用于风轮机的轮毂的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于风轮机的轮毂，所述轮毂包括由至少两个壳体部件组装成的连续壳体。为了提高轮毂的刚度，将板件附接在组装成的轮毂的叶片凸缘内。由于壳体部件与板件之间的联合，在确保强度与刚度的同时便于制造及运输。
【专利说明】用于风轮机的轮毂
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种轮毂，该轮毂形成有具有至少一个叶片凸缘的空心体，所述叶片凸缘用于使轮毂连接至对应的风轮机叶片。即便轮毂的尺寸非常大，本发明的轮毂也易于操纵及运输。本发明还涉及制造轮毂的方法。
【背景技术】
[0002]现代风轮机变得越来越大，从而风轮机的诸如轮毂之类的各个部件的尺寸也增大了。在3MW的风轮机中，叶片可超过50米长，叶根凸缘的直径可大于3米。由于作用力的增加，需要更大更结实的轮毂。
[0003]难以操纵大型部件并且难以将其从风轮机的制造工厂运输至工作地。
[0004]通常，轮毂整体铸造，由于部件尺寸的增大，铸造过程更加昂贵并且供应量减少。
[0005]US6, 942，461公开了一种用于风电设施的转子叶片轮毂。该转子叶片轮毂被分成轮毂芯及若干与转子叶片的数目对应的外轮毂部分。每个外轮毂部分连接至轮毂芯及转子叶片。轮毂芯是相当大型的部件，因而此轮毂未完全避免与大型部件的操纵及制造有关的弊端。
[0006]WOO1/42647公开了一种风轮机转子轮毂，其包括两个经由轮毂旋转轴线的横向延伸的表面相互粘附的壳体。轮毂由复合材料制成。
[0007]对于较小的风轮机，普遍采用焊接起来的轮毂。然而，为了获得用于更大型的风轮机的更结实的叶片轮毂，通常将轮毂设计成限定在两个球体(内球体和外球体)之间的空心体，通常通过使两个球体的中心略偏移而获得由风轮机叶片在轮毂中引起的应力的最优分配。叶片轮毂设计成空心体结构以减小其重量并优化其强度。
[0008]风轮机叶片借助凸缘附接至轮毂，凸缘之间的轴承允许叶片变桨。为了减小重量并提供从轮毂到叶片内腔中的通道，通常在叶片凸缘内及轮毂凸缘内设置大型开口。
[0009]由于轮毂中的开口，在风轮机运转期间在此区域的材料中通常发生大的应力集中，结果会出现变形。响应于应力集中，以越来越大的厚度材料制作轮毂，这又使轮毂的制造、操纵及运输复杂化。
[0010]因此，本发明的目的是提供一种轮毂，其减小与运转期间的应力以及轮毂的制造、操纵及运输相关的复杂性。
【发明内容】
[0011]根据第一方面，本发明提供一种轮毂，该轮毂包括由至少两个壳体部件组装而成并形成空心体的连续壳体，所述空心体具有至少一个叶片凸缘，所述叶片凸缘具有用于连接能相对于所述轮毂运动的风轮机叶片的叶片轴承，所述轮毂还包括布置在每个叶片凸缘内的板件。
[0012]由于由至少两个壳体部件组装而成的连续壳体与布置在叶片凸缘内的板件之间的联合，能够制造与制成的连续壳体的尺寸相比尺寸较小的壳体部件，并且由于所述板件，能有效应对会由元件的组装产生的不利。因此，具有大刚度及大应力集中承受能力的轮毂能以小部件的形式制造、操纵及运输，因此削弱大型的单件轮毂的上述复杂性。
[0013]此外，轮毂通常会形成有用于使轮毂与主轴连接的主轴凸缘。
[0014]所述至少两个壳体部件沿划分线接合。划分线可以横断叶片凸缘和/或主轴凸缘至少其一。以此方式，布置在叶片凸缘内的板件有效参与到壳体部件的组装中，从而可增加组装后的轮毂的强度。
[0015]如果凸缘由附接至轮毂的分立部件形成，那么叶片凸缘和/或主轴凸缘可包括附接至其中一个壳体部件的片段以及附接至另一个壳体部件的片段。
[0016]另选地，凸缘可形成轮毂的一部分，因此至少一个叶片凸缘和/或主轴凸缘包括形成其中一个壳体部件的一部分的片段以及形成另一个壳体部件的一部分的片段。
[0017]应理解，包括连续壳体的轮毂是由如下壳体形成的轮毂:组装起来后该壳体形成单个整体，即，所述至少两个壳体部件在组装起来后除使用期间的变形外，不能相对于彼此移动。然而，该连续壳体可包括一个或多个开孔，例如在机舱中安装轮毂期间或维修风轮机期间必须出入轮毂的维修工或其他人员使用的开口。
[0018]在本文背景下，术语“风轮机”应解释为一种能够将风能转换成电能的装置，电能优选被供应至电网。一组风轮机叶片提取风能，从而使转子旋转。转子的旋转运动直接经由定子部件和转子部件传递至发电机，或者经由例如包括主轴、齿轮系统以及发电机输入轴的传动系传递至发电机。尤其是，本发明与大型水平轴线风轮机(例如3MW以上的风轮机)有关。
[0019]轮毂是风轮机承载风轮机叶片的部件。当风轮机叶片提取风能时，轮毂旋转。在风轮机是一种包括用于将转子的旋转运动传递至发电机的传动系的风轮机的情况下，轮毂可以有利地以下述方式连接至主轴:轮毂的旋转运动被转换为主轴的旋转运动。在本发明的轮毂中，主轴借助轮毂上的主轴凸缘及主轴上的对应凸缘连接至轮毂。类似地，风轮机叶片借助相应的叶片凸缘及风轮机叶片上的对应凸缘(优选经由变桨轴承)连接至轮毂。
[0020]壳体部件借助一个或多个连接部相互连接。这些连接部与形成在壳体部件上的接口匹配以允许壳体部件之间的合适连接，从而形成轮毂。连接部可例如包括例如设置有用于螺栓连接等的孔的凸缘或类凸缘部。
[0021]壳体部件可由可铸造的材料铸造而成。因此，每个壳体部件利用铸造技术制造。这是一项优势，因为铸造是低成本的制造方法，并且制造的部件相当结实耐用。
[0022]而且，因为轮毂包括至少两个分开铸造的壳体部件，还因为壳体部件明显小于所形成的轮毂，所以能够执行更为简单的铸造操作，以减少铸造过程中的人力需求，并且便于重新使用形成铸模所用的型砂。
[0023]总之，由于所述至少两个壳体部件，本发明的轮毂在制造及运输期间易于操纵。利用有成本效益的技术制成，这还提供结实耐用的轮毂，该轮毂能够承受运转期间的预期负荷。
[0024]壳体部件可由铸铁之类的铸造金属或其它合适的铸造金属制成，所述铸铁例如球墨铸铁 EN-GJS-400-18。
[0025]每个凸缘可在连续壳体中形成进入空心体内的内部空间的开口。
[0026]轮毂可具体地由两个壳体部件构成，或者甚至可包括两个以上壳体部件。[0027]如已经提及的，连接部可至少横断一个叶片凸缘，S卩，至少一个叶片凸缘可包括形成其中一个壳体部件的一部分的片段以及形成其它壳体部件的一部分的片段，或者包括附接至其中一个壳体部件的片段以及附接至其它壳体部件的片段。根据此实施方式，轮毂优选包括后部件以及与后部件对置的前部件，主轴凸缘完全形成在后部件内。在相似的实施方式中，后部件和/或前部件可由多个壳体部件形成，这些壳体部件例如绕轮毂的旋转轴线周向布置。在此情况下，后部件可例如由单个壳体部件形成，由此避免划分主轴凸缘，而前部件可由多个壳体部件形成，例如两个或三个，由此减小轮毂的该前部件所用的各个壳体部件的尺寸。
[0028]作为另选方案，壳体部件的数目可等于叶片凸缘的数目，并且连接部可横断主轴凸缘，即，主轴凸缘可包括形成其中一个壳体部件的一部分的片段以及形成另一壳体部件的一部分的片段，或者包括附接至其中一个壳体部件的片段以及附接至另一壳体部件的片段。根据此实施方式，壳体部件优选相对于轮毂的旋转轴线周向布置。壳体部件可有利地在尺寸与形状方面大致相同，并且这些壳体部件可关于风轮机叶片大致对称布置。在类似的实施方式中，一个或多个壳体部件可由两个或更多个壳体部件形成，例如后部件与前部件。
[0029]在上述实施方式中，连接部可还横断至少一个叶片凸缘，使得至少一个叶片凸缘包括形成其中一个壳体部件的一部分的片段以及形成另一壳体部件的一部分的片段，或者包括附接至其中一个壳体部件的片段以及附接至另一壳体部件的片段。在此情况下，轮毂的布置在叶片凸缘之间的部分优选地均包含在单个壳体部件中。由此，壳体部件之间的连接不会使这些部分的强度受损。
[0030]在将轮毂分成多个壳体部件的上述任一方式中，所述板件或每一板件可优选附接至至少两个不同的壳体部件，使得板件参与将壳体部件保持在一起。
[0031]作为另选方案，连接部还可在两个叶片凸缘之间延伸，S卩，可横断两个叶片凸缘之间的至少一个区域。在此情况下，叶片凸缘优选均包含在单个壳体部件中。由此，壳体部件之间的连接不会使叶片凸缘的强度受损。
[0032]作为另一另选方案，一些连接部可横断叶片凸缘，而另一些连接部可横断叶片凸缘之间的区域。在此情况下，壳体部件的数目有利地是叶片凸缘数目的两倍。
[0033]应理解，本发明还涵盖了如下实施方式:轮毂可包括任一数目的壳体部件，只要至少有两个即可，并且这些壳体部件能以任一适合于具体轮毂的方式相对于彼此布置。
[0034]壳体部件可用诸如一个或多个螺栓组件之类的可逆连接装置相互连接。这样的组装允许壳体部件容易地相互连接，并且组装甚至可在风轮机的工作地进行。因此便利了轮毂由制造地到工作地的运输。而且，可逆连接装置允许壳体部件在以后的时间相互断开，例如在风轮机的修理、维护或者废弃时。
[0035]板件可以以相似方式借助可逆连接装置连接至轮毂，并且优选连接到至少两个不同的壳体部件。
[0036]作为可逆连接装置的另选方案，壳体部件与板件能以例如焊接之类的永久方式相互连接。
[0037]特别地，板件可以是具有圆形外缘部的圆板。外缘部在叶片凸缘与叶片轴承之间附接至轮毂，并且特别地，外缘部可附接至轴承的定子环。
[0038]板和/或叶片轴承的定子环可例如借助焊接永久附接至轮毂，或者可如以上所述螺栓连接至轮毂。为了将这些零件螺栓连接，圆形外缘部可包括多个用于使板件与叶片凸缘进行螺栓连接的凸缘连接孔。圆形外缘部也可包括多个用于使板件与叶片轴承的定子环进行螺栓连接的轴承连接孔。
[0039]特别地，轴承连接孔与凸缘连接孔可沿轴承连接圆与凸缘连接圆布置，凸缘连接圆的直径可大于轴承连接圆的直径。
[0040]为了保证叶片轴承相对于连续壳体正确调平，轮毂还可包括固定至轮毂并绕板件周向延伸的环形元件。在此实施方式中，叶片轴承可借助板件并借助该环形元件被支撑在壳体上。
[0041]所述环形元件与包括内定子环、外定子环及定子环之间的转子环的三环轴承特别相关。内定子环可附接至板件的外缘，外定子环可附接至环形元件。
[0042]所述环形元件可制成多个片段，这些片段接合而形成绕叶片凸缘周向延伸的单个元件，或者所述环形元件可由多个分离的片段构成。
[0043]为了提供连续壳体中的腔与叶片内的腔之间的通道，板件可包括至少一个且任选地多个开口，开口的尺寸足以使人员穿过板件进入。这些开口可设置有可释放的闭合元件，例如沿开口的外缘部固定的闭合元件，这样当开口被关闭时，闭合元件也可增大轮毂的强度。
[0044]在一个实施方式中，主轴凸缘以对应于以上关于叶片凸缘描述的方式设置有板件和/或环形元件。
[0045]在第二方面中，本发明提供一种包括如上所述的轮毂的风轮机。
[0046]在第三方面中，本发明提供一种制造用于风轮机的轮毂的方法，该方法包括以下步骤:由至少两个壳体部件组装成连续壳体以形成空心体；在所述空心体上设置用于使轮毂与主轴连接的主轴凸缘并设置至少一个叶片凸缘，该叶片凸缘具有用于连接能相对于轮毂运动的风轮机叶片的叶片轴承；以及在每个叶片凸缘内附接板件。
【专利附图】
【附图说明】
[0047]现将参照附图更为详细地描述本发明，在附图中，
[0048]图1至图3是根据本发明的第一实施方式的轮毂的分解图；以及
[0049]图4与图5是根据本发明的另选实施方式的轮毂I的分解图。
【具体实施方式】
[0050]应理解，详细说明及具体实施例在表明本发明的实施方式的同时仅以例示的方式给出，这是因为根据该详细说明，在本发明精神和本发明范围内的多种变更及变型对于本【技术领域】技术人员来说将会是显而易见的。
[0051]图1是根据本发明的轮毂I的分解图。所示的轮毂具有主体，该主体被分成两个壳体部件并因此包括前壳体部件2，该前壳体部件2包括三个叶片凸缘5各自的一部分。前壳体部件2还包括三个连接部6，这些连接部适于与后壳体部件3的对应连接部6连接。
[0052]轮毂I还包括布置在每个叶片凸缘5内的板件4。
[0053]板件4的尺寸与其所附接的叶片凸缘5的尺寸基本对应。由此，板件为轮毂I提供刚度更大的结构。圆形板件4具有允许人员出入壳体的空心体的开口 7。[0054]环状的环形元件8的尺寸对应于叶片凸缘5的尺寸，并且环形元件8定位在叶片凸缘5的顶部，以提供具有更大强度的刚度更大的叶片凸缘5。
[0055]每个环形元件8包括四个环形部9。环形元件的其中两个对接接头定位成相对于连接部6偏移，而另外两个对接接头定位在前壳体部件2与后壳体部件3之间的连接部的顶部上。
[0056]图2与图3是根据本发明的第一实施方式的轮毂的分解图，这两个图是从两个不同角度看到的，未示出板件。轮毂I包括前壳体部件2与后壳体部件3。后壳体部件3中形成有主轴凸缘10。在轮毂I安装在风轮机中时，主轴凸缘10适于连接至主轴(未示出)。
[0057]轮毂I还包括三个叶片凸缘5，每个叶片凸缘适于借助变桨轴承连接风轮机叶片。
[0058]前壳体部件2与后壳体部件3均设置有三个连接部6。这些连接部6布置在叶片凸缘5之间的区域中，并且其横断叶片凸缘5，即，每个叶片凸缘5包括形成前壳体部件2的一部分的部分以及形成后壳体部件3的一部分的部分。
[0059]在此第一实施方式中，附接至每个叶片凸缘的三个板件(未示出)增强了两个壳体部件之间的连接强度。
[0060]利用铸造技术单独制成壳体部件2、3。因此，每个铸件的尺寸大致是整个轮毂I的尺寸的一半。如上所述，这使得在铸造过程中更易于操纵轮毂。之后，通过使连接部6在图1与图2所示的位置中相互连接而组装壳体部件2、3。这可例如通过使连接部6相互螺栓连接或者通过焊接而完成。
[0061]图4与图5是根据本发明的第二实施方式的轮毂I的分解图，也是从两个不同角度看到的，并且为了简化视图而未示出板件。轮毂包括三个壳体部件11，这些壳体部件相对于轮毂I运转期间的旋转轴线周向布置。类似于图2与图3的实施方式，轮毂I包括主轴凸缘10与三个叶片凸缘5。
[0062]每个壳体部件11包括四个连接部6，每个连接部适于连接至其它壳体部件11中的一个壳体部件的连接部6。这些连接部6以如下方式布置:每个连接部6横断叶片凸缘5，并且这些连接部中的半数还横断主轴凸缘10。因此，每个叶片凸缘5包括形成一个壳体部件11的一部分的部分以及形成另一个壳体部件11的一部分的部分。
[0063]主轴凸缘10包括三个部分，每个部分形成其中一个壳体部件11的一部分。叶片凸缘5之间的区域包含在单个壳体部件11中。
[0064]利用铸造技术单独制成壳体部件11，之后，参照图1与图2，如上所述借助连接部6将这些壳体部件组装起来而形成轮毂I。
【权利要求】
1.一种用于风轮机的轮毂，所述轮毂包括由至少两个壳体部件组装起来并形成空心体的连续壳体，该空心体具有至少一个叶片凸缘，所述叶片凸缘用于连接便于叶片相对于所述轮毂运动的叶片轴承，所述轮毂还包括布置在每个叶片凸缘内的板件。
2.根据权利要求1所述的轮毂，其中，所述板件包括在所述叶片凸缘与所述叶片轴承之间附接至所述轮毂的圆形外缘部。
3.根据权利要求2所述的轮毂，其中，所述圆形外缘部包括多个用于使所述板件与所述叶片凸缘进行螺栓连接的凸缘连接孔。
4.根据权利要求2或3所述的轮毂，其中，所述圆形外缘部包括多个用于使所述板件与所述叶片轴承的定子环进行螺栓连接的轴承连接孔。
5.根据权利要求3和4所述的轮毂，其中，所述轴承连接孔沿轴承连接圆布置，所述凸缘连接孔沿凸缘连接圆布置，并且所述凸缘连接圆的直径大于所述轴承连接圆的直径。
6.根据前述任一项权利要求所述的轮毂，所述轮毂还包括环形元件，该环形元件固定至所述轮毂并绕所述板件周向延伸。
7.根据权利要求6所述的轮毂，其中，所述环形元件绕所述叶片凸缘周向延伸。
8.根据权利要求6或7所述的轮毂，其中，所述环形元件固定至所述叶片轴承的定子环。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的轮毂，其中，所述环形元件固定至所述叶片凸缘。
10.根据权利要求6至9中的任一项所述的轮毂，其中，所述环形元件固定至所述连续壳体。
11.根据前述任一项权利要求所述的轮毂，其中，所述板件包括至少一个开口，所述开口提供从所述空心体到对应的叶片内的通道。
12.根据前述任一项权利要求所述的轮毂，所述轮毂还包括:用于使所述轮毂与主轴连接的主轴凸缘；以及布置在所述主轴凸缘内的圆形板件。
13.根据前述任一项权利要求所述的轮毂，其中，至少一个所述板件被附接至至少两个壳体部件。
14.根据前述任一项权利要求所述的轮毂，其中，所述至少两个壳体部件沿横切至少一个所述叶片凸缘的划分线接合。
15.根据前述任一项权利要求所述的轮毂，其中，所述叶片轴承仅借助所述叶片轴承的定子环附接至所述连续壳体。
16.一种包括根据权利要求1至14中的任一项所述的轮毂的风轮机。
17.—种制造用于风轮机的轮毂的方法，该方法包括以下步骤:由至少两个壳体部件组装成连续壳体以形成空心体；在所述空心体上设置用于使所述轮毂与主轴连接的主轴凸缘以及用于连接叶片轴承的至少一个叶片凸缘；以及在每个叶片凸缘内附接板件。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述板件在被附接于所述叶片凸缘内之前被安装至所述叶片轴承。
【文档编号】F03D1/06GK103459836SQ201280016574
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年3月22日 优先权日:2011年3月30日
【发明者】M·L·比特什, J·L·安德森 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司