CN102384043A - 一种钻孔轮毂及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种钻孔轮毂及其制造方法，属于风电机组中轮毂结构的优化设计，是在现有球状轮毂主体的外表实体面上面积较多的位置均布开设多个大小相等的优化孔，优化孔位于：在两叶片连接法兰面边缘和主轴连接法兰面或整流罩支架连接法兰面边缘相切位置画直径为D的基准圆，以基准圆的圆心作为优化孔的圆心，优化孔的直径为d，且d＜D；优化孔可以为六个，位于轮毂两端，d/D＝35％～50％；或优化孔为三个，位于轮毂整流罩支架连接法兰面一端，d/D＝35％～60％。本发明既可减轻轮毂重量，又可提高主轴、塔筒以及风电机组整体结构的强度性能。

Description

一种钻孔轮毂及其制造方法

技术领域：

本发明属于风能发电技术领域，涉及风电机组中轮毂结构的优化设计。

背景技术：

风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的可再生能源。在风能利用中必不可少要使用风机。轮毂是将风机叶片和叶片组固定到转动轴上的装置，轮毂和叶片组之间通过变桨轴承连接，和主传动轴之间通过法兰连接。它将风轮的力和力矩传递到主传动机构，是风能与动能之间的能量转化系统。风机叶片旋转时会产生气动载荷，同时其惯性力、离心力和重力都会通过叶片根部传递至轮毂，加之其自身的重力和结构复杂性，在各种静载荷和交变载荷的作用下，轮毂与叶片，与法兰的连接处很容易引起应力集中和疲劳破坏。另外，轮毂连接风机主轴，其重量产生的弯矩通过主轴作用于塔筒，对塔筒的强度和寿命有很重要的影响。因此轮毂作为风电机组的重要组成部件，研究和改善轮毂的结构设计、减轻轮毂的重量对提高风电机组的整体性能具有重要的意义，研究分析结果对风力发电机的正常运行和承载能力及延长使用寿命具有重要的工程使用价值。

为了改善轮毂重载荷对整机性能所带来的负面影响，前人也做过关于减轻轮毂重量的优化设计，比如采用变截面设计，即采用减少轮毂壁厚的方法达到减轻重量的目的。但该方案没有进行疲劳寿命分析，并且变截面设计会增加轮毂的加工难度。

发明内容：

本发明的目的在于优化现有轮毂设计，提供一种既可减轻轮毂重量，又可提高主轴、塔筒以及风电机组整体结构的强度性能的钻孔轮毂。

本发明的钻孔轮毂，整体呈固定式球状结构，固定开设有三个均布的叶片连接法兰面，并对设主轴连接法兰面和整流罩支架连接法兰面，在轮毂主体外表实体面上均布开设多个大小相等的优化孔。

所述优化孔开设在轮毂主体外表实体面积较多的位置。

所述优化孔位于：在两叶片连接法兰面边缘和主轴连接法兰面或整流罩支架连接法兰面边缘相切位置画直径为D的基准圆，以基准圆的圆心作为优化孔的圆心，优化孔的直径为d，且d＜D。

所述优化孔为六个，位于轮毂两端，d/D＝35％～50％。

或，所述优化孔为三个，位于轮毂整流罩支架连接法兰面一端，d/D＝35％～60％。

本发明另一目的在于提供一种钻孔轮毂的优化设计及制造方法。

该方法包括以下步骤：

A步骤：采集轮毂原始数据，确定多个钻孔方案，包括优化孔的数量及直径，并计算各方案的轮毂重量减轻数据；

B步骤：利用有限元分析方法计算各方案轮毂的静强度，与轮毂材料的许用应力比较，将最大应力小于材料的许用应力的方案确定为第一优化方案；

C步骤：对第一优化方案进行疲劳寿命分析，将满足20年设计寿命为2×108的方案确定为第二优化方案；

D步骤：按照权利要求3的定位方法确定基准圆和优化孔的圆心，按第二方案对轮毂实施钻孔，得到所述钻孔轮毂。

本发明采用有限元分析方法确定优化孔的定位数量及位置，能降低设计与制造成本、节省时间；本发明最终确定的三孔或六孔的钻孔设计，明显减轻了轮毂重量，且通过静强度分析和疲劳寿命分析，论证了该设计的可行性，还可提高主轴、塔筒以及风电机组整体结构的强度性能。本发明优化孔(或称减重孔)的钻孔设计简单易实施，具有实际生产的可行性。

附图说明：

图1为风力发电机组主要部分示意图；

图2为风力发电机组中轮毂的坐标系示意图；

图3为本发明中轮毂钻孔示意图；

图4为本发明六孔钻孔轮毂的结构图；

图5为本发明三孔钻孔轮毂的结构图。

以下结合附图详述本发明。

具体实施方式：

对于水平轴风力发电机组，主要由风轮(包括叶片)、轮毂及变距机构、机舱(包括传动链或称传动系统、发电机和控制系统)、偏航系统、塔架等部分组成而固定于地基上，如图1所示。轮毂是将风轮叶片固定到传动系统上的装置，整体呈固定式球状结构，固定开设有三个均布的叶片连接法兰面1，通过变浆轴承与三个叶片相连接；另对设主轴连接法兰面2和整流罩支架连接法兰面3，参考图2与图3，这是现有轮毂的基本结构形式。

继续见图3所示，本发明要在现有的轮毂上钻孔，钻孔方式为在轮毂主体外表面实心面积较多的位置画直径为D的基准圆，与两叶片连接法兰面1间的边缘和主轴连接法兰面2(或整流罩支架连接法兰面3)边缘相切(图3以与主轴连接法兰面2边缘相切为例)，以基准圆的圆心为圆心对轮毂钻孔，孔的直径为d。这里，轮毂坐标系x轴与主轴接口中心轴重合，y轴与塔筒中心轴平行，如图2、图3所示。

通过静强度、刚度以及疲劳强度和寿命分析，本发明得到两种钻孔优化方案。

方案一、6孔方案：

该方案为在轮毂两端(主轴连接法兰面2和整流罩支架连接法兰面3各为一端)各钻孔三个，总共六个孔，每个孔的大小相同。钻孔直径d与基准圆直径D的最佳比为d/D＝35％-50％。参见图4所示，其中显示了六个优化孔4的位置。

设轮毂的原重量为W₀，钻孔后的轮毂重为W₁，优化后的减轻重量比为：

$\frac{W_0-W_1}{W_0}=2.5\%~7.6\%.$

方案二、3孔方案：

该方案为在轮毂整流罩支架连接法兰面3一端各钻孔三个，每个孔的大小相同。钻孔直径d与基准圆直径D的最佳比为d/D＝35％～60％。参见图5所示，其中显示了三个优化孔4的位置。

设轮毂的原重量为W₀，钻孔后的轮毂重为W₁，优化后的减轻重量比为：

$\frac{W_0-W_1}{W_0}=1.2\%~3.85\%.$

钻孔轮毂的优化设计及制造方法包括以下步骤：

A步骤：采集轮毂原始数据，拟定多个钻孔方案，包括优化孔的数量及直径，并计算各方案的轮毂重量减轻数据；

B步骤：利用有限元分析方法计算各方案轮毂的静强度，与轮毂材料的许用应力比较，将最大应力小于材料的许用应力的方案确定为第一优化方案；

C步骤：对第一优化方案进行疲劳寿命分析，将满足20年设计寿命为2×10⁸的方案确定为第二优化方案；

D步骤：按前述定位方法确定基准圆和优化孔的圆心，按第二优化方案对轮毂实施钻孔，得到所述钻孔轮毂。

以下以一具体实例进行详细说明：

拟钻孔轮毂是1.5MW的风机轮毂，其整体形状近似于一个空心球体，球体外径约2700mm，壁厚100mm，并在其上面切出三个均匀分布于球体同一圆周线周围的叶片法兰连接面，两端再分别切出整流罩支架法兰连接面和主轴法兰连接面，孔径分别约为1353mm和1545mm。轮毂总质量为6915kg，材料密度7800kg/m³，弹性模量200Gpa，泊松比0.3，屈服极限200Mpa。

拟定的第一钻孔方案为3孔方案，在轮毂整流罩支架连接法兰面一端钻孔，每一优化孔直径分为250mm，300mm，350mm，400mm，450mm五种情况。第二钻孔方案为轮毂两侧各钻孔三个，孔径变化直径分为250mm，300mm，350mm，400mm，450mm五种情况。运用大型通用有限元分析软件ANSYS，上述各方案多情形轮毂进行强度分析，计算得到如下表1和表2的结果：

表1远离主轴端钻孔三个各工况下计算结果

表2轮毂两侧各钻孔三个各工况下计算结果

表1和表2分别给出了轮毂三个孔和六个孔不同孔径所对应的有限元计算结果，对比表中数据和该轮毂材料的许用应力(181.8MPa，理论值)可知，各孔径下的最大应力都小于材料的许用应力，满足静强度设计要求。可见上述方案均可作为B步骤的第一优化方案。

分析可知，三孔和六孔优化方案下，在孔径从250mm变化到450mm的过程中，最大应力和最大位移呈现交替变化，并没有随着孔径的增大呈线性增大关系。最大应力点的位置也在不断变化，基本上都在叶片根部、主轴根部和孔的边缘位置。一个典型的风力机组容易受到疲劳载荷的严重影响，规范规定，对所有的承力结构和组件，都要进行疲劳寿命分析，要求20年的设计寿命为2×10⁸。轮毂所受到的来自叶片的载荷都是典型的疲劳载荷，因此需要对上述优化方案进行疲劳寿命分析。

综合考虑静强度和减轻重量的效果，选择三孔方案中孔径为400mm和450mm和六孔方案中孔径为350、400mm和450mm优化方案进行疲劳强度分析，以验证优化方案轮毂是否满足疲劳寿命设计要求。

通过施加疲劳载荷进行有限元计算，各方案下的最大应力值及疲劳寿命见表3。

表3各方案疲劳寿命分析结果

孔径(mm)	最大疲劳应力σmax(Mpa)	疲劳寿命Ni(次)
			3×φ400	69.95	5739120
3×φ450	36.20	2.41×109
			6×φ350	36.04	2.51×109
6×φ400	58.10	31481364
			6×φ450	65.90	9916751
无孔	34.90	3.37×109

从表3可以看出，虽然表中的5个方案都满足轮毂静强度设计要求，但有的方案却不能满足疲劳寿命要求，满足风机20年设计寿命2×10⁸循环次数的优化方案只有2个，分别是三孔450mm孔径和六孔350mm孔径，确定为第二优化方案，两方案的轮毂重量减轻比为3.82％和4.62％。综合分析认为，对于拟定的轮毂，采用钻孔3×φ450和6×φ350减轻轮毂质量的设计方案是合理可行的，其质量减轻比例都在4％左右。

进而，通过画基准圆定位优化孔的圆心，再按d＝450mm在轮毂整流罩支架连接法兰面一端的实体面上打孔，按d＝350mm在轮毂两端的实体面上打孔，得到两种钻孔轮毂。

用以上同样的方法，经对对不同轮毂以及其孔径尺寸的精细调整并通过有限元计算验证，六孔方案中d/D＝35％～50％，三孔方案中d/D＝35％～60％均能满足轮毂静强度设计和疲劳寿命要求，因此确定为本发明钻孔轮毂的保护方案。

Claims (6)

1.一种钻孔轮毂，整体呈固定式球状结构，固定开设有三个均布的叶片连接法兰面，并对设主轴连接法兰面和整流罩支架连接法兰面，其特征在于，在轮毂主体外表实体面上均布开设多个大小相等的优化孔。

2.根据权利要求1所述钻孔轮毂，其特征在于，所述优化孔开设在轮毂主体外表实体面积较多的位置。

3.根据权利要求1或2所述钻孔轮毂，其特征在于，所述优化孔位于：在两叶片连接法兰面边缘和主轴连接法兰面或整流罩支架连接法兰面边缘相切位置画直径为D的基准圆，以基准圆的圆心作为优化孔的圆心，优化孔的直径为d，且d＜D。

4.根据权利要求3所述钻孔轮毂，其特征在于，所述优化孔为六个，位于轮毂两端，d/D＝35％～50％。

5.根据权利要求3所述钻孔轮毂，其特征在于，所述优化孔为三个，位于轮毂整流罩支架连接法兰面一端，d/D＝35％～60％。

6.权利要求1至5任一所述钻孔轮毂的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

A步骤：采集轮毂原始数据，确定多个钻孔方案，包括优化孔的数量及直径，并计算各方案的轮毂重量减轻数据；

B步骤：利用有限元分析方法计算各方案轮毂的静强度，与轮毂材料的许用应力比较，将最大应力小于材料的许用应力的方案确定为第一优化方案；

C步骤：对第一优化方案进行疲劳寿命分析，将满足20年设计寿命为2×10⁸的方案确定为第二优化方案；

D步骤：按照权利要求3的定位方法确定基准圆和优化孔的圆心，按第二优化方案对轮毂实施钻孔，得到所述钻孔轮毂。

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