Vibration transmissibility study of flywheel system

Abstract

Containerized flywheel energy storage systems have multiple flywheels installed into a same container. This raises a risk that a rotor dropdown in one flywheel unit could excite adjacent flywheel units in the shared container floor. The horizontal vibration transmissibility of the current flywheel foundation was studied and evaluated whether it can isolate a rotor crash event sufficiently to keep an adjacent flywheel operational.

A three degree of freedom lumped-mass model of the harmonic excitation unit, container and flywheel unit was built in MATLAB using complex impedance harmonic response and modal damping. The model was extended to a flywheel crash scenario in which a dropdown rotor excites an adjacent flywheel through the container floor. Models were solved for both the current machine base and direct elastomeric isolation mounts using sylodyn NC pads. Model was validated with a sine swept transmissibility laboratory test using harmonic excitation unit and using two accelerometers to measure the foundation response across the relevant frequency range.

The analytical model predicted the resonance behaviour and isolation onset region in good agreement with the test. The results confirm that soft elastomeric isolation becomes advantageous near operating speeds. The thesis provides a validated modelling and measurement framework for further development of the foundation.

Konttitoteutuksena rakennetuissa vauhtipyöräenergiavarastoissa on useita vauhtipyöriä asennettuna samaan konttiin. Tämä aiheuttaa riskin, että yhden vauhtipyöräyksikön roottorin pudotustilanne voi häiritä viereisiä vauhtipyöräyksiköitä yhteisen konttilattian kautta ja aiheuttaa koko systeemin vikatilanteen. Nykyisen vauhtipyörän konealustan vaakasuuntaista värähtelyn siirtyvyyttä tutkittiin, kykeneekö se eristämään roottorin pudotustilanteen riittävästi pitääkseen viereisen vauhtipyörän toimintakuntoisena.

Harmonisesta herättimestä, kontista ja vauhtipyöräyksiköstä rakennettiin kolmen vapausasteen keskitetyn massan analyyttinen malli käyttäen kompleksista impedanssia harmonisessa vasteessa sekä moodivaimennusta. Malli laajennettiin vauhtipyörän roottorin pudotustilanteeseen, jossa pudonnut roottori herättää viereisen vauhtipyörän konttilattian kautta. Malli ratkaistiin sekä nykyiselle konealustalle sekä sylodyn nc -elastomeerieristimelle. Malli validoitiin siirtyvyyskokeella, käyttäen harmonista herätin yksikköä ja kahta kiihtyvyysanturia konealustan vasteen mittaamiseen olennaisella taajuusalueella.

Analyyttinen malli ennusti resonanssikäyttäytymisen ja eristyksen alkamisalueen melko johdonmukaisesti kokeen kanssa. Tulokset vahvistavat, että pehmeä elastomeerieristys on värähtelyn siirtyvyyden kannalta eduksi toimintanopeuksien lähellä. Diplomityössä validoitu mallinnus- ja mittaustyön edesauttaa vauhtipyörän konealustan jatkokehitystä ja laboratorio testausta.