Setrvačník - Flywheel - Wikipedia

Trevithick Parní lokomotiva 1802 používala setrvačník k rovnoměrnému rozložení síly svého jediného válce.

Modul setrvačníku G2, NASA

Pohyb setrvačníku

Průmyslový setrvačník

A setrvačník je mechanické zařízení speciálně určené k použití pro konzervování moment hybnosti aby bylo možné efektivně ukládat rotační energie; forma kinetické energie úměrná jejímu produktu moment setrvačnosti a jeho čtverec rychlost otáčení. Zejména pokud předpokládáme, že setrvačný moment setrvačníku je konstantní (tj. Setrvačník s pevnou hmotou a druhý okamžik oblasti točí se kolem nějaké pevné osy), pak je uložená (rotační) energie přímo spojena s druhou mocninou její rychlosti otáčení.

Protože setrvačník slouží k ukládání mechanické energie pro pozdější použití, je přirozené považovat ji za Kinetická energie analogie elektrický induktor. Jakmile je tento sdílený princip skladování energie vhodně abstrahován, je popsán v zobecněném konceptu akumulátor. Stejně jako u jiných typů akumulátorů setrvačník přirozeně vyhlazuje dostatečně malé odchylky ve výkonu systému, čímž účinně hraje roli dolní propust s ohledem na mechanickou rychlost (úhlovou nebo jinou) systému. Přesněji řečeno, uložená energie setrvačníku přispěje k nárůstu výstupního výkonu při poklesu vstupního výkonu a naopak absorbuje veškerý nadbytečný příkon (systémově generovaný výkon) ve formě rotační energie.

Mezi běžné použití setrvačníku patří:

• Vyhlazení výstupního výkonu zdroje energie. Například setrvačníky se používají v pístové motory protože aktivní točivý moment z jednotlivých pístů je přerušovaný.
• Systémy skladování energie
• Dodávání energie rychlostí přesahující schopnost zdroje energie. Toho je dosaženo shromažďováním energie v setrvačníku v průběhu času a následným rychlým uvolňováním rychlostí převyšující schopnosti zdroje energie.
• Ovládání orientace mechanického systému, gyroskop a reakční kolo

Setrvačníky jsou obvykle vyrobeny z oceli a otáčejí se na konvenčních ložiscích; ty jsou obecně omezeny na maximální rychlost otáček několik tisíc RPM.^[1] Setrvačníky s vysokou hustotou energie mohou být vyrobeny z kompozitů z uhlíkových vláken a použity magnetická ložiska, což jim umožňuje otáčet se rychlostí až 60 000 ot / min (1 kHz).^[2]

Nedávno byly vyrobeny baterie se setrvačníkem z uhlíkových kompozitů, které se ukázaly jako životaschopné při testech na běžných automobilech v reálném světě. Jejich likvidace je navíc ekologičtější než u tradičních lithium-iontových baterií.^[3]

Aplikace

A Landini traktor s odkrytým setrvačníkem

Setrvačníky se často používají k zajištění nepřetržitého výkonu v systémech, kde zdroj energie není spojitý. Například setrvačník se používá k vyhlazení rychlých fluktuací úhlové rychlosti klikový hřídel v pístovém motoru. V tomto případě setrvačník klikového hřídele uchovává energii, když je na něj vyvíjen točivý moment palbou píst, a vrátí jej do pístu, aby stlačil čerstvou náplň vzduchu a paliva. Dalším příkladem je třecí motor který napájí zařízení jako autíčka. V nepříznivých a levných případech, aby se ušetřily náklady, je většina hmoty setrvačníku směrem k ráfku kola. Posunutí hmoty od osy otáčení se zvýší rotační setrvačnost pro danou celkovou hmotnost.

Setrvačník moderního automobilového motoru

Setrvačník lze také použít k dodávce přerušovaných pulzů energie na úrovních výkonu, které překračují schopnosti jeho zdroje energie. Toho je dosaženo akumulací energie ve setrvačníku po určitou dobu rychlostí, která je kompatibilní se zdrojem energie, a následným uvolňováním energie mnohem vyšší rychlostí v relativně krátkém čase, když je to potřeba. Například setrvačníky se používají v silová kladiva a nýtovací stroje.

Setrvačníky lze použít k ovládání směru a proti nežádoucím pohybům, viz gyroskop. Setrvačníky v této souvislosti mají širokou škálu aplikací od gyroskopy pro vybavení do stabilita lodi a satelitní stabilizace (reakční kolo ), aby se hračka točila (třecí motor ), ke stabilizaci magneticky levitovaných předmětů (Spinem stabilizovaná magnetická levitace )

Setrvačníky lze také použít jako elektrický kompenzátor, například a synchronní kompenzátor, které mohou buď produkovat, nebo snižovat jalový výkon, ale neměly by vliv na skutečný výkon. Účelem této aplikace je zlepšit účiník systému nebo upravit síťové napětí. Setrvačníky používané v této oblasti mají obvykle podobnou strukturu a instalaci jako synchronní motor (ale v tomto kontextu se tomu říká synchronní kompenzátor nebo synchronní kondenzátor). Existují také některé další druhy kompenzátorů využívajících setrvačníky, jako je jednofázový indukční stroj. Ale základní myšlenky jsou stejné, setrvačníky jsou řízeny tak, aby se točily přesně na frekvenci, kterou chcete kompenzovat. U synchronního kompenzátoru musíte také udržovat napětí rotoru a statoru ve fázi, což je stejné jako udržování magnetického pole rotoru a celkového magnetického pole ve fázi (ve reference otočného rámu ).

Dějiny

Princip setrvačníku se nachází v Neolitický vřeteno a potterovo kolo, stejně jako kruhové ostřící kameny ve starověku.^[4]

Mechanický setrvačník, který se používá k vyhlazení dodávky energie z hnacího zařízení do poháněného stroje a v podstatě k umožnění zvedání vody z mnohem větších hloubek (až 200 metrů (660 ft)), byl poprvé použit u Ibn Bassal (fl. 1038–1075), ze dne Al-Andalus.^[5][6][7][8]

Použití setrvačníku jako obecného mechanického zařízení k vyrovnání rychlosti otáčení je podle amerického středověku Lynn White, zaznamenaný v De diversibus artibus (O různých uměních) německého řemeslníka Theophilus Presbyter (asi 1070–1125), který zaznamenává použití zařízení na několika svých strojích.^[4][9]

V Průmyslová revoluce, James Watt přispěl k vývoji setrvačníku v Parní motor a jeho současník James Pickard použil setrvačník kombinovaný s a klika transformovat vratný pohyb na rotační pohyb.

Fyzika

Přehrát média

Setrvačník s proměnným momentem setrvačnosti, koncipovaný podle Leonardo da Vinci.

Setrvačník je kolovrátek, disk nebo rotor rotující kolem své osy symetrie. Energie je uložena jako Kinetická energie, konkrétněji rotační energie, z rotor:

• ${ displaystyle E_ {k} = { frac {1} {2}} já omega ^ {2}}$

kde:

• ${ displaystyle E_ {k}}$ je uložen Kinetická energie,
• ω je úhlová rychlost, a
• ${ displaystyle I}$ je moment setrvačnosti setrvačníku kolem jeho osy symetrie. Moment setrvačnosti je měřítkem odporu vůči točivý moment aplikován na rotující objekt (tj. čím vyšší je moment setrvačnosti, tím pomaleji se zrychlí, když je aplikován daný točivý moment).
• Moment setrvačnosti pro plný válec je ${ displaystyle I = { frac {1} {2}} mr ^ {2}}$,
• pro tenkostěnný prázdný válec je ${ displaystyle I = mr ^ {2}}$,
• a pro silnostěnný prázdný válec je ${ displaystyle I = { frac {1} {2}} m ({r _ { mathrm {external}}} ^ {2} + {r _ { mathrm {internal}}} ^ {2})}$,^[10]

kde ${ displaystyle m}$ označuje hmotnost a ${ displaystyle r}$ označuje poloměr.

Při výpočtu s SI jednotky, jednotky by byly pro hmotnost, kilogramů; pro poloměr, metry; a pro úhlovou rychlost, radiány za druhý a výsledná energie by byla v joulů.

Rostoucí množství energie rotace lze ukládat do setrvačníku, dokud se rotor nerozbije. K tomu dojde, když stres obruče uvnitř rotoru překračuje maximální pevnost v tahu materiálu rotoru.

• ${ displaystyle sigma _ {t} = rho r ^ {2} omega ^ {2} }$

kde:

• ${ displaystyle sigma _ {t}}$ je tahové napětí na ráfku válce
• ${ displaystyle rho}$ je hustota válce
• ${ displaystyle r}$ je poloměr válce a
• ${ displaystyle omega}$ je úhlová rychlost válce.

Setrvačník poháněný elektrickým strojem je běžný. Výstupní výkon elektrického stroje je přibližně stejný jako výstupní výkon setrvačníku.

Výstupní výkon synchronního stroje je:

${ displaystyle P = (V_ {i}) (V_ {t}) vlevo ({ frac { sin ( delta)} {X_ {S}}} vpravo)}$

kde:

• ${ displaystyle V_ {i}}$je napětí vinutí rotoru, které je vytvářeno interakcí pole s vinutím statoru
• ${ displaystyle V_ {t}}$je statorové napětí
• ${ displaystyle delta}$je úhel točivého momentu (úhel mezi dvěma napětími)

Výběr materiálu

Setrvačníky jsou vyrobeny z mnoha různých materiálů; výběr materiálu určuje aplikace. V dětských hračkách se nacházejí malé setrvačníky vyrobené z olova.^{[Citace je zapotřebí ]} Litinové setrvačníky se používají ve starých parních strojích. Setrvačníky používané v motorech automobilů jsou vyrobeny z litiny nebo tvárné litiny, oceli nebo hliníku.^[11] Setrvačníky vyrobené z vysoce pevné oceli nebo kompozitů byly navrženy pro použití v systémech akumulace energie a brzdových systémech vozidel.

Účinnost setrvačníku je určena maximálním množstvím energie, které může uložit na jednotku hmotnosti. Jak se zvyšuje rychlost otáčení nebo úhlová rychlost setrvačníku, zvyšuje se akumulovaná energie; napětí se však také zvyšuje. Pokud napětí v obruči překročí pevnost v tahu materiálu, setrvačník se rozpadne. Pevnost v tahu tedy omezuje množství energie, které může setrvačník uchovávat.

V této souvislosti není použití olova pro setrvačník v dětské hračce efektivní; rychlost setrvačníku se však nikdy nepřiblíží své rychlosti prasknutí, protože limitem v tomto případě je tažná síla dítěte. V jiných aplikacích, jako je například automobil, setrvačník pracuje se specifikovanou úhlovou rychlostí a je omezen prostorem, do kterého musí zapadat, takže cílem je maximalizovat akumulovanou energii na jednotku objemu. Výběr materiálu proto závisí na aplikaci.^[12]

Níže uvedená tabulka obsahuje vypočítané hodnoty pro materiály a komentáře k jejich životaschopnosti pro aplikace setrvačníku. CFRP znamená polymer vyztužený uhlíkovými vlákny a GFRP znamená polymer vyztužený skleněnými vlákny.

Materiál	Specifická pevnost v tahu ${ displaystyle left ( mathrm { frac {kJ} {kg}} right)}$	Komentáře
Keramika	200–2000 (pouze komprese)	Křehký a slabý v napětí, proto vylučujte
Kompozity: CFRP	200–500	Nejlepší výkon - dobrá volba
Kompozity: GFRP	100–400	Téměř stejně dobré jako CFRP a levnější
Berýlium	300	Nejlepší kov, ale drahý, obtížně zpracovatelný a toxický pro stroj
Vysokopevnostní ocel	100–200	Levnější než slitiny Mg a Ti
Vysokopevnostní slitiny Al	100–200	Levnější než slitiny Mg a Ti
Vysokopevnostní slitiny Mg	100–200	O stejném výkonu jako ocel a slitiny Al
Slitiny Ti	100–200	O stejném výkonu jako ocel a slitiny Al
Slitiny olova	3	Velmi nízký
Litina	8–10	Velmi nízký[13]

Tabulka níže ukazuje vypočítané hodnoty pro hmotnost, poloměr a úhlovou rychlost pro uložení 250 J. Setrvačník z uhlíkových vláken je zdaleka nejúčinnější; má však také největší poloměr. V aplikacích (například v automobilech), kde je objem omezen, nemusí být setrvačník z uhlíkových vláken tou nejlepší volbou.

Tabulka vlastností skladování energie

Pro srovnání je energetická hustota benzínu (benzinu) 44,4 MJ / kg nebo 12,3 kWh / kg.

Vysokoenergetické materiály

U dané konstrukce setrvačníku je kinetická energie úměrná poměru stres obruče na hustotu materiálu a na hmotnost:

• ${ displaystyle E_ {k} varpropto { frac { sigma _ {t}} { rho}} m}$

${ displaystyle { frac { sigma _ {t}} { rho}}}$ by se dalo nazvat měrná pevnost v tahu. Materiál setrvačníku s nejvyšší měrnou pevností v tahu poskytne nejvyšší akumulaci energie na jednotku hmotnosti. To je jeden z důvodů uhlíkové vlákno je zajímavý materiál.

U daného návrhu je uložená energie úměrná napětí a objemu obruče:

• ${ displaystyle E_ {k} varpropto sigma _ {t} V}$

Design

Olemovaný

Setrvačník s ráfkem má ráfek, náboj a paprsky.^[20] Výpočet setrvačného momentu setrvačníku lze snadněji analyzovat použitím různých zjednodušení. Například:

• Předpokládejme, že paprsky, hřídel a náboj mají nulové momenty setrvačnosti a moment setrvačnosti setrvačníku je pouze z ráfku.
• Soustředěné momenty setrvačnosti paprsků, náboje a hřídele lze odhadnout jako procento momentu setrvačnosti setrvačníku, přičemž většina je od ráfku, takže ${ displaystyle I _ { mathrm {rim}} = KI _ { mathrm {setrvačník}}}$

Například pokud jsou momenty setrvačnosti náboje, paprsků a hřídele považovány za zanedbatelné a tloušťka ráfku je ve srovnání se středním poloměrem velmi malá (${ displaystyle R}$), poloměr otáčení ráfku se rovná jeho střednímu poloměru, a tedy:

• ${ displaystyle I _ { mathrm {rim}} = M _ { mathrm {rim}} R ^ {2}}$

Bez hřídele

Bezhřídelový setrvačník eliminuje mezikruží, hřídel nebo náboj. Má vyšší hustotu energie než konvenční konstrukce^[21] ale vyžaduje speciální magnetické ložisko a řídicí systém.^[22]

Specifická energie setrvačníku je dána vztahem

• ${ displaystyle { frac {E} {M}} = K { frac { sigma} { rho}}}$

Ve kterém ${ displaystyle K}$ je tvarový faktor, ${ displaystyle sigma}$ pevnost v tahu materiálu a ${ displaystyle rho}$ hustota. Typický setrvačník má tvarový faktor 0,3. Lepší konstrukce, jako je bezhřídelový setrvačník, mají tvarový faktor blízký 0,6, teoretický limit je asi 1.^[23]

Superflywheel

První superkolečko bylo patentováno v roce 1964 sovětsko-ruským vědcem Nurbei Guilia.^[24][25]

Superflywheel sestává z pevného jádra (náboje) a několika tenkých vrstev vysoce pevných pružných materiálů, jako jsou speciální oceli, kompozity z uhlíkových vláken, skleněná vlákna nebo grafen, které jsou kolem něj navinuty.^[26] Ve srovnání s běžnými setrvačníky mohou superflywheels ukládat více energie a jsou bezpečnější při provozu^[27]

V případě poruchy superflywheel nevybuchne ani nepraskne do velkých střepů, jako běžný setrvačník, ale místo toho se rozdělí na vrstvy. Oddělené vrstvy pak zpomalí superflywheel dolů posunutím proti vnitřním stěnám krytu, čímž zabrání dalšímu ničení.

Přestože přesná hodnota hustoty energie superflywheel bude záviset na použitém materiálu, teoreticky by mohla být až 1200 Wh (4,4 MJ) na kg hmotnosti u graphene superflywheel.

Viz také

Reference

externí odkazy

• Média související s Setrvačníky na Wikimedia Commons
• Baterie setrvačníku na Zajímavá věc dne.
• Technologie stabilizace microgrid na základě setrvačníku., ABB
• PowerStore