CN109854462A - 一种风力发电机及其变桨机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变桨机构，包括：轮毂；用以迎风设置并驱动所述轮毂转动的转子叶片；与所述轮毂相连、用以调整所述转子叶片的迎风桨距角的变桨轴承；设于所述变桨轴承和所述转子叶片之间、用以减小所述变桨轴承弹性形变的加强部。上述变桨机构结构简单，用以减小变桨轴承的弹性形变并降低轮毂所受的疲劳应力，解决了变桨机构使用寿命低的问题。此外，本发明还公开了一种包括上述变桨机构的风力发电机。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种变桨机构。此外，本发明还涉及一种包括上述变桨机构的风力发电机。
背景技术
风力发电机在进行发电的过程中，由于自然风的强度是一个随时都可能发生变化的值，为了保证发电的功率稳定，则需要保证风机叶片的转速保持稳定，也即需要根据风力的强弱对风机叶片的迎风桨距角进行调整，使风机叶片的力矩保持稳定。
目前，一种风机变桨机构，如图1所示，该机构包括轮毂01、变桨轴承02和转子叶片03，其中，轮毂01与变桨轴承02的外圈固定连接，转子叶片03与变桨轴承02的内圈固定连接。由于转子叶片03与变桨轴承02直接连接，在风机机组运行时，转子叶片03在转动过程中所产生的交变载荷将直接作用于变桨轴承02，变桨轴承02会相应地产生一定的弹性形变，并将弹性形变产生的交变应力传递给轮毂01，增加了轮毂01所承受的疲劳应力，进而降低了整个变桨机构的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种变桨机构，该变桨机构结构简单，用以减小变桨轴承的弹性形变并降低轮毂所受的疲劳应力，解决了变桨机构使用寿命低的问题。本发明的另一目的是提供一种包括上述变桨机构的风力发电机。
为实现上述目的，本发明提供一种变桨机构，包括：轮毂；用以迎风设置并驱动所述轮毂转动的转子叶片；与所述轮毂相连、用以调整所述转子叶片的迎风桨距角的变桨轴承；设于所述变桨轴承和所述转子叶片之间、用以减小所述变桨轴承弹性形变的加强部。
优选地，所述加强部呈圆盘形；其中，所述转子叶片和所述变桨轴承分设于所述加强部的两侧。
优选地，所述加强部的中心开设圆形通孔。
优选地，所述加强部采用Q345D钢材制成。
优选地，所述加强部的厚度t≥30mm。
优选地，所述加强部的外径D1大于所述转子叶片根部的直径d1，并至多大于40mm。
优选地，所述加强部的圆形通孔的孔径D2小于所述变桨轴承内圈的内径d2，且所述加强部的圆形通孔的孔径D2至少为500mm。
相对于上述背景技术，本发明提供的变桨机构，通过在转子叶片和变桨轴承之间设置加强部以提高转子叶片与变桨轴承连接的刚度。具体来说，转子叶片产生的交变载荷直接作用于加强部，使加强部承载一部分的交变载荷，并将另一部分的交变载荷传递至变桨轴承，使变桨轴承的弹性形变量减小，进而减小了轮毂所承受的疲劳应力，以提高整个变桨机构的使用寿命。
本发明还提供一种风力发电机，包括如上述任一项所述的变桨机构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中一种变桨机构的结构示意图；
图2为本发明所提供的一种变桨机构的结构示意图；
图3为本发明所提供的轮毂的S/N曲线图；
图4为本发明所提供的轮毂的Haigh图；
其中，
01-轮毂、02-变桨轴承、03-转子叶片、1-轮毂、2-变桨轴承、3-转子叶片、4-加强部。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图4，图1为现有技术中一种变桨机构的结构示意图；图2为本发明所提供的一种变桨机构的结构示意图；图3为本发明所提供的轮毂的S/N曲线图；图4为本发明所提供的轮毂的Haigh图。
本发明所提供的一种变桨机构，如图2所示，该变桨机构包括：轮毂1；用以迎风设置并驱动轮毂1转动的转子叶片3；与轮毂1相连、用以调整转子叶片3的迎风桨距角的变桨轴承2；设于变桨轴承2和转子叶片3之间、用以减小变桨轴承2弹性形变的加强部4。具体来说，轮毂1与变桨轴承2的外圈通过螺栓固定连接，变桨轴承2的内圈通过加强部4与转子叶片3的根部相连，通过转动变桨轴承2的内圈以实现调整转子叶片3的迎风桨距角，以保证转子叶片3向轮毂1提供稳定的转矩，其中，变桨轴承2的内圈、加强部4以及转子叶片3这三者通过螺栓固定。在风力发电机运行的过程中，加强部4直接承载转子叶片3产生的一部分交变载荷，而另一部分载荷则通过加强部4传递至变桨轴承2，相比于现有技术(如图1所示)中由变桨轴承02直接承受全部转子叶片03所产生的交变载荷，本变桨机构的变桨轴承2承受较少的交变载荷，进而减小了变桨轴承2的弹性形变量，相应地降低了轮毂1受到的疲劳应力。可以看出，加强部4提高了变桨轴承2与转子叶片3的连接刚度，降低了本变桨机构的维护周期，提高了本变桨机构的使用寿命。
作为优选，上述加强部4呈圆盘形；其中，转子叶片3和变桨轴承2分设于加强部4的两侧。为了保证转子叶片3的延伸方向不发生改变，加强部4设置为呈两个侧面相互平行的盘状体，转子叶片3的根部和变桨轴承2的内环分设于盘状体的两个侧面，由于转子叶片3的根部轮廓和变桨轴承2的内环轮廓均呈圆形，进而将上述盘状体设为圆形，以便于加强部4与转子叶片3和变桨轴承2的连接。
根据力学的相关知识可知，圆盘形的加强部4的中央部分对于增加加强部4的机械强度作用不大，因此，在加强部4的中心开设圆形通孔，如图2所示，这样一方面能够减小加强部4的重量，以便于加强部4的装配，另一方面以便于对变桨轴承2内环附近的其他零部件(如用于驱动变桨轴承2内环转动的驱动齿轮轴)进行维护。
需要说明的是，在相同的弹性形变量的情况下，加强部4的刚度越好，其承受的载荷越大，也即提高加强部4的刚度能够使加强部4更多地承受转子叶片3的交变载荷，而变桨轴承2便会承受较小的交变载荷。其中，影响加强部4的刚度的因素包括但不限于材料和尺寸大小。
为了避免加强部4发生脆性断裂，上述加强部4优选采用Q345D钢材制成，其中，Q345D钢材是一种屈服点为345MPa的碳素结构钢，其冲击温度为-20℃。上述轮毂1优选由QT400球磨铸铁制成，其中，QT400材料是一种抗拉强度为400MPa，延伸率为15％的铁素体型球墨铸铁。
如图2所示，为了保证加强部4的机械强度，上述呈圆盘状的加强部4的厚度t≥30mm，加强部4的外径尺寸D1大于转子叶片3根部的直径尺寸d1，且这两者的差D1-d1≤40mm，加强部4的圆形通孔的孔径D2小于变桨轴承2内圈的内径d2，且加强部4的圆形通孔的孔径D2≥500mm。
以海装风电公司自主研发的H120-2MW的风电机组为例，在未采用上述加强部4增加变桨轴承2与转子叶片3的连接刚度时，经过计算，轮毂1的疲劳损伤值为1.18；而在采用加强部4连接变桨轴承2和转子叶片3之后，若加强部4的厚度t＝50mm，加强部4的圆形通孔的孔径D2＝1400mm，且加强部4的外径尺寸D1与转子叶片3根部的直径尺寸d1的差值(即D1-d1)为20mm，则经过计算可得轮毂1的疲劳损伤值为0.847。其中，疲劳损伤值越小，则表示轮毂1受到的疲劳应力越小。
上述轮毂1的疲劳损伤值的计算过程具体为：
步骤S1：参照《GL 2010》第5章的附录5.B中所记载的方法构造标准S/N曲线，其中，S/N曲线输入参数如表1所示。
表1 S/N曲线输入参数
| R<sub>m</sub> | 极限应力 | MPa | 320 |
| R<sub>p0.2</sub> | 屈服应力 | MPa | 200 |
| R | 应力比 | - | -1 |
| R<sub>z</sub> | 表面粗糙度 | μm | 200 |
| γM | 安全系数 | - | 1.265 |
| j | 质量等级 | - | 3 |
| j<sub>0</sub> | 材料常数 | - | 0 |
| a<sub>k</sub> | 应力集中系数 | - | 1 |
步骤S2：由以上S/N曲线输入参数并根据《GL 2010》第5章附录5.B.3中所记载的球墨铸铁的构造方法，得到S/N曲线的输出参数，其中，上述输出参数如表2所示。
表2 S/N曲线输出参数
| Δσ<sub>1</sub> | 疲劳寿命线提高上限(应力范围) | MPa | 316.2 |
| N<sub>1</sub> | 最高疲劳极限载荷循环次数 | - | 37.36 |
| Δσ<sub>A</sub>* | S/N曲线拐点处的应力升级范围 | MPa | 93.12 |
| N<sub>D</sub> | S/N曲线拐点处的荷载循环次数 | - | 2.538E+06 |
| m<sub>1</sub> | 当N<sub>1</sub><N≤N<sub>D</sub>时S/N曲线的斜率 | - | 9.1 |
| m<sub>2</sub> | 当N>N<sub>D</sub>时S/N曲线的斜率 | - | 17.2 |
步骤S3：获得S/N曲线，如图3所示。
步骤S4：根据上述S/N曲线得到轮毂1的Haigh图，如图4所示。
步骤S5：在疲劳计算软件nCode10.0中采用Haigh图的均值矫正方法进行疲劳计算，以得到轮毂1上各节点的伤害值。
步骤S6：计算所用的疲劳载荷采用各工况的时序载荷。将各工况的时序数据乘以各自在25年内总的发生次数，作为一个整体工况进行疲劳分析，疲劳分析中伤害值的计算采用Miner疲劳法则，即
其中，ni为某个应力循环水平下25年内总的发生次数，Ni为在此应力水平下允许发生的次数。
需要说明的是，上述计算得到的伤害值D即为轮毂1疲劳损伤值；上述绘制S/N曲线、Haigh图所用的电子软件属于现有技术，本文不作出具体限定，只要能够得出轮毂1的S/N曲线和Haigh图即可；上述疲劳计算软件nCode10.0也属于现有技术，当然还可以选用其他疲劳分析模拟软件来计算轮毂1的疲劳损伤值。
本发明所提供的一种风力发电机，包括如上所述的变桨机构；其中，风力发电机的其他部分可以参照现有技术，本文不再展开。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的风力发电机及其变桨机构进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种变桨机构，其特征在于，包括：
轮毂(1)；
用以迎风设置并驱动所述轮毂(1)转动的转子叶片(3)；
与所述轮毂(1)相连、用以调整所述转子叶片(3)的迎风桨距角的变桨轴承(2)；
设于所述变桨轴承(2)和所述转子叶片(3)之间、用以减小所述变桨轴承(2)弹性形变的加强部(4)。
2.根据权利要求1所述的变桨机构，其特征在于，所述加强部(4)呈圆盘形；其中，所述转子叶片(3)和所述变桨轴承(2)分设于所述加强部(4)的两侧。
3.根据权利要求2所述的变桨机构，其特征在于，所述加强部(4)的中心开设圆形通孔。
4.根据权利要求3所述的变桨机构，其特征在于，所述加强部(4)采用Q345D钢材制成。
5.根据权利要求4所述的变桨机构，其特征在于，所述加强部(4)的厚度t≥30mm。
6.根据权利要求5所述的变桨机构，其特征在于，所述加强部(4)的外径D1大于所述转子叶片(3)根部的直径d1，并至多大于40mm。
7.根据权利要求6所述的变桨机构，其特征在于，所述加强部(4)的圆形通孔的孔径D2小于所述变桨轴承(2)内圈的内径d2，且所述加强部(4)的圆形通孔的孔径D2至少为500mm。
8.一种风力发电机，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的变桨机构。
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