Skip to main content
Erschienen in: Applied Composite Materials 3/2016

01.06.2016

A Static Burst Test for Composite Flywheel Rotors

verfasst von: Stefan Hartl, Alexander Schulz, Harald Sima, Thomas Koch, Manfred Kaltenbacher

Erschienen in: Applied Composite Materials | Ausgabe 3/2016

Einloggen

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

High efficient and safe flywheels are an interesting technology for decentralized energy storage. To ensure all safety aspects, a static test method for a controlled initiation of a burst event for composite flywheel rotors is presented with nearly the same stress distribution as in the dynamic case, rotating with maximum speed. In addition to failure prediction using different maximum stress criteria and a safety factor, a set of tensile and compressive tests is carried out to identify the parameters of the used carbon fiber reinforced plastics (CFRP) material. The static finite element (FE) simulation results of the flywheel static burst test (FSBT) compare well to the quasistatic FE-simulation results of the flywheel rotor using inertia loads. Furthermore, it is demonstrated that the presented method is a very good controllable and observable possibility to test a high speed flywheel energy storage system (FESS) rotor in a static way. Thereby, a much more expensive and dangerous dynamic spin up test with possible uncertainties can be substituted.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
1.
Zurück zum Zitat Sonnichsen, H.E.: Ensuring spin test safety. Mech Eng 115(5), 72–77 (1993) Sonnichsen, H.E.: Ensuring spin test safety. Mech Eng 115(5), 72–77 (1993)
2.
Zurück zum Zitat Genta, G.: Spin tests on medium energy density flywheels. Composites 13, 38–46 (1982)CrossRef Genta, G.: Spin tests on medium energy density flywheels. Composites 13, 38–46 (1982)CrossRef
3.
Zurück zum Zitat Curtiss, D.H., Mongeau, P.P., Puterbaugh, R.L.: Advanced composite flywheel structural design for a pulsed disk alternator. IEEE Trans. Magn. 31, 26–31 (1995)CrossRef Curtiss, D.H., Mongeau, P.P., Puterbaugh, R.L.: Advanced composite flywheel structural design for a pulsed disk alternator. IEEE Trans. Magn. 31, 26–31 (1995)CrossRef
4.
Zurück zum Zitat Ha, S.K., Kim, D.J., Nasir, S.U., Han, S.C.: Design optimization and fabrication of a hybrid composite flywheel rotor. Compos. Struct. 94, 3290–3299 (2012)CrossRef Ha, S.K., Kim, D.J., Nasir, S.U., Han, S.C.: Design optimization and fabrication of a hybrid composite flywheel rotor. Compos. Struct. 94, 3290–3299 (2012)CrossRef
5.
Zurück zum Zitat Kim, S., Hayat, K., Nasir, S., Ha, S.: Design and fabrication of hybrid composite hubs for a multi-rim flywheel energy storage system. Compos. Struct. 107, 19–29 (2014)CrossRef Kim, S., Hayat, K., Nasir, S., Ha, S.: Design and fabrication of hybrid composite hubs for a multi-rim flywheel energy storage system. Compos. Struct. 107, 19–29 (2014)CrossRef
6.
Zurück zum Zitat Nagy, G., Rosenwasser, S., Mehle, G.: The evaluation and testing of graphite fiber composite materials for high speed rotors. IEEE Trans. Magn. 31, 289–293 (1999)CrossRef Nagy, G., Rosenwasser, S., Mehle, G.: The evaluation and testing of graphite fiber composite materials for high speed rotors. IEEE Trans. Magn. 31, 289–293 (1999)CrossRef
7.
Zurück zum Zitat Nagy, G., Rosenwasser, S.: The evaluation of advanced composite material performance in high speed pulsed power rotor applications. IEEE Trans. Magn. 37, 314–317 (2001)CrossRef Nagy, G., Rosenwasser, S.: The evaluation of advanced composite material performance in high speed pulsed power rotor applications. IEEE Trans. Magn. 37, 314–317 (2001)CrossRef
8.
Zurück zum Zitat Lelos, V., Manifold, S., Granier, J.: Structural properties and testing of a composite banding used in high-speed rotors. IEEE Trans. Magn. 43, 250–253 (2007)CrossRef Lelos, V., Manifold, S., Granier, J.: Structural properties and testing of a composite banding used in high-speed rotors. IEEE Trans. Magn. 43, 250–253 (2007)CrossRef
9.
Zurück zum Zitat Tzeng, J., Emerson, R., Moy, P.: Composite flywheels for energy storage. Compos. Sci. Technol. 66, 2520–2527 (2006)CrossRef Tzeng, J., Emerson, R., Moy, P.: Composite flywheels for energy storage. Compos. Sci. Technol. 66, 2520–2527 (2006)CrossRef
10.
Zurück zum Zitat Headifen, R.N., Gupta, S., Okey, D.: Experimental testing of thick-walled graphite fiber composite rings. Compos. Sci. Technol. 51(4), 531–536 (1994)CrossRef Headifen, R.N., Gupta, S., Okey, D.: Experimental testing of thick-walled graphite fiber composite rings. Compos. Sci. Technol. 51(4), 531–536 (1994)CrossRef
11.
Zurück zum Zitat Ahmad, R., Al-Salehi, F.A.R., Al-Hassani, S.T.S., Hinton, M.J.: Strength and failure modes of hoop wound cfrp tubes under compressive high rates of loading. Appl. Compos. Mater. 12(5), 277–292 (2005)CrossRef Ahmad, R., Al-Salehi, F.A.R., Al-Hassani, S.T.S., Hinton, M.J.: Strength and failure modes of hoop wound cfrp tubes under compressive high rates of loading. Appl. Compos. Mater. 12(5), 277–292 (2005)CrossRef
12.
Zurück zum Zitat Al-Salehi, F.A.R., Al-Hassani, S.T.S., Haftchenari, H., Hinton, M.J.: Effect of temperature on the tensile strength and failure modes of angle ply cfrp tubes under hoop loading. Appl. Compos. Mater. 5(5), 319–343 (1998)CrossRef Al-Salehi, F.A.R., Al-Hassani, S.T.S., Haftchenari, H., Hinton, M.J.: Effect of temperature on the tensile strength and failure modes of angle ply cfrp tubes under hoop loading. Appl. Compos. Mater. 5(5), 319–343 (1998)CrossRef
13.
Zurück zum Zitat Al-Salehi, F.A.R., Al-Hassani, S.T.S., Haftchenari, H., Hinton, M.J.: Temperature and rate effects on grp tubes under tensile hoop loading. Appl. Compos. Mater. 8, 1–24 (2001)CrossRef Al-Salehi, F.A.R., Al-Hassani, S.T.S., Haftchenari, H., Hinton, M.J.: Temperature and rate effects on grp tubes under tensile hoop loading. Appl. Compos. Mater. 8, 1–24 (2001)CrossRef
14.
Zurück zum Zitat Haftchenari, H., Al-Salehi, F.A.R., Al-Hassani, S.T.S., Hinton, M.J.: Effect of temperature on the tensile strength and failure modes of angle ply aramid fibre (krp) tubes under hoop loading. Appl. Compos. Mater. 9, 99–115 (2002)CrossRef Haftchenari, H., Al-Salehi, F.A.R., Al-Hassani, S.T.S., Hinton, M.J.: Effect of temperature on the tensile strength and failure modes of angle ply aramid fibre (krp) tubes under hoop loading. Appl. Compos. Mater. 9, 99–115 (2002)CrossRef
15.
Zurück zum Zitat Schulz, A., Hinterdorfer, T., Sima, H., Wassermann, J., Neumann, M.: FLYWHEEL. WO Patent 2013170284 (A1) (2013) Schulz, A., Hinterdorfer, T., Sima, H., Wassermann, J., Neumann, M.: FLYWHEEL. WO Patent 2013170284 (A1) (2013)
16.
Zurück zum Zitat Hinterdorfer, T., Schulz, A., Sima, H., Hartl, S., Wassermann, J.: Topology optimization of a flywheel energy storage rotor using a genetic algorithm. In: Proceedings of the International Symposium on Magnetic Bearings, pp 11–14. IEEE, Linz, Austria (2014) Hinterdorfer, T., Schulz, A., Sima, H., Hartl, S., Wassermann, J.: Topology optimization of a flywheel energy storage rotor using a genetic algorithm. In: Proceedings of the International Symposium on Magnetic Bearings, pp 11–14. IEEE, Linz, Austria (2014)
17.
Zurück zum Zitat Hartl, S., Schulz, A., Kaltenbacher, M.: Optimum design of a high energy density composite flywheel rotor. In: Proceedings of the Vienna young Scientists Symposium, pp 25–26. TU Wien, Wien, Austria (2015) Hartl, S., Schulz, A., Kaltenbacher, M.: Optimum design of a high energy density composite flywheel rotor. In: Proceedings of the Vienna young Scientists Symposium, pp 25–26. TU Wien, Wien, Austria (2015)
18.
Zurück zum Zitat Hartl, S., Schulz, A., Kaltenbacher, M.: Design of a carbon fiber reinforced plastic shaft for a high speed flywheel rotor. In: Proceedings of the International Conference on Composite Materials, pp 19–24, Cobenhagen, Denmark (2015) Hartl, S., Schulz, A., Kaltenbacher, M.: Design of a carbon fiber reinforced plastic shaft for a high speed flywheel rotor. In: Proceedings of the International Conference on Composite Materials, pp 19–24, Cobenhagen, Denmark (2015)
19.
Zurück zum Zitat Schulz, A., Hartl, S., Sima, H., Hinterdorfer, T., Wassermann, J.: Innovative Schwungradspeicher mit hoher Energieeffizienz und Zuverlässigkeit. Elektrotechnik und Informationstechnik. to be published (2015) Schulz, A., Hartl, S., Sima, H., Hinterdorfer, T., Wassermann, J.: Innovative Schwungradspeicher mit hoher Energieeffizienz und Zuverlässigkeit. Elektrotechnik und Informationstechnik. to be published (2015)
20.
Zurück zum Zitat Millan, C., Jimenez, M.A., Miravete, A.: Finite element calculation of a press fit joint between a composite materials tube and an aluminium cylinder. Appl. Compos. Mater. 6(6), 369–380 (2001)CrossRef Millan, C., Jimenez, M.A., Miravete, A.: Finite element calculation of a press fit joint between a composite materials tube and an aluminium cylinder. Appl. Compos. Mater. 6(6), 369–380 (2001)CrossRef
21.
Zurück zum Zitat Hartl, S., Schulz, A., Kaltenbacher, M.: Direct estimation of the elastic constants of cfrp plates by using lagranges equation. In: Proceedings of the International Conference on Composite Structures, pp 15–18, Lisbon, Portugal (2015) Hartl, S., Schulz, A., Kaltenbacher, M.: Direct estimation of the elastic constants of cfrp plates by using lagranges equation. In: Proceedings of the International Conference on Composite Structures, pp 15–18, Lisbon, Portugal (2015)
22.
Zurück zum Zitat DIN EN ISO 527-1:2012-06, Kunststoffe - Bestimmung der Zugeigenschaften - Teil 1: Allgemeine Grundsätze (ISO 527-1:2012) DIN EN ISO 527-1:2012-06, Kunststoffe - Bestimmung der Zugeigenschaften - Teil 1: Allgemeine Grundsätze (ISO 527-1:2012)
23.
Zurück zum Zitat DIN EN ISO 527-5:2010-01, Kunststoffe - Bestimmung der Zugeigenschaften - Teil 5: Prüfbedingungen für unidirektional faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe (ISO 527-5:2009) DIN EN ISO 527-5:2010-01, Kunststoffe - Bestimmung der Zugeigenschaften - Teil 5: Prüfbedingungen für unidirektional faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe (ISO 527-5:2009)
24.
Zurück zum Zitat DIN EN ISO 14126:2000-12, Faserverstärkte Kunststoffe - Bestimmung der Druckeigenschaften in der Laminatebene (ISO 14126:1999) DIN EN ISO 14126:2000-12, Faserverstärkte Kunststoffe - Bestimmung der Druckeigenschaften in der Laminatebene (ISO 14126:1999)
25.
Zurück zum Zitat DIN EN ISO 14129:1998-02, Faserverstärkte Kunststoffe - Zugversuch an 45-Laminaten zur Bestimmung der Schubspannungs/Schubverformungs-Kurve des Schubmoduls in der Lagenebene (ISO 14129:1997) DIN EN ISO 14129:1998-02, Faserverstärkte Kunststoffe - Zugversuch an 45-Laminaten zur Bestimmung der Schubspannungs/Schubverformungs-Kurve des Schubmoduls in der Lagenebene (ISO 14129:1997)
26.
Zurück zum Zitat Tsai, S.W.: Theory of Composites Design. Think Composites, Dayton, USA (1992) Tsai, S.W.: Theory of Composites Design. Think Composites, Dayton, USA (1992)
27.
Zurück zum Zitat Sekine, H., Shin, E.: Optimum design of thick-walled multi-layered cfrp pipes to reduce process-induced residual stresses. Appl. Compos. Mater. 6(5), 289–307 (1999)CrossRef Sekine, H., Shin, E.: Optimum design of thick-walled multi-layered cfrp pipes to reduce process-induced residual stresses. Appl. Compos. Mater. 6(5), 289–307 (1999)CrossRef
28.
Zurück zum Zitat Smith, P.A., Boniface, L., Glass, N.F.C.: A comparison of transverse cracking phenomena in (0/90)s and (90/0)s cfrp laminates. Appl. Compos. Mater. 5, 11–23 (1998)CrossRef Smith, P.A., Boniface, L., Glass, N.F.C.: A comparison of transverse cracking phenomena in (0/90)s and (90/0)s cfrp laminates. Appl. Compos. Mater. 5, 11–23 (1998)CrossRef
29.
Zurück zum Zitat Chen, W., Yu, Y., Li, P., Wang, C., Zhou, T., Yang, X.: Effect of new epoxy matrix for t800 carbon fiber/epoxy filament wound composites. Compos. Sci. Technol. 67, 2261–2270 (2007)CrossRef Chen, W., Yu, Y., Li, P., Wang, C., Zhou, T., Yang, X.: Effect of new epoxy matrix for t800 carbon fiber/epoxy filament wound composites. Compos. Sci. Technol. 67, 2261–2270 (2007)CrossRef
30.
Zurück zum Zitat Gao, S.L., Mäder, E., Zhandarov, S.F.: Carbon fiber and composites with epoxy resins: topography, fractography and interphases. Carbon 42(3), 515–529 (2004)CrossRef Gao, S.L., Mäder, E., Zhandarov, S.F.: Carbon fiber and composites with epoxy resins: topography, fractography and interphases. Carbon 42(3), 515–529 (2004)CrossRef
31.
Zurück zum Zitat Cerny, I., Mayer, R.M.: Fatigue of selected grp composite components and joints with damage evaluation. Compos. Struct. 94(2), 664–670 (2012)CrossRef Cerny, I., Mayer, R.M.: Fatigue of selected grp composite components and joints with damage evaluation. Compos. Struct. 94(2), 664–670 (2012)CrossRef
Metadaten
Titel
A Static Burst Test for Composite Flywheel Rotors
verfasst von
Stefan Hartl
Alexander Schulz
Harald Sima
Thomas Koch
Manfred Kaltenbacher
Publikationsdatum
01.06.2016
Verlag
Springer Netherlands
Erschienen in
Applied Composite Materials / Ausgabe 3/2016
Print ISSN: 0929-189X
Elektronische ISSN: 1573-4897
DOI
https://doi.org/10.1007/s10443-015-9460-5

Weitere Artikel der Ausgabe 3/2016

Applied Composite Materials 3/2016 Zur Ausgabe

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.