张晓春¹

1.太原市网健科技有限责任公司

　　摘要：本文介绍了一种推力轴承方面的的改进技术，可以减少推力轴承的摩擦、增加推力、降低轴承的造价，该技术应用在飞轮储能电池中，可以解决现有清洁能源的储能方面的现有问题，是利用飞轮底部的高压空气，将大质量的飞轮悬浮起来，再用流体密封技术将高压空气密封，实现了飞轮储能电池磨损小、推力大、造价低的目的。该技术使飞轮储能技术在太阳能、风能等清洁能源领域的应用有了实用性。

　　0背景技术

　　随着社会的发展，人类对能源的需求量越来越大，传统的化石燃料燃烧过程排放出大量的CO2等温室气体造成了全球气候变暖等问题。为缓解能源危机、减少环境污染，人们在逐渐加大太阳能、风能等可再生资源的比例，但关键的问题在于：

　　1.这些可再生能源具有很大的波动性，发电量与用电量无法保持一致。借助储能装置来抑制风电等系统的波动性，合适的蓄能方式可以对电网进行削峰填谷，保障电网的平稳运行。

　　2.分布式的可再生资源利用，同样存在波动性的问题，以分布式太阳能为例，利用建筑屋顶（含企业、居民以及公共建筑等）及附属场地建设的分布式光伏发电，选择“自发自用、余电上网”或“全额上网”等模式来降低分布用户的用电成本，同样需要借助储能装置作为节点缓冲来抑制波动性。

　　目前存在的主要储能方式包括抽水蓄能、压缩空气蓄能、天然气蓄能、液流电池蓄能、燃料电池蓄能、飞轮蓄能、超级电容蓄能等，但是都存在各自的缺陷，本文仅针对飞轮储能（FES）技术的改进做进一步的探讨。

　　FES技术是十分成熟的技术，特别是他具有的能量密度高、能量转换效率高、体积小、重量轻、工作温度范围宽、使用寿命长、低损耗、低维护等优点，其在大功率、短时间输出的场景有着广泛的应用，如数据中心、医院等不能停电的场所不计成本地应用，充当柴油机等备用发电机的中间过渡装置，在一些场景中，甚至是不可或缺的储能方式。

　　但是，现有的FES技术的缺点也是致命的，特别是超导磁悬浮轴承的飞轮电池，比如轴承推力小、造价高。还有一类机械方式的推力轴承，造价相对低，但是存在严重磨损的问题，磨损不但带来寿命减小的问题，同时更换以及维护的人工成本也很高。飞轮由于轴承推力及技术的限制，通常飞轮采用超高转速度的工况下储能，从而加剧了飞轮的制造成本，因此造成FES技术在清洁能源的领域并没有实用性。

　　因此，设计一种推力大，磨损小、造价低的推力轴承，才可以使飞轮储能的优势凸显出来，进而成为清洁能源存储的重要方式。

　　1气悬浮飞轮储能电池技术介绍

　　1.1设计目标

　　太原网健科技有限公司于2017年提出一项创新的解决方案，设计了一种“零”磨损、大推力的轴承结构，实现了超导磁悬浮小磨损和机械轴承的大推力的优点，并通过增加飞轮质量来牺牲飞轮转速从而降低飞轮的制造成本，目的是通过廉价的飞轮储能装置，把太阳这个不可控的核聚变，变相地成为可控的能量来源。

　　1.2工作原理

　　概括地说，该技术是利用飞轮底部的高压空气，将大质量的飞轮悬浮起来，再用流体密封技术将高压空气密封。

　　具体的，如图1所示，飞轮底部的转子的外径略小于底部的轴座的内径，同轴插套后，大质量飞轮及固定在飞轮底部的转子的自重，将转子底部的空气压缩，飞轮的质量越大，则产生的压力也越大，空气的体积也就越小，但是始终不会被压缩成体积为0，从理论上说，足够大的空气压力可以悬浮任意大质量的飞轮。该方案就是通过高压空气的作用力将大质量飞轮托起，由于飞轮的质量是固定的，因此，底部的空气保持一固定的高压，同时可以将大质量飞轮保持悬浮的平衡状态。

　　为了防止底部的高压空气从间隙溢出，需要在间隙内安装密封装置。可以说，该技术的关键技术在于如何设计一种密封装置，既可以将空气密封，又实现较小的摩擦力。

　　这里采用的是流体密封的技术方案。

图1高压气悬浮飞轮原理图

　　1.3流体密封的技术方案

　　这里以一个飞轮为质量为2000Kg、直径约1.3米的飞轮做一个具体的实施例：

　　图2是FES的爆炸图，该飞轮储能电池分三个部分：

　　1、轴座（定子）；

　　2、转子：飞轮固定成整体并同轴插套在轴座内；

　　3、流体密封结构，置于转子与轴座之间的间隙内，对高压空气起密封的作用的装置。

图2FES的爆炸图

　　 其中，飞轮与转子是固定位一体的，我们只对轴承部位做具体的说明，将飞轮去掉后，如图3所示的，左图是转子与轴座插套后的示意图，右图是分离状态的结构示意图，其中转子的外径设计直径比轴座的内径略小，当转子插套在轴座内后，与轴座四周形成较小的间隙（图3左）。

图3转子与轴座的关系示意图

　　 将轴座切开并放大，刨面图结构如图4中右图所示的左图局部放大图，可以看到有多条开设在轴座内壁的U形凹槽构成互相平行的环。

图4轴座剖面放大示意图

　　以任意两条相邻的凹槽做具体的分析，如图5所示：将转子插套入轴座后，转子与轴座之间会形成一个间隙，具体的技术特征是：凹槽内部的材质，

　　与水银是浸润的关系，除了凹槽内部，间隙的壁面的材质与水银是不浸润的关系。

图5间隙内各部位与水银的浸润关系

　　根据水银的特性，如图6所示的，右边的容器里盛的是水银，当一支两端开口的玻璃管插入到水银中后，水银的液面会下降，由于水银和玻璃是不浸润的关系，表面张力可以承受一定的液面的压力差。玻璃管的内直径越小，那么玻璃管中的液面下降的越多。

图6液体与固体表面张力示意图

　　当图5中的凹槽内注入水银后，水银由于与凹槽内表面的材质是浸润的关系，水银被凹槽吸附，当注满凹槽后，突出凹槽槽唇的部分，与转子的外表面轻触，从而沿着凹槽形成一条水银环，如图7，水银环将间隙内的空气密封并隔离开来。水银环被表面张力的作用牢固地夹持在间隙内，因而可以承受水银环两侧空气压力差的轴向推力。

图7水银环及其截面形状示意图

　　1.4流体密封在飞轮电池中的应用

　　该实施例中，假设每条水银环可以承受0.2个大气压力对其轴向的压力（具体数值取决于加工的工艺，如间隙的宽度，材料等）

　　如图8，将转子与轴座插套后在凹槽内注入水银，依次将水银环隔开的空间内注入底部为2个大气压的空气，并从下到上依次在水银环一侧的空间注入1.8、1.6…….0.2直至飞轮所处的真空。

图8流体密封、推力轴承及飞轮的结构侧视图

　　2该技术方案的优势以及实用性讨论

　　2.1轴承的摩擦力分析

　　转子所受到的摩擦力为转子底部及侧面对空气的摩擦，以及转子与水银环之间的摩擦力，由于没有直接的固体与固体之间的摩擦，相对于大质量的飞轮来说，摩擦力可以忽略不计。

　　对于飞轮来说，如果将飞轮所处的空间抽成真空，如图9，通过电池的外壳将飞轮及轴承密封，并将飞轮所处的空间抽成真空，则可将飞轮的摩擦力趋于零。图9流体密封、推力轴承及飞轮的结构侧视图

　　2.2实施成本的计算

　　超导磁悬浮方式的飞轮储能电池之所以造价高，主要原因是超导磁悬浮的推力小，通常悬浮10Kg左右的碳纤维飞轮，由于转速对储能的影响更大，通常采用20000(RPM)转甚至更高的转速来提升储能，飞轮所承受巨大的离心力影响了飞轮的造价，加上超导磁悬浮需要制冷，自身也有比较大的能耗。

　　参考表1，本技术方案的推力轴承自身并不产生能耗，而且推力远远不止10Kg（数千Kg级），因此可以采用降低转速并提升飞轮质量的方法增加储能，因此离心力可以显著降低，对飞轮的材料以及飞轮电池的加工精度没有过高的要求，从而降低了造价，对于飞轮的材质也不限于碳纤维。

　　本技术方案的另一个特点是磨损小，磨损小意味着维护量也会减少，特别是相对比与机械推力轴承来说，必然会大大地降低运行和维护的成本。

　　3结论

　　该技术方案解决了人们对清洁能源利用的根本问题，但是仍然有一些具体的细节技术需要进一步的实物验证，主要存在以下几个方面的问题：

　　1、加工精度和成本以及对其实用性的制约。

　　2、飞轮（转子）转速对水银环的影响。

　　3、大质量飞轮对具体实施的成本等的影响。

　　以上几个方面是需要实物后续论证的部分。

　　文章作者：张晓春16604711577　2019/4/10

　　专利号：201610596141.3

　　专利名称：间隙密封结构及轴承

　　专利权人：张晓春

　　专利授权日期：2019/03/18