專利名稱：浮在氣墊上的飛輪的制作方法
浮在氣墊上的飛輪 技術領域我們把以角速度繞固定軸旋轉的剛體叫飛輪，其形狀可以是圓柱 體、扁盤形……，其重量大到千噸水輪發(fā)電機轉子，小到掌心玩具。由于高速旋轉的飛輪有 巨大的轉動慣量(動能)，常被用作穩(wěn)定發(fā)電機等的轉速；也被用作儲能或輸出能量；還有 利用高速飛輪的陀螺效應，用來穩(wěn)定車、船、航天器的航行。屬于機械和交通技術領域。
技術背景一般飛輪都有軸和軸承，軸和軸承承受著飛輪重力和慣性力，尤其是 幾千噸重的水輪發(fā)電機轉子的力都要集中在軸和軸承上，其制造難度和摩擦耗能都很大。 有些陀螺儀用磁懸浮方式使陀螺懸浮在空中。 發(fā)明內容首先在飛輪的底部或頂部做一個與飛輪相配的密封氣盒，然后向底部 氣盒注氣或由頂部氣盒向外抽氣，使形成氣壓差，并由氣壓差形成浮力，使飛輪懸浮在空 中。密封氣盒在飛輪底部的叫托底式氣墊飛輪；密封氣盒在飛輪頂部的叫吊頂式氣墊飛輪。 詳細內容結合附圖加以說明


圖1為托底式無軸氣墊飛輪的構成圖，圖2為托底式有軸氣墊飛輪的 構成圖。只要把圖1圖2上下顛倒一下，就可構成吊頂式。圖中
1、飛輪要有很好的動平衡特性 2、密封氣盒與飛輪底部(或頂部)共同構成密封氣體空間，該空間可大可小，形 狀也可以隨使用環(huán)境而變化。如果氣盒內的氣壓比氣盒外的氣壓高AP(或低AP)，則該 氣壓差對飛輪的浮力等于飛輪在盒子里的垂直投影面積S乘以壓差AP，即浮力F = S AP。 可見增加投影面積或增加氣壓差都能增加浮力。當飛輪的重量與浮力相等時，飛輪就浮在 氣墊上，飛輪對軸承無重量壓力，軸承只起定位作用，軸承磨損小摩擦阻力小，而空氣對懸 空的飛輪的摩擦阻力更小。 3、密封氣盒蓋與密封氣盒及飛輪配合對氣盒內的氣體進行密封，這是一種非接 觸式離心液體密封。密封原理詳見圖1中局部放大圖，當飛輪1旋轉時，其突出邊緣將帶動 密封腔中的液體7隨之做圓周運動，產(chǎn)生的離心力使液體7緊貼密封腔壁，形成液體密封 環(huán)。密封液體將以一定的液位差方式，抵消圖中箭頭所示的氣壓作用，完成密封。飛輪轉速 越高，其密封越好，可以實現(xiàn)無泄漏密封。 4、滾子軸承上下兩排滾子各有一定角度，可保持飛輪與密封氣盒之間的相對位 置。當本氣墊飛輪用于穩(wěn)定車、船、飛行器航行時，密封氣盒被固定在車、船、飛行器上。在 車、船、飛行器出現(xiàn)上下左右搖晃而帶動密封氣盒搖晃時，飛輪通過滾子阻抑其搖晃。飛輪 質量越大轉速越高，其阻抑能力越強，車、船、飛行器航行越穩(wěn)定。 5、飛輪旋轉的驅動裝置要使飛輪高速旋轉，常伴有驅動裝置。依據(jù)需要，驅動裝 置可選用人力驅動、機械力驅動、高壓蒸汽驅動、水力驅動和電磁力驅動。圖1畫的是圓弧 形直線電機驅動，是非接觸的電磁力驅動，圖中半圓弧是直線電機的初級線圈和鐵芯，而金 屬的飛輪就是直線電機的次級，只要在初級線圈加有一定頻率的交流電、就能驅使飛輪旋 轉，轉速與頻率成正比。 6、氣墊氣壓調節(jié)裝置一般應含有氣壓表，閥門和氣泵，對于小型船舶上用的陀螺 飛輪，可用打氣筒代替氣泵，因為氣壓不高，且泄漏極小。
7、密封液體可以是水和油等，水容易獲得，同時粘度也較小，在低壓差場合應用 較廣。對于壓差高的場合，要用離心式磁流體密封。
8、永久磁鐵環(huán)。 9、齒槽形軟鐵磁極環(huán)其齒槽與飛輪軸之間有O. 015 0. 2mm的間隙，在間隙中間 填充有磁流體。磁流體是可流動的液體磁性材料，受磁場吸引將流向磁場強的地方，并保持 在磁場最強的地方。當有外力作用可使磁流體脫離原來位置改變形狀，但磁流體在磁場力 作用下仍有恢復原狀的趨勢。在外力與磁場力相平衡時，磁流體就處于新的平衡狀態(tài)。磁 流體密封就利用這一原理。圖2中，由磁鐵8、兩齒槽形磁極9，飛輪軸及間隙中的磁流體共 同構成閉合磁路。間隙中有極強的磁場吸引著磁流體，形成了多個繞軸磁流體環(huán)，每個齒槽 底下就有一個環(huán)，這些環(huán)起到了密封圈的作用。阻止氣盒內的氣體沿轉動軸間隙向外泄漏。 目前磁流體密封壓差最高可達3 7MPa。
10、非磁性軸套。 11、0型密封圈安裝在軸套10和磁極9之間；防止氣體沿兩者縫隙泄漏。
具體實施方式
舉兩個實例，進一步說明本發(fā)明的優(yōu)勢。例一，為簡單，設長江三峽 水輪發(fā)電機的轉子加水輪的總重量為1000噸，其外形直徑為10米(即底部面積為Ji r2 = 78. 54米2)，如果用托底氣墊的方法托起1000噸，則需要氣壓差A P = F/S = 1000噸/78. 54 米2 = 1. 273kg/cm2 = 0. 125MPa。這是一個不高的氣壓，做相應的密封氣盒不難，實現(xiàn)氣壓 密封也不難。托底氣墊把1000噸均勻分散開來，解決了應力集中這個最頭痛的問題，對電 機設計，壩體設計，材料選用都會帶來好處。轉子浮在氣墊上摩擦力大大減少，節(jié)能效果明 顯。此例還有兩個啟示，其一是可以在水輪發(fā)電機上再增加一個幾百噸的飛輪，為此增加的 氣壓是不多的，但發(fā)電機的轉速卻更穩(wěn)了。其二是某些汽輪發(fā)電機的立式飛輪，是否可以改 成臥式氣墊飛輪。例二，我們來算一下一個外徑2米，內徑1. 6米，厚0. 12米約重一噸的鋼 鐵飛輪所具有的動能飛輪的動能與轉速有平方關系，當轉速為360轉/分時，算得飛輪動 能為609. 24463 X 106kg m2/s2 ;當轉速為3600轉/分時，算得飛輪動能為60924. 463 X 106kg m7s2。為了比較再算出重10噸汽車以每小時60公里行進時所具有的動能為1. 388X 106kg m7s2。兩者對比，1噸重的飛輪儲能是10噸重汽車儲能幾百倍或幾萬倍。飛輪有如此巨 大儲能能力，完全可以作公交車的動力，在楊金玉發(fā)明(200810150649.6)磁流密封氣墊車 中，就使用此飛輪作第二動力，同時用其陀螺效應穩(wěn)定氣墊車。有大飛輪的氣墊車是不會側 翻的，既平穩(wěn)又安全。擴展一下，我們可以做出各種規(guī)格的氣墊飛輪，分別裝在各種大小的 渡輪、客輪、游輪上，提高船舶防風浪能力，做到既平穩(wěn)又不會翻船。 總之，利用密封的氣墊的氣壓差使飛輪懸浮在氣墊上，飛輪對軸承無重力壓力，維 持飛輪旋轉的能耗極省。使用本發(fā)明可以輕松地使千噸重的三峽水輪發(fā)電機轉子及水輪懸 浮在氣墊上；使用本發(fā)明的氣墊飛輪，可以幫助車、船、飛行器穩(wěn)定航行，不會側翻；也可以 作儲能公交車動力。
權利要求
一種浮在氣墊上的飛輪，包括飛輪，密封氣盒，密封氣盒蓋，非接觸式密封裝置，氣墊氣壓調節(jié)裝置，軸承，飛輪旋轉驅動裝置；其中，飛輪要有很好的動平衡特性；其中，密封氣盒與飛輪外形配合共同構成密封氣體空間，該空間可大可小，形狀也可以隨使用環(huán)境而變；在托底式氣墊飛輪中，密封氣盒在飛輪底部，氣墊氣壓ΔP為正壓；在吊頂式氣墊飛輪中，密封氣盒在飛輪頂部，氣墊氣壓ΔP為負壓；該氣壓差對飛輪的浮力等于飛輪在盒子里的垂直投影面積S乘以壓差ΔP，即浮力F＝SΔP；當飛輪的重量與浮力相等時，飛輪就浮在氣墊上，飛輪對軸承無重量壓力，軸承只起定位作用，軸承磨損小摩擦阻力小，而空氣對懸空的飛輪的摩擦阻力更??；氣墊均勻分散了飛輪重量應力；其中，密封氣盒蓋與密封氣盒及飛輪配合形成非接觸式離心密封腔，利用腔內液體對氣體進行密封；還安裝定位滾子軸承；其中，非接觸式密封裝置有兩種密封方式，氣壓較低時用離心液體密封；氣壓較高時用磁流體密封；其中，氣墊氣壓調節(jié)裝置包括氣泵、閥門和氣壓表；其中，軸承飛輪定位；其中，飛輪旋轉的驅動裝置依據(jù)需要，驅動裝置可選用人力驅動、機械力驅動、高壓蒸汽驅動、水力驅動和電磁力驅動。
全文摘要
利用密封的氣墊的氣壓差使飛輪懸浮在氣墊上，飛輪對軸承無重力壓力，維持飛輪旋轉的能耗極省。使用本發(fā)明可以輕松地使千噸重的三峽水輪發(fā)電機轉子及水輪懸浮在氣墊上，使用本發(fā)明的氣墊飛輪，可以幫助車、船、飛行器穩(wěn)定航行，不會側翻，也可以作儲能公交車動力。
文檔編號F16F15/30GK101788034SQ20091002101
公開日2010年7月28日 申請日期2009年1月22日 優(yōu)先權日2009年1月22日
發(fā)明者楊金玉, 段寶巖 申請人:楊金玉;段寶巖