CN220539751U - 用于风力发电机的风轮装置及风力发电机 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种用于风力发电机的风轮装置及风力发电机。该风轮装置包括轮毂、叶片、以及连接叶片和轮毂的变桨轴承，变桨轴承内圈通过叶根螺栓及螺合于叶根螺栓上的第一螺母与叶片连接，变桨轴承外圈通过变桨轴承螺栓及螺合于变桨轴承螺栓上的第二螺母连接到轮毂，轮毂在靠近连接叶片的端部处具有轮毂腹板，轮毂具有与变桨轴承连接的安装法兰，安装法兰的高度等于安装法兰的法兰面到轮毂腹板表面的距离，安装法兰的高度等于叶根螺栓伸出变桨轴承内圈的距离、用于操作的安全间隙及用于协调叶根变形的延长高度之和，安全间隙在1毫米到约10毫米的范围内，延长高度在1毫米到500毫米的范围。本申请可以提高叶根螺栓的使用寿命。

Description

用于风力发电机的风轮装置及风力发电机

技术领域

本申请实施例涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种用于风力发电机的风轮装置及风力发电机。

背景技术

随着煤炭、石油等能源的逐渐枯竭，人类越来越重视可再生能源的利用。风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到世界各国的重视。伴随着风电技术的不断发展，风力发电机在电力系统中的应用日益增加。风力发电机是将风能转化为电能的大型设备，通常设置于风能资源丰富的地区。

风力发电机的叶根螺栓设计一直是一个难题。受限于空间尺寸因素和大载荷，设计人员往往在成本和安全余量之间很难把握好平衡。风力发电机的叶根螺栓所遇到的主要挑战有：

1、叶根螺栓受很大的弯矩：叶根螺栓处于叶片根部，叶片所有载荷都需要通过叶根螺栓连接传递，尤其是巨大的弯矩。

2、叶根螺栓的数量不能增加太多：如果要增加叶根螺栓的数量，势必加大分布圆直径，这就会使得叶片和轮毂等一系列部件的尺寸增大，带来巨大的成本增加。

3、叶根螺栓尺寸受限：现有的轮毂往往有腹部加强板，为了避免叶根螺栓与其发生干涉，叶根螺栓的尺寸通常不能太长。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种用于风力发电机的风轮装置及风力发电机，能够提高叶根螺栓的寿命。

本申请实施例的一个方面提供一种用于风力发电机的风轮装置。所述风轮装置包括轮毂、叶片、以及连接所述叶片和所述轮毂的变桨轴承，所述变桨轴承具有可相互转动的变桨轴承内圈和变桨轴承外圈，其中，所述变桨轴承内圈通过叶根螺栓及螺合于所述叶根螺栓上的第一螺母与所述叶片连接，所述变桨轴承外圈通过变桨轴承螺栓及螺合于所述变桨轴承螺栓上的第二螺母连接到所述轮毂，所述轮毂在靠近连接所述叶片的端部处具有轮毂腹板，所述轮毂具有与所述变桨轴承连接的安装法兰，所述安装法兰的高度等于所述安装法兰的法兰面到所述轮毂腹板表面的距离，所述安装法兰的高度等于所述叶根螺栓伸出所述变桨轴承内圈的距离、用于操作的安全间隙及用于协调叶根变形的延长高度之和，所述安全间隙在1毫米到约10毫米的范围内，所述延长高度在1毫米到500毫米的范围。

进一步地，在所述叶根螺栓上还套设有螺栓延长套筒，所述螺栓延长套筒位于所述变桨轴承与所述第一螺母之间，并且，所述螺栓延长套筒的高度大于所述第一螺母的高度。

进一步地，在所述螺栓延长套筒与所述第一螺母之间还设有第一垫片，在所述变桨轴承与所述第二螺母之间设有第二垫片。

进一步地，所述螺栓延长套筒的长度在20毫米以上。

进一步地，所述安装法兰的高度与所述轮毂在所述安装法兰的高度段的壁厚正相关。

进一步地，所述轮毂在所述安装法兰的高度段的中段壁厚小于所述安装法兰的宽度。

进一步地，所述轮毂在所述安装法兰的高度段的中段的外壁面和/或内壁面上开设有狭槽以使得所述中段的壁厚小于所述安装法兰的宽度。

进一步地，所述轮毂腹板在对应于所述叶根螺栓的位置开设有腹板开口。

本申请实施例的另一个方面还提供一种风力发电机。所述风力发电机包括如上所述的用于风力发电机的风轮装置。

本申请实施例的用于风力发电机的风轮装置能够解决传统的叶根螺栓设计思路的困境。

本申请实施例的用于风力发电机的风轮装置及风力发电机通过提高轮毂的安装法兰的高度，从而，可以使得轮毂延伸后轮毂的安装法兰的刚度减弱，叶片的安装法兰和轮毂的安装法兰之间的刚度差减小，可以适当使得叶根螺栓承受的载荷更加均匀分布，进而可以缓解叶根螺栓的应力集中问题，提高叶根螺栓的使用寿命。

另外，本申请实施例的用于风力发电机的风轮装置及风力发电机通过提高轮毂的安装法兰的高度，从而，可以在叶根螺栓外增加螺栓延长套筒，能够进一步提高叶根螺栓的使用寿命。

附图说明

图1为一种风力发电机的示意图。

图2为一种用于风力发电机的风轮装置的局部简化示意图。

图3为本申请一个实施例的用于风力发电机的风轮装置的局部简化示意图。

图4为本申请一个实施例的轮毂的局部简化示意图。

图5为图4所示的轮毂的其他几种变形形式的局部简化示意图。

图6为经有限元实验得到的本申请实施例的风轮装置在改进前后一周叶根螺栓的应力对比示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。

在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1揭示了一种风力发电机1的立体示意图。如图1所示，风力发电机1包括风轮装置10、机舱2及塔筒3。塔筒3从基础(未图示)向上延伸，机舱2安装在塔筒3的顶端，风轮装置10包括轮毂11和叶片12。轮毂11安装在机舱2的一端。叶片12安装在轮毂11上。

图2揭示了一种用于风力发电机1的风轮装置10的局部简化示意图。如图2所示，用于风力发电机1的风轮装置10包括轮毂11、叶片12、以及连接叶片12和轮毂11的变桨轴承13。轮毂11在靠近连接叶片12的端部处具有轮毂腹板112。

变桨轴承13具有可相互转动的变桨轴承内圈131和变桨轴承外圈132。其中，变桨轴承内圈131通过叶根螺栓141及螺合于叶根螺栓141上的第一螺母142与叶片12连接，变桨轴承外圈132通过变桨轴承螺栓151及螺合于变桨轴承螺栓151上的第二螺母152连接到轮毂11。从而，可以通过变桨轴承13，将叶片12安装在轮毂11上。

可选地，在变桨轴承13与第一螺母142之间具有第一垫片143，从而可以用来将叶片12更加可靠地紧固于变桨轴承13上。在变桨轴承13与第二螺母152之间具有第二垫片153，从而可以用来将变桨轴承13更加可靠地紧固于轮毂11上。

从图2可以看出，轮毂11的安装法兰110的法兰面111到轮毂腹板112的高度很低，从而导致叶根螺栓141到轮毂腹板112的距离很近，叶根螺栓141连接的高度非常有限，通常仅包含第一垫片143和第一螺母142的高度以及按照规范所需的数个螺牙露头的高度。因此，叶根螺栓141需要承受较大的载荷，容易导致叶根螺栓141寿命的降低。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种改进的用于风力发电机的风轮装置。

图3揭示了本申请一个实施例的用于风力发电机的风轮装置20的局部简化示意图。如图3所示，本申请一个实施例的用于风力发电机的风轮装置20包括轮毂21、叶片22、以及连接叶片22和轮毂21的变桨轴承23。叶片22例如可以包括但不限于三个叶片22，三个叶片22分别通过变桨轴承23安装在轮毂21上。

变桨轴承23具有可相互转动的变桨轴承内圈231和变桨轴承外圈232。其中，变桨轴承内圈231可以通过叶根螺栓241及螺合于叶根螺栓241上的第一螺母242与叶片22连接，从而通过叶根螺栓241与第一螺母242的配合，可以将叶片22紧固安装于变桨轴承内圈231上。变桨轴承外圈232可以通过变桨轴承螺栓251及螺合于变桨轴承螺栓251上的第二螺母252连接到轮毂21，从而通过变桨轴承螺栓251与第二螺母252的配合，可以将变桨轴承23紧固安装于轮毂21上。进而通过变桨轴承23，可以将叶片22安装在轮毂21上。

在一些实施例中，轮毂21在靠近连接叶片22的端部处具有轮毂腹板212。图4揭示了本申请一个实施例的轮毂21的局部简化示意图。轮毂21具有与变桨轴承23连接的安装法兰210。安装法兰210具有高度H，安装法兰210的高度H等于安装法兰210的法兰面211到轮毂腹板212表面的距离。本申请实施例的安装法兰210的高度H在安装法兰210的厚度的1.5倍以上。

在图2所示的风轮装置10中，由于轮毂11重量的控制等要求，通常轮毂11的安装法兰111的高度不会很高，基本在一倍的安装法兰111的厚度以内。但是，本申请实施例的风轮装置20通过将轮毂21的安装法兰210的法兰面211向外延伸，将轮毂21的安装法兰210的高度增加，从而可以使得轮毂21的安装法兰210的高度H可以达到在安装法兰210的厚度的1.5倍以上。

在一些实施例中，安装法兰210的高度H等于叶根螺栓241伸出变桨轴承内圈231的距离、用于操作的安全间隙及用于协调叶根变形的延长高度之和，安全间隙例如可以在1毫米到约10毫米的范围内，延长高度例如可以在1毫米到500毫米的范围。

本申请实施例的用于风力发电机的风轮装置20通过将轮毂21的安装法兰210的法兰面211向外延伸来提高安装法兰210的高度，从而可以使得轮毂21延伸后轮毂21的安装法兰210的刚度减弱，叶片22的安装法兰和轮毂21的安装法兰210之间的刚度差减小，可以适当使得叶根螺栓241承受的载荷更加均匀分布，进而可以缓解叶根螺栓241的应力集中问题，提高叶根螺栓241的使用寿命。

在本申请的实施例中，通过将安装法兰210的法兰面211向外延伸，从而可以提高安装法兰210的高度H，进而可以使得叶根螺栓241与轮毂腹板212之间能够获得足够的空间。因此，在本申请的一些实施例中，如图3所示，还可以在叶根螺栓241上套设有螺栓延长套筒244，螺栓延长套筒244位于变桨轴承23与第一螺母242之间，并且，螺栓延长套筒244的高度大于第一螺母242的高度。

在一些实施例中，在螺栓延长套筒244与第一螺母242之间还设有第一垫片243，螺栓延长套筒244的高度远大于第一垫片243的厚度，从而可以用来将叶片22、变桨轴承23及螺栓延长套筒244三者之间更加紧密可靠的连接。在变桨轴承23与第二螺母252之间设有第二垫片253，从而，可以将变桨轴承23更加可靠地紧固在轮毂21上。

本申请实施例的用于风力发电机的风轮装置20由于将轮毂21的安装法兰210的法兰面211向外延伸，提高了安装法兰210的高度H，因此，可以在叶根螺栓241外增加螺栓延长套筒244，从而可以进一步提高叶根螺栓241的使用寿命。

在一些实施例中，套设在叶根螺栓241外的螺栓延长套筒244的长度可以在20毫米以上。并且，轮毂21的安装法兰210与轮毂腹板212之间可以有足够的空间来容纳例如第一垫片243、第一螺母242以及数个螺牙露头。

另外，本申请实施例的用于风力发电机的风轮装置20增加了安装法兰210的高度H，通过优化安装法兰210所在高度段轮毂21的壁厚，从而，可以在有限增加轮毂重量的同时控制或者降低螺栓应力。

在一些实施例中，本申请的安装法兰210的高度H与轮毂21在安装法兰210的高度段的壁厚T正相关。也就是说，安装法兰210的高度H越大，则轮毂21在安装法兰210的高度段的壁厚T就越大。

在一些实施例中，轮毂21在安装法兰210的高度段的中段壁厚T可以小于安装法兰210的宽度W。图5揭示了本申请实施例的轮毂21的其他几种变形形式的局部简化示意图。如图5所示，在一个实施例中，轮毂21在安装法兰210的高度段的中段的外壁面和内壁面上均开设有狭槽213和214，从而可以使得轮毂21在安装法兰210的高度段的中段壁厚T小于安装法兰210的宽度W。当然，在其他实施例中，轮毂21在安装法兰210的高度段的中段的外壁面上开设有狭槽213，或者，轮毂21在安装法兰210的高度段的中段的内壁面上开设有狭槽214，从而均可以使得轮毂21在安装法兰210的高度段的中段的壁厚T小于安装法兰210的宽度W。

在一些实施例中，轮毂腹板212在对应于叶根螺栓241的位置开设有腹板开口(未图示)，从而可以获得更大的操作空间。

图6揭示了经有限元实验得到的本申请实施例的风轮装置20在安装法兰210的高度改进前后一周叶根螺栓241的应力对比示意图。在图6中，曲线A1代表图2所示的在改进前(即现有的安装法兰的高度)的风轮装置10中一周叶根螺栓141的应力曲线，曲线A2代表图3所示的本申请实施例的在改进后(即本申请的安装法兰的高度提高后)的风轮装置20中一周叶根螺栓241的应力曲线。从经过有限元实验得到的如图6所示的应力对比图可以发现，本申请实施例的风轮装置20通过将轮毂21的安装法兰210的法兰面211向外延伸，可以提高安装法兰210的高度，从而可以明显降低叶根螺栓241的应力。

本申请实施例的用于风力发电机的风轮装置20能够解决传统的叶根螺栓设计思路的困境。传统的做法，一般是增大轮毂的安装法兰的直径，以便容纳更多的叶根螺栓，更大的变桨轴承23尺寸，然而，这样无疑会显著增加重量和成本。本申请实施例的用于风力发电机的风轮装置20仅增加轮毂21的安装法兰210的高度H，可以使得轮毂延伸后轮毂21的安装法兰210的刚度减弱，叶片22的安装法兰和轮毂21的安装法兰210之间的刚度差减小，可以适当使得叶根螺栓251承受的载荷更加均匀分布，进而可以缓解叶根螺栓251的应力集中问题，提高叶根螺栓251的使用寿命。

本申请实施例的用于风力发电机的风轮装置20通过优化轮毂21在安装法兰210的高度段的壁厚，可以获得很大的性价比，在有限增加轮毂21重量的同时控制或者降低叶根螺栓241的应力，提高叶根螺栓241的使用寿命。

本申请实施例还提供了一种风力发电机。该风力发电机包括如上各个实施例所述的用于风力发电机的风轮装置20。

本申请实施例的风力发电机具有与上面所述的用于风力发电机的风轮装置20大体相类似的有益技术效果，故，在此不再赘述。

以上对本申请实施例所提供的用于风力发电机的风轮装置及风力发电机进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的用于风力发电机的风轮装置及风力发电机进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于风力发电机的风轮装置，其特征在于：包括轮毂、叶片、以及连接所述叶片和所述轮毂的变桨轴承，所述变桨轴承具有可相互转动的变桨轴承内圈和变桨轴承外圈，其中，所述变桨轴承内圈通过叶根螺栓及螺合于所述叶根螺栓上的第一螺母与所述叶片连接，所述变桨轴承外圈通过变桨轴承螺栓及螺合于所述变桨轴承螺栓上的第二螺母连接到所述轮毂，所述轮毂在靠近连接所述叶片的端部处具有轮毂腹板，所述轮毂具有与所述变桨轴承连接的安装法兰，所述安装法兰的高度等于所述安装法兰的法兰面到所述轮毂腹板表面的距离，所述安装法兰的高度等于所述叶根螺栓伸出所述变桨轴承内圈的距离、用于操作的安全间隙及用于协调叶根变形的延长高度之和，所述安全间隙在1毫米到约10毫米的范围内，所述延长高度在1毫米到500毫米的范围。

2.如权利要求1所述的风轮装置，其特征在于：在所述叶根螺栓上还套设有螺栓延长套筒，所述螺栓延长套筒位于所述变桨轴承与所述第一螺母之间，并且，所述螺栓延长套筒的高度大于所述第一螺母的高度。

3.如权利要求2所述的风轮装置，其特征在于：在所述螺栓延长套筒与所述第一螺母之间还设有第一垫片，在所述变桨轴承与所述第二螺母之间设有第二垫片。

4.如权利要求2或3所述的风轮装置，其特征在于：所述螺栓延长套筒的长度在20毫米以上。

5.如权利要求1至3中任一项所述的风轮装置，其特征在于：所述安装法兰的高度与所述轮毂在所述安装法兰的高度段的壁厚正相关。

6.如权利要求5所述的风轮装置，其特征在于：所述轮毂在所述安装法兰的高度段的中段壁厚小于所述安装法兰的宽度。

7.如权利要求6所述的风轮装置，其特征在于：所述轮毂在所述安装法兰的高度段的中段的外壁面和/或内壁面上开设有狭槽以使得所述中段的壁厚小于所述安装法兰的宽度。

8.如权利要求1至3中任一项所述的风轮装置，其特征在于：所述轮毂腹板在对应于所述叶根螺栓的位置开设有腹板开口。

9.一种风力发电机，其特征在于：包括如权利要求1至8中任一项所述的用于风力发电机的风轮装置。