CN110397656A - 生产转子叶片的法兰连接件的紧固螺栓、系统、方法、法兰插入件、转子叶片和风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生产风力涡轮机转子叶片(104)的法兰连接件(112)的紧固螺栓(120)，其中，该紧固螺栓(120)被构造成通过外螺纹(122)拧入所述法兰连接件(112)的套筒(116)。该外螺纹(122)包括滑动材料，使得所述滑动材料在与所述套筒(116)的包括钢材料的内螺纹接合时，保证了干式运行特性。本发明还涉及系统、方法、法兰插入件、转子叶片以及风力涡轮机。

Description

生产转子叶片的法兰连接件的紧固螺栓、系统、方法、法兰插 入件、转子叶片和风力涡轮机
技术领域
本发明涉及用于生产风力涡轮机转子叶片的法兰连接件的(螺纹)紧固螺栓。此外，本发明涉及用于制造法兰连接件的系统、用于生产法兰连接件的方法、具有法兰连接件的法兰插入件、风力涡轮机转子叶片以及风力涡轮机。
背景技术
具有转子叶片的风力涡轮机在现有技术中是众所周知的，并且用于将风能转换成电能。在转子叶片根部区域中，转子叶片包括转子叶片附接件，该转子叶片附接件具有集成到层压件中的多个套筒，通过该套筒，转子叶片借助于紧固螺钉或分别的紧固螺栓连接到所谓的变桨轴承(pitch bearing)的轴承座圈或连接到与该轴承座圈接连的部件，例如，风力涡轮机的扩展件。套筒可以是用于转子叶片附接件的法兰插入件的一部分。这种结构例如从国际申请WO 2015/124568A1中已知。
或者，套筒也在转子叶片区段的连接期间使用，其中，转子叶片区段在纵向上被设置和安装时形成转子叶片。则套筒位于转子叶片区段的分隔法兰的层压件中。转子叶片区段通过套筒借助于螺栓直接彼此连接或者通过合适的中间件彼此连接。
发明内容
形成本发明基础的一个目的是指出关于紧固螺栓的有助于风力涡轮机的特别可靠的操作的概念。
根据第一方面，公开了一种用于生产风力涡轮机转子叶片的法兰连接件的(螺纹)紧固螺栓。紧固螺栓构造成通过外螺纹拧入法兰连接件的套筒中。紧固螺栓的特征在于，外螺纹包括滑动材料，使得外螺纹接合在套筒的包括钢材料的内螺纹中时，保证了干式运行特性。
如上所述，用于转子叶片的法兰连接件包括彼此相邻布置的多个套筒。如果法兰连接件用作转子叶片附接件，则套筒通常布置在圆形上。如果法兰连接件用于连接转子叶片区段，则套筒可以根据转子叶片在分隔点处的空气动力学轮廓彼此相邻地布置。套筒嵌入纤维增强复合材料中，例如玻璃纤维增强塑料，并通过浸渍技术连接到纤维增强复合材料上。对于这种制造过程，套筒必须定位和对齐。为此，借助于紧固螺栓将套筒拉到制造模具的成形法兰(shaped flange)上。纤维增强复合材料，例如一个或多个层压层，随后可以插入制造模具中并且可以连接到套筒。完成法兰连接件后，再次拆下紧固螺栓。法兰连接件构造为例如用于转子叶片的单独的法兰插入件，或者在转子叶片的制造期间直接根据上述方法制造。
本发明的构思是选择用于紧固螺栓的特殊材料，并且因此在法兰连接件的制造期间构造在套筒的内螺纹和紧固螺栓的螺纹之间的特殊材料配对。这产生了下述紧固螺栓：该紧固螺栓即使在其干燥并且因此没有任何润滑剂(例如没有任何润滑脂)时也不会在螺旋状态下倾向于“卡住”套筒。
已经认识到，在法兰连接件的制造期间，由于其中嵌入套筒的纤维增强复合材料的压缩，套筒略微倾斜。此外，已经认识到，当使用通常由钢材料构成的市售螺钉或分别的螺栓时，即使螺栓的轻微倾斜也足以导致所谓的“卡住”。术语“卡住”是指螺栓的螺纹与套筒的螺纹之间的化学/物理连接，其结果是螺栓不能再拆卸或至少在没有相当大的破坏性费用的情况下不能拆卸。由于在套筒的螺纹区域中应用油脂或其他润滑材料，在法兰连接件的制造期间可以避免套筒相对于螺栓的“卡住”。然而，在从制造模具中移除法兰连接件之后，必须从内部精心地清洁套筒。套筒螺纹中的润滑材料的残留对于后来使用整个制造的转子叶片是不利的。润滑材料的残留物减少了摩擦，因此存在风力涡轮机转子叶片的螺纹连接在操作状态下脱离的风险。
通过上述材料配对避免了这些缺点。其中，本发明因此有助于确保在操作期间部署的转子叶片螺栓与在风力涡轮机的操作状态下的套筒之间的高摩擦值。避免了在操作期间由于油脂残留物导致的转子叶片螺栓的脱离。在转子叶片最终紧固到风力涡轮机期间或在两个叶片区段连接以形成风力涡轮机转子叶片期间，可以使用高强度钢螺栓，而没有具有干式运行特性的滑动材料。在最终安装状态下，一般而言，“卡住”被排除在外，因为不会发生进一步的倾斜。
此外，本发明因此可以在制造转子叶片期间潜在地节省可观的成本，因为不再需要由于如上所述的风险导致的例如通过旋转钢丝刷去除油脂或其他润滑材料的复杂过程。此外，在去除残留物期间不能确保实际上是否所有润滑剂都从套筒中除去。
进一步认识到，仅仅提供在所述的套筒和紧固螺栓的拧紧过程中所涉及的材料的硬度差(例如大于50HV)的预防措施在所描述的申请的情况下是不足以防止卡住的。在紧固螺栓的外螺纹上设置特殊的滑动材料与套筒的钢的螺纹相结合的预防措施，使得上述优点和功能成为可能，甚至不管是否存在这种硬度差异。
术语“干式运行特性”在这里和下文中意味着紧固螺栓和套筒可以在没有润滑的情况下彼此滑动。特别地，选择紧固螺栓的滑动材料，使得整体上基本上不会出现针对法兰连接件和转子叶片的制造的“卡住”。
包括滑动材料意味着紧固螺栓的至少螺纹接触表面包括滑动材料或由滑动材料构成。紧固螺栓也可以称为固定螺栓或螺柱。
根据一个实施示例，紧固螺栓一体制成并且由滑动材料构成。这种紧固螺栓易于生产。例如，该紧固螺栓是青铜紧固螺栓。
根据一个实施方式，滑动材料作为涂层施加到紧固螺栓的外螺纹。涂层固定地连接到外螺纹，并且在拧入或分别拧下螺栓期间不会从外螺纹脱离。因此，可以特别廉价地制造紧固螺栓。与由滑动材料一体制成的紧固螺栓相比，也可以增加强度，因为例如钢的特别坚硬的材料可以用作紧固螺栓的基本材料。例如PTFE适合作为涂层。
根据一个实施方式，滑动材料构造为固体润滑剂并且插入外螺纹的接触表面中。这也使得上述优点和功能在整个螺栓的强度和廉价的生产方面成为可能。例如，二硫化钼MoS2或石墨可以被认为是固体润滑剂。
根据优选实施方式，紧固螺栓由主螺栓和螺纹套筒形成，其中螺纹套筒包括具有滑动材料的外螺纹并且固定地连接到主螺栓。因此，这是至少两部分的螺栓。例如，螺纹套筒通过左旋螺纹固定地连接到主螺栓。附加地或替代地，螺纹套筒被焊接例如冷焊到主螺栓。也可以考虑替代性的连接方法，例如粘合。
在这种解决示例的情况下，与由滑动材料构成的一体式螺栓相比，可以实现廉价的生产。另外，与这样一体制成的螺栓相比，可以显著提高强度。
例如，主螺栓是具有高强度的钢螺栓，并且螺纹套筒是青铜螺纹套筒。
除了已经提到的滑动材料之外，滑动材料还可以由红黄铜材料、聚四氟乙烯(PTFE)或其他材料组成。
根据另一方面，公开了一种用于制造风力涡轮机转子叶片的法兰连接件的系统。该系统包括具有成形法兰的制造模具，该成形法兰具有彼此相邻布置的多个孔。该系统还包括根据前述方面的多个紧固螺栓。此外，该系统包括用于法兰连接件的多个套筒。紧固螺钉可以被引导穿过孔并且可以拧入套筒中，使得套筒可以用螺栓固定在成形法兰上。成形法兰用于产生法兰连接件。套筒可以借助于成形法兰彼此相邻地布置和定位，因为它们通过紧固螺栓固定地拧到成形法兰上。
因此，该系统使得先前指出的法兰连接件的生产成为可能，并且有助于上述优点和功能。
根据另一方面，描述了一种用于制造风力涡轮机转子叶片的法兰连接件的方法。该方法具有以下步骤：
将根据前述方面的紧固螺栓引导穿过制造模具的成形法兰的彼此相邻布置的孔；
将紧固螺栓拧入套筒中，以这种方式使得套筒拧到成形法兰上；以及
制造法兰连接件，其中套筒嵌入纤维增强复合材料中。
根据另一方面，公开了一种用于制造风力涡轮机转子叶片的法兰连接件的方法。该方法具有以下步骤：
将根据前述方面的紧固螺栓引导穿过制造模具的成形法兰彼此相邻布置的孔；
将紧固螺栓拧入套筒中，以这种方式使得套筒拧到成形法兰上；
制造具有法兰连接件的法兰插入件，其中套筒嵌入到法兰插入件的纤维增强复合材料中。
这两种方法使得关于紧固螺栓的上述优点和功能成为可能。制造步骤包括制造法兰插入件或法兰连接件所需的所有步骤，例如插入模具中、引入和固化纤维增强复合材料等。
根据另一方面，公开了一种具有用于风力涡轮机转子叶片的法兰连接件的法兰插入件。法兰插入件包括彼此相邻布置的多个套筒，这些套筒嵌入纤维增强复合材料中。法兰插入件根据上述方法制造。
根据另一方面，公开了一种风力涡轮机转子叶片，其包括具有彼此相邻布置的多个套筒的法兰连接件。法兰连接件根据上述方法之一制造。
根据另一方面，公开了一种风力涡轮机，其包括具有根据上述方面的一个或多个转子叶片的转子。
法兰插入件、转子叶片以及风力涡轮机使得上述优点和功能成为可能。
附图说明
通过结合附图解释的以下实施方式示出了进一步优点、特征和进一步的发展。在图中，相同或相似的元件或以相同方式起作用的元件提供有相同的附图标记，其中：
图1示出了根据一个实施方式的风力涡轮机的示意图，
图2示出了风力涡轮机的转子叶片的示意图，
图3示出了用于转子叶片的法兰插入件的示意图，
图4示出了根据本发明的一个实施方式的紧固螺栓的立体示意图，
图5示出了紧固螺栓的示意性剖视图，
图6示出了用于制造法兰连接件的系统的示意性剖视图，以及
图7示出了用于生产法兰连接件的方法的示意性流程图。
具体实施方式
图1示出了风力涡轮机100的示意图。风力涡轮机100包括塔架101。塔架101通过基座128紧固到基底。机舱102可旋转地安装在塔架101的一端上，机舱102位于底层的对面。机舱102例如包括发电机，发电机通过转子轴(未示出)联接到转子103。转子103包括一个或多个转子叶片104，转子叶片104布置在转子毂部105上。
在运行期间通过气流(例如风)使转子103旋转。该旋转运动通过转子轴和齿轮箱(如果适用的话)传递到发电机。发电机将转子103的动能转换成电能。
图2示出了一个示例性风力涡轮机转子叶片104。转子叶片104具有传统转子叶片的形式并且具有面向转子毂部105的转子叶片根部区域106。转子叶片根部区域106通常具有大致圆形的横截面。转子叶片104的过渡区域107和轮廓区域108连接到转子叶片根部区域106。转子叶片104具有压力侧109和相对于纵向延伸方向111相反的吸入侧110。转子叶片104在内部具有大致中空的构造。
在转子叶片根部区域106中，转子叶片附接件140设置有法兰连接件112，转子叶片104借助于法兰连接件机械地连接到变桨轴承或扩展件上。
转子叶片104包括分隔点130，在分隔点130处，叶片根部侧上的转子叶片区段131和叶片末端侧上的转子叶片区段132通过分隔法兰彼此连接，其中至少一个分隔法兰包括法兰连接件112。
法兰插入件113被设置例如以形成转子叶片附接件140的法兰连接件112(见图3)。所述法兰插入件是位于弧的内侧和外侧的层压件114和115，具有内螺纹的套筒116沿纵向延伸方向111嵌入在层压件中。套筒116例如是钢套筒。特别地，内螺纹因此包含钢。图3中示出了一个半圆区段。因此，法兰插入件113包括法兰连接件112。
然而，还可以想到的是，没有设置法兰插入件113，并且套筒116直接嵌入并层压在转子叶片104中(例如在转子叶片半壳体中)并且形成法兰连接件112。
在各种情况下，套筒116必须定位并对准在制造模具上，以用于法兰连接件112的生产过程。为此，套筒116借助于紧固螺栓拧到成形法兰上。成形法兰能够与制造模具一体制成，或者能够可拆卸地固定至制造模具，并且也可以被称为固定法兰。
举例来说，参考图7中示意性地示出的流程图并且借助于其他附图4至图6来描述法兰插入件113的制造。
在图6中表示的用于生产的系统117，其包括具有成形法兰118的制造模具125，成形法兰118具有在圆形上彼此相邻布置的多个孔119。
在第一步骤S1中，根据图4和图5，紧固螺栓120被引导穿过各个孔119。
每个紧固螺栓120由主螺栓121组成，主螺栓121由钢材料构成并因此是特别坚固的。在一端，紧固螺栓120包括外螺纹122，包括滑动材料的外螺纹122在与套筒116的相应内螺纹接合时提供干式运行特性。在该实施方式中，螺纹套筒123通过左旋螺纹(未示出)拧到主螺栓121上并冷焊到主螺栓121上。套筒123以及外螺纹122由青铜制成。
紧固螺栓120随后在下一步骤S2中被各自拧入到套筒116中，使得套筒116牢固地拧到法兰装置118上。
在随后的步骤S3中，制造法兰插入件113并且因此制造法兰连接件112，其中套筒116嵌入纤维增强复合材料126中并固定地连接到其上。例如，套筒116放置在由玻璃纤维增强塑料制成的层压件114和115之间并且通过浸渍技术连接。在这种情况下，构造——特别是层压件114和115——被压缩，其结果是发生套筒116相对于上述形成的法兰或分别的紧固螺栓120的轻微倾斜。
在生产法兰插入件113之后，再次从套筒116拧下螺栓120，使得法兰插入件113可以从制造模具125中移除并且可以插入另一个模具中，特别是插入转子叶片主模具中，以制造最终的转子叶片。
由于具有由滑动材料制成的外螺纹的紧固螺栓120的构造，实现了上述优点和功能。特别地，如上所述，在紧固螺栓120与系统117中的套筒116的连接期间，不必提供润滑脂或其他润滑剂，以制造转子叶片或分别的法兰连接件112。
在未示出的实施方式中，整个紧固螺栓120也可以由单件制成并且由青铜制成。还可以想到下述紧固螺栓120：在该紧固螺栓中，诸如二硫化钼或石墨的固体润滑剂被引入到外螺纹接触表面中。
如上所述，为了形成法兰连接件112，不一定需要制造具有套筒116的法兰插入件113。法兰连接件112也可以在转子叶片104或者转子叶片半壳体或分别的转子叶片区段的制造期间利用相应的成形法兰118或分别的系统117直接制造，转子叶片半壳体或转子叶片区段组装并连接以形成转子叶片104。
套筒116替代性地以与所描述的紧固螺栓120类似的方式定位。
附图标记列表
100 风力涡轮机
101 塔架
102 机舱
103 转子
104 转子叶片、风力涡轮机转子叶片
105 转子毂部
106 转子叶片根部区域
107 过渡区域
108 轮廓区域
109 压力侧
110 吸入侧
111 纵向延伸方向
112 法兰连接件
113 法兰插入件
114 层压件
115 层压件
116 套筒
117 系统
118 成形法兰
119 孔
120 紧固螺栓
121 主螺栓
122 外螺纹
123 螺纹套筒
125 制造模具
126 层压层
128 基座
130 分隔点
131 叶片根部侧上的转子叶片区段
132 叶片末端侧上的转子叶片区段
140 转子叶片附接件
S1至S3 步骤

Claims (14)

1.一种紧固螺栓(120)，所述紧固螺栓(120)用于生产风力涡轮机转子叶片(104)的法兰连接件(112)，其中，所述紧固螺栓(120)被构造成通过外螺纹(122)拧入到所述法兰连接件(112)的套筒(116)中，其特征在于，所述外螺纹(122)包括滑动材料，使得所述滑动材料在与所述套筒(116)的包括钢材料的内螺纹接合时，保证了干式运行特性。
2.根据权利要求1所述的紧固螺栓(120)，其中，所述紧固螺栓(120)一体制成并且由滑动材料构成。
3.根据权利要求1所述的紧固螺栓(120)，其中，所述滑动材料作为固体涂层施加到所述紧固螺栓(120)的所述外螺纹(122)。
4.根据权利要求1所述的紧固螺栓(120)，其中，所述滑动材料是固体润滑剂并且被插入到所述外螺纹(122)的接触表面中。
5.根据权利要求1或3或4所述的紧固螺栓(120)，其中，所述紧固螺栓(120)由主螺栓(121)和螺纹套筒(123)形成，其中，所述螺纹套筒(123)包括带有所述滑动材料的所述外螺纹(122)，并且所述螺纹套筒(123)固定地连接至所述主螺栓(121)。
6.根据权利要求4所述的紧固螺栓(120)，其中，所述螺纹套筒(123)与所述主螺栓(121)通过左旋螺纹固定地连接。
7.根据权利要求4或5所述的紧固螺栓(120)，其中，所述螺纹套筒(123)与所述主螺栓(121)通过焊接特别是冷焊固定地连接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的紧固螺栓(120)，其中，所述滑动材料包括下述材料中的一者或由下述材料中的一者组成：青铜材料、红黄铜材料、PTFE、二硫化钼或石墨。
9.一种用于制造风力涡轮机转子叶片(104)的法兰连接件(112)的系统，包括：
制造模具(125)，所述制造模具(125)具有成形法兰(118)，所述成形法兰(118)具有彼此相邻设置的多个孔(119)；
多个根据前述权利要求中任一项所述的固定螺栓(120)；以及
多个套筒(116)；
其中，所述紧固螺栓(120)能够引导穿过所述孔(119)，并且所述紧固螺栓(120)能够被拧入到所述套筒(116)中，使得所述套筒(116)能够被拧到所述成形法兰(118)上。
10.一种用于生产风力涡轮机转子叶片(104)的法兰连接件(112)的方法，所述方法具有以下步骤：
将根据权利要求1至8中任一项所述的紧固螺栓(120)引导穿过制造模具(125)的成形法兰(118)的彼此相邻设置的孔(119)；
将所述紧固螺栓(120)拧入到所述套筒(116)中，使得将所述套筒(16)拧到所述成形法兰(118)上；以及
制造所述法兰连接件(112)，其中，所述套筒(116)嵌入到纤维增强复合材料中。
11.一种用于生产风力涡轮机转子叶片(104)的法兰连接件(112)的方法，所述方法具有以下步骤：
将根据权利要求1至8中任一项所述的紧固螺栓(120)引导穿过制造模具(125)的成形法兰(118)的彼此相邻设置的孔(119)；
将所述紧固螺栓(120)拧入到所述套筒(116)中，使得将所述套筒(116)拧到所述成形法兰(118)上；
制造具有所述法兰连接件(112)的法兰插入件(113)，其中，所述套筒(116)嵌入到所述法兰插入件(113)的纤维增强复合材料中。
12.一种法兰插入件(113)，所述法兰插入件(113)具有用于风力涡轮机转子叶片(104)的法兰连接件(112)，所述法兰插入件(113)包括彼此相邻设置的多个套筒(116)，所述多个套筒(116)嵌入到纤维增强复合材料中，其中，所述法兰插入件(113)根据权利要求11所述的方法生产。
13.一种风力涡轮机转子叶片(104)，所述风力涡轮机转子叶片(104)包括法兰连接件(112)，所述法兰连接件(112)具有彼此相邻设置的多个套筒(116)，其中，所述的法兰连接件(112)根据权利要求10或11中的任一项所述的方法生产。
14.一种风力涡轮机(100)，所述风力涡轮机(100)包括转子(103)，所述转子(103)具有一个或多个根据权利要求12所述的转子叶片。
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