremswirkung aufbaut. Thermoplastic materials such as polyamides, polyethylenes and elastomers, etc. have the property of becoming malleable at higher temperatures and becoming quasi-liquid so that filament formation becomes possible. If there is an accident of the flywheel, a part of the rapidly rotating mass will inevitably get in contact with the surrounding anti-burst housing. In some cases, high, but locally limited, temperatures develop, because not all of the rotating cylinder presses evenly against the wall, but only a part of it. The resulting frictional heat and the still rotating flywheel cause a located on the wall thermoplastic goes into the plastic state and is taken from the flywheel. Since not all of the thermoplastic liquefies, but only part of it, with the remainder still remaining in the solid state, filaments or filaments form. These are taken from the flywheel, which has a certain roughness on the surface, and wrap around the rotating body. As a result, the kinetic energy of the flywheel is significantly reduced because it is dissipated thermally and mechanically. As a result, the rotating flywheel accumulator comes to a standstill faster than when introducing a fluid brake medium. The larger the area of contact between the flywheel and the thermoplastic, the more material becomes plastic. The braking effect is further enhanced, so that this solution builds up the braking effect corresponding to the severity of the accident.

Die innere Gehäusewand des BerstSchutzes kann einerseits ent- sprechend mit einem Hohlzylinder aus Thermoplast ausgekleidet sein, oder ein Zylinder kann andererseits in fertiger Form zwischen Schwungmasse und Gehäuse eingefügt werden. Der Hohlzylinder aus Thermoplast kann zusätzlich mit Fasern, zum Bei- spiel Kevlarfäden oder Carbon-Nanotubes angereichert sein. Es ist zudem denkbar, dass das thermoplastische Material durch Beigabe von Additiven an entsprechende Applikationen ange- passt wird. Beispielsweise könnte der Thermoplast mit einem Additiv versetzt werden, das eine flammenhemmende Wirkung aufweist. Es ist zudem auch ein Additiv denkbar, das dazu beiträgt, besonders zähe Fäden auszubilden. Für den Fall, dass die Havarie nur einen leichten Schweregrad aufweist, könnte der rotierende Schwungradspeicher nach Ersetzen der geborstenen Teile wieder verwendet werden. Die Reste desThe inner housing wall of the BerstSchutzes can be appropriately lined on the one hand with a hollow cylinder made of thermoplastic, or a cylinder can be inserted on the other hand in finished form between flywheel and housing. The hollow cylinder made of thermoplastic can additionally be filled with fibers, for game Kevlar threads or carbon nanotubes enriched. It is also conceivable that the thermoplastic material is adapted to corresponding applications by adding additives. For example, the thermoplastic could be mixed with an additive that has a flame retardant effect. It is also an additive conceivable that helps to train particularly tough threads. In the event that the accident has only a slight severity, the rotating flywheel storage could be reused after replacing the ruptured parts. The remains of the

Thermoplasts können unter Wärme leicht ausgeschabt werden. Ein neuer Hohlzylinder würde den Berstschutz nach Wiederanfahren sicherstellen. In einer Fortführung dieses erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die Schutzvorrichtung aus einem thermoplastischen Material ausgebildet ist, welches sich bei einem Ausrücken der Schwungmasse filamentartig um die rotierende Masse legt. Thermoplastics can easily be scraped off under heat. A new hollow cylinder would ensure the burst protection after restarting. In a continuation of this inventive concept, it can be provided that the protective device is formed from a thermoplastic material which lays filament-like around the rotating mass upon disengagement of the flywheel.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das thermoplastische Material aus Polyamiden und/oder Polyäthylen und/oder Elastomeren ausgebildet ist. In a particularly advantageous embodiment of the invention, it may be provided that the thermoplastic material is formed of polyamides and / or polyethylene and / or elastomers.

In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die innere Gehäusewand mit einem Hohlzylinder aus Thermoplast ausgekleidet ist. In einer weiteren speziellen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass ein Zylinder aus thermoplastischem Material in fertiger Form zwischen Schwungmasse und Gehäuse eingefügt ist. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das thermoplastische Material mit zusätzlichen Fasern angereichert ist. In einer Fortführung dieses erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die Fasern Kevlarfäden sind. In a special embodiment of the invention, it may be provided that the inner housing wall is lined with a hollow cylinder of thermoplastic. In a further specific embodiment of the invention, it can be provided that a cylinder of thermoplastic material is inserted in finished form between flywheel and housing. In a particularly advantageous embodiment of the invention, it may be provided that the thermoplastic material is enriched with additional fibers. In a continuation of this inventive concept, it can be provided that the fibers are kevlar threads.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die Fasern Carbon- d. nders vorte In a further embodiment of the inventive concept, it may be provided that the fibers carbon d. in the foreground

sehen sein, be seen

setzt sind . are set.

In einer speziellen Ausgestaltung dieses Konzepts kann es vorgesehen sein, dass das Additiv eine flammenhemmende Wirkung aufweist und/oder besonders zähe Fäden ausbildet. In a special embodiment of this concept, it may be provided that the additive has a flame-retarding effect and / or forms particularly tough threads.

Der erfindungsgemäße rotierende Schwungradspeicher weist ein Gehäuse auf, in welchem eine Schwungmasse angeordnet ist, welche in Einzelschwungmassen unterteilt sein kann. Die Schwungmasse kann dabei aus einzelnen axial geschichteten Schwungscheiben ausgebildet sein. Die Schwungscheiben sitzen dabei auf einer gemeinsamen Welle und sind durch einen bestimmten Abstand voneinander getrennt. Der Abstand entspricht einer sollbruchartigen Verbindung, die die Schwungmasse in Einzelschwungmassen unterteilt. Die Schwungmasse ist von einem Gehäuse umgeben, welches nicht als glattes Zylindergehäuse ausgebildet ist, sondern innenseitig Trennwände in Form von Rippen aufweist, welche in die Zwischenräume zwischen den Einzelschwungmassen hineinragen können. Die Trennwände des Gehäuses sind in dem Bereich der Schwungmasse angeordnet, wo die sollbruchartigen Verbindungen der Schwungmasse auf der Welle positioniert sind, dadurch ergeben sich Kammern, die die Einzelschwungmassen voneinander trennen, in denen jeweils nur ein Bruchteil der gesamten gespeicherten kinetischen Energie vorhanden ist. The rotating flywheel accumulator according to the invention has a housing in which a flywheel is arranged, which may be divided into individual flywheel masses. The flywheel may be formed of individual axially layered flywheels. The flywheels sit on a common shaft and are separated by a certain distance. The distance corresponds to a sollbruchartigen connection that divides the flywheel in individual masses. The flywheel is surrounded by a housing which is not formed as a smooth cylinder housing, but on the inside has partitions in the form of ribs, which can protrude into the spaces between the individual flywheel masses. The partitions of the housing are arranged in the region of the flywheel, where the sollbruchartigen compounds of the flywheel are positioned on the shaft, thereby resulting in chambers that separate the individual masses of each other, in each of which only a fraction of the total stored kinetic energy is present.

Die Schutzvorrichtung des rotierenden Schwungradspeichers ist zwischen Gehäuse und Schwungmasse ausgebildet. Die Schutzvor- richtung ist vorzugsweise aus einem thermoplastischen Material ausgebildet, wie zum Beispiel Polyamiden und/oder Polyäthylen und/oder Elastomeren. Die Schutzvorrichtung kann die innere Gehäusewand mit einem Hohlzylinder aus Thermoplast auskleiden, oder es kann ein Zylinder aus thermoplastischem Material in fertiger Form zwischen Schwungmasse und Gehäuse eingefügt sein. Die Schutzvorrichtung in Form eines thermoplastischen Materials kann mit zusätzlichen Fasern in Form von Kevlarfasern oder Carbon-Nanotubes angereichert sein. Die Schutzvorrichtung kann zudem mit Additiven versetzt werden, die eine flammenhemmende Wirkung aufweisen beziehungsweise besonders zähe Fäden ausbilden. The protective device of the rotating flywheel storage is formed between housing and flywheel. The protection Direction is preferably formed of a thermoplastic material, such as polyamides and / or polyethylene and / or elastomers. The protective device may line the inner housing wall with a hollow cylinder made of thermoplastic, or it may be inserted a cylinder of thermoplastic material in the finished form between flywheel and housing. The protective device in the form of a thermoplastic material may be enriched with additional fibers in the form of Kevlar fibers or carbon nanotubes. The protective device can also be mixed with additives which have a flame retardant effect or form particularly tough threads.

Weitere Ausführungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt: Further embodiments and advantages of the invention will be explained below with reference to embodiments and with reference to the drawing. Showing:

Fig. 1 in einer schematischen Schnittdarstellung einen erfindungsgemäßen rotierenden Schwungradspeicher mit einer Schutzvorrichtung für den Fall einer Havarie oder Notbremsung. Fig. 1 in a schematic sectional view of a rotating flywheel storage according to the invention with a protective device in the event of an accident or emergency braking.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen rotierenden Schwungradspeicher mit einem Gehäuse 1, in welchem eine Schwungmasse 2 angeordnet ist. Zwischen Gehäuse 1 und Schwungmasse 2 ist eine Schutzvorrichtung 3 für den Fall einer Havarie oder einer Notbremsung angeordnet. Die Schutzvorrichtung 3 ist aus einem thermoplastischen Material ausgebildet, welches sich bei einem Ausrücken der Schwungmasse 2 filamentartig um die rotierende Schwungmasse 2 legt. Als thermoplastisches Material können Polyamide und/oder Polyäthylene und/oder Elastomere dienen. Die Schutzvorrichtung 3 kann die innere Gehäusewand mit einem Hohlzylinder aus thermoplastischem Material auskleiden. Es ist auch denkbar, dass ein Zylinder aus thermoplastischem Material in fertiger Form zwischen Schwungmasse 2 und Gehäuse 1 eingefügt ist. Das thermoplastische Material kann mit zusätzlichen Fasern und Additiven versetzt sein. Der erfindungsgemäße rotierende Schwungradspeicher mit einer Schutzvorrichtung für den Fall einer Havarie oder Notbremsung weist in vorteilhafter Weise eine verbesserte Bremskraftwir kung gegenüber Bremsvorrichtungen auf, die über ein fluides Medium ausgebildet sind. Die für die Schutzvorrichtung verwendeten thermoplastischen Materialien zeichnen sich durch ihre gute Verarbeitbarkeit aus und sind zudem sehr kostengünstig . Fig. 1 shows a rotating flywheel storage according to the invention with a housing 1, in which a flywheel 2 is arranged. Between housing 1 and flywheel 2, a protective device 3 is arranged in the event of an accident or emergency braking. The protective device 3 is formed from a thermoplastic material which lays filament-like around the rotating flywheel 2 when the flywheel 2 is disengaged. The thermoplastic material used may be polyamides and / or polyethylenes and / or elastomers. The protective device 3 can line the inner housing wall with a hollow cylinder of thermoplastic material. It is also conceivable that a cylinder made of thermoplastic material in finished form between flywheel 2 and housing 1 is inserted. The thermoplastic material may be mixed with additional fibers and additives. The rotating flywheel accumulator according to the invention with a protective device in the event of an accident or emergency braking Advantageously, an improved Bremskraftwir effect on braking devices, which are formed via a fluid medium. The thermoplastic materials used for the protective device are characterized by their good processability and are also very inexpensive.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1 Gehäuse 1 housing

2 Schwungmasse 3 Schutz orrichtung 2 flywheel 3 protection device

Claims

claims

1. flywheel accumulator with a flywheel (2), which is enclosed in a housing (1), characterized in that between the flywheel (2) and the housing (1) a protective device (3) is arranged with a braking force.

2. flywheel accumulator according to claim 1, characterized in that the protective device (3) made of a thermoplastic see material formed, which in a disengagement of the flywheel (2) filament-like to the rotating mass (2) sets.

3. flywheel accumulator according to claim 2, marked thereby, that the thermoplastic material of polyamides and / or polyethylene and / or elastomers is formed.

4. flywheel accumulator according to one of claims 2 or 3, characterized in that the inner housing wall is lined with a hollow cylinder made of thermoplastic.

5. flywheel accumulator according to one of claims 2 or 3, characterized in that a cylinder made of thermoplastic material in finished form between flywheel (2) and housing (1) is inserted.

6. flywheel accumulator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the thermoplastic material is enriched with additional fibers.

7. flywheel accumulator according to claim 6, characterized in that the fibers are Kevlar fibers.

8. Protection device according to claim 6, characterized in that the fibers are carbon nanotubes.

9. flywheel accumulator according to one of claims 2 to 8, characterized in that the thermoplastic material additives are added.

10. flywheel accumulator according to claim 9, characterized in that the additive has a flame retardant effect and / or forms particularly tough threads.