高速储能飞轮转子芯轴-轮毂连接结构优化设计

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0266

储能科学与技术 ›› 2020, Vol. 9 ›› Issue (6): 1806-1811.doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0266

高速储能飞轮转子芯轴-轮毂连接结构优化设计

汪军水¹(), 戴兴建²(), 徐旸¹, 皮振宏¹

^1.清华大学工程物理系，北京 100084
^2.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190

收稿日期:2019-11-14 修回日期:2019-12-20 出版日期:2020-11-05 发布日期:2020-10-28
通讯作者: 戴兴建 E-mail:wjs15thu@163.com;daixj@mail.tsinghua.edu.cn
作者简介:汪军水（1997—），男，硕士研究生，研究方向为飞轮储能技术与应用，E-mail：wjs15thu@163.com；
基金资助:
国家重点研发计划项目(2018YFB0905500)

Optimization design of a high-speed flywheel for energy storage with a mandrel hub assembly

Junshui WANG¹(), Xingjian DAI²(), Yang XU¹, Zhenhong PI¹

^1.Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China
^2.Insititute of Engineering Themophysics, CAS, Beijing 100190, China

Received:2019-11-14 Revised:2019-12-20 Online:2020-11-05 Published:2020-10-28
Contact: Xingjian DAI E-mail:wjs15thu@163.com;daixj@mail.tsinghua.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对储能25 MJ的金属芯轴-轮毂-复合材料轮缘飞轮转子的结构设计问题，本文探讨了芯轴-轮毂-复合材料轮缘连接部位的应力和变形特性。利用有限元分析软件，求解了芯轴-轮毂结构应力和变形，分析了自适应法兰变形规律，优化了销钉孔形状、位置以及芯轴结构，提出了椭圆销钉孔新结构。有限元分析结果表明，在额定转速24000 r/min下，飞轮芯轴-轮毂结构整体最大应力由734.23 MPa降低为487.28 MPa，显著提高了整体结构的强度安全裕度。

关键词: 飞轮储能, 轮毂, 销钉结构, 有限元, 强度

Abstract:

This study discusses the stress and deformation characteristics of a mandrel hub with a composite rim assembly to solve the structural design problems of a metal mandrel hub with a composite rim flywheel rotor in 25 MJ energy storage capacity. Using finite element analysis software, the stress and the deformation of the mandrel hub structure are solved, and the self-adaptive characteristics of the flange connection are analyzed. The shape, pin hole position, and mandrel structure are optimized. Moreover, a new structure of the elliptical pin hole is proposed. The finite element analysis results show that the overall maximum stress of the flywheel mandrel wheel hub structure is reduced from 734.23 to 487.28 MPa at a rated speed of 24,000 r/min.

Key words: flywheel energy storage, mandrel-hub, pin structure, composite flywheel rim

中图分类号:

TH 133

汪军水, 戴兴建, 徐旸, 皮振宏. 高速储能飞轮转子芯轴-轮毂连接结构优化设计[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(6): 1806-1811.

Junshui WANG, Xingjian DAI, Yang XU, Zhenhong PI. Optimization design of a high-speed flywheel for energy storage with a mandrel hub assembly[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(6): 1806-1811.

图/表 15

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表1

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参考文献 11

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材料属性	合金钢35CrMoA	铝合金7050
密度/kg·m^-3	7800	2830
弹性模量E/MPa	2.1×10⁵	7.0×10⁴
泊松比P	0.3	0.33
屈服强度/MPa	875	505
拉伸强度/MPa	985	570

结构	法兰连接				过盈装配
材料	合金钢	铝合金	合金钢	铝合金	铝合金	复合材料
结构	芯轴2	轮毂2	芯轴1	轮毂1	轮毂1	轮缘
位置	内沿	外沿	内沿	外沿	外沿	内沿
径向位移/mm	0.055	0.065	0.151	0.167	0.996	1.288

外沿半径/mm	130	128	126	124	122	120
最大应力/MPa	620.24	591.82	582.10	536.33	504.24	487.28
变化幅度	0	-4.58%	-6.15%	-13.53%	-18.70%	-21.44%

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Optimization design of a high-speed flywheel for energy storage with a mandrel hub assembly

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