Vauhtipyöristä ja todella lujista materialeista

Seuraa 
Viestejä26997
Liittynyt13.5.2005

Uusimmassa Tieteen Kuvalehdessä oli artikkeli vauhtipyöristä ja päin vastoin kuin olen ymmärtänyt, toimittaja antoi ymmärtää, että energiateknologisissa sovelluksissa se "pyörä" olisi kuitenkin suhteellisen kevyt. Eli kuten ymmärsin sikäli kun mainitsivat, että hiili- ja lasikuitukomposiittimateriaalista valmistettuun vauhtipyörään voisi varastoida ja vapauttaa sen verran energiaa, joka saa sen nykyteknologialla jo pyörimään jopa 45 000 - 60 000 kierrosta minuutissa (viittasivat joihinkin Nasan testailuihin).

Vaikka artikelin pääpaino oli voimalaitosten energian varastoinnissa, johon liittyvissä kaupallisissa sovelluksissa pyörä nykyisellään saadan pyörimään jotain 6000 - 10 000 kierrosta minuutissa, scifiksi artikkeli muuttui viimeistään siinä vaiheessa kun mainittiin teoreettisesta mahdollisuudesta pyörittää jonkinlaista "vauhtipyörää" jopa 250 000 - 600 000 kierrosta minuutissa, mikäli "pyörä" saadaan leijumaan tyhjiössä upottamalla magneettisia partikkeleita pyörän materialiin. Lainausmerkit tuon pyöräsanan ympärillä sen vuoksi, että kyseessä olisi kai sylinteri kuin varsinaisesti pyörä.

Erittäin mielenkiintoinen teknologia sikäli jos laite todella kestää sen 20 vuotta siinä missä parhaimmat akut vain joitain vuosia, vieläpä yli viiden kymmenen prosentin hyötysuhteella kilpailijoihinsa nähden.

Nyt siis kiinnostaisi tietää hieman lähemmin materiaaleista, jotka kestävät tuollaisista kierrosluvuista seuraavia voimia. Eli olisikohan joku palstalainen kenties tutustunut aiheeseen paremminkin?

Riittoisampi keskustelukumppani.

Sivut

Kommentit (27)

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26890
Liittynyt16.3.2005

Nuo kierrosluvut eivät yksinään kerro mitään. Oleellinen tieto on myös vauhtipyörän massa ja geometria. Karkea sääntö menee niin, että mitä pienempi pyörä, sitä isommat kierrokset ovat mahdollisia, jos materiaali on sama. Sinänsä tuollaiset muutaman sadan tuhannen kierrokset eivät ole mahdottomia pienillä laitteilla. Niitä käytetään työstökoneissa, turboahtimissa, turbopumpuissa ja muissa "arkisissa" sovelluksissa.

Itse en asiasta mitään tiedä, mutta joskus jossain joku luennoi ajoneuvokäyttöön suunnitelluista suurnopeusvauhtipyöristä. Ellen nyt aivan väärin muista, niillä massat olivat kymmeniä kiloja ja maksimikierrokset 100000 rpm luokkaa. Suuri ongelma oli turvallisuus, jossain laboratoriossa oli tapahtunut iso vahinko, kun tuollaisen vauhtipyörän laakerit olivat yrittäneet leikata kiinni. Sen seurauksena hiilikuitukomposiittimateriaalista tehty vauhtipyörä oli irronnut kiinnityksestään, jauhautunut osittain hiilipölyksi ja aiheuttanut pölyräjähdyksen (jossa ilmaan sekoittunut pöly syttyy palamaan).

Vierailija

Suurin ongelma gyroskoopeissa on se, että jos ne pettävät niin siitä voi tulla tosi karua jälkeä. Tuollaiseen muutaman sata tuhatta kierrosta minuutissa ottavaan möhkäleeseen on varastoitunut energia joka vastaa helposti isojen autojen nokkakolaritörmäystä, ja jos se kiekko lähtee sieltä irti, se lähtee johonkin suuntaan ja aivan saatanan lujaa.

Vierailija

Turvallisuutta saa tekemällä se peruskallioon ja hätäjarruksi vettä jota se keittäisi kitkalla pois. Usean pienemmän ryhmä on turvallisempi kuin yksi iso.

Vierailija

Ei niissä niin paljoa energiaa sentään ole että ne nyt tuhoaisivat ihan mitä tahansa tielleen sattuvaa, mutta ajoin takaa esimerkiksi ajoneuvoon asennettavia gyroja sekä muita sellaisia laitteita joiden rakenteen raskaudelle on tietyt rajat. Jo se että gyro on ylipäätään koteloitu johonkin, suojaa ympäristöä aika hyvin, mutta muutamista tapauksista olen lukenut joissa mm. polttoaineenpuhdistusjärjestelmä on irtisanoutunut työtehtävästään ja about kaikki samassa tilassa ollut tekniikka ja rakenteisto meni uusiksi, kun pari sataa kiloa painava keskipakolinko irtosi 12 000 kierroksen vauhdissa kiinnikkeistään.

ROOSTER
Seuraa 
Viestejä5000
Liittynyt21.6.2009
tietää
Zetorin vahtipyörä (150 kg) irrotessaan 1000 -2000 rpm oli katkaisuut traktorin ja ruhjonut pahasti kuskin.



Tämä tieto antaa lisää haasteita moottoripyöräharrastukselle, jossa jalkojen välissä massa pyörii välillä 13000rundia minuutissa.

Yleinen mielipide on aina väärässä.

jussipussi
Seuraa 
Viestejä32778
Liittynyt6.12.2009
-:)lauri
Uusimmassa Tieteen Kuvalehdessä oli artikkeli vauhtipyöristä ja päin vastoin kuin olen ymmärtänyt, toimittaja antoi ymmärtää, että energiateknologisissa sovelluksissa se "pyörä" olisi kuitenkin suhteellisen kevyt. Eli kuten ymmärsin sikäli kun mainitsivat, että hiili- ja lasikuitukomposiittimateriaalista valmistettuun vauhtipyörään voisi varastoida ja vapauttaa sen verran energiaa, joka saa sen nykyteknologialla jo pyörimään jopa 45 000 - 60 000 kierrosta minuutissa (viittasivat joihinkin Nasan testailuihin).

Vaikka artikelin pääpaino oli voimalaitosten energian varastoinnissa, johon liittyvissä kaupallisissa sovelluksissa pyörä nykyisellään saadan pyörimään jotain 6000 - 10 000 kierrosta minuutissa, scifiksi artikkeli muuttui viimeistään siinä vaiheessa kun mainittiin teoreettisesta mahdollisuudesta pyörittää jonkinlaista "vauhtipyörää" jopa 250 000 - 600 000 kierrosta minuutissa, mikäli "pyörä" saadaan leijumaan tyhjiössä upottamalla magneettisia partikkeleita pyörän materialiin. Lainausmerkit tuon pyöräsanan ympärillä sen vuoksi, että kyseessä olisi kai sylinteri kuin varsinaisesti pyörä.

Erittäin mielenkiintoinen teknologia sikäli jos laite todella kestää sen 20 vuotta siinä missä parhaimmat akut vain joitain vuosia, vieläpä yli viiden kymmenen prosentin hyötysuhteella kilpailijoihinsa nähden.

Nyt siis kiinnostaisi tietää hieman lähemmin materiaaleista, jotka kestävät tuollaisista kierrosluvuista seuraavia voimia. Eli olisikohan joku palstalainen kenties tutustunut aiheeseen paremminkin?




Tuossa juttua Volvon viritelmästä...
Volvo testaa tulevana syksynä auton taka-akseliin kytkettyä vauhtipyörää, joka ottaa talteen jarrutusenergiaa. Flywheel KERS-nimeä kantavan järjestelmän hiilikuituisen vauhtipyörän massa on vain kuusi kiloa

http://www.tekniikkatalous.fi/duuniauto ... sa/a634840

Vierailija

Vauhtipyörä on vähän huono nimitys laitteelle. Massapyörä on parempi nimi.
Niin, kun tuota kuvaa katselee niin helposti huomaa että laite on lähinnä massasylinteri kuin pyörä.

mika 69
Seuraa 
Viestejä136
Liittynyt3.12.2010
ROOSTER
tietää
Zetorin vahtipyörä (150 kg) irrotessaan 1000 -2000 rpm oli katkaisuut traktorin ja ruhjonut pahasti kuskin.



Tämä tieto antaa lisää haasteita moottoripyöräharrastukselle, jossa jalkojen välissä massa pyörii välillä 13000rundia minuutissa.



Kerran kevarista irtosi vauhtipyörä kun remontin jälkeen oli mutteri unohtunut kiristää, valehtelematta minuutin pyöri siellä tallin nurkassa.
Olettekos muuten koskaan leikkinyt muttereilla ja paineilmalla? Ruuvari mutterista läpi ja ilmalla kierroksia mutuun. M8:kin on jo vaarallinen, isommista puhumattakaan.

Vierailija
mika 69
ROOSTER
tietää
Zetorin vahtipyörä (150 kg) irrotessaan 1000 -2000 rpm oli katkaisuut traktorin ja ruhjonut pahasti kuskin.



Tämä tieto antaa lisää haasteita moottoripyöräharrastukselle, jossa jalkojen välissä massa pyörii välillä 13000rundia minuutissa.



Kerran kevarista irtosi vauhtipyörä kun remontin jälkeen oli mutteri unohtunut kiristää, valehtelematta minuutin pyöri siellä tallin nurkassa.
Olettekos muuten koskaan leikkinyt muttereilla ja paineilmalla? Ruuvari mutterista läpi ja ilmalla kierroksia mutuun. M8:kin on jo vaarallinen, isommista puhumattakaan.

Pujota laakeri sormeen ja kiihdytä paineilmalla liikkeelle...NOT
Kun laakeri leikkaa kiinni niin sormi lähtee siististi irti...

jansetti
Seuraa 
Viestejä53
Liittynyt10.9.2011

Traktorin takapyörän viistorullalaakeri tai muu iso laakeri lattialle niin, että ulkokooli pääsee pyörimään vapaasti. Sitten vaan kahdella paineilmapistoolilla (tai useammalla) vauhtia rullaradalle, ja PAM.
Työkaveri kertoi saaneensa tuolla menetelmällä 5cm pitkän terässälön jalkaansa sääriluuhun pystyyn, kun laakerin ulkokooli sai enemmän kierroksia kuin kesti...
Rullat oli kuulemma ropisseet varsin kaukana seinillä.

xork
Seuraa 
Viestejä383
Liittynyt6.11.2010

Laskentaa liittyen pyörivään rengasmaiseen kappaleeseen:

jännitys säteen suunnassa
σ_r = (3+ν)/8*ρω²*(a²+b²-a²b²/r²-r²)
ja jännitys tangentiaalissuunnassa
σ_θ = (3+ν)/8*ρω²*(a²+b²+a²b²/r²-(1+3ν)/(3+ν)*r²)
joissa ν on Poissonin vakio (kokoonpuristuvuusvakio), ρ on tiheys, ω on pyörimisnopeus, a on pyörivän renkaan sisähalkaisija ja b on sen ulkohalkaisija. r on säde, jolla jännitystä tarkastellaan.

Käytettäessä a=0 ja b=500mm ja ω=13 000rpm, saadaan seuraavat jännitysmaksimit:
teräs: 1500MPa sisäkehällä (vveh-vertailujännitys)
alumiini: 520MPa sisäkehällä (vveh-vertailujännitys)

Jos en tehnyt virheitä niin terästä tuo Zetorin pyörä ei ainakaan voi olla, jos viilettää 13000rpm ja halkaisija on puolen metrin luokkaa. Lausekkeista voi päätellä, että tiheys kannattaa olla mahdollisimman pieni, no matter what. Jotta energiaa saadaan iso määrä talteen, niin tehdään vaan vähän pitempi juoksupyörä ilman että sillä on mitään vaikutusta maksimijännityksiin. Eli valitaan se materiaali, jonka σ/ρ on mahdollisimman suuri, jossa σ on sallittu jännitys.

Edit: luinpas väärin, Zetor ei siis pyöritä 13000, vaan ~2000. Tällöin vveh:t teräksellä: 36MPa ja alumiinilla: 12MPa. Eli melekosen turvassa myötämisestä. S355 rakenneteräs hajoaa noilla dimensioilla 6000rpm jälkeen.

Edit 2: jos siis ei ota huomioon värähtelyjä

-:)lauri
Seuraa 
Viestejä26997
Liittynyt13.5.2005

Niin, siis artikkelissa puhuttiin, että näihin kaupallisiin sovelluksiin saadaan taltioitua tänä päivänä jotain 20 megawattia ja että nämä pyörät säilövät sen 10 000 kierrokseen minuutissa, sitten kun samaan hengenvetoon puhuttiin Nasan kokeiluista, joissa heidän vauhtipyörä pyyhkkii 60 000 kierrosta minuutissa ja teoreettisista spekulaatioista joissa vauhtipyörä pyörisi vielä kymmenen kertaa tuotakin vikkelämmin ei oli vaikea välttyä vietteleviltä pinnoilta.

No kiitos kun selvititte, ettei tuo jonkiin kappaleen pyörimisnopeus sinällään ole vielä se olennaisin kysymys.

Riittoisampi keskustelukumppani.

xork
Seuraa 
Viestejä383
Liittynyt6.11.2010

Lisätään vielä että noilla kaavoilla laskettuna 60000rpm alumiinipyörötanko, jonka d=100mm, saattaisi kestää, jos on erikoisalumiinia. jännitys on 440MPa.

-:)lauri
Seuraa 
Viestejä26997
Liittynyt13.5.2005

Niin ja kiitos noista laskelmista xork. En ollut koskaa ajatellut asiaa tarkemmin. Ja olisin tietty voinut päätellä useamman kysymykseni jo ihan itse. Pyöriihän tuo kovalevy tuossa kompuutterissakin sen 7200-15000 kierrosta minuutissa riippuen palikasta.

Mutta miten nuo mainitsemasi värähtelyt liittyvät tilanteeseen? Eli että kappale ei pyöri jokaisessa sen kohdassa tasaisella nopeudella?

Riittoisampi keskustelukumppani.

Sivut

Uusimmat

Suosituimmat