CN202228267U - 一种钻孔轮毂 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种钻孔轮毂，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％。本实用新型既可减轻轮毂重量，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

技术领域：

本实用新型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。

实用新型内容：

本实用新型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。

本实用新型的钻孔轮毂，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％。

本实用新型采用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。本实用新型优化孔(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为本实用新型中轮毂钻孔示意图；

图4为本实用新型六孔钻孔轮毂的结构图；

图5为本实用新型三孔钻孔轮毂的结构图。

以下结合附图详述本实用新型。

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，本实用新型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，本实用新型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：

$\frac{w_0-w_1}{w_0}=1.2\%~3.85\%.$

对上述两种方案的不同孔径的方式进行轮毂疲劳寿命分析，通过施加疲劳载荷进行有限元计算，计算采用的是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。

按表1设计方案得到本实用新型结构的钻孔轮毂，各自最大应力值及疲劳寿命见表1。

表1  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1可以看出，三孔450mm孔径和六孔350mm孔径均可满足风机20年设计寿命2×10⁸循环次数的要求，两组方案的轮毂重量减轻比为3.82％和4.62％。经对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％均能满足轮毂疲劳寿命要求。

Claims (5)

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％。

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