用于风力发电机组的轴系结构以及风力发电机组的制作方法

1.本发明涉及风力发电机技术领域，更具体地，涉及一种用于风力发电机组的轴系结构以及包含该轴系结构的风力发电机组。


背景技术：

2.风力发电机组通过叶轮的旋转将风能转换为动能后传递给发电机，从而通过发电机将动能转换为电能。在风力发电机组中，轴系结构除了传递扭矩之外，同时还承受着各种复杂的交变载荷，例如，径向载荷、轴向载荷、弯矩等，结构和受力情况较为复杂，尤其是在风力发电机组运行过程中受各种因素的影响，容易出现各种各样的故障，因此轴系结构的安全性能对风力发电机组的正常运行起着至关重要的作用。
3.此外，随着风力发电机组功率的逐渐增大，轴系结构承受的载荷也急剧增大，相应的轴系结构的尺寸也急剧增大，而随着市场竞争的加剧，风力发电机组的单位成本要求越来越低，可靠性要求越来越高。现有的轴系结构的制造成本急剧增加，工艺实现起来也比较困难。
4.因此，风力发电机组的轴系结构面临着性能和制造成本的双重挑战。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种具有改善的刚度的用于风力发电机组的轴系结构以及风力发电机组。
6.根据本发明的一方面，提供一种用于风力发电机组的轴系结构，所述轴系结构包括内轴、设置在所述内轴外侧的外轴以及轴承，所述轴承安装在所述轴系结构的一端且设置在所述内轴和所述外轴之间，在所述轴系结构的轴向上，所述外轴包括位于所述外轴的第一端的用于支撑所述轴承的第一轴承支撑段以及将所述第一轴承支撑段和所述外轴的第二端彼此连接的第一连接段，所述第一连接段的轴向截面的外壁面的至少一部分呈圆拱形。
7.可选地，从所述外轴的所述第一端到所述第二端的方向上，所述第一连接段的外壁面包括依次连接的第一外区段、第二外区段以及第三外区段，所述第一外区段和所述第三外区段为圆拱形，所述第二外区段为斜拱形。
8.可选地，所述第二外区段为具有第一斜度的斜拱形，相对于所述第一轴承支撑段的外周面，所述第一斜度为5
°‑7°
。所述第一外区段的曲率半径为150mm-250mm，所述第三外区段的曲率半径为400mm-600mm，当所述第一连接段的轴向长度为l1时，所述第一外区段和所述第三外区段的轴向长度为10％l
1-20％l1。
9.可选地，其特征在于，所述第一连接段的轴向截面的内壁面的至少部分呈圆拱形。
10.可选地，从所述外轴的所述第一端到所述第二端的方向上，所述第一连接段的内壁面包括依次连接的第一内区段、第二内区段以及第三内区段，所述第一内区段和所述第三内区段为圆拱形，所述第二内区段为斜拱形。
11.可选地，所述第二内区段为具有第二斜度的斜拱形，相对于所述第一轴承支撑段的外周面，所述第二斜度为5
°‑7°
。所述第一内区段的曲率半径为150mm-250mm，所述第三内区段的曲率半径为400mm-600mm，当所述第一连接段的轴向长度为l1时，所述第一内区段和所述第三内区段的轴向长度为10％l
1-20％l1。
12.可选地，所述第一连接段的外壁面呈圆拱形。从所述外轴的所述第一端到所述第二端的方向上，所述第一连接段的内壁面包括依次连接的第一内区段、第二内区段以及第三内区段，所述第一内区段、所述第二内区段和所述第三内区段均为圆拱形。
13.可选地，所述第一连接段的外壁面的曲率半径为1000mm-15000mm。所述第一内区段的曲率半径为150mm-250mm，所述第二内区段的曲率半径为1000mm-15000mm，所述第三内区段的曲率半径为400mm-600mm，当所述第一连接段的轴向长度为l2时，所述第一内区段和所述第三内区段的轴向长度为10％l
2-20％l2。
14.根据本发明的另一方面，提供一种用于风力发电机组的轴系结构，所述轴系结构包括内轴、设置在所述内轴外侧的外轴以及轴承，所述轴承安装在所述轴系结构的一端且设置在所述内轴和所述外轴之间，在所述轴系结构的轴向上，所述内轴包括位于所述内轴的第一端的用于支撑所述轴承的第二轴承支撑段以及将所述第二轴承支撑段和所述内轴的第二端彼此连接的第二连接段，所述第二连接段的轴向截面的外壁面的至少一部分呈圆拱形。
15.可选地，从所述内轴的所述第一端到所述第二端的方向上，所述第二连接段的外壁面包括依次连接的第四外区段、第五外区段以及第六外区段，所述第四外区段和所述第六外区段为圆拱形，所述第五外区段为斜拱形。
16.可选地，所述第五外区段为具有第三斜度的斜拱形，相对于所述第二轴承支撑段的外周面，所述第三斜度为5
°‑7°
。所述第四外区段的曲率半径为150mm-250mm，所述第六外区段的曲率半径为400mm-600mm，当所述第二连接段的轴向长度为l3时，所述第四外区段和所述第六外区段的轴向长度为10％l
3-20％l3。
17.可选地，所述第二连接段的轴向截面的内壁面的至少部分呈圆拱形。
18.可选地，从所述内轴的所述第一端到所述第二端的方向上，所述第二连接段的内壁面包括依次连接的第四内区段、第五内区段以及第六内区段，所述第四内区段和所述第六内区段为圆拱形，所述第五内区段为斜拱形。
19.可选地，所述第五内区段为具有第四斜度的斜拱形，相对于所述第二轴承支撑段的外周面，所述第四斜度为5
°‑7°
。所述第四内区段的曲率半径为150mm-250mm，所述第六内区段的曲率半径为400mm-600mm，当所述第二连接段的轴向长度为l3时，所述第四内区段和所述第六内区段的轴向长度为10％l
3-20％l3。
20.可选地，所述第二连接段的外壁面呈圆拱形。从所述内轴的所述第一端到所述第二端的方向上，所述第二连接段的内壁面包括依次连接的第四内区段、第五内区段以及第六内区段，所述第四内区段、所述第五内区段和所述第六内区段均为圆拱形。
21.可选地，所述第二连接段的外壁面的曲率半径为1000mm-15000mm。所述第四内区段的曲率半径为150mm-250mm，所述第五内区段的曲率半径为1000mm-15000mm，所述第六内区段的曲率半径为400mm-600mm，当所述第二连接段的轴向长度为l4时，所述第四内区段和所述第六内区段的轴向长度为10％l
4-20％l4。
22.根据本发明的又一方面，提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括如上所述的用于风力发电机组的轴系结构，所述内轴与所述风力发电机组的叶轮和机舱中的一个连接，所述外轴与所述叶轮和所述机舱中的另一个连接。
23.根据本发明的轴系结构，可提高轴系结构的刚度，减小轴系结构的变形，改善轴承内部的运行状况，减少电机气隙的变化。
24.另外，由于根据本发明的实施例的轴系结构具有改善的刚度，因此还可减少轴系结构的材料进而降低轴系结构和风力发电机组的成本。
附图说明
25.通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
26.图1是根据本发明的第一实施例的用于风力发电机组的轴系结构的示意图；
27.图2是根据本发明的第二实施例的用于风力发电机组的轴系结构的示意图；
28.图3是根据本发明的第三实施例的用于风力发电机组的轴系结构的示意图；
29.图4是根据本发明的第四实施例的用于风力发电机组的轴系结构的示意图。
30.在附图中：100为内轴，200为外轴，100a为内轴的第一端，100b为内轴的第二端，210为第一轴承支撑段，220为第一连接段，200a为外轴的第一端，200b为外轴的第二端，221a为第一外区段，222a为第二外区段，223a为第三外区段，221b为第一内区段，222b为第二内区段，223b为第三内区段，110为第二轴承支撑段，120为第二连接段，121a为第四外区段，122a为第五外区段，123a为第六外区段，121b为第四内区段，122b为第五内区段，123b为第六内区段。
具体实施方式
31.以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。
32.图1是根据本发明的第一实施例的用于风力发电机组的轴系结构的示意图，图2是根据本发明的第二实施例的用于风力发电机组的轴系结构的示意图。
33.如图1和图2所示，根据本发明的实施例的用于风力发电机组的轴系结构包括内轴100、设置在内轴100外侧的外轴200以及轴承300，轴承300安装在轴系结构的一端且设置在内轴100和外轴200之间。
34.根据本发明的实施例，在轴系结构的轴向上，外轴200包括位于外轴200的第一端200a的用于支撑轴承300的第一轴承支撑段210以及将第一轴承支撑段210和外轴200的第二端200b彼此连接的第一连接段220，第一连接段220的轴向截面的外壁面的至少一部分呈圆拱形。根据本发明的实施例的轴系结构可具有改善的刚度。以下，将参照图1和图2详细描述第一连接段220的具体形状。
35.首先，将参照图1描述根据本发明的第一实施例的轴系结构的第一连接段220的具体形状。
36.根据本发明的实施例，如图1所示，从外轴200的第一端200a到第二端200b的方向上，第一连接段220的外壁面包括依次连接的第一外区段221a、第二外区段222a以及第三外区段223a，第一外区段221a和第三外区段223a为圆拱形，第二外区段222a为斜拱形。
37.根据本发明的实施例，第二外区段222a为具有第一斜度α1的斜拱形，相对于第一轴承支撑段210的外周面，第一斜度α1为5
°‑7°
(例如，6
°
)。当第一斜度α1小于5
°
时，斜度过小，刚度提高的效果不明显，当第一斜度α1大于7
°
时，斜度过大，导致轴系结构所占空间过大。
38.根据本发明的实施例，第一外区段221a的曲率半径为150mm-250mm(例如，200mm)，第三外区段223a的曲率半径为400mm-600mm(例如，500mm)。当第一外区段221a的曲率半径小于150mm，第三外区段223a的曲率半径小于400mm时，形成的拱形过小导致刚度提高不显著。当第一外区段221a的曲率半径大于250mm，第三外区段223a的曲率半径大于600mm时，形成的拱形过大可能导致刚度减小。
39.根据本发明的实施例，当第一连接段220的轴向长度为l1时，第一外区段221a和第三外区段223a的轴向长度为10％l
1-20％l1。也就是说，第二外区段222a的轴向长度为60％l
1-80％l1。当按照以上方式设计各个区段的曲率半径和长度时，可将第一连接段220的外壁面形成的较为圆滑，以利于提高轴系结构的刚度。
40.根据本发明的实施例，如图1所示，第一连接段220的轴向截面的内壁面的至少部分呈圆拱形。
41.具体地，如图1所示，从外轴200的第一端200a到第二端200b的方向上，第一连接段220的内壁面包括依次连接的第一内区段221b、第二内区段222b以及第三内区段223b，第一内区段221b和第三内区段223b为圆拱形，第二内区段222b为斜拱形。
42.根据本发明的实施例，第二内区段222b为具有第二斜度α2的斜拱形，相对于第一轴承支撑段210的外周面，第二斜度α2为5
°‑7°
(例如，6
°
)。当第二斜度α2小于5
°
时，斜度过小，刚度提高的效果不明显，当第二斜度α2大于7
°
时，斜度过大，导致轴系结构所占空间过大。
43.根据本发明的实施例，第一内区段221b的曲率半径为150mm-250mm，第三内区段223b的曲率半径为400mm-600mm。当第一内区段221b的曲率半径小于150mm，第三内区段223b的曲率半径小于400mm时，形成的拱形过小导致刚度提高不显著。当第一内区段221b的曲率半径大于250mm，第三内区段223b的曲率半径大于600mm时，形成的拱形过大可能导致刚度减小。
44.根据本发明的实施例，当第一连接段220的轴向长度为l1时，第一内区段221b和第三内区段223b的轴向长度为10％l
1-20％l1。也就是说，第二内区段222b的轴向长度为60％l
1-80％l1。当如上所述设计各个区段的曲率半径和长度时，可将第一连接段220的内壁面形成的较为圆滑，以利于提高轴系结构的刚度。
45.另外，根据本发明的实施例，通过如上设计第一连接段220的形状和尺寸，可将第一连接段220形成为拱形形状，同时可使第一连接段220的壁厚大体上均匀，避免壁厚不均导致刚度降低。
46.以下，参照图2描述根据本发明的第二实施例的轴系结构的第一连接段220的具体形状。
47.图2是根据本发明的第二实施例的用于风力发电机组的轴系结构的示意图。如图2所示，第一连接段220的外壁面可整体上呈圆拱形。另外，第一内区段221b、第二内区段222b和第三内区段223b均可呈圆拱形。
48.根据本发明的实施例，第一连接段220的外壁面的曲率半径为1000mm-15000mm(例如，10000mm)。当第一连接段220的外壁面的曲率半径小于1000mm时，第一连接段220的外壁面的弯曲度过大，可能不利于提高轴系结构的刚度。当第一连接段220的外壁面的曲率半径大于15000mm时，第一连接段220的外壁面的拱形过小，也不利于提高轴系结构的刚度。
49.根据本发明的实施例，第一内区段221b的曲率半径为150mm-250mm(例如，200mm)，第二内区段222b的曲率半径为1000mm-15000mm(例如，10000mm)，第三内区段223b的曲率半径为400mm-600mm(例如，500mm)。
50.根据本发明的实施例，当第一连接段220的轴向长度为l2时，第一内区段221b和第三内区段223b的轴向长度为10％l
2-20％l2。也就是说，第二内区段222b的轴向长度为60％l
1-80％l1。当按照以上方式设计各个区段的曲率半径和长度时，可将第一连接段220的内壁面形成的较为圆滑，以利于提高轴系结构的刚度。
51.另外，根据本发明的实施例，通过如上设计第一连接段220的形状和尺寸，可将第一连接段220形成为拱形形状，同时可使第一连接段220的壁厚大体上均匀，避免壁厚不均导致刚度降低。
52.在参照图1和图2描述的轴系结构中，内轴100除了支撑轴承300之外，没有向外轴200的第二端200b延伸，然而，内轴100的结构和形式不受具体限制。
53.图3是根据本发明的第三实施例的用于风力发电机组的轴系结构的示意图，图4是根据本发明的第四实施例的用于风力发电机组的轴系结构的示意图。
54.如图3和图4所示，根据本发明的实施例的用于风力发电机组的轴系结构包括内轴100、设置在内轴100外侧的外轴200以及轴承300，轴承300安装在轴系结构的一端且设置在内轴100和外轴200之间。
55.如图3和图4所示，在轴系结构的轴向上，内轴100包括位于内轴100的第一端100a的用于支撑轴承300的第二轴承支撑段110以及将第二轴承支撑段110和内轴100的第二端100b彼此连接的第二连接段120，第二连接段120的轴向截面的外壁面的至少一部分呈圆拱形。根据本发明的实施例的轴系结构可具有改善的刚度。以下，将参照图3和图4详细描述第二连接段120的具体形状。
56.首先，将参照图3描述根据本发明的第三实施例的轴系结构的第二连接段120的具体形状。
57.根据本发明的实施例，如图3所示，从内轴100的第一端100a到第二端100b的方向上，第二连接段120的外壁面包括依次连接的第四外区段121a、第五外区段122a以及第六外区段123a，第四外区段121a和第六外区段123a为圆拱形，第五外区段122a为斜拱形。
58.根据本发明的实施例，第五外区段122a为具有第三斜度α3的斜拱形，相对于第二轴承支撑段110的外周面，第三斜度α3为5
°‑7°
(例如，6
°
)。当第三斜度α3小于5
°
时，斜度过小，刚度提高的效果不明显，当第三斜度α3大于7
°
时，斜度过大，导致轴系结构所占空间过大。
59.根据本发明的实施例，第四外区段121a的曲率半径为150mm-250mm(例如，200mm)，第六外区段123a的曲率半径为400mm-600mm(例如，500mm)。当第四外区段121a的曲率半径小于150mm，第六外区段123a的曲率半径小于400mm时，形成的拱形过小导致刚度提高不显著。当第四外区段121a的曲率半径大于250mm，第六外区段123a的曲率半径大于600mm时，形
成的拱形过大可能导致刚度减小。
60.根据本发明的实施例，当第二连接段120的轴向长度为l3时，第四外区段121a和第六外区段123a的轴向长度为10％l
3-20％l3。也就是说，第五外区段122a的轴向长度为60％l
1-80％l1。当按照以上方式设计各个区段的曲率半径和长度时，可将第一连接段220的外壁面形成的较为圆滑，以利于提高轴系结构的刚度。
61.根据本发明的实施例，如图3所示，第二连接段120的轴向截面的内壁面的至少部分呈圆拱形。
62.具体地，如图3所示，从内轴100的第一端100a到第二端100b的方向上，第二连接段120的内壁面包括依次连接的第四内区段121b、第五内区段122b以及第六内区段123b，第四内区段121b和第六内区段123b为圆拱形，第五内区段122b为斜拱形。
63.根据本发明的实施例，第五内区段122b为具有第四斜度α4的斜拱形，相对于第二轴承支撑段110的外周面，第四斜度α4为5
°‑7°
(例如，6
°
)。当第四斜度α4小于5
°
时，斜度过小，刚度提高的效果不明显，当第四斜度α4大于7
°
时，斜度过大，导致轴系结构所占空间过大。
64.根据本发明的实施例，第四内区段121b的曲率半径为150mm-250mm，第六内区段123b的曲率半径为400mm-600mm。当第四内区段121b的曲率半径小于150mm，第六内区段123b的曲率半径小于400mm时，形成的拱形过小导致刚度提高不显著。当第四内区段121b的曲率半径大于250mm，第六内区段123b的曲率半径大于600mm时，形成的拱形过大可能导致刚度减小。
65.根据本发明的实施例，当第二连接段120的轴向长度为l3时，第四内区段121b和第六内区段123b的轴向长度为10％l
3-20％l3。也就是说，第五内区段122b的轴向长度为60％l
1-80％l1。当如上所述设计各个区段的曲率半径和长度时，可将第二连接段120的内壁面形成的较为圆滑，以利于提高轴系结构的刚度。
66.另外，根据本发明的实施例，通过如上设计第二连接段120的形状和尺寸，可将第二连接段120形成为拱形形状，同时可使第二连接段120的壁厚大体上均匀，避免壁厚不均导致刚度降低。
67.以下，参照图4描述根据本发明的第四实施例的轴系结构的第二连接段120的具体形状。
68.图4是根据本发明的第四实施例的用于风力发电机组的轴系结构的示意图。如图4所示，第二连接段120的外壁面可整体上呈圆拱形。另外，第四内区段121b、第五内区段122b和第六内区段123b均可呈圆拱形。
69.根据本发明的实施例，第二连接段120的外壁面的曲率半径为1000mm-15000mm。当第二连接段120的外壁面的曲率半径小于1000mm时，第二连接段120的外壁面的弯曲度过大，可能不利于提高轴系结构的刚度。当第二连接段120的外壁面的曲率半径大于15000mm时，第二连接段120的外壁面的拱形过小，也不利于提高轴系结构的刚度。
70.根据本发明的实施例，第四内区段121b的曲率半径为150mm-250mm，第五内区段122b的曲率半径为1000mm-15000mm，第六内区段123b的曲率半径为400mm-600mm。
71.根据本发明的实施例，当第二连接段120的轴向长度为l4时，第四内区段121b和第六内区段123b的轴向长度为10％l
4-20％l4。当按照以上方式设计各个区段的曲率半径和长
度时，可将第二连接段120的内壁面形成的较为圆滑，以利于提高轴系结构的刚度。
72.另外，根据本发明的实施例，通过如上设计第二连接段120的形状和尺寸，可将第二连接段120形成为拱形形状，同时可使第二连接段120的壁厚大体上均匀，避免壁厚不均导致刚度降低。
73.在参照图3和图4描述的轴系结构中，外轴200除了支撑轴承300之外，没有向内轴100的第二端100b延伸，然而，外轴200的结构和形式不受具体限制。
74.另外，在图1至图4中的实施例中，内轴100和外轴200中的一个可以为定轴，另一个可以为动轴。例如，内轴100为定轴，外轴200为动轴。或者，内轴100为动轴，外轴200为定轴。内轴100和外轴200的形式可与图1至图4中示出的实施例的形式不同，例如可具有不同的长度或不同的截面，并且长度和截面形式不受具体限制。
75.轴承300的具体类型不受限制。例如，轴承300可以为滑动轴承或滚动轴承。作为示例，轴承300可以为双列圆锥滚子轴承(drtrb)、圆柱滚子轴承(crb)、球面滚子轴承(srb)或圆锥滚子轴承(trb)。
76.轴承300的尺寸也不受限制，基于风电轴承应用情况，轴承300的内径可以为300mm-4800mm，外径可以为500mm-5000mm。
77.本发明的另一实施例可提供一种风力发电机组。根据本发明的实施例的风力发电机组可包括如上所述的轴系结构，即，图1、图2、图3或图4中示出的轴系结构。其中，内轴100可与风力发电机组的叶轮和机舱中的一个连接，外轴200可与叶轮和机舱中的另一个连接。
78.如上所述，根据本发明的实施例的轴系结构，可提高轴系结构的刚度，减小轴系结构的变形，改善轴承内部的运行状况，减少电机气隙的变化。
79.另外，由于根据本发明的实施例的轴系结构具有改善的刚度，因此还可减少轴系结构的材料进而降低轴系结构和风力发电机组的成本。
80.尽管已经参照其示例性实施例具体描述了本发明的示例性实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。