CN101509467A - 大型风力发电机组合机轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电技术领域的大型风力发电机组合机轴，包括至少两段轴体，各段轴体之间通过法兰盘连接，轴中心与法兰盘中心通过定位销定位，所述每段轴体包括轴端、轴管、轴连接盘，轴端与轴管一端强配合焊接，轴管另一端与轴连接盘连接，轴连接盘与法兰盘内径采用定位轴栓紧密配合定位，并通过固定螺栓与螺帽固定，法兰盘上连接风叶。本发明适应大容量多风叶组合互补，产生平衡的旋转力矩，无启动死角与换向死角，产生最佳的动平衡特性，旋转平稳，可以应用于10MW以下各类型的风力发电机***，并可以适用各类动力机械***。

Description

大型风力发电机组合机轴

技术领域

本发明涉及一种风力发电技术领域的机轴，具体地说，涉及的是一种大型风力发电机组合机轴。

背景技术

随着世界能源危机的发展，利用风力动能发电作为现代社会发展新能源，成为社会发展的热点。传统的风力发电机轴为长整体，不便于加工与组装和运输。再者，传统的机轴内部为实体，机轴直径小时，容易产生颤动与变型；机轴直径大时，重量过大，造成金属材料浪费与加工的难度；同时由于圆柱金属结构体的扭力矩呈肌肤效应分布，轴心产生的扭力矩为最小，趋于表面部的扭力矩最大。

经对现有技术的文献检索发现，现有的风力发电机均采用整体型机轴。中国专利申请号：200720049599，其特征是采用悬吊式垂直轴风力发电机。中国专利号公开号为CN2839631，该专利提出发电组设置于风车翼转轴上，风车翼外套设的支撑架使风车翼上部分的翼片伸露于支撑架外。专利公开号为CN2828366，名称为“圆柱转子型水平轴风力发电机”，其特征是它的风轮轮毂***沿周向均布若干个转子，转子形状呈圆柱形，圆柱转子一端有风力涡轮及转子轴。所采用的机轴均采用整体型机轴。整体型机轴重量重，亦浪费较多的钢材，且不便于运输与设置，需要具有较长加工能力的加工机械，增加机械加工的难度，对增加风力发电机容量受到了限制。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种大型风力发电机组合机轴。本发明采用空实结构与分段组合式，与风叶的连接固定采用固定法兰盘连接，加工方便，便于组装与运输，产生最大的推动力矩与旋转扭矩。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括至少两段轴体，两段轴体之间通过法兰盘连接，轴中心与法兰盘中心通过定位销定位，所述每段轴体包括轴端、轴管、轴连接盘，轴端与轴管一端强配合焊接，(轴管加热后把轴端压入或打入后焊接)，轴管另一端与轴连接盘连接，轴连接盘与法兰盘内径采用定位轴栓紧密配合定位，并通过固定螺栓与螺帽固定。法兰盘上连接风叶。

本发明中，利用压力压入与利用外力打入为紧配合；把外部工件加热后把冷工件利用外力压入或打称强配合；配合紧密，但能用较小外力使其滑动的称滑动配合。

如果需要增加风力发电机的功率，可以在两段轴体中间增加一段或多段轴体，位于中间位置的轴体包括：轴下连接盘、轴管、轴上连接盘，轴下连接盘、轴上连接盘分别设于轴管的两端，用于连接相邻的轴体。

所述轴体为三段及三段以上的，用于连接中间轴体的法兰盘为圆型，其上设有六排互成60度角的用于固定六个风叶的固定孔。

所述法兰盘是机轴连接与固定风叶的三角形法兰盘体，其上有三排互成120度角的风叶固定孔，用于设置风叶。

所述轴端承受整个机轴与风叶的重量与旋转扭矩，因此采用强度S45C钢锻打后精加工而成，是实体圆钢。

所述轴管采用S45C钢空心无缝钢管，既节约了钢材，减轻了重量，便于加工，增强了轴体的抗形变性强度与机轴扭力矩。

所述轴连接盘与轴管的连接与固定，承受整个机轴的旋转扭力矩，因此采用强度S45C钢锻打而成后进行精加工而成。

本发明把一个长形机轴，根据风叶结构与要求，分为数段，机轴主轴体采用空心无缝纲管，机轴两端与轴承结合部采用实体圆钢加工，机轴主轴体采用空心无缝纲管，机轴两端采用强配合焊接加工。本发明采用空实结构与分段组合式，与风叶的连接固定采用固定法兰盘连接。本发明的重量轻，抗形变特性扭力矩最大化、金属材料的最大有效利用率综合最优化，经过在大型风力发电机的试用验证，得到最优化的效果。经过大量模拟仿真计算与实际应用实验，本发明空实结构与分段组合式大型风力发电机组合机轴，加工方便，便于组装与运输，可以应用于10MW以下各类型的风力发电机***，并可以适用各类动力机械***。

附图说明

图1为本发明实施例两段轴体组合的结构示意图

图2为下轴体侧视图

图3为上轴体侧视图

图4为中段轴体侧视图

图5为下风叶法兰盘与上风叶法兰盘视图

图6为中部风叶法兰盘结构视图

图7为多段机轴组合实施例的结构示意图

图中：1下轴端、2下轴管、3下轴连接盘、4为下风叶法兰盘、5为固定螺栓、6上轴端、7为上轴管、8为上轴连接盘、9为上风叶法兰盘、10、15为中间风叶法兰盘、11机轴定位销、12为中段轴的下连接盘、13为中段轴管、14为中段轴的上连接盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及的大型风力发电机组合机轴，包括两段轴体，即下段机轴，下段轴体。上段轴体、下段轴体各之间通过法兰盘连接。

下段机轴包括：下轴端1、下轴管2、下轴连接盘3；

上段机轴包括：上轴端6、上轴管7、上轴连接盘8；

法兰盘包括：下风叶法兰盘4、上风叶法兰盘9、风叶法兰盘10；

其他的常用连接件：风叶法兰盘固定螺丝5，轴心定位轴销11。

其中：下轴端1、上轴端6分别与下轴管2、上轴管7一端强配合焊接，下轴管2、上轴管7另一端与下轴连接盘3、上轴连接盘8连接，轴连接盘与法兰盘内径采用定位轴栓紧密配合定位，法兰盘上连接风叶。

下段机轴与上段机轴组合连接如图1所示，下轴连接盘3与风叶法兰盘10及上轴连接盘8依次组装，中间轴心部以轴心定位轴销11定位，使下段机轴与上段机轴及中间的风叶法兰盘10准确定位在轴中心线上，通过固定螺栓把下轴连接盘3与风叶法兰盘10及上轴连接盘8固定在一起。使下段机轴与上段机轴及风叶法兰盘10连接固定在一起，构成一个整体机轴。

如图2与图3所示，上下风叶法兰盘9、4为三角形钢板，上有互成120度的3排风叶固定孔，如图5所示；中间的风叶法兰盘10为圆型，上有6排互成60度角的可固定6个风叶的固定孔。可固定下部的3个风叶，同时可固定3个上部风叶，可设置6个风叶，如图6所示。

如图1所示，下风叶法兰盘4利用螺栓固定在下段机轴的下轴端1风叶固定盘上，中间风叶法兰盘10固定在下轴连接盘3与上轴端6中间，上风叶法兰盘9固定在上轴端6的风叶固定盘上。

下面三个风叶互成120度固定在下风叶法兰盘4与中间风叶法兰盘10之间；上面三个风叶互成120度固定在上风叶法兰盘9与中间风叶法兰盘10之间；上下风叶互差60度。由此，上下共6个风叶互差60度，均匀平衡分布，产生旋转力矩连续平稳。

实施例2

本实施例涉及的大型风力发电机组合机轴，包括三段轴体，即上段机轴、中段机轴、下段机轴，三段轴体之间通过法兰盘连接。本实施例适用于风力发电机组容量大，风叶多，机轴长。中段机轴可为一段，也可增加为多段，中段机轴可采用相同的结构。

下段机轴包括：下轴端1、下轴管2、下轴连接盘3；

上段机轴包括：上轴端6、上轴管7、上轴连接盘8；

中段机轴包括：中段轴下连接盘12、中段轴管13、中段轴上连接盘14，中段轴下连接盘12、中段轴上连接盘14分别设于中段轴管13的两端，用于连接相邻的轴体。如图4所示。

法兰盘包括：下风叶法兰盘4、上风叶法兰盘9、中间风叶法兰盘10与15；

其他的常用连接件：5风叶法兰盘固定螺丝，11轴心定位轴销。

其中：下轴端1、上轴端6分别与下轴管2、上轴管7一端强配合焊接，下轴管2、上轴管7另一端与下轴连接盘3、上轴连接盘8连接，轴连接盘与法兰盘内径采用定位轴栓紧密配合定位，法兰盘上连接风叶。

下段机轴与中段机轴组合连接如图7所示，下轴连接盘3与风叶法兰盘10及中段轴下连接盘12连接组装，中间轴心部以轴心定位轴销11定位，使下段机轴与中段机轴及中间的风叶法兰盘10准确定位在中心线上，通过固定螺栓把下轴连接盘3与风叶法兰盘10及中轴连接盘12固定在一起。中段轴上连接盘14与风叶法兰盘15及上轴连接盘8的连接，中间轴心部以轴心定位轴销11定位，利用固定螺栓把中段机轴连接盘14与风叶法兰盘15及上轴连接盘8的连接固定在一起，使整体机轴在轴心定位轴销11定位固定下，实现高精度的同轴心，构成一个整体机轴。

如图5所示，上下风叶法兰盘9、4为三角形钢板，上有互成120度的3排风叶孔。如图6所示，中间风叶法兰盘10与15为圆型，上有6排互成60度角的可固定6个风叶的固定孔。对于三段以上的组合机轴，所增加的中间的风叶法兰盘均与风叶法兰盘10相同。

如图7所示，下风叶法兰盘4利用螺栓固定在下段机轴的下轴端1的风叶固定盘上，中间风叶法兰盘10固定在下轴连接盘3与中段轴的连接盘12的中间；风叶法兰盘15由上轴连接盘8与中间风叶法兰盘15及中段轴上连接盘14依次组装，由轴心定位轴销11定位，利用固定螺栓将其固定在一起，由此，将三段机轴组合固定为一个高同心度的整体机轴。

如图7所示，下风叶法兰盘4与中间风叶法兰盘10固定下面3个互成120度的一组风叶；风叶法兰盘10与风叶法兰盘15固定中间3个互成120度的一组风叶；上风叶法兰盘9与风叶法兰盘15固定上面3个互成120度的一组风叶。多段机轴的连接固定方式与风叶固定方式相同。

由此，各层之间风叶互差60度，均匀平衡分布，产生旋转力矩连续平稳，产生最大有效的旋转力矩。

本实施例中：各轴端与连接盘均采用S45C钢锻打之后进行精加工而成；各轴管均采用S45C钢无缝钢管。各风叶连接法兰盘均采用S45C钢板加工而成；风叶法兰盘固定螺丝5，轴心定位轴销11采用均采用高强度S45C钢精加工而成。

各轴端与轴管，各轴管与轴连接盘的连接均采用精加工强配合焊接而成。上下轴连接盘与上下轴管的连接结合部采用精加工而成，轴端外经比轴管的内径大0.1mm，轴管的无缝钢管的结合部加热后把轴端强压入后焊接而成，然后进行整体精加工。其他轴端与轴管的结合部的加工均如此。

下轴连接盘3与上轴连接盘8的连接，中间为风叶法兰盘10，中心由轴定位销11进行中心定位。轴定位销11的外径与下连接盘3与上连接盘8及风叶法兰盘10的内径为紧密滑动配合，然后利用固定螺栓与螺帽将其固定。上段机轴与下段机轴的连接即为上述下轴连接盘3与上轴连接盘8的连接。当采用多段机轴机构时，中段机轴可增加一段或多段，其连接方法，仍与上述所述下轴连接盘3与上轴连接盘8的连接相同。

所述的风叶与机轴的连接件是下风叶法兰盘4与上风叶法兰盘9及中间风叶法兰盘10与15，是风叶的重力与旋转扭力矩的受承受点。既要承受风叶重量，又要承受风叶所产生的旋转力矩。所述所有风叶法兰盘均采用S45C钢材，其外观特征如图5与图6所示。

所述的风叶与轴体的连接件风叶法兰盘10与15如图6所示，具有6排互成60度角的可固定6个风叶的固定孔，可固定下部的3个风叶，同时可固定3个上部风叶，共可设置6个风叶。如果增加轴体段数，即可增加风叶的数量和增大风力动力机的旋转推动力矩，即可增加风力发电机的容量。

上述实施例中各个部件的工作状态及原理：

所述下轴端1的连接孔利用螺栓5把下风叶法兰盘4连接固定在下段机轴上；上轴端6上的连接孔通过螺栓5把上风叶法兰盘9连接固定在上段机轴上。下段机轴与上段机轴及风叶法兰盘10连接，其中心由轴心定位轴销11进行中心定位，利用轴心定位轴销11与风叶法兰盘螺栓5把下段机轴与上段机轴及风叶法兰盘10连接固定在一起。轴心定位轴销11的作用是使下段机轴与上段机轴的连接能准确的定位在一条中心线上。利用下风叶法兰盘4与风叶法兰盘10把下层3个风叶各成120度分别连接固定在下段机轴上；利用上风叶法兰盘9与风叶法兰盘10把上层3个风叶各成120度分别连接固定在上段机轴上；

如上所述，本***可把6个风叶分两层相差60度，每层3个风叶各差120度均匀固定分布在机轴上。如果需要增加风力发电机的功率，可以在上下段机轴中间增加中段机轴一段或多段，中段机轴如图4所示，增加中段机轴后的整体机轴如图7所示。

所述的大型组合机轴是把一个超长机轴分解为几段进行加工运输与组装，即方便了加工和运输，可以利用较小的加工机械，完成大型超长轴类的加工。此发明不仅适用于大型风力发电机组合机轴，也适用于其他类型的机轴类，或其他的长圆柱型类，及大型框架形组合连接结构与工艺。

本实施例***采用的多段组合式风力发电机的机轴结构，把一根长风力发电机的机轴，分解为几段，采用组合式结构，可以任意组合改变风叶角度，消除风叶死角，保持风叶旋转力矩的连续性，减小了机轴的形变与振动；并把实心轴结构改为空心式结构，便于加工，节约了大量的钢材，增加了机轴的强度与旋转扭力矩，便于组装与运输，增加旋转扭力矩。经过大量的模拟实验与大量的计算，本风叶***适应于10KW～10兆瓦以上风力发电***的需要。

Claims (7)

1、一种大型风力发电机组合机轴，其特征在于包括至少两段轴体，两段轴体之间通过法兰盘连接，轴中心与法兰盘中心通过定位销定位，所述每段轴体包括轴端、轴管、轴连接盘，轴端与轴管一端强配合焊接，轴管另一端与轴连接盘连接，轴连接盘与法兰盘内径采用定位轴栓紧密配合定位，并通过固定螺栓与螺帽固定，法兰盘上连接风叶。

2.根据权利要求1所述的大型风力发电机组合机轴，其特征是，所述法兰盘是机轴连接与固定风叶的三角形法兰盘体，其上有三排互成120度角的风叶固定孔，用于设置风叶。

3.根据权利要求1所述的大型风力发电机组合机轴，其特征是，所述轴体为三段及三段以上的，在两段轴体中间增加一段或多段轴体，位于中间位置的轴体包括：轴下连接盘、轴管、轴上连接盘，轴下连接盘、轴上连接盘分别设于轴管的两端，用于连接相邻的轴体。

4.根据权利要求3所述的大型风力发电机组合机轴，其特征是，所述轴体为三段及三段以上的，用于连接中间轴体的法兰盘为圆型，其上设有六排互成60度角的用于固定六个风叶的固定孔。

5.根据权利要求1所述的大型风力发电机组合机轴，其特征是，所述轴管内径比轴端的外径小0.1mm。

6.根据权利要求1或5所述的大型风力发电机组合机轴，其特征是，所述轴管材料为S45C钢空心无缝钢管。

7.根据权利要求1或5所述的大型风力发电机组合机轴，其特征是，所述轴端材料为S45C实体圆钢。

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