一种法兰或类法兰加强环、连接结构及风力发电机组的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种法兰或类法兰加强环及含有该加强环的法兰或类法兰连接结构，所述法兰用于与螺栓配合连接两个固定管件，所述类法兰为轴承结构并用于与螺栓配合连接固定件和转动件，所述法兰、类法兰上均设置有与螺栓配合的螺栓孔，所述加强环用于与法兰面或类法兰面配合，为整环结构或多个分片沿圆周方向依次配合组成的组合环状结构，且整环结构、组合环状结构上均设有与法兰或类法兰上的螺栓孔轴向对应一致的通孔。上述加强环可以增强现有的法兰或类法兰连接结构刚度、强度以及减小螺栓载荷，进而提高连接结构寿命。本实用新型还公开了含有上述连接结构的风力发电机组，可以避免螺栓断裂导致的事故，运行稳定性好。
【专利说明】—种法兰或类法兰加强环、连接结构及风力发电机组
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及法兰连接领域，具体地，涉及一种法兰或类法兰加强环、含有该加强环的法兰或类法兰连接结构及含有该连接结构的风力发电机组。
【背景技术】
[0002]目前，在风力发电机组中，法兰是使用广泛的重要连接部件。风力发电机塔筒段之间、塔筒与基础环、塔筒与机舱、轮毂与风机叶片，大多使用法兰或类法兰(轴承)通过高强螺栓的方式连接，特别是风力发电机组叶片的连接方式大多都是轮毂-变桨轴承-叶片-高强螺栓的方式连接，对于此部位的类法兰(变桨轴承)_高强螺栓连接来讲，其设计的结构形式适应于承受轴向载荷及径向载荷，对于弯矩形式的交变及冲击载荷其承受能力相对前两种载荷要要弱。目前在运行的风力发电机组中已经发现多起叶片变桨轴承位置的高强螺栓断裂导致的事故，如果螺栓断裂发现不及时会带来连锁的对风机结构损伤更大的事故。高强螺栓失效的原因与连接部位的结构钢度有直接关系，当结构钢度不足时会在载荷较大时使连接高强螺栓受到的载荷不均匀，从而使部分螺栓产生过量变形甚至发生塑性变形，由此结构刚度不足，螺栓载荷不均匀等因素是螺栓失效的主要原因。
[0003]针对上述问题，对于法兰或类法兰(轴承)-高强螺栓的增强措施一般可以采用以下几种方式:第一种方式:改变法兰或类法兰的尺寸，选用厚度更大，宽度更大的法兰或类法兰，提高法兰或类法兰的刚度进而提高整个结构的刚度；第二种方式:选用直径更大的高强螺栓，通过增加高强螺栓的刚度来增强结构的整体刚度。
[0004]以上第一种方式，通过增大法兰或类法兰(轴承)尺寸的方法来增强结构钢度，其需要重新设计并生产相应的法兰或轴承，对于在役的风力发电机组的改造需要很大的工作量，并且整个加强改造成本高，难于广泛推广，更适用于新建机组不太适用于在役机组的改造。
[0005]以上第二种方式，通过选用大直径的高强螺栓的方法需要同时改造高强螺栓对应的通孔及与螺栓配合的螺纹孔。操作难度大，且难以保证精度。
[0006]综上所述，目前对于已经在用的法兰或类法兰连接结构件进行增强的措施和方法比较缺乏，常常是通过对法兰件进行再设计更换来完成的，而且对于成熟的法兰或类法兰产品经常会出现强度、寿命不足的情况。因此，急需一种新的提高法兰或类法兰连接结构刚度和强度的方式。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的在于提供一种法兰或类法兰加强环，以增强现有的法兰或类法兰连接结构刚度、强度以及减小螺栓载荷，进而提高连接结构寿命。
[0008]本实用新型的第二个目的在于提供一种法兰或类法兰连接结构，具有结构刚度、强度强和螺栓载荷小的特点，寿命较长。
[0009]本实用新型的第三个目的在于提供一种风力发电机组，以避免螺栓断裂导致的事故,运行稳定性好。
[0010]为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案:
[0011]一种法兰或类法兰加强环，所述法兰用于与螺栓配合连接两个固定管件，所述类法兰为轴承结构并用于与螺栓配合连接固定件和转动件，所述法兰、类法兰上均设置有与螺栓配合的螺栓孔，所述加强环用于与法兰面或类法兰面配合，为整环结构或多个分片沿圆周方向依次配合组成的组合环状结构，且整环结构、组合环状结构上均设有与法兰或类法兰上的螺栓孔轴向对应一致的通孔。
[0012]进一步地，所述相邻分片的接口部分为凹凸配合的搭接结构；或相邻分片的接口面相互平行，且接口面均垂直于法兰面或类法兰面。
[0013]进一步地，所述搭接结构为角型搭接结构或矩形搭接结构。
[0014]一种法兰或类法兰连接结构，包括用于连接两个固定管件的法兰及螺栓，或用于连接固定件和转动件的类法兰及螺栓，其中类法兰为轴承结构；在法兰面或类法兰面上还增设有上述的加强环；对应地，所述螺栓长度的增加值等于或大于加强环的厚度。
[0015]进一步地，所述用于连接固定件和转动件的类法兰为风力发电机组叶片变桨轴承，其中固定件为轮毂，转动件为叶片，所述加强环设置在与轮毂配合的变桨轴承外环的端面。
[0016]进一步地，所述轴承为风力发电机组偏航轴承。
[0017]一种风力发电机组，含有上述的法兰或类法兰连接结构。
[0018]通过采用上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果:
[0019]1、本实用新型采用一种整环或者分片式的组合环状结构的加强环，可以对已经在用的法兰或类法兰连接结构进行后期加固，弥补原始设计的强度不足、变形过大等问题，且可避免重新设计并更换成本过高的问题。
[0020]2、通过在法兰或类法兰连接结构加装加强环，具有增强法兰或类法兰(轴承)连接结构刚度、强度以及减小紧固螺栓载荷的效果，进而提高了连接结构的寿命。通过加装法兰加强环的方式来增强结构刚度和强度，均摊螺栓载荷，其安装难度小，仅需相应增长螺栓的长度，并且总体成本低于【背景技术】中提到的两种方式，具有很好的推广操作性和经济性。
[0021]3、通过将现有的风力发电机组的法兰或类法兰连接结构加装加强环，具有制造安装便捷，并且能够在不改变原始设计的情况下有效增强结构的刚度和强度，最终达到延长法兰和类法兰(轴承)的使用寿命的效果，消除其破坏失效，进而避免螺栓断裂导致的事故，使风力发电机组运行稳定性好。
[0022]4、采用角型和矩形搭接结构的加强环分片，在安装后加强环分片之间可以通过其搭接结构传递垂直于法兰面方向上的力，可进一步分担螺栓载荷。
[0023]5、对于相邻分片的接口面相互平行且接口面均垂直于法兰面或类法兰面的加强环分片，其具有设计、制造简便的特点，且现场安装精度要求较低。
[0024]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为未安装加强环的法兰连接结构示意图；
[0026]图2为安装加强环的法兰连接结构示意图；
[0027]图3为组合环状结构的法兰加强环结构示意图；
[0028]图4为角型搭接加强环分片结构示意图；
[0029]图5为矩形搭接加强环分片结构示意图；
[0030]图6为相邻分片的接口面相互平行的加强环分片结构示意图；
[0031]图7为未安装加强环的类法兰(风力发电机组变桨轴承)连接结构示意图；
[0032]图8为安装加强环的类法兰(风力发电机组变桨轴承)的连接结构示意图。
【具体实施方式】
[0033]以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0034]为了方便理解，现对本实用新型中涉及到的部分术语进行说明:
[0035]法兰:其用于与螺栓配合连接两个固定管件；类法兰:为轴承结构并用于与螺栓配合连接固定件和转动件。两者均设置有与螺栓配合的螺栓孔。以风力发电机组为例，其中的风力发电机的多个塔筒段、塔筒与基础环均为固定管件，可通过法兰连接；塔筒与机舱、轮毂与风机叶片，均为固定件和转动件，可通过类法兰(轴承)连接。
[0036]图1为现有技术中连接两个固定管件a、b的法兰连接结构示意图；法兰连接结构包括:法兰I及螺栓2，两个固定管件a、b通过法兰I及与法兰I配合的多个螺栓2连接起来。法兰I上设置有多个与螺栓2配合的螺栓孔(图中未示出)。该种连接结构存在的问题是，结构刚度不足，螺栓载荷不均匀，导致寿命缩短，重新设计法兰连接结构则更换成本过闻。
[0037]针对上述问题，本实施例提供了一种增强装置，即一种法兰加强环，通过加装该加强环，可以增强结构刚度和强度。
[0038]如图2所示，为加装了法兰加强环3的法兰连接结构。该法兰加强环3用于与法兰面配合，其结构形式可以为整环结构或多个分片31沿圆周方向依次配合组成的组合环状结构，且整环结构、组合环状结构上均设有与法兰上的螺栓孔轴向对应一致的通孔32(配合图3所示)。
[0039]对于法兰加强环的设计使用基本流程如下:首先在使用法兰加强环之前需要根据其安装对应法兰的尺寸参数设计法兰加强环的尺寸，加强环的通孔(螺栓孔)位置及尺寸需要与被安装部位的尺寸相同。根据所要增强的强度选择法兰加强环的厚度值。然后根据原始紧固件螺栓的规格和长度设计法兰加强环对应的新螺栓的尺寸参数，螺栓规格和等级不变，长度尺寸增加值与法兰加强环的厚度值一致或更大。完成以上法兰加强环和螺栓的尺寸设计后，生产出相应的加强环和螺栓紧固件。
[0040]如果法兰加强环的形式是非整圆的分片式，分片的数量和每片长度可以根据使用环境的法兰载荷进行特定设计，可以选用长度相同的加强环分片，也可选用不等长的加强环分片。另外，在分片式法兰加强环中，相邻分片的接口部分为凹凸配合的搭接结构(如图4所示的角型搭接结构或如图5所示的矩形搭接结构)；或相邻分片的接口面相互平行，且接口面均垂直于法兰面或类法兰面(如图6所示)。
[0041]采用角型和矩形搭接结构的加强环分片，在安装后加强环分片之间可以通过其搭接结构传递垂直于法兰面方向上的力。但是在设计和制造搭接结构时需要对设计尺寸和加工精度做较高的要求，以保证其搭接结构的缝隙足够小进而可以传递力。而对于相邻分片的接口面相互平行且接口面均垂直于法兰面的加强环分片，其无法传递垂直于法兰面的力，但是设计、制造简便，并且方便法兰加强环的现场安装，对于安装精度要求低于前两种。
[0042]在法兰加强环安装过程:首先将原始安装的紧固件螺栓拆除，将法兰加强环通过定位销定位在法兰面上，将紧固螺栓装入螺栓孔，通过上紧工具将螺栓按要求上紧即可。
[0043]上述列举了两个固定管件间的法兰连接形式，对于固定件和转动件(如风力发电机组的塔筒与机舱、轮毂与风机叶片)之间，可以通过类法兰(偏航轴承、变桨轴承)连接，其也会存在类似的问题。因此，该法兰加强环也可用于与类法兰配合。
[0044]如图7所示，为现有技术中连接轮毂c (固定件)和风机叶片d(转动件)的变桨轴承连接结构示意图；连接结构包括变桨轴承4和螺栓51、52，其中螺栓51通过变桨轴承4的外环与轮毂c连接；螺栓52通过变桨轴承4的内环与风机叶片d相连。
[0045]经过改造后的连接结构如图8所示，与图7的不同之处在于，在与轮毂c配合的变桨轴承4外环的端面上加装加强环3。
[0046]将上述具有加强环结构的法兰或类法兰连接结构应用于风力发电机组中，可以克服在役风力发电机组中的法兰或类法兰连接结构在原始设计中安全系数不足的问题，通过增强连接结构的强度和刚度，降低螺栓载荷，避免由其引起的事故，增强风力发电机组寿命O
[0047]最后应说明的是:以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种法兰或类法兰加强环，所述法兰用于与螺栓配合连接两个固定管件，所述类法兰为轴承结构并用于与螺栓配合连接固定件和转动件，所述法兰、类法兰上均设置有与螺栓配合的螺栓孔，其特征在于: 所述加强环用于与法兰面或类法兰面配合，为整环结构或多个分片沿圆周方向依次配合组成的组合环状结构，且整环结构、组合环状结构上均设有与法兰或类法兰上的螺栓孔轴向对应一致的通孔。
2.根据权利要求1所述的法兰或类法兰加强环，其特征在于，所述相邻分片的接口部分为凹凸配合的搭接结构；或相邻分片的接口面相互平行，且接口面均垂直于法兰面或类法兰面。
3.根据权利要求2所述的法兰或类法兰加强环，其特征在于，所述搭接结构为角型搭接结构或矩形搭接结构。
4.一种法兰或类法兰连接结构，包括用于连接两个固定管件的法兰及螺栓，或用于连接固定件和转动件的类法兰及螺栓，其中类法兰为轴承结构；其特征在于，在法兰面或类法兰面上还增设有权利要求1-3任一项所述的加强环；对应地，所述螺栓长度的增加值等于或大于加强环的厚度。
5.根据权利要求4所述的法兰或类法兰连接结构，其特征在于，所述用于连接固定件和转动件的类法兰为风力发电机组叶片变桨轴承，其中固定件为轮毂，转动件为叶片，所述加强环设置在与轮毂配合的变桨轴承外环的端面。
6.根据权利要求4所述的法兰或类法兰连接结构，其特征在于，所述轴承为风力发电机组偏航轴承。
7.一种风力发电机组，其特征在于，含有权利要求4-6任一项所述的法兰或类法兰连接结构。
【文档编号】F03D11/04GK203925894SQ201420348202
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】岳文彦, 吴涌, 岳俊红, 周雪琴, 段二顺, 肖剑, 任淮辉, 曹建忠, 王红艳, 陶钢正 申请人:龙源（北京）风电工程技术有限公司