CN110388298A - 风力涡轮机、风力涡轮机转子叶片及其衬套、凸缘插入件 - Google Patents

风力涡轮机、风力涡轮机转子叶片及其衬套、凸缘插入件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机转子叶片(104)的衬套(116)，该衬套(116)包括：第一衬套端部(117)和相反的第二衬套端部(118)；衬套孔(119)，该衬套孔在第一衬套端部(117)与第二衬套端部(118)之间的区域中延伸并且包括孔纵向轴线(120)；其中，沿着孔纵向轴线(120)在第二衬套端部(118)的方向上，衬套孔(119)包括螺纹部分(127)，并且其中，衬套(116)包括跟随螺纹部分(127)的衬套伸出部分(128)，所述衬套伸出部分包括衬套孔(119)的加宽部分(131)，在该加宽部分中，衬套孔(119)的直径(132)至少单调地增大，而直径增量至少单调地减小。本发明还涉及凸缘插入件(113)、风力涡轮机转子叶片(104)和风力涡轮机(100)。

Description

风力涡轮机、风力涡轮机转子叶片及其衬套、凸缘插入件
技术领域
本发明涉及用于风力涡轮机转子叶片的衬套。此外，本发明涉及凸缘插入件、风力涡轮机转子叶片以及风力涡轮机。
背景技术
在现有技术中，用于将风能转化为电能的具有转子叶片的风力涡轮机是众所周知的。在转子叶片根部的区域中，转子叶片包括转子叶片附接件，转子叶片附接件具有一体化到层压件中的多个衬套，通过这些衬套，转子叶片分别借助于紧固螺钉或紧固螺栓连接至所谓的变桨轴承的轴承座圈或连接至比如说例如风力涡轮机扩展件的与轴承环连接的部件。衬套可以是用于转子叶片附接件的凸缘插入件的一部分。这种结构例如从国际申请WO2015/124568 A1中获知。
另外，在将被纵向布置并组装时形成转子叶片的转子叶片部段连接期间也使用衬套。于是衬套被定位在转子叶片部段的分离凸缘的层压件中。转子叶片部段通过衬套借助于螺栓直接连接至彼此或通过合适的中间件连接至彼此。
发明内容
本发明的一个目的是提出有助于风力涡轮机的特别可靠的操作的衬套的概念。
根据第一方面，公开了一种用于风力涡轮机转子叶片的衬套。衬套包括第一衬套端部和相反的第二衬套端部，该第一衬套端部可以面向例如转子叶片的位于根部侧的端部。在具有衬套的转子叶片的有效制造的情况下，第二衬套端部面向例如转子叶片梢部。衬套包括衬套孔，该衬套孔在第一衬套端部与第二衬套端部之间的区域中延伸，并且该衬套孔包括孔纵向轴线。沿着孔纵向轴线在第二衬套端部的方向上，衬套孔包括螺纹部分。沿着孔纵向轴线在第二衬套端部的方向上，衬套还包括跟随螺纹部分的衬套伸出部分(bushingrunout)，其中，衬套出口具有加宽部分，在该加宽部分中，衬套孔的直径至少单调地增大，而直径增量至少单调地减小。
在有效制造的转子叶片中，上面限定的衬套伸出部分有助于保证力在衬套与粘合至该衬套的围绕的纤维增强复合材料、例如层压件之间的均匀传递。这导致了转子叶片结构强度的增加。此外，避免了转子叶片的制造期间成本的显著增加。由于加宽部分的特殊构型，衬套伸出部分能够适于衬套、粘合物和纤维增强复合材料的强度，从而使局部过载最小。
已经发现的是，转子叶片在转子叶片附接件的区域中的强度或在用于叶片转子部段的分离凸缘的区域中的强度大体上由三个因素决定：1)衬套自身的强度，2)衬套与封围的纤维增强复合材料、例如层压件的粘合物的强度，以及3)封围衬套的纤维增强复合材料的强度。
在彼此粘合的接合配对件的刚度发生显著变化的区域中，非常高的剪切应力载荷可能对粘合物产生影响。此处可能出现裂缝，该裂缝在周期载荷的作用下迅速扩大，并且导致衬套与纤维增强复合材料的连接失效。如果作用在转子叶片上的力将衬套从纤维增强复合材料、例如层压件抽出，则存在临界载荷。在这种情况下，力通过粘合物中的剪切应力从衬套转移到纤维增强复合材料中。例如，刚度不连续性定位在衬套伸出部分处。
另外，通常由钢制成的衬套的强度具有限制作用。衬套中、特别是薄壁区域中的应力可能超过容许强度。因此，衬套会发生破裂或断裂，并且粘合物在断裂点处发生过载，这是因为衬套裂缝处的刚度不连续性高于例如梢部侧的第二衬套端部处的刚度不连续性。
根据本发明的衬套伸出部分的设计使适于粘合物的结构成为可能。在这种情况下，考虑到了转子叶片的衬套自身、粘合物和封围的纤维增强复合材料中的应力流和容许应力。在根据本发明的结构的情况下，衬套伸出部分的加宽部分中的直径至少部分地以非线性的方式变化。完全线性的走向(course)被排除。
在此处和下面均适用以下内容：衬套伸出部分是衬套的通向第二衬套端部的部分。衬套具有例如圆柱形的构型。加宽部分的横截面为例如旋转对称的；也可以设想替代性的形状，例如椭圆形或方形。“至少单调地”表示对应的值或参数不必绝对地沿着孔纵向轴线分别连续增大或减小，而是也可以存在没有增大或减小的部分。然而，并不排除分别严格单调地增大或减小的情况。直径的单调增大表示：沿第二衬套端部的方向观察时，加宽部分中的直径至少部分地、绝对地变得越来越大，而不包括任何直径再次减小的部分。直径增量的单调减小表示：沿着孔纵向轴线在第二衬套端部的方向上，衬套伸出部分的连续直径的差值变小，例如针对每个相等的距离单元。连续直径的差值可以在各部段中保持相同。根据上述条件的直径的增大或直径增量的减小是例如基于衬套伸出部分的相对于孔纵向轴线的至少一个部段的或者至少在加宽部分的相对于孔纵向轴线的两个点之间满足。
换言之，加宽部分中的直径可以通过取决于值x的函数来描述，其中，x表示从加宽部分的起点开始沿着纵向轴线的距离。该函数沿着整个加宽部分单调上升，而差值(discharge)根据x单调减小。
例如，可以设想以下用于衬套伸出部分的形式：香槟酒杯形式、双曲线、多项式、指数函数和它们的组合、以及自由形式和样条曲线，衬套伸出部分不能具有例如锥形走向并因此不能具有线性走向。同样地，可以借助于直接彼此连接或通过过渡半径彼此连接的渐直线(线性走向部分)来实现所述形式中的一种形式的近似物。
根据一个实施方式，加宽部分中的直径通过使衬套伸出部分在加宽部分中包括弧形走向的方式来增大。因此，衬套孔在加宽部分中沿着孔纵向轴线包括波状外形的、即弯曲的或曲线的走向。换言之，衬套在加宽部分的内轮廓形成有波状外形的走向。再次换言之，内轮廓/孔壁在衬套的加宽部分的横截面中形成有波状外形的走向。例如，孔在加宽部分中构造成旋转抛物面形式。换言之，直径严格单调地增大，而直径增量严格单调地减小。例如，这种走向是稳定的，但也可以通过线性插值来近似。
根据一个实施方式，衬套至少在加宽部分的区域中、优选地在衬套伸出部分的区域中包括大体上恒定的外径。这有助于实现上述优点和功能。这大体上包括下述实施方式：在这些实施方式中，外径在加宽部分的区域的整个距离上是恒定的。然而，还包括这样的实施方式，在这些实施方式中，衬套在加宽部分的区域中包括外部隆起和/或凹口，因此外径略微变化。平均而言，与恒定外径的偏差不超过5％至10％。
根据一个实施方式，加宽部分中的直径通过使衬套的壁厚沿着加宽部分在第二端部的方向上以百分比基础恒定地减小的方式来增大。例如，壁厚在该区域中以非线性的方式渐缩。特别地，套管的特别优化的设计是结合上述恒定的外径进行的。百分比减小量又是基于孔纵向轴线的。与上面类似，壁厚的减小量是基于加宽部分的连续且大小相等的两个部段、或沿着孔纵向轴线的等距点的。从百分比基础来看，减小量是恒定的。这暗示地表示壁厚的绝对减小量在第二端部的方向上是总在变小的。换言之，沿着孔纵向轴线在第二衬套端部的方向上，壁厚的差值减小。
根据一个实施方式，加宽部分中的直径通过使衬套的横截面面积沿着加宽部分在第二衬套端部的方向上以百分比基础恒定地减小的方式来增大。特别地，套管的特别优化的设计是结合上述恒定的外径进行的。百分比减小量又是基于孔纵向轴线的。横截面面积的减小量与上面类似地限定。
根据一个实施方式，加宽部分形成衬套伸出部分的至少50％，特别地是形成衬套伸出部分的至少60％、至少70％、至少80％或至少90％。百分比又是基于孔纵向轴线的。例如，半径部分和/或圆柱形部分可以在螺纹部分与加宽部分之间跟随衬套孔。
根据一个实施方式，衬套的壁厚在第一衬套端部与螺纹部分之间至少部分地增大。因此，在具有衬套的转子叶片的有效制造的情况下，可以避免或减少第一衬套端部的区域中的刚度不连续性。替代性地，该区域中的壁厚也可以减小。于是衬套的第一端部被加宽，以便减小相对于相对的部件的表面压力。
根据一个实施方式，在第二衬套端部上构造有圆周倒角或圆周半径。倒角或半径用于制造结构上改进的衬套端部，由此来减小在该点处分层的趋势。
根据一个实施方式，衬套制造为单件。
根据一个实施方式，衬套孔从第一衬套端部连续地延伸至第二衬套端部。连续的衬套孔对衬套的制造是有利的。替代性地，也可以使孔在衬套的某点处中断。在这种情况下，存在各自从衬套的一个端部延伸到衬套中的两个孔，所述两个孔位于同一孔纵向轴线上并且被屏障彼此隔开。该屏障可以定位在例如螺纹部分与衬套伸出部分之间。特别地，这样的实施方式在注入期间是有利的，因为可以排除注入树脂渗入螺纹部分的可能性。
根据第二方面，公开了一种用于风力涡轮机转子叶片的凸缘插入件。凸缘插入件包括彼此相邻布置的多个根据上述实施方式中的一个实施方式的衬套，其中，衬套嵌置在一个或更多个层压件层中。当凸缘插入件用于转子叶片附接件时，衬套彼此相邻地布置成圆形或布置成圆形部段的形式。当凸缘插入件用于转子叶片部段的连接凸缘时，衬套可以彼此相邻地布置成使得衬套遵循叶片轮廓的走向。
根据第三方面，公开了一种风力涡轮机转子叶片，该风力涡轮机转子叶片包括转子叶片附接件，该转子叶片附接件具有布置成圆形的多个根据上述实施方式中的一个实施方式的衬套。
根据第四方面，公开了一种风力涡轮机转子叶片，该风力涡轮机转子叶片包括转子叶片部段，该转子叶片部段具有连接凸缘，该连接凸缘具有彼此相邻布置的多个根据上述实施方式中的一个实施方式的衬套。
根据第五方面，公开了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括具有一个或更多个根据上述实施方式的转子叶片的转子。
这种凸缘插入件、风力涡轮机转子叶片和风力涡轮机使得上述优点和功能成为可能。
附图说明
通过以下结合附图说明的实施方式的示例，阐述了本发明的其他优点、特征和进一步的改进。相同或相似的元件、或以相同的方式作用的元件在附图中被赋予相同的附图标记，在附图中：
图1示出了根据一个实施方式的示例的风力涡轮机的示意图；
图2示出了风力涡轮机转子叶片的示意图；
图3示出了用于转子叶片的凸缘插入件的示意图；
图4示出了根据本发明的一个实施方式的示例的转子叶片的衬套的示意性横截面图；
图5示出了根据实施方式的示例的衬套的剪切应力流与常规衬套的剪切应力流相比较的示意性图表；以及
图6示出了用于制造根据本发明的衬套的工具。
具体实施方式
图1示出了根据一个实施方式的示例的风力涡轮机100的示意图。风力涡轮机100包括塔架101。塔架101借助于基座紧固至地基。机舱102可旋转地安装在塔架101的与地基相反的一端。机舱102例如包括通过转子轴(未示出)联接至转子103的发电机。转子103包括布置在转子毂105上的一个或更多个转子叶片104。
转子103在操作期间通过气流、例如风来旋转。这样的旋转运动通过转子轴、若适用则通过转子轴和变速箱而被传递至发电机。发电机将转子103的动能转化为电能。
图2示出了风力涡轮机100的一个示例性的转子叶片104。转子叶片104具有常规的转子叶片的形式并且具有转子叶片根部区域106，该转子叶片根部区域106面向转子毂105并且被分配给转子毂105。转子叶片根部区域106通常具有大体上为圆形的横截面。
转子叶片104的过渡区域107和轮廓区域108接合至转子叶片根部区域106。转子叶片104具有相对于纵向延伸方向111的压力侧109和相反的吸力侧110。转子叶片104的内部大体上为中空构型。
在转子叶片根部区域106中设置有转子叶片附接件112，转子叶片104借助于该转子叶片附接件112机械地连接至转子毂105。
转子叶片104包括分离点150，在该分离点150处，位于叶片根部侧的转子叶片部段151和位于叶片梢部侧的转子叶片部段152通过分离凸缘彼此连接。
通常提供凸缘插入件113以便制造转子叶片附接件112。所述凸缘插入件是在圆弧的内侧和外侧上的层压件114和层压件115，具有螺纹的衬套116沿纵向延伸方向111嵌置在层压件114和层压件115中。衬套116例如为金属衬套、特别地为钢衬套。图3示出了半圆形的部段。首先，制造凸缘插入件113，其中，衬套116借助于例如间隔元件被以彼此固定的距离布置成圆形。随后，层压件114和115以及衬套116被以气密的方式密封并且被注入基体材料，例如环氧树脂。在下一步骤中，将凸缘插入件113插入例如主型模中以便制造转子叶片壳体，并且将凸缘插入件113连接至另外的倒角层。
然而，还可以设想不提供凸缘插入件113，并且将衬套116直接嵌置在转子叶片104的层压件中，例如嵌置在转子叶片半壳中。
类似地，两个转子叶片部段151和152通过带有或不带有凸缘插入件的衬套连接。
在这一点上应该提到的是，转子叶片104的借助于转子叶片部段151和152以及与转子叶片部段151和152连接的分离点150的构型是可选的。转子叶片104在纵向延伸方向111上也可以是不分段的。
图4示出了根据本发明的一个实施方式的示例的衬套116。
根据图4的衬套116具有第一衬套端部117和相反的第二衬套端部118。衬套116具有圆柱形形式并且具有连续的衬套孔119，该衬套孔119从第一衬套端部117延伸至第二衬套端部118。衬套孔119具有孔纵向轴线120，该孔纵向轴线120也可以被认为是衬套116的纵向轴线。衬套116具有恒定的外径121并且形成为旋转对称的。
从第一衬套端部117开始，衬套孔119具有——在此处和下面都始终基于孔纵向轴线120——第一部分122，该第一部分122具有圆柱形构型。与第一部分122接合的是第二部分123，在第二部分123中，衬套116的壁厚124增大，或者相应地，衬套孔119的内径126减小。与第二部分123接合的是第三部分125，与第一部分122相比，第三部分125同样具有圆柱形构型，然而却具有减小的内径126。与第三部分125接合的是螺纹部分127，其中，衬套孔119包括内螺纹。跟随螺纹部分127的是所谓的衬套伸出部分128。衬套伸出部分128涉及衬套116的直到第二衬套端部118的部分，在该部分中，衬套116的内径126和对应的壁厚124如下面描述那样变化。
衬套伸出部分128包括可选的圆柱形部分129，该圆柱形部分129借助于可选的半径部分130连接至螺纹部分127(螺纹底切部)。最后，衬套伸出部分128大体上包括加宽部分131，该加宽部分131相对于孔纵向轴线120构成整个衬套伸出部分128的80％以上。在第二衬套端部118之前不远处，加宽部分131可选地与另一圆柱形部分131a结合。
衬套伸出部分128在加宽部分131中构造成使得衬套孔119的(内部)直径132从加宽部分131的起点133开始直至加宽部分131的终点134严格单调地增大。另外，直径132的增大受制于直径的绝对增量严格单调地减小的条件。针对直径132的这两个条件基于孔纵向轴线120在起点133与终点134之间满足。在实施方式的示例中，加宽部分131沿着孔纵向轴线120被细分为部段135，这些部段135的长度不必是完全相同的，其中，所述条件对每个部段135都满足、并且跨越两个部段也是如此。加宽部分131的部段135的尺寸和数目可以自由限定。部段135通过半径部分彼此连接。这造成了直径132的非线性走向。因此，在根据图4所示的横截面中，衬套116的界定衬套孔119的、也称为内轮廓的壁部136在加宽部分131中的走向类似于弧形或弯曲的走向，使得形成一种香槟酒杯的形式。
孔119还设计成使得衬套116的壁厚124沿着加宽部分131在第二衬套端部118的方向上以百分比基础恒定地减小。这种减小对应于直径132的变化、即对应于每个连续的相同长度的距离单元135的变化。例如，在第二衬套端部118上提供0.6mm或0.8mm的壁厚124，例如在所述另一圆柱形部分131a中提供0.6mm或0.8mm的壁厚124。诚然，这的确会导致粘合物中的应力不连续性，但另一方面，这可以防止在所述套管变得太薄并且壁厚124进一步减小的情况下发生的衬套116的破裂和断裂。
所描述的衬套伸出部分的形式使上述优点和功能成为可能。
可选地，在第二衬套端部118上构造有45°的倒角137。
图5以叠加的方式示出了所描述的衬套116在衬套伸出部分128中的剪切应力流K1和其中衬套伸出部分具有锥形走向、即线性走向的衬套的剪切应力流K2。在有效地安装的情况下，在拉伸载荷的作用下在凸缘插入件113中沿着孔纵向轴线120(x轴)产生的两种走向被示意性地示出。可以观察到，流K1明显更平坦并且更恒定，这是由于优化的设计，并且特别地，在第二衬套端部118处没有发生应力的明显过度增加。
图6示出了第二衬套端部118和用于处理衬套116的外表面140的喷砂装置144，该第二衬套端部118具有衬套伸出部分128和设置在衬套伸出部分128中的辅助工具142。衬套伸出部分128、并且特别是所述另一部分131a包括非常小的壁厚124。例如，在所述另一部分131a中，所述壁厚可以仅为0.8mm或0.6mm、或更小。在通过喷砂、初始车削或镀锌来对衬套116进行表面处理期间，存在衬套伸出部分128在所述另一部分131a中向内弯曲的风险。这可以通过辅助工具142来补救，该辅助工具142从第二衬套端部118插入到衬套伸出部分128中，并且至少在所述另一部分131a中抵靠壁部136搁置。辅助工具142包括渐缩的形式并且具有相对高的刚度。
附图标记列表
100 风力涡轮机
101 塔架
102 机舱
103 转子
104 (风力涡轮机)转子叶片
105 转子毂
106 转子叶片根部区域
107 过渡区域
108 轮廓区域
109 压力侧
110 吸力侧
111 纵向延伸方向
112 转子叶片附接件
113 凸缘插入件
114 层压件
115 层压件
116 衬套
117 第一衬套端部
118 第二衬套端部
119 衬套孔
120 孔纵向轴线
121 外径
122 第一部分
123 第二部分
124 壁厚
125 第三部分
126 内径
127 螺纹部分
128 衬套伸出部分
129 圆柱形部分
130 半径部分
131 加宽部分
131a 另一部分
132 直径
133 起点
134 终点
135 部段
136 壁部
137 倒角
140 表面
142 辅助工具
144 喷砂装置
150 分离点
151 位于叶片根部侧的转子叶片部段
152 位于叶片梢部侧的转子叶片部段
K1 对应于根据本发明的实施方式的示例的衬套的剪切应力流
K2 对应于现有技术的衬套的剪切应力流

Claims (14)

1.一种用于风力涡轮机转子叶片(104)的衬套(116)，所述衬套(116)包括：
-第一衬套端部(117)和相反的第二衬套端部(118)；以及
-衬套孔(119)，所述衬套孔(119)在所述第一衬套端部(117)与所述第二衬套端部(118)之间的区域中延伸，并且所述衬套孔(110)包括孔纵向轴线(120)；
其中，沿着所述孔纵向轴线(120)在所述第二衬套端部(118)的方向上：
-所述衬套孔(119)包括螺纹部分(127)，并且
-所述衬套(116)包括跟随所述螺纹部分(127)的衬套伸出部分(128)，所述衬套伸出部分包括所述衬套孔(119)的加宽部分(131)，在所述加宽部分(131)中，所述衬套孔(119)的直径(132)至少单调地增大，而直径增量至少单调地减小。
2.根据权利要求1所述的衬套(116)，其中，所述加宽部分(131)中的直径(132)通过使所述衬套伸出部分(128)在所述加宽部分(131)中包括弧形走向的方式来增大。
3.根据权利要求1或2所述的衬套(116)，其中，所述衬套(116)至少在所述加宽部分(131)的区域中、优选地在所述衬套伸出部分(128)的区域中包括恒定的外径(121)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的衬套(116)，其中，所述加宽部分(131)中的直径(132)通过使所述衬套(116)的壁厚(124)沿着所述加宽部分(131)在所述第二衬套端部(118)的方向上以百分比基础恒定地减小的方式来增大。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的衬套(116)，其中，所述加宽部分(131)中的直径(132)通过使所述衬套(116)的横截面面积沿着所述加宽部分(131)在所述第二衬套端部(118)的方向上以百分比基础恒定地减小的方式来增大。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的衬套(116)，其中，所述加宽部分(131)形成所述衬套伸出部分(128)的至少50％，特别地是形成所述衬套伸出部分(128)的至少60％、至少70％、至少80％或至少90％。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的衬套(116)，其中，所述衬套(116)的壁厚(124)在所述第一衬套端部(117)与所述螺纹部分(127)之间至少部分地增大。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的衬套(116)，其中，在所述第二衬套端部(118)上构造有圆周倒角(137)或圆周半径。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的衬套(116)，其中，所述衬套(116)制造为单件。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的衬套(116)，其中，所述衬套孔(119)从所述第一衬套端部(117)连续地延伸至所述第二衬套端部(118)。
11.一种用于风力涡轮机转子叶片(104)的凸缘插入件，包括彼此相邻布置的多个根据前述权利要求中的任一项所述的衬套(116)，其中，所述衬套(116)嵌置在一个或更多个层压件层中。
12.一种风力涡轮机转子叶片(104)，包括转子叶片附接件(112)，所述转子叶片附接件(112)具有布置成圆形的多个根据前述权利要求中的任一项所述的衬套(116)。
13.一种风力涡轮机转子叶片(104)，包括转子叶片部段，所述转子叶片部段具有连接凸缘，所述连接凸缘包括彼此相邻布置的多个根据前述权利要求中的任一项所述的衬套(116)。
14.一种风力涡轮机(100)，包括具有一个或更多个根据前述权利要求中的任一项所述的转子叶片(104)的转子(103)。
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