一种风力发电机轮毂结构及风力发电机的制作方法

1.本发明涉及风力发电技术领域，具体而言，涉及一种风力发电机轮毂结构及风力发电机。


背景技术：

2.轮毂是风力发电机组中非常重要的一个部件，在风力发电机组结构中，轮毂连接风机主轴和叶片。叶片通过变桨轴承安装于轮毂上，风机主轴通过主轴法兰安装于轮毂上，基于制造成本及陆上运输条件的限制，轮毂尺寸、重量等应控制在合理范围。
3.然而，随着风电技术的发展，风机不断向大叶轮方向发展，轮毂的设计也随着载荷增加而趋向大直径，轮毂外缘更加靠近主轴法兰，导致轮毂腹板内侧位置过渡剧烈，应力集中明显，大大缩减轮毂的寿命，并带来安全性问题。


技术实现要素：

4.本发明解决的问题是轮毂腹板内侧应力集中，影响轮毂寿命。
5.为解决上述问题，本发明提供一种风力发电机轮毂结构，包括：轮毂本体以及设置于所述轮毂本体上的主轴连接法兰和至少一个叶片轴承法兰，所述叶片轴承法兰的内侧设置有腹板，所述轮毂本体的内壁包括用于将所述腹板内端面与所述主轴连接法兰内端面平滑过渡连接的第一曲面，所述第一曲面包括与所述腹板内端面相切的第一过渡曲面，所述第一过渡曲面包括过渡曲线，所述过渡曲线为所述第一过渡曲面与第一截面的相交线，其中，所述第一截面垂直于所述腹板内端面且经过所述腹板内端面的中心点；所述过渡曲线为非圆弧曲线，且所述过渡曲线的曲率半径大于第一圆弧半径，其中，所述第一圆弧半径为所述过渡曲线为圆弧时的半径。
6.优选地，所述过渡曲线为椭圆曲线上长轴端点与短轴端点之间的弧线，且所述椭圆曲线的长轴在所述腹板所在面上的投影沿所述腹板的径向，所述椭圆曲线的短轴在所述主轴连接法兰内端面延伸面上的投影沿所述主轴连接法兰的径向。
7.优选地，所述过渡曲线为抛物线上的一段弧线，且所述弧线的端点为所述抛物线的顶点，所述抛物线的开口方向朝向所述轮毂本体的内侧。
8.优选地，所述第一曲面还包括与所述主轴连接法兰的内端面相切的第二过渡曲面。
9.优选地，所述腹板的外端面与所述叶片轴承法兰的内端面之间弧形过渡。
10.优选地，所述腹板上设置有用于辅助安装叶片装配螺栓的多个工艺孔。
11.优选地，所述工艺孔为腰形孔。
12.优选地，所述轮毂本体外壁上设置有至少一个人员通道孔。
13.优选地，轮毂本体上设置有至少一个安装口，所述安装口的数量与所述叶片轴承法兰的数量相对应，多个所述安装口绕所述轮毂本体外壁周向间隔设置。
14.本发明的风力发电机轮毂结构相较于现有技术具有的有益效果如下：
15.本发明对腹板与主轴连接法兰之间过渡的过渡曲线进行优化，将过渡曲线优化为曲率半径大于圆弧的曲率半径的曲线，过渡曲线的形状比圆弧形曲线更平滑，使得应力集中的位置过渡得更平滑，以降低腹板内侧倒角处的应力集中效应。
16.本发明还提供一种风力发电机，包括如上所述的风力发电机轮毂结构。
17.本发明的风力发电机相较于现有技术具有的有益效果与风力发电机轮毂结构相较于现有技术具有的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
18.图1为本发明实施例中风力发电机轮毂结构的整体结构示意图；
19.图2为本发明实施例中风力发电机轮毂结构的剖视图；
20.图3为图2中ⅰ处放大图；
21.图4为现有技术中过渡曲线为圆弧形的示意图；
22.图5为本发明实施例中过渡曲线为椭圆上的弧段的示意图；
23.图6为本发明实施例中过渡曲线为抛物线上的弧段的示意图。
24.附图标记说明：
[0025]1‑
轮毂本体；2
‑
主轴连接法兰；3
‑
叶片轴承法兰；4
‑
腹板；5
‑
过渡曲线；6
‑
第一曲面；7
‑
第一截面。
具体实施方式
[0026]
在风力发电机组中，轮毂不仅承载载荷，还要与叶片或变桨轴承、风机主轴、导流罩连接。轮毂上设置有用于变桨轴承安装定位的凸台和腹板，变桨轴承安装在凸台上，变桨轴承与腹板之间形成用以安装叶片的安装空间。轮毂上设置有用于风机主轴安装的主轴法兰。
[0027]
现有技术中，大叶片发展是趋势，随着变桨轴承半径的增加，轮毂的外缘更加靠近主轴法兰，使得轮毂介于主轴法兰与变桨轴承之间的轴向空间减小，所谓轴向是指主轴法兰的轴向。主轴法兰越靠近轮毂上连接叶根的部位，主轴法兰与轮毂端面之间的夹角就越接近于直角，由此导致腹板内侧倒角位置应力增加。另外，受成本及陆上运输条件的设置，主轴法兰也不能沿轴向向远离轮毂方向移动。
[0028]
轮毂是影响风力发电机组长期可靠运行的关键因素，因此，由于轮毂直径增大导致轮毂介于主轴法兰与变桨轴承之间的轴向空间减小、进而导致轮毂腹板内侧应力集中是本领域亟需解决的关键问题。
[0029]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0030]
请参阅图1
‑
3所示，本发明实施例提供一种风力发电机轮毂结构，包括：轮毂本体1以及设置于轮毂本体1上的主轴连接法兰2和至少一个叶片轴承法兰3，叶片轴承法兰3的内侧设置有腹板4，轮毂本体1的内壁包括用于将腹板4内端面与主轴连接法兰2内端面平滑过渡连接的第一曲面6，第一曲面6包括与腹板4内端面相切的第一过渡曲面，第一过渡曲面包括过渡曲线5，过渡曲线5为第一过渡曲面与第一截面7的相交线，其中，第一截面7垂直于腹板4内端面且经过腹板4内端面的中心点；过渡曲线5为非圆弧曲线，且过渡曲线5的曲率半
径大于第一圆弧半径，其中，第一圆弧半径为过渡曲线为圆弧时的半径。
[0031]
如图1所示，轮毂本体1整体大致为球形结构，轮毂本体1上设置有至少一个安装口，安装口用于安装叶片，叶片通过变桨轴承及叶片轴承法兰3固定安装于安装口，安装口的数量与叶片轴承法兰3的数量相对应，且安装口绕轮毂本体1外壁周向间隔设置。每相邻两个安装口之间的轮毂本体1外壁上均设置安装孔，安装孔适于安装叶轮爬梯，安装叶轮爬梯以便于安装叶轮，安装孔通常为螺栓孔。
[0032]
具体实施方式中，安装口的数量可以为一个、两个或三个，相对应地，叶片轴承法兰3的数量也可以为一个、两个或三个，由此得到单叶片风力发电机、双叶片风力发电机或三叶片风力发电机。从成本及能量转化率方面考虑，目前应用较多的为三个叶片的风力发电机，本实施例中优选为轮毂结构包括轮毂本体1及设置于轮毂本体1上的一个主轴连接法兰2和三个叶片轴承法兰3的三叶片风力发电机。
[0033]
叶片轴承法兰3的内侧设置有腹板4，腹板4呈封闭环形面结构设置。所谓内侧是指靠近轮毂本体1中心的方向为内，反之为外。腹板4的设置，对轮毂本体1与叶片的安装起到加强作用，提高轮毂本体1与叶片连接的可靠性。
[0034]
腹板4的周缘与轮毂本体1内壁连接，腹板4内侧与轮毂本体1内壁之间具有倒角，腹板4内侧倒角位置处因结构刚度变化易产生应力集中。现有技术中，腹板4内端面与主轴连接法兰2之间的过渡通常采用圆弧面过渡，即腹板4内端面与主轴连接法兰2的内端面之间的轮毂本体1内壁为圆弧面，即第一过渡曲面为圆弧面，由此，轮毂本体1被第一截面7截切后形成的切面与圆弧面之间的相交曲线为圆弧线，如图4所示。需要注意的是，第一截面7垂直于腹板4内端面且经过腹板4内端面的中心点。
[0035]
由于轮毂本体1上通常会设置人员通道孔、吊具安装孔及护栏安装孔等。因此轮毂本体1上开孔处的应力水平也较为集中，通过加厚轮毂本体1壁厚或者局部加厚开孔位置的方式不仅对降低应力集中效果甚微，还会增加轮毂本体1整体重量。而通过加大圆弧角度一定程度上可以减小应力，但是由于轮毂本体1空间有限，将腹板4内端面倒角的圆弧增大角度通常会与轮毂本体1上的其它孔之间产生干涉，因此，腹板4内端面与主轴连接法兰2之间圆弧面过渡的形式无法解决腹板4内侧倒角应力集中的问题。
[0036]
本实施例对腹板4与主轴连接法兰2之间过渡的圆弧形曲线进行优化，将过渡曲线5优化为曲率半径大于圆的曲率半径的曲线，即过渡曲线5的曲率半径大于第一圆弧的曲率半径，以降低腹板4内端面与主轴连接法兰2之间的过渡曲线5的曲率，由于过渡曲线5的形状比第一圆弧更平滑，使得应力集中的位置过渡的更平滑，以降低腹板4内侧倒角处的应力集中。
[0037]
需要说明的是，腹板4内端面与主轴连接法兰2的内端面之间的第一曲面6包括第一过渡曲面和第二过渡曲面，其中，第一过渡曲面为靠近腹板4内端面侧的曲面，且第一过渡曲面的一端与腹板4内端面相切，第二过渡曲面为靠近主轴连接法兰2的内端面侧的曲面，且第二过渡曲面优选为与主轴连接法兰2的内端面相切，而第一过渡曲面与第二过渡曲面之间平滑过渡连接。由于本实施例主要解决腹板4内侧倒角处应力集中的问题，因此，增大与腹板4内端面连接的第一过渡曲面内过渡曲线的曲率半径，适当拉长轮毂本体1在主轴连接法兰2与腹板4之间的轴向空间，可以改善腹板4内侧应力集中的问题。
[0038]
其中一种优选实施方式中，如图5所示，过渡曲线5为椭圆曲线上长轴端点与短轴
端点之间的弧线，且椭圆曲线的长轴在腹板4所在面上的投影沿腹板4的径向，椭圆曲线的短轴在主轴连接法兰2端面延伸面上的投影沿主轴连接法兰2的径向。
[0039]
应当理解的是，椭圆曲线具有长轴、短轴及上下左右四个顶点，长轴上有两个顶点，短轴上有两个顶点，长轴端点是指长轴顶点中的一个点，短轴端点是指短轴顶点中的一个点。因此，椭圆曲线上长轴端点与短轴端点之间的弧线包括椭圆上顶点与左顶点之间的弧线、上顶点与右顶点之间的弧线、下顶点与左顶点之间的弧线及下顶点与右顶点之间的弧线。可以理解本实施例中过渡曲线5为上述四个弧线中的一个，主要与腹板4与主轴连接法兰2的相对位置关系有关，例如，如图1所示，其中一个腹板4位于轮毂本体1的上侧，主轴连接法兰2设置于轮毂本体1的右侧，因此腹板4内端面与主轴连接法兰2之间的过渡曲线5为椭圆上顶点与右顶点之间的弧线。
[0040]
将腹板4内端面与主轴连接法兰2之间的过渡曲线5由圆弧优化为椭圆形曲线上的一段弧，增大了该处过渡位置的曲率半径，降低应力集中。
[0041]
另一种优选实施方式中，如图6所示，过渡曲线5为抛物线上的一段弧线，且弧线的端点为抛物线的顶点，抛物线的开口方向朝向轮毂本体1的内侧。应当理解，抛物线是指平面内到一定点和一条定直线的距离相等的点的轨迹，该定点为焦点，该定直线为准线，抛物线为轴对称图形，对称轴为垂直于准线且经过焦点的直线，可以理解端点为抛物线顶点的弧线是抛物线对称轴一侧曲线上的弧。通过将腹板4内端面与主轴连接法兰2之间的过渡曲线5优化为抛物线上的一段弧，也增大了腹板4内侧倒角位置处的曲率半径，使得腹板4内端面与第二过渡曲面之间的第一过渡曲面更加平滑，降低应力集中。
[0042]
其中一些实施方式中，腹板4上设置有用于辅助安装叶片装配螺栓的多个工艺孔，工艺孔用于安装变桨叶片的连接螺栓。优选地，工艺孔为腰形孔，以方便叶片根部与变桨轴承的螺栓安装与拆除。
[0043]
为了优化工艺孔边缘的受力，降低因结构变化引起的应力集中效应，本实施例中，腹板4的外端面与叶片轴承法兰3的内端面之间弧形过渡。
[0044]
腹板4上还设置有维护孔，用于对腹板4进行结构维护，以确保腹板4具有足够的强度，以加强叶片的安装。
[0045]
本发明另一实施例提供一种风力发电机，包括如上所述的风力发电机轮毂结构。
[0046]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。