CN102209846B - 风力涡轮机转子叶片 - Google Patents

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Abstract

提供了一种风力涡轮机转子叶片，转子叶片包括根部和从所述根部延伸的末端部。根部包括嵌入其中的多个插入件，每个插入件被构造成用于接收将所述风力涡轮机转子叶片连接到风力涡轮机轮毂的相应连接装置。插入件具有至少两个不同的长度，使得它们延伸到转子叶片中不同距离。

Description

风力涡轮机转子叶片
技术领域
本发明涉及风力涡轮机转子叶片领域，并且尤其涉及所述转子叶片与风力涡轮机轮毂的连接。
背景技术
风力涡轮机转子叶片典型地由一种或者多种复合材料制成。复合材料通常是层压材料，因而加强材料的各层采用树脂彼此粘合在一起，随后被固化以形成部件，这里是风力涡轮机转子壳体。这种材料不具有结构完整性以便提供例如螺栓可以被直接插入其中的牢固固定结构。孔可以被形成在转子壳体的复合材料中，以提供螺栓可以在其上实现牢固紧固的互补螺纹。然而，当在螺栓和壳体之间的界面暴露于转子轮毂和转子叶片之间的相对运动时，复合材料太软而不能阻止螺栓的运动，并且复合材料的损坏将通过破碎或者分层开裂机理而发生。
出于这个原因，对于风力涡轮机转子叶片公知的是包括被嵌入叶片的根部中的带内螺纹的金属插入件。固定螺栓可以与这些插入件组合使用，以实现转子轮毂与转子叶片之间的牢固连接。
图1示出了现有的转子叶片结构，其中包括复合材料的转子叶片2在它的根部端4具有嵌入其中的多个插入件6。插入件6典型地在复合材料转子叶片2的制造过程中以现有方式被引入根部端4中。
每个插入件6通常由金属例如钢制成。钢和复合材料的材料特性明显不同，尤其是由杨氏模量量化的硬度。
在运行时，空气动力载荷施加在每个转子叶片2上，并且转子轮毂被旋转地驱动。巨大水平的动力结构负荷在转子轮毂与每个转子叶片2之间传递。这个轴向负荷由插入件6承载，并且被传递到邻近插入件6的尖端的转子叶片2的周围复合材料上。在图1的转子叶片结构中，纵向插入件被嵌入复合材料中并且被复合材料环绕。插入件典型地被粘贴或者粘合在层压材料内。因此，相当大的局部应力被施加在每个插入件6的尖部的复合材料中。结果，沿着弦向线构造的局部应力区域由转子叶片2承受。如果由于一些原因，例如由于一些材料裂纹或者制造缺陷导致的插入件的失效，增加的负荷施加在这个区域内，与邻近插入件有关的负荷将因此被增加。在插入件部分的区域与叶片的层压材料之间的制造缺陷可能引起插入件失效。这种失效能引起应力累积，应力累积可能极端地导致转子叶片2的灾难性故障。
理想地，提供用于连接风力涡轮机转子叶片到风力涡轮机轮毂的可替换的固定装置，其避免了前述问题并且提供了固定，所述固定证明可以容忍制造中的缺陷或者在叶片材料中的局部裂纹。
发明内容
根据第一方面，本发明提供一种风力涡轮机转子叶片，包括根部和从所述根部延伸的末端部，所述根部包括嵌入其中的多个插入件，每个插入件被构造成用于接收将所述风力涡轮机转子叶片连接到风力涡轮机轮毂的相应连接装置，其中，第一插入件具有第一长度，第二插入件具有不同于所述第一长度的第二长度。
通过提供具有不同长度的插入件，在插入件材料与根部材料之间的材料特性不同引起的应力发生在不同的轴向位置。通过以这种方式在根部内分布应力，在风力涡轮机转子叶片和风力涡轮机轮毂之间实现了负荷的平稳过渡，并且因此避免了在一个特定轴向位置的累积应力。而且，负荷变得在叶片长度的更宽阔的轴向区域上分布。结果，抑制了在插入件的尖端与风力涡轮机转子叶片之间的界面处经受的任何失效的传播，并且实现了转子叶片与轮毂的更结实连接。
具有不同于第一长度和第二长度的第三长度的第三插入件可以被提供以进一步分布负荷。实际上，可以考虑多个不同的长度。
每个插入件可以包括相应的螺纹孔。插入件的长度可以在所述相应的螺纹孔的直径的5至30倍的范围内。在两个相邻插入件的长度之间的差值可以在所述两个相邻插入件中更长一个插入件的长度的2％至50％的范围内，优选地，在所述两个相邻插入件中更长一个插入件的长度的5％至20％的范围内。
每个连接装置可以包括螺栓，优选为单个螺栓，因此插入件可以被如此构造。
根据第二方面，本发明提供了一种风力涡轮机装置，包括：
塔架；
安装在所述塔架顶部的轮毂；以及
上述类型的风力涡轮机转子叶片，所述风力涡轮机转子叶片通过多个螺栓连接到所述轮毂，每个螺栓位于形成在所述轮毂中的相应孔内并且被所述风力涡轮机转子叶片中的相应插入件接收。
附图说明
现在将根据附图仅仅通过示例更详细地描述本发明，附图中：
图1表示现有转子叶片的示意图；
图2表示现有插入件的示意图；
图3表示具有非统一的插入件的转子叶片；以及
图4表示具有非统一的插入件的转子叶片。
具体实施方式
图2示出了图1中所示类型的现有插入件6。在这个示例中，每个插入件由诸如钢的金属制成，然而，能够使用具有合适硬度特性的替换材料，例如增强塑性材料。
插入件6包括在这个实施例中基本上是圆柱形的本体部6a，以及在这个实施例中逐渐变细的尾部6b。尾部6b从与本体部尺寸匹配的近端部向着远端部尺寸减小，远端部具有大体减少的直径，例如限定一个尖端。尾部6b的直径减少适于增加在远离本体部6a的区域中插入件6的灵活性。插入件的其它形状也可以易于使用。
在安装时，本体部6a的一端定位成与转子叶片2的最远根部端齐平，并且插入件6轴向延伸进入转子叶片2的材料中。孔8形成在插入件6的本体部6a中。孔8的至少一部分形成有内螺纹，使得孔8构造成用于接收将转子叶片2固定到转子轮毂(未示出)的螺栓(未示出)。每个插入件6延伸到转子叶片2中距离为L。
图3示出了用于将转子叶片12连接到转子轮毂(未示出)的本发明实施例。具有类似于之前示例的插入件6的结构的插入件16、18设置在转子叶片12的根部14中。然而，插入件16与插入件18不同，插入件16的长度L1比插入件18的长度L2略短。在安装时，如图所示，插入件16和18交替地设置，使得相邻的插入件的尖端不象上述现有结构一样沿着转子叶片12处于相同的轴向位置。
而是，较短的插入件16延伸到转子叶片12的根部14中的距离为L1，而较长的插入件18延伸到转子叶片12的根部14中的距离为L2。结果，从各个插入件16、18向转子叶片12的主要部分负荷材料的负荷传递发生在转子叶片12的更宽阔的轴向区域。由此，在这个区域实现负荷的更平稳过渡，并且避免了上述现有转子叶片2中看到的局部应力模式。
如果一个插入件16、18失效，从插入件到转子叶片12的负荷传递将变形。在这个实施例中，与失效的插入件相比，邻近的插入件延伸到转子叶片12中不同的量。抑制了邻近的插入件中由于失效的插入件导致经受的应力向局部的传播。因此也抑制了累积负荷，并且叶片12的灾难性故障可以被避免或者至少被延迟。
相应插入件的长度L1、L2是在形成在插入件内的内部孔8的直径的5至30倍的范围内。两个相邻插入件之间的差值表示与插入件的尖端相关的应力分布在其上的轴向距离。这个差值是在两个相邻插入件中较长一个插入件的长度的2％至50％的范围内。优选地，该差值是在两个相邻插入件中较长一个插入件的长度的5％至20％的范围内。
在更改进的实施例中，如图4中所建议的，具有一个或者多个另外不同长度，即L3、L4、L5的其它插入件可以被引入，以便在运行过程中进一步分散在插入件的尖端承受的负荷。因此，传递负荷的轴向范围被进一步延伸和/或分散，并且应力集中变得比累积更加分散。
插入件16、18在转子叶片12的制造过程中被引入转子叶片12。转子叶片12可以由多个浸渍树脂的具有预定定向的预制纤维片制成。当叶片被层叠时，插入件可以被引入模具中并且材料可以形成在模具中。然后叶片12被固化，并且插入件被固定在主要部分材料中。
替代地，叶片12可以被层叠并且被固化而没有插入件。用于接收插入件的孔随后被机加工在转子叶片12的根部14中。在存在粘合材料的情况下，插入件被引入这些孔中，使得它们被牢固地粘结在位。
在前述实施例中，每个相应插入件被构造成接收单个的螺栓，然而，在替代实施例中，插入件可以是细长的并且被构造成接收两个或者更多个螺栓。
已经参照具体示例和实施例描述了本发明。然而，应理解的是，本发明不限于这里公开的具体示例，而是可以在根据权利要求书的本发明范围内被设计和更改。

Claims (8)

1.一种风力涡轮机转子叶片，包括根部和从所述根部延伸的末端部，所述根部包括嵌入其中的多个插入件，每个插入件轴向延伸到所述转子叶片中并且被构造成用于接收将所述风力涡轮机转子叶片连接到风力涡轮机轮毂的相应连接装置，其中，第一插入件具有第一长度，第二插入件具有不同于所述第一长度的第二长度，每个插入件包括相应的螺纹孔并且插入件被粘结在所述根部中。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述根部包括第三插入件，所述第三插入件具有不同于所述第一长度和所述第二长度中的每个的第三长度。
3.如权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述多个插入件的长度在所述相应的螺纹孔的直径的5至30倍的范围内。
4.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，两个相邻插入件的长度之间的差值在所述两个相邻插入件中更长一个插入件的长度的2%至50%的范围内。
5.如权利要求4所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述两个相邻插入件的长度之间的所述差值在所述两个相邻插入件中更长一个插入件的长度的5%至20%的范围内。
6.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，每个连接装置包括螺栓。
7.如权利要求6所述的风力涡轮机转子叶片，其特征在于，所述每个连接装置包括单个螺栓。
8.一种风力涡轮机装置，包括：
塔架；
安装在所述塔架顶部的轮毂；以及
如前述任一权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，所述风力涡轮机转子叶片通过多个螺栓连接到所述轮毂，每个螺栓位于形成在所述轮毂中的相应孔内并且被所述风力涡轮机转子叶片中的相应插入件接收。
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