專利名稱：一種鉆孔輪轂及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風(fēng)能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，涉及風(fēng)電機(jī)組中輪轂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。在風(fēng)能利用中必不可少要使用風(fēng)機(jī)。輪轂是將風(fēng)機(jī)葉片和葉片組固定到轉(zhuǎn)動軸上的裝置，輪轂和葉片組之間通過變槳軸承連接，和主傳動軸之間通過法蘭連接。 它將風(fēng)輪的力和力矩傳遞到主傳動機(jī)構(gòu)，是風(fēng)能與動能之間的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生氣動載荷，同時(shí)其慣性力、離心力和重力都會通過葉片根部傳遞至輪轂，加之其自身的重力和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，在各種靜載荷和交變載荷的作用下，輪轂與葉片，與法蘭的連接處很容易引起應(yīng)力集中和疲勞破壞。另外，輪轂連接風(fēng)機(jī)主軸，其重量產(chǎn)生的彎矩通過主軸作用于塔筒，對塔筒的強(qiáng)度和壽命有很重要的影響。因此輪轂作為風(fēng)電機(jī)組的重要組成部件，研究和改善輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、減輕輪轂的重量對提高風(fēng)電機(jī)組的整體性能具有重要的意義，研究分析結(jié)果對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行和承載能力及延長使用壽命具有重要的工程使用價(jià)值。為了改善輪轂重載荷對整機(jī)性能所帶來的負(fù)面影響，前人也做過關(guān)于減輕輪轂重量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，比如采用變截面設(shè)計(jì)，即采用減少輪轂壁厚的方法達(dá)到減輕重量的目的。但該方案沒有進(jìn)行疲勞壽命分析，并且變截面設(shè)計(jì)會增加輪轂的加工難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于優(yōu)化現(xiàn)有輪轂設(shè)計(jì)，提供一種既可減輕輪轂重量，又可提高主軸、塔筒以及風(fēng)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能的鉆孔輪轂。本發(fā)明的鉆孔輪轂，整體呈固定式球狀結(jié)構(gòu)，固定開設(shè)有三個(gè)均布的葉片連接法蘭面，并對設(shè)主軸連接法蘭面和整流罩支架連接法蘭面，在輪轂主體外表實(shí)體面上均布開設(shè)多個(gè)大小相等的優(yōu)化孔。所述優(yōu)化孔開設(shè)在輪轂主體外表實(shí)體面積較多的位置。所述優(yōu)化孔位于在兩葉片連接法蘭面邊緣和主軸連接法蘭面或整流罩支架連接法蘭面邊緣相切位置畫直徑為D的基準(zhǔn)圓，以基準(zhǔn)圓的圓心作為優(yōu)化孔的圓心，優(yōu)化孔的直徑為(1，且(1<0。所述優(yōu)化孔為六個(gè)，位于輪轂兩端，d/D = 35% 50%?；颍鰞?yōu)化孔為三個(gè)，位于輪轂整流罩支架連接法蘭面一端，d/D = 35% 60%。本發(fā)明另一目的在于提供一種鉆孔輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)及制造方法。該方法包括以下步驟A步驟采集輪轂原始數(shù)據(jù)，確定多個(gè)鉆孔方案，包括優(yōu)化孔的數(shù)量及直徑，并計(jì)算各方案的輪轂重量減輕數(shù)據(jù)；
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B步驟利用有限元分析方法計(jì)算各方案輪轂的靜強(qiáng)度，與輪轂材料的許用應(yīng)力比較，將最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力的方案確定為第一優(yōu)化方案；C步驟對第一優(yōu)化方案進(jìn)行疲勞壽命分析，將滿足20年設(shè)計(jì)壽命為2 X 108的方案確定為第二優(yōu)化方案；D步驟按照權(quán)利要求3的定位方法確定基準(zhǔn)圓和優(yōu)化孔的圓心，按第二方案對輪轂實(shí)施鉆孔，得到所述鉆孔輪轂。本發(fā)明采用有限元分析方法確定優(yōu)化孔的定位數(shù)量及位置，能降低設(shè)計(jì)與制造成本、節(jié)省時(shí)間；本發(fā)明最終確定的三孔或六孔的鉆孔設(shè)計(jì)，明顯減輕了輪轂重量，且通過靜強(qiáng)度分析和疲勞壽命分析，論證了該設(shè)計(jì)的可行性，還可提高主軸、塔筒以及風(fēng)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能。本發(fā)明優(yōu)化孔(或稱減重孔)的鉆孔設(shè)計(jì)簡單易實(shí)施，具有實(shí)際生產(chǎn)的可行性。


圖1為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要部分示意圖；圖2為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中輪轂的坐標(biāo)系示意圖；圖3為本發(fā)明中輪轂鉆孔示意圖；圖4為本發(fā)明六孔鉆孔輪轂的結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明三孔鉆孔輪轂的結(jié)構(gòu)圖。以下結(jié)合附圖詳述本發(fā)明。
具體實(shí)施例方式對于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，主要由風(fēng)輪(包括葉片)、輪轂及變距機(jī)構(gòu)、機(jī)艙(包括傳動鏈或稱傳動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng))、偏航系統(tǒng)、塔架等部分組成而固定于地基上，如圖1所示。輪轂是將風(fēng)輪葉片固定到傳動系統(tǒng)上的裝置，整體呈固定式球狀結(jié)構(gòu)，固定開設(shè)有三個(gè)均布的葉片連接法蘭面1，通過變漿軸承與三個(gè)葉片相連接；另對設(shè)主軸連接法蘭面2和整流罩支架連接法蘭面3，參考圖2與圖3，這是現(xiàn)有輪轂的基本結(jié)構(gòu)形式。繼續(xù)見圖3所示，本發(fā)明要在現(xiàn)有的輪轂上鉆孔，鉆孔方式為在輪轂主體外表面實(shí)心面積較多的位置畫直徑為D的基準(zhǔn)圓，與兩葉片連接法蘭面1間的邊緣和主軸連接法蘭面2 (或整流罩支架連接法蘭面3)邊緣相切(圖3以與主軸連接法蘭面2邊緣相切為例)，以基準(zhǔn)圓的圓心為圓心對輪轂鉆孔，孔的直徑為d。這里，輪轂坐標(biāo)系χ軸與主軸接口中心軸重合，y軸與塔筒中心軸平行，如圖2、圖3所示。通過靜強(qiáng)度、剛度以及疲勞強(qiáng)度和壽命分析，本發(fā)明得到兩種鉆孔優(yōu)化方案。方案一、6孔方案該方案為在輪轂兩端(主軸連接法蘭面2和整流罩支架連接法蘭面3各為一端) 各鉆孔三個(gè)，總共六個(gè)孔，每個(gè)孔的大小相同。鉆孔直徑d與基準(zhǔn)圓直徑D的最佳比為d/D =35% -50%。參見圖4所示，其中顯示了六個(gè)優(yōu)化孔4的位置。設(shè)輪轂的原重量為Wtl，鉆孔后的輪轂重為W1，優(yōu)化后的減輕重量比為 ψ — ψ—-L = 2.5%~7.6% 。
方案二、3孔方案該方案為在輪轂整流罩支架連接法蘭面3 —端各鉆孔三個(gè)，每個(gè)孔的大小相同。 鉆孔直徑d與基準(zhǔn)圓直徑D的最佳比為d/D = 35% 60%。參見圖5所示，其中顯示了三個(gè)優(yōu)化孔4的位置。設(shè)輪轂的原重量為Wtl，鉆孔后的輪轂重為W1，優(yōu)化后的減輕重量比為
權(quán)利要求
1.一種鉆孔輪轂，整體呈固定式球狀結(jié)構(gòu)，固定開設(shè)有三個(gè)均布的葉片連接法蘭面，并對設(shè)主軸連接法蘭面和整流罩支架連接法蘭面，其特征在于，在輪轂主體外表實(shí)體面上均布開設(shè)多個(gè)大小相等的優(yōu)化孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述鉆孔輪轂，其特征在于，所述優(yōu)化孔開設(shè)在輪轂主體外表實(shí)體面積較多的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述鉆孔輪轂，其特征在于，所述優(yōu)化孔位于在兩葉片連接法蘭面邊緣和主軸連接法蘭面或整流罩支架連接法蘭面邊緣相切位置畫直徑為D的基準(zhǔn)圓， 以基準(zhǔn)圓的圓心作為優(yōu)化孔的圓心，優(yōu)化孔的直徑為山且d < D。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述鉆孔輪轂，其特征在于，所述優(yōu)化孔為六個(gè)，位于輪轂兩端，d/D =35% 50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述鉆孔輪轂，其特征在于，所述優(yōu)化孔為三個(gè)，位于輪轂整流罩支架連接法蘭面一端，d/D = 35% 60%。
6.權(quán)利要求1至5任一所述鉆孔輪轂的制造方法，其特征在于，包括以下步驟A步驟采集輪轂原始數(shù)據(jù)，確定多個(gè)鉆孔方案，包括優(yōu)化孔的數(shù)量及直徑，并計(jì)算各方案的輪轂重量減輕數(shù)據(jù)；B步驟利用有限元分析方法計(jì)算各方案輪轂的靜強(qiáng)度，與輪轂材料的許用應(yīng)力比較， 將最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力的方案確定為第一優(yōu)化方案；C步驟對第一優(yōu)化方案進(jìn)行疲勞壽命分析，將滿足20年設(shè)計(jì)壽命為2 X IO8的方案確定為第二優(yōu)化方案；D步驟按照權(quán)利要求3的定位方法確定基準(zhǔn)圓和優(yōu)化孔的圓心，按第二優(yōu)化方案對輪轂實(shí)施鉆孔，得到所述鉆孔輪轂。
全文摘要
本發(fā)明一種鉆孔輪轂及其制造方法，屬于風(fēng)電機(jī)組中輪轂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是在現(xiàn)有球狀輪轂主體的外表實(shí)體面上面積較多的位置均布開設(shè)多個(gè)大小相等的優(yōu)化孔，優(yōu)化孔位于在兩葉片連接法蘭面邊緣和主軸連接法蘭面或整流罩支架連接法蘭面邊緣相切位置畫直徑為D的基準(zhǔn)圓，以基準(zhǔn)圓的圓心作為優(yōu)化孔的圓心，優(yōu)化孔的直徑為d，且d＜D；優(yōu)化孔可以為六個(gè)，位于輪轂兩端，d/D＝35％～50％；或優(yōu)化孔為三個(gè)，位于輪轂整流罩支架連接法蘭面一端，d/D＝35％～60％。本發(fā)明既可減輕輪轂重量，又可提高主軸、塔筒以及風(fēng)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能。
文檔編號F03D11/00GK102384043SQ201110317519
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者傅程, 孟春玲, 李國峰, 楊生, 王瑞杰, 胡宏梁, 馬臣超 申請人:北京工商大學(xué)