1 MW/60 MJ飞轮储能系统轴系动力学分析与试验研究

研究背景

飞轮储能技术是通过电动/发电机将飞轮机械能与电能相互转化的技术，具有充电时间短、响应速度快、能量密度较高、使用寿命长、环保无污染等优点。随着高强度复合材料、大功率电动/发电机、磁悬浮、真空和电力电子等技术的发展，飞轮储能技术目前已经在电网调频、电能质量控制、卫星储能/姿控、车辆制动能量回收、不间断电源和高功率脉冲电源等领域获得了广泛的应用。近年来我国在飞轮储能关键技术方面有所突破，部分大学和科研机构已经完成飞轮储能系统试验装置或工程样机的研制。

石油钻机的起、下钻工况中的载荷具有大幅度波动特性，飞轮储能系统的使用可以降低钻机动力功率配置。在飞轮储能混合动力系统中，飞轮储能系统的工作方式是：钻机在下钻工况中，将下放钻具势能回收发电，供给飞轮储能系统以机械能形式存储；绞车启动提升时，飞轮储能系统将存储的机械能转化为电能，驱动混合动力系统的调峰电机，实现回收能量再利用。

创新点及解决的问题

研制了1 MW/60 MJ飞轮储能系统实现动力调峰运行。分别采用传递矩阵法和有限元法对飞轮转子支承系统进行动力学建模，计算出飞轮轴系临界转速和振型；并使用有限元法对壳体等非转动部件建模并计算模态。进行飞轮升降速试验，实时监测降速过程中幅频特性和相频特性。对比数值仿真与试验结果一致，为飞轮储能系统的轴系设计与改进提供理论与试验依据。

重点内容导读

1  飞轮储能系统

飞轮储能系统要由飞轮、轴承、发电/电动机、控制系统和机组外壳组成，其机械部分如图1所示。

图1  飞轮储能系统示意图

飞轮材料采用高强度合金钢，总质量5300kg，极转动惯量1535kg/m2，设计工作转速1200～2400r/min，最高转速2700 r/min，总储能量60MJ。外壳等静止部件采用合金钢，总质量约3500kg。

飞轮轴系上、下端使用滚动轴承作为径向支承，这是因为滚动轴承结构简单、可靠、易维护。飞轮轴系上端使用永磁轴承作为轴向支承，承担95%的转子重量，可大大降低轴承摩擦损耗。

电动/发电机定子部分安装在壳体上，其转子通过键槽结构固定于飞轮轴系上。

2  动力学计算

2.1  传递矩阵法

飞轮电机轴系是质量连续分布的弹性体，其自由度有无穷多个。为了便于求解，选取轴的端部、轴颈中心、轴的截面突变处和飞轮中心为结点，如图2所示。使用集总质量法沿轴线把转子质量及转动惯量集总到若干个结点上，各结点间通过无质量等截面的弹性轴段连接，将转子简化为具有若干个集总质量和集总转动惯量的模型。

图2  飞轮轴系简化示意图

2.2  有限元法

有限元法采用数值分析得到数值解，在满足工程需要的前提下模拟物理现象。ANSYS求解需要将实体模型离散为有限元模型，选择合适的求解类型，分析计算结果并对模型进行修正和校验。

2.3  轴系和壳体的模态分析

飞轮电机轴系通过轴承安装在壳体上，旋转时激励壳体引发振动，因此需要对轴系和壳体建立有限元模型并提取模态。

3  试验研究

为掌握该飞轮储能系统的运行特性，验证动力学数值仿真结果，需通过升降速试验进行实时的振动测量。如图1所示，在壳体上端和壳体下端安装位移传感器测量壳体振动，通过测量数据了解飞轮储能系统轴系的振动状态。

结    论

本文对1MW/60MJ飞轮储能系统轴系分别采用传递矩阵法和有限元法进行动力学建模，计算得到临界转速和振型；并用有限元法对非转动情况下轴系和壳体建有限元模型，提取了相应的模态频率与振型。

进行飞轮储能系统的充放电试验，实时检测飞轮降速过程的振动特性。在转速1300～1650r/min内存在共振，试验结果与采用特定支承刚度计算预测结果一致。

进一步的研究包括支承刚度的理论和试验分析方法，考虑使用合适的传感器直接测量轴系振动，更准确地了解轴系的振动特性，以便改进和优化设计。

标签：轴系,储能,壳体,系统,MJ,60,MW,飞轮,有限元法
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