CN103717883A - 用于风力涡轮机的转子 - Google Patents

Abstract

用于风力涡轮机的转子包括承载叶片（420）的可转动的毂（410）和用于将所述叶片（420）的一部分（425）附装至所述毂（410）的一部分（415）的装置（100）。附装装置（100）包括衬套（200），在所述衬套内能固定有对应的柱栓（300）。衬套（200）中的至少一些设有至少一个固定端（250），所述固定端使得所述柱栓（300）能相对于衬套（200）进行一定程度的转动。衬套（200）可以包括内部接收部件（260），用于接收柱栓（300）的对应端部（310）。接收部件（260）可以在衬套（200）内绕轴线（y）转动。

Description

用于风力涡轮机的转子

本申请要求于2011年8月2日递交的欧洲专利申请EP11382264.7和于2011年10月3日递交的美国临时专利申请No.61/542,477的优先权。

技术领域

本发明涉及风力涡轮机中的叶片和毂的连接装置。本发明尤其涉及用于风力涡轮机的转子，其中所述叶片和毂如权利要求1的前序部分所限定的那样连接。本发明还涉及如权利要求5的前序部分所限定的风力涡轮机。

背景技术

风力涡轮机中的转子形成有这样的部分，即，所述部分在操作中受到较强的离心力、转动力和其他力，诸如重力和由于风作用在叶片上而产生的力。毂和连接至毂的叶片收到较强的力并且因此尤其是当使用时变得严重受力。风力涡轮机转子经受的较强的力是严重问题，在多数情况下会引起用于叶片和毂连接的附装装置的疲劳失效。因此，风力涡轮机转子中的所述部分并且尤其是叶片毂连接装置必须是重型构造。这导致不希望的沉重、大型并且昂贵的部件。

已知风力涡轮机叶片通过其相应的叶片根部通过使用附装装置而可释放地附装至转子毂。附装装置包括布置在毂的一部分中和叶片根部的一部分中的多个衬套和对应的柱栓。柱栓通过螺纹被接收到衬套中，以将叶片可释放地连接至毂。

风力涡轮机应用中的柱栓疲劳失效是已知的，具体是其固定端部的疲劳失效。已知这种失效是由作用在叶片和毂联接装置上的弯曲应力（径向力）和拉伸应力（纵向或轴向力）引起的。

作用在叶片上的所有力，即，沿着叶片的轴线的轴向力和对叶片的轴线的弯曲力，导致施加在每个柱栓上的拉力。由于叶片通常借助螺钉通过轴承附装至转子毂并且叶片的螺钉通常不是同轴地对应于毂的螺钉，因此所述拉力在组件上引起弯曲力。这种弯曲力取决于上述拉力，并且是变化的力，从而引起柱栓的额外的弯曲疲劳破坏。

现有技术试图提供用于解决叶片上高破坏力的有效方案。一个示例是给衬套的端部提供球轴承，如在US4773824中公开。该文献中所示出的风力涡轮机的转子包括承载多个叶片的转毂和用于将叶片连接至毂的附装装置。附装装置包括连接杆，该连接杆具有带螺纹的相对端，所述相对端旋拧到衬套的对应的端部中。在连接杆与衬套之间限定一空间。衬套的端部具有相应的球窝，所述球窝具有球面，以便吸收叶片的离心力。

虽然该方案解决了当使用时吸收离心力的问题，但这是通过提供轴承而实施的，所述轴承将衬套和柱栓作为整体操作。因此，没有高效地适应作用在风力涡轮机转子上的高弯曲应力。

US2007065288公开了借助嵌入到叶片部分中的衬套将风力涡轮机叶片部分可释放地附装至风力涡轮机毂。衬套的内螺纹可以在整个长度上延伸，或者衬套的至少一部分没有螺纹。因此，引入到衬套中并且与在螺纹中接合的柱栓可以被置于张力下。

虽然根据该方案叶片部分可以连接至毂而与作用在叶片上的循环载荷无关，但并没有解决如何高效地吸收毂上的叶片的离心力的问题，尤其是由于作用在叶片和毂连接装置上的所述力所导致的严重的弯曲应力。

通常在现有技术方案中，衬套螺纹基本与柱栓螺纹一样长，或者在有些情况下较短。衬套和柱栓螺纹长度基本相同，以便产生刚性的衬套-柱栓连接。因此，柱栓在任何弯曲和轴向方向上得以保持。如在此所使用的，弯曲方向代表柱栓可以相对于柱栓的轴线弯曲或挠曲的任何方向，例如径向方向、切向方向和类似方向。另一方面，轴向方向代表基本沿着柱栓的轴线的方向。

这种附装装置对于拉伸应力提供良好的硬度。然而，这些附装装置无法提供对弯曲应力的高效适应。在弯曲应力高于拉伸应力的情况下，并且尤其当这种弯曲应力由于高速阵风结合叶片自身转动而不时地施加从而导致疲劳破坏时，这是严重的缺点。

发明内容

本发明提供用于风力涡轮机转子的某些部分，尤其是用于风力涡轮机转子中的叶片部分和毂部分的非刚性联接装置。通过该非刚性联接装置，可以高效地适应作用在毂上的高离心力，尤其是所产生的弯曲应力，以便至少显著地减少破坏。

典型的风力涡轮机转子包括可转动的毂、绕毂布置的一对或多对叶片和用于将叶片的一部分（例如端部）可释放地附装或连接至风力涡轮机中的毂的一部分的附装装置。

在本发明的公开中，叶片的一部分应被理解为叶片的任何部分，例如叶片的端部，包括叶片根部。如果设有叶片根部延伸器，则叶片的一部分甚至也可以指叶片根部延伸器。已知，叶片根部延伸器通常联接至叶片根部并且联接至毂，并且用于增大风力涡轮机的转子直径，以产生较高的电力。

上述附装装置包括多个衬套。衬套是嵌在叶片根部的端部表面中的中空件，通常由诸如钢的金属制成。衬套被适配成，例如其尺寸和形状被设计成用于接收对应的柱栓以固定在其中。柱栓也是由诸如钢的金属制成的部件。通常，衬套的材料的机械强度与柱栓的材料的机械强度相同。

例如，柱栓可以是杆，其至少一端形成有外螺纹，以便使其能旋拧到对应的衬套的一个带内螺纹的端部中。

柱栓通常例如通过螺钉装置或类似物可靠固定至毂部分。

然而，可以想到附装装置的其他技术等同实施例，例如其中柱栓嵌在叶片根部的端部表面中并且衬套嵌在风力涡轮机转子的毂部分中。

根据所述风力涡轮机转子，衬套中的至少一些设有至少一个固定端，该固定端适于给柱栓提供相对于其所固定于其中的衬套的一定程度的转动。在本发明的装置中，一定程度的转动应理解为几分之一度的量级的角位移。

在弯曲应力下柱栓可以进行的该程度的转动导致叶片部分到毂部分的非刚性联接，能高效地适应作用在毂上的高离心力，并且因此至少减小对风力涡轮机转子的破坏，更具体地是对叶片-毂螺栓连接部的破坏。

在该风力涡轮机转子的某些实施例中，衬套的所述至少一个固定端可以包括内接收部件。该内接收部件被适当地适配成用于接收柱栓的对应的端部。内接收部件设置在衬套内并且可以与衬套形成一体。内接收部件可以设有带内螺纹的通孔，用于通过螺纹接收柱栓的对应的螺纹端部。

内接收部件例如可以是螺母部件。该螺母部件可以适当地适配成在衬套内转动，即，其可以绕与衬套的纵向轴线基本垂直的轴线成角度地运动。因此，当柱栓旋拧到对应的衬套中时，螺母部件和柱栓组件可以绕与衬套的纵向轴线基本垂直的所述轴线稍微转动。螺母部件和柱栓组件相对于衬套的小角度运动使得通过附装装置高效吸收弯曲应力。

衬套的固定端的一定长度可以设有内螺纹，以通过螺纹接收形成在对应的柱栓的一定长度上的外螺纹。优选的是衬套螺纹长度大于柱栓螺纹长度。这减小了螺纹上的应力集中，同时提供良好的轴向强度。这与现有技术叶片毂连接装置是不同的，在现有技术叶片毂连接装置中，衬套螺纹长度小于柱栓螺纹长度。

为了本发明的目的，优选的是衬套螺纹长度大于或等于柱栓的公制螺纹直径的0.8倍，并且小于柱栓的公制螺纹直径的2倍。衬套公知螺纹长度与柱栓公制螺纹直径的该比率是提供最低柱栓约束的最佳比率。然而，仍在风力涡轮机转子的最优选实施例中，衬套螺纹大于或等于柱栓的公制螺纹直径的0.8倍，并且小于柱栓的公制螺纹直径的1.5倍。

或者，上述比率可以是指共有衬套-柱栓螺纹长度。共有衬套-柱栓螺纹长度可以定义为衬套和旋拧在衬套上的柱栓二者的螺纹接触长度。所述共有螺纹长度取决于叶片部分和毂部分二者的材料。

在优选实施例中，当柱栓操作地配合到毂中时，衬套的内螺纹可以完全被柱栓的外螺纹围绕，并且更具体地，当柱栓操作地配合到毂中时，柱栓的外螺纹沿长度方向定中心于衬套的内螺纹。衬套和柱栓螺纹的这些相对位置可以至少减少柱栓螺纹端部上的应力集中。

根据本发明，优选的是共有螺纹长度大于或等于柱栓的公制螺纹直径的0.8倍，并且小于柱栓的公制螺纹直径的2倍。这与现有技术衬套和柱栓连接装置是不同的，在现有技术衬套和柱栓连接装置中，衬套螺纹长度和柱栓螺纹长度基本相同。

具有至少一个固定端的衬套适于给柱栓提供一定程度的转动提高了非刚性联接。非刚性联接已被证明可以非常有效地适应叶片在毂上的高离心力，尤其是由该力引起的弯曲应力。甚至是在有弯曲应力引起的破坏占全部疲劳破坏的80%的情况下，该非刚性方案也有助于显著减小来自弯曲应力的疲劳。

传递至柱栓螺纹的弯曲力矩因而大大减小，使得柱栓主要工作在牵引力下。这使得风力涡轮机转子可以设有较小直径的柱栓，使得叶片、变桨系统和毂的成本降低。

在此还提供一种风力涡轮机，其包括由塔支撑的机舱、具有可转动的毂的转子、绕所述毂布置的至少一对叶片和如上所述的附装装置，用于将叶片的一部分附装至毂的一部分。

对于本领域技术人员而言，本发明的实施例的额外目的、优点和特征当阅读说明书时将变得明显，或可以通过实施本发明而被认识。

附图说明

下文将参照附图通过非限制性示例的方式说明本发明的具体实施例，其中：

图1是根据一般现有技术风力涡轮机转子的衬套的端部的部分剖视图，柱栓端部插入到所述衬套中；

图2是根据本发明的第一实施例的衬套的端部的部分剖视图，柱栓端部插入到所述衬套中；

图3、4和5是根据本发明的第二实施例的衬套的端部的部分剖视图，柱栓端部插入到所述衬套中；

图6是本发明的风力涡轮机转子的一个实施例的一部分的部分视图；

图7是图6的放大部分的详细视图；和

图8是风力涡轮机转子的部分正视图。

具体实施方式

用于普通风力涡轮机的转子的一个示例在图6-8中总体上指示为400。转子400主要包括可转动的毂410，其承载多个叶片420。在图8的具体实施例中，转子具有附装至毂410的三个叶片420。

在下文中，总体上参照风力涡轮机转子400的叶片部分425与毂部分415之间的连接。叶片部分425和毂部分415二者都应被宽泛地解释。在本发明的含义内，叶片部分425可以是风力涡轮机转子400中的叶片420的任何部分。例如，叶片部分425可以是叶片420的任何端部，例如附图的示例中所示的叶片根部。叶片部分425也可以是指与叶片420相连的任何部件，例如叶片延伸器。叶片延伸器通常联接至叶片根部以增大叶片直径。叶片部分425甚至也可以是指轨道，例如设置在轴承500中的内轨道，该轴承如图6所示设置在叶片-毂连接部分中。另一方面，在本发明的含义内，术语毂部分415可以指毂410的任何部分以及与毂410相连的任何部件，诸如对应的轨道，例如叶片-毂连接部分中的所述轴承500中的外轨道。

叶片420的一个端部425可释放地连接至毂410的一部分415，如图8所示。这是通过附装装置100实现的。图1示出现有技术附装装置100的一个示例。图1中的附装装置100包括多个衬套200（图1-5中仅示出一个）。衬套200是沿着叶片部分425的表面布置的金属长形体，如图6和7所示。更具体地，由于叶片420通常由纤维加强复合材料制成，因此衬套200嵌入在叶片部分425的层压材料中的多层之间。衬套200具有中空内部210，其至少一端设有确定长度为Lb的衬套内螺纹。

衬套中空内部210适于接收对应的带螺纹的螺栓或柱栓300。柱栓300是金属长形件，其至少一端310具有确定长度为Ls的柱栓外螺纹，如图1和2所示。

虽然在所公开的实施例中使用了金属衬套200和柱栓300，但当然也可以根据需要而使用非金属衬套，例如由高强度聚合物或聚合物复合材料制成。甚至在某些实施例中，可以使用金属和非金属的衬套200和柱栓300。

在使用中，如图6所示，柱栓300旋拧到设置在叶片部分425中的对应的衬套200中。在没有明显弯曲应力的情况下，楼主300布置成与衬套200基本同轴，即，它们对应的纵向轴线x基本彼此重合。

如图1所示，用于叶片-毂连接中的附装装置100的现有技术刚性方案包括所述衬套和柱栓装置，其中衬套螺纹长度Lb和柱栓螺纹长度Ls基本相同（参见图1）。

在图2所示的本发明的实施例中，附装装置100设有衬套200（仅示出一个）而具有基本相同的构造。衬套200是由诸如钢的金属制成的长形中空件，并且连结在诸如风力涡轮机转子400的叶片410中的叶片根部的叶片部分425的端部表面中。每个衬套200都具有中空内部210，该中空内部具有确定长度为Lb的衬套内螺纹。图2所示的实施例中的衬套中空内部210还适于接收对应的柱栓300以固定于其中。

柱栓300是连结在毂420的一部分425中的长形件。柱栓300的至少一端310具有确定长度为Ls的柱栓外螺纹。柱栓300有金属制成，并且通常衬套200的材料可以具有与柱栓300的材料相同的强度。

如图2所示，附装装置100的实施例提供衬套-柱栓装置，其中衬套螺纹长度Lb与柱栓螺纹长度Ls不同。更具体地，衬套螺纹长度Lb比柱栓螺纹长度Ls长，如图2所示。

在图2所示的实施例中，衬套螺纹长度Lb基本大于或等于柱栓公制螺纹直径ds的0.8倍，并且小于柱栓公制螺纹直径ds的1.5倍。用于衬套螺纹长度Lb的上述范围[0.8ds≤Lb≤1.5ds]是用于高效轴向强度和良好弯曲应力吸收的最优比率。在某些情况下，衬套螺纹长度Lb可以到达柱栓公制螺纹直径ds的2倍。

共有衬套-柱栓螺纹长度是衬套200和旋拧在其上的柱栓300二者的螺纹接触长度。如图2所示，柱栓螺纹长度Ls（并且在某些情况下衬套螺纹长度Lb也）比图1所示的现有技术附装装置100的短。因此，图2所示的实施例中的共有衬套-柱栓螺纹长度也比图1所示的现有技术附装装置100的短。

作为图2所示的实施例的构造的结果，衬套200具有至少一个固定端250，该固定端适于使柱栓300能相对于其所固定于其中的衬套200进行一定程度的转动。柱栓300能在衬套内相对于衬套进行轻微角度运动使得叶片部分425非刚性联接至毂部分415。这种非刚性附装装置100能够有利地适应作用在风力涡轮机转子400的毂410上的高离心力。

在图3和4所示的可替代实施例中，衬套200的固定端250设有内接收部件。图3和4所示的实施例中的内接收部件是螺母部件260。螺母部件260具有螺纹孔，该螺纹孔适于通过螺纹接收柱栓300的对应的螺纹端部310。螺母部件260配合在扩大部分220中，所述扩大部分形成在衬套200的中空内部210中，如图4所示。扩大部分220的形状设计成使得配合在其中的螺母部件260不能沿着衬套200的纵向轴线x位移。因此，通过螺纹端部310旋拧在螺母部件260中的柱栓300无法轴向位移。螺母部件260仅能在衬套200内相对于衬套轻微转动。螺母部件260的转动以及因此旋拧在其中的柱栓300收到衬套200的内壁的限制。因此仅允许几毫米量级的径向运动。由于由柱栓300的外表面与衬套200的内表面之间的直径差异产生的径向公差或间隙，有利地提供了产生非刚性联接的铰接连接，由此尤其在风力涡轮机操作期间，能高效地适应弯曲应力，即，径向应力。

更具体地，螺母部件260能与通过其螺纹端部310旋拧在螺母部件中的柱栓300一起绕轴线y轻微转动，该轴线y基本垂直于附图并且基本垂直于衬套200的纵向轴线x，如图3和4所示。在图3和4所示的这些可替代实施例中，优选的是螺母部件260的外部是球形的，以便于其在衬套200内的径向运动。

在图4所示的具体实施例中，衬套200的固定端250中设有弹簧装置。在该示例性实施例中，弹簧装置包括弹性体部件270。弹性体部件270配合在螺母部件260的外部与衬套200的中空内部210中的扩大部分220的至少一定长度的内壁之间。当螺母部件260与柱栓300一起相对于衬套200转动时，弹性体部件270偏压螺母部件260。

图5示出本发明的另一实施例。在该具体实施例中，衬套200也适于给柱栓300提供绕轴线y的一定程度的转动。衬套200的内壁在固定端250的区域中延伸到稍微柔性的相应较薄的壁部分280中。较薄的壁部分280继而向内延伸到衬套200内侧，已形成内部螺母部件260。根据该构造，内部螺母部件260与衬套200形成一体，并且其设有用于接收柱栓300的对应的螺纹端部310的螺纹孔290。如在前述实施例中那样，螺母部件260能与旋拧在其中的柱栓300一起绕轴线y轻微转动到衬套200的中空内部210中。由于内部螺母部件260与衬套200形成一体，因此旋拧到螺母部件260中的柱栓300不能轴向位移，即，不能沿着轴线x位移。螺母部件260和旋拧在其中的柱栓300绕轴线y的转动受到衬套200的内壁的限制。因此，如在其他实施例中一样，仅允许几毫米量级的径向位移。

虽然在此仅公开了本发明的若干具体实施例和示例，但本领域技术人员应理解，其他可替代实施例和/或用途及其明显的变型和等同方案是可行的。例如，在该实施例中，衬套200示出为布置在叶片的一部分425中，而柱栓300示出为布置在毂410的一部分415中。然而，如果需要，则也可以将衬套200布置在毂部分415中，而柱栓300布置在叶片部分425中。

本发明覆盖在此所述的具体实施例的所有可能的组合。因而，本发明的范围不应受到具体实施例的限制，而应仅通过公正解读以下权利要求而确定。

Claims (9)

1.一种用于风力涡轮机的转子（400），所述转子（400）包括可转动的毂（410）、绕所述毂（410）布置的至少一对叶片（420）和用于将所述叶片（420）的一部分（425）附装至所述毂（410）的一部分（415）的附装装置（100），所述附装装置（100）包括多个衬套（200），在所述衬套内能固定有对应的柱栓（300），其特征在于，所述衬套（200）中的至少一些设有至少一个固定端（250），所述固定端使得所述柱栓（300）能相对于所述柱栓所固定于其中的衬套（200）进行一定程度的转动。

2.根据权利要求1所述的转子（400），其特征在于，所述衬套（200）的所述固定端（250）包括能接收所述柱栓（300）的对应端部（310）的内部接收部件（260），所述接收部件（260）还能在所述衬套（200）的内部（210）中绕轴线（y）转动，所述轴线（y）基本垂直于所述衬套（200）的纵向轴线（x）。

3.根据权利要求2所述的转子（400），其特征在于，所述接收部件（260）与所述衬套（200）形成一体。

4.根据权利要求2或3所述的转子（400），其特征在于，在所述螺母部件（260）的外部与所述衬套（200）的至少一定长度的内壁之间设有弹簧装置（270）。

5.根据上述权利要求中的任意一项所述的转子（400），其特征在于，所述衬套（200）的固定端（250）的一定长度设有内螺纹，以接收对应的柱栓（300）的外螺纹，衬套螺纹长度（Lb）大于柱栓螺纹长度（Ls）。

6.根据上述权利要求中的任意一项所述的转子（400），其特征在于，柱栓螺纹长度（Ls）大于或等于柱栓（300）的公制螺纹直径（ds）的0.8倍，并且小于柱栓（300）的公制螺纹直径（ds）的2倍。

7.根据权利要求5或6所述的转子（400），其特征在于，当柱栓操作地配合到所述毂中时，所述衬套（200）的内螺纹完全被所述柱栓（300）的外螺纹围绕。

8.根据权利要求5至8中的任意一项所述的转子（400），其特征在于，当柱栓操作地配合到所述毂中时，所述柱栓（300）的外螺纹沿长度方向定中心于所述衬套（200）的内螺纹。

9.一种风力涡轮机，其包括由塔支撑的机舱和转子（400），所述转子（400）具有可转动的毂（410）和绕所述毂（410）布置的至少一对叶片（420），其特征在于，所述风力涡轮机还包括如上述权利要求中的任意一项所述的附装装置（100），用于将所述叶片（420）的一部分（425）附装至所述毂（410）的一部分（415）。

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