机械弹性储能用大型蜗卷弹簧力学特性研究

发布时间：2017-11-15 17:12

本文关键词：机械弹性储能用大型蜗卷弹簧力学特性研究

【摘要】：储能技术是解决现代电力系统诸多问题的尖端技术之一,更是构建智能电网及支撑新能源可持续发展不可或缺的关键技术。本文提出了一种以大型蜗卷弹簧作为关键储能部件的机械弹性储能技术,设计了机械弹性储能系统的总体方案,开展了储能系统关键部件——大型蜗卷弹簧的力学特性研究。论文主要工作如下：(1)分析了多种储能技术的优缺点,提出一种新型的以大型蜗卷弹簧作为储能部件的机械弹性储能技术,阐述了该技术的工作原理以及常规蜗卷弹簧通用工程计算方法。(2)建立了机械弹性储能系统的整体设计方案,分析了系统的工作原理和关键零部件的选择原则；将系统分为蜗簧储能机械系统和电气控制系统两部分,分别分析了蜗簧储能机械系统中蜗簧作为储能关键零件的优势以及储能箱的结构和电气控制系统中电机和变频器的选择控制方法。(3)针对蜗簧在储能前和储能过程中形态的不断变化,提出了形态迭代法,并运用该方法对蜗簧进行了非线性力学特性分析。储能前,将蜗簧分为不受约束的自由状态和在蜗簧箱内的初始状态,自由状态对应对数螺旋线形态,初始状态对应阿基米德螺旋线和对数螺旋线两种形态,运用曲率变化和弯矩的关系推导了蜗簧在储能前的弯矩及分布规律。储能过程中,蜗簧对应着两种阿基米德螺旋线和一种对数螺旋线形态,运用形态迭代法分析了蜗簧三种形态相互转化的规律及蜗簧弯矩与输入工作转角的关系。将蜗簧看做特殊的旋转构件,提出了蜗簧转动惯量的形态迭代计算法,得到了储能过程中蜗簧转动惯量的变化规律。(4)推导了蜗簧在储能状态时的平衡方程、几何方程和物理方程,分析了蜗簧截面的应力分布状态。建立蜗簧有限元数值分析模型,得到极限工作状态下蜗簧的应力分布。对蜗簧进行稳定性分析和模态分析,得到失稳时的临界弯矩及蜗簧的频率和振型。(5)推导蜗簧储能量和储能密度的计算公式,分析了蜗簧储能量和储能密度的影响因素。通过对比三种蜗簧材料的储能量和储能密度,得到了材料的弹性模量、抗拉强度与储能量和储能密度的关系。提出改变蜗簧截面形状提高储能密度的方法,设计了异型截面蜗簧结构,并做了优化,对比计算了不同截面结构蜗簧的储能密度,运用有限元方法分析了蜗簧在最大工作扭矩作用下的应力和形状变化,验证了该方法的有效性。(6)建立了机械弹性储能系统的实验样机,设计并制造了对称式蜗簧储能箱,配置了相关的电气设备和检测系统。设置实验参数,完成了机械弹性储能系统存储能量和释能发电的过程。通过样机试验,验证了机械弹性储能系统设计方案的合理性及蜗簧力学特性分析的正确性。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK02

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