[发明专利]一种钻孔轮毂及其制造方法

说明书

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。