Modeling of high-speed flywheel designs for technological equipment

• Autorzy: Dehtiarov Ivan , Antosz Katarzyna , Avramenko Serhiy , Herasko Kostyantyn , Ivanov Vitalii

Identyfikatory

DOI

10.15199/160.2021.2.3

Warianty tytułu

PL

Modelowanie konstrukcji szybkobieżnych kół zamachowych w urządzeniach technologicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article analyzes the design of mechanical energy drives and their use areas. Based on the analysis, the kinetic energy drive designis based on the composite material's flywheel, capable of working with a high frequency of rotation. The most optimal flywheels in terms of accumulation of kinetic energy and at the same time the maximum strength of the design are proposed, and their numerical simulation is carried out. The modal analysis results established the values and forms of the eigenfrequencies of oscillations of rotors with flywheels of various structures, which allows controlling the process of overclocking, knowing the limit values of the maximum permissible frequency of rotation of the flywheels. Numerical modeling established that the flywheel's shape and its mass significantly affect the rotor speed limit with the flywheel. At the same time, the flywheel with the lowest mass but the highest frequency of rotation has the maximum specific energy intensity per unit of mass, which determines it as the most effective option in terms of the cost of material and the use of this design in devices for energy accumulation during the operation of technological equip-ment. The calculation results also show that the lamb flywheel has the most incredible absolute energy in-tensity. Simultaneously, the costs of the composite material above 68% are compared with the flywheel, which has the maximum specific value of the energy intensity per 1 kg of its mass.

PL

W artykule przeanalizowano konstrukcję napędów mechanicznych oraz obszary ich zastosowania. Na podstawie przeprowadzonej analizy opracowano projekt napędu kinetycznego opartego na sprzęgle z materiału kompozytowego, przeznaczonego do pracy z wysoką częstotliwością obrotową. Zaproponowano najbardziej optymalne koła zamachowe pod względem akumulacji energii kinetycznej i jednocześnie maksymalnej wytrzymałości konstrukcji oraz przeprowadzono ich symulację numeryczną. Na podstawie wyników analizy modalnej ustalono wartości i postaci częstotliwości własnych oscylacji wirników ze sprzęgłami o różnych konstrukcjach, co pozwala na sterowanie procesem, znając graniczne wartości maksymalnej dopuszczalnej częstotliwości obrotów. Na podstawie modelowania numerycznego ustalono, że kształt sprzęgła oraz jego masa mają istotny wpływ na ograniczenie prędkości obrotowej. Jednocześnie sprzęgło o najmniejszej masie, ale największej częstotliwości obrotów ma maksymalną jednostkową energochłonność, co świadczy o tym, że jest to najbardziej efektywny wariant pod względem kosztów materiałowych i zastosowania tej konstrukcji w urządzeniach do gromadzenia energii podczas pracy urządzeń technologicznych. Porównano koszt dla sprzęgła o zawartości materiału kompozytowego powyżej 68% z kosztem sprzęgła, które ma maksymalną wartość jednostkową energochłonności na 1 kg masy.

Słowa kluczowe

EN

energy efficiency; moment inertia; eigenfrequencies; rotor; carbon fiber

PL

sprawność energetyczna; moment bezwładności; częstotliwość własna; wirnik; włókno węglowe

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej ; Sieć Badawcza Łukasiewicz - Warszawski Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Technologia i Automatyzacja Montażu
• Rocznik: 2021
• Tom: nr 2
• Strony: 13--19
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., il. (w tym kolor.), rys.

Twórcy

autor

Dehtiarov Ivan

• Sumy State University, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0001-8535-987X

autor

Antosz Katarzyna

• Rzeszow University of Technology, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-6048-5220

autor

Avramenko Serhiy

• Sumy State University, Ukraine

autor

Herasko Kostyantyn

• Sumy State University, Ukraine

autor

Ivanov Vitalii

• Sumy State University, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0003-0595-2660

Bibliografia

• [1] Arabkoohsar A., Sadi M. 2021. Flywheel energy storage. In Mechanical Energy Storage Technologies, 101-124. Mechanical Energy Storage Technologies.
• [2] Arani A., Karami H., Gharehpetian G., Hejazi M. 2017. "Review of flywheel energy storage systems structures and applications in power systems and microgrids" Renewable and Sustainable Energy Re-views69: 9-18.
• [3] Asodariya H., Patel H., Babariya D., Maniya K. 2018. "Application of multi criteria decision making meth-od to select and validate the material of a flywheel design"Advances in Materials & Processing: Chal-lenges & Opportunities (AMPCO-2017), Metallurgical and Materials Engineering Department, IIT Roorkee, India, 30th November to 2nd December 20175(9): 17147-17155.
• [4] Bolund B., Bernhoff H., Leijon M. 2007. "Flywheel energy and power storage systems" Renewable and Sustainable Energy Reviews 11(2):235-258.
• [5] Erdemir D., Dincer I. 2020. "Assessment of renewable energy-driven and flywheel integrated fast-charging station for electric buses: a case study" Journal of Energy Storage 30(9): 101576.
• [6] Hamzaoui A., Bouchafaa F., Talha A. 2016."Advanced control for wind energy conversion systems with flywheel storage dedicated to improving the quality of energy"International Journal of Hydrogen Ener-gy 41(45):20832-20846.
• [7] Hutchinson A., Gladwin D. 2020. "Optimisation of a wind power site through utilisation of flywheel energy storage technology" Energy Reports 6(5): 259-265.
• [8] Kale V., Secanell M. 2018. "A comparative study between optimal metal and composite rotors for fly-wheel energy storage systems" Energy Reports4: 576-585.
• [9] Mansour M., Mansouri M., Bendoukha S., Mimouni M. 2020. "A grid-connected variable-speed wind gen-erator driving a fuzzy-controlled PMSG and associated to a flywheel energy storage system" Electric Power Systems Research 180: 106137.
• [10] Miyamoto K., Goedtel A., Castoldi M. 2020. "A proposal for the improvement of electrical energy quality by energy storage in flywheels applied to synchronized grid generator systems" International Journal of Electrical Power & Energy Systems 118:105797.
• [11] Mousavi G., Faraji F., Majazi A., Al-Haddad K. 2017. "A comprehensive review of flywheel energy stor-age system technology" Renewable and Sustainable Energy Reviews 67: 477-490.
• [12] Pullen K. 2019. "The status and future of flywheel energy storage" Joul 3(6): 1394-1399.
• [13] Qiang L., Kun W., Yuan R., XiaocenC.,Limei M., Yong Z. 2019. "Optimization design of launch locking protective device (LLPD) based on carbon fiber bracket for magnetically suspended flywheel (MSFW)" Acta Astronautica 154: 9-17.
• [14] Rastegarzadeh S., Mahzoon M., Mohammadi H. 2020. "A novel modular designing for multi-ring fly-wheel rotor to optimize energy consumption in light metro trains" Energy 206(1): 118092.
• [15] Roy N., Das A. 2017. Prospects of Renewable Energy Sources. In Renewable Energy and the Environ-ment, 1-39. Springer Link.
• [16] SebastianR., Pena-Alzola R. 2015. "Control and simulation of a flywheel energy storage for a wind die-sel power system" International Journal of Electrical Power & Energy Systems 64: 1049-1056.
• [17] Sonsky Y., Tesar V. 2019. "Design of a stabilised flywheel unit for efficient energy storage" Journal of Energy Storage 24:100765.
• [18] Spiryagin M., Wolfs P., Szanto F., Sun Y., Cole C., Nielsen D. 2015. "Application of flywheel energy storage for heavy haul locomotives" Applied Energy157(1): 607-618.
• [19] Yang S., Xu T., Li C., Liang M., Baddour N. 2016. "Design, modeling and testing of a two-terminal mass device with a variable inertia flywheel" Journal of Mechanical Design 138(9): 095001.
• [20] Yang W., Wang Y., Li Y., Wang J., Tinghai C., Wang Z. 2019. "Integrated flywheel and spiral spring triboelectric nanogenerator for improving energy harvesting of intermittent excitations/triggering" Nano Energy 66:104-104.
• [21] Zhang Y., Zhang X., Qian T., Hu R. 2020. "Modeling and simulation of a passive variable inertia flywheel for diesel generator" Energy Reports 6(7):58-68.
• [22] ZhaoJ.,Ni B., Jun L., Luo H., Yuan J. 2020. "Research on in-situ measurement simulation test of inertia of flywheel simulator by simmechanics" Procedia Computer Science 166:31-36.
• [23] Electronic resource - access mode: https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=41433
• [24] Electronic resource - access mode: https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review- -of-world-energy/renewable-energy.html
• [25] Electronic resource - access mode: https://www.irena.org/europe
• [26] Electronic resource - access mode: https://www.iea.org/reports/renewables-2020
• [27] Electronic resource - access mode: https://www.epa.gov/energy/electricity-storage
• [28] Electronic resource - access mode: https://www.azocleantech.com/article.aspx?ArticleID=593
• [29] Electronic resource - access mode: https://en.wikipedia.org/wiki/Flywheel_energy_storage.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).