CN111279070B - 带有浮动连接器的风力叶片接头 - Google Patents

带有浮动连接器的风力叶片接头 Download PDF

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Abstract

公开一种用于风力涡轮的转子叶片组件，该转子叶片组件带有：第一叶片节段，其具有限定内腔的母结构部件；以及第二叶片节段，其在沿翼弦延伸的接头处连接到第一叶片节段。第二叶片节段具有公结构部件，该公结构部件接纳于第一叶片节段的母结构部件的内腔内。用于连结第一叶片节段和第二叶片节段的至少一个浮动连接器在大体上沿翼弦的方向和大体上沿翼展的方向中的至少一个方向上定位。浮动连接器具有偏置元件，该偏置元件构造成约束浮动销在浮动连接器内的双向运动。

Description

带有浮动连接器的风力叶片接头
技术领域
本主题大体上涉及风力涡轮，且更特别地涉及用于使用带有浮动支承件的十字销和径向销来机械地连结转子叶片的多个风力涡轮叶片节段的方法和组件。
背景技术
风力被认为是目前可获得的最清洁、最环境友好的能源中的一种，且风力涡轮在该方面获得了增加的关注。现代的风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱，以及一个或多个涡轮叶片。涡轮叶片使用已知的翼型(foil)原理从风中获取动能且通过旋转能来传送动能以转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱(或如果未使用齿轮箱，直接地联接到发电机)。发电机然后将机械能转换成电能，电能可部署至公用电网。
为确保风力仍为可行(viable)的能源，努力通过修改风力涡轮的尺寸和容量来增加能量输出。一种此类修改是使用分段式或模块化叶片和先进的单件式叶片来增加转子叶片的长度。然而，如大体上已知的，转子叶片的偏转随叶片长度(与风速、涡轮操作状态和叶片刚度一起)而变。因此，较长的转子叶片可经受增加的力，特别是当风力涡轮在高速风况下操作时。这些增加的偏转力不仅在转子叶片和其它风力涡轮构件上产生疲劳，而且可增加转子叶片冲击塔架的风险。
另一修改是改变转子叶片的末端的构造。特别地，叶片末端可特别地设计成增进或改进转子叶片的性能的各个方面。例如，某些叶片末端可设计成在特定的风级下有效地操作。另外，叶片末端可构造成增进风力涡轮的特定操作状况，诸如通过构造成降低转矩、减小噪声或获取最大可能的能量。
考虑了在横向方向上用机械紧固件连结转子叶片末端和节段的不同技术，诸如通过铆接来连结、将叠盖的板横向栓接到叶片节段、在接头区域中使用纤维金属层片(FML)，以及使用凸耳来连接相邻节段的翼梁。一些技术过度约束叶片的动态，且引起接头处的应力集中。具有设计用于多个叶片节段的机械接头将是有利的，该机械接头允许快速且有效地组装和拆卸叶片节段，同时避免在沿边弯曲方向上的高应力。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明来获悉。
在一方面，一种用于风力涡轮的转子叶片组件具有：第一叶片节段，其具有限定内腔的母结构部件；以及第二叶片节段，其在沿翼弦延伸的接头处连接到第一叶片节段。
第二叶片节段具有接纳于第一叶片节段的母结构部件的内腔内的公结构部件。用于连结第一叶片节段和第二叶片节段的至少一个浮动连接器在大体上沿翼弦的方向和大体上沿翼展的方向中的至少一个方向上定位。浮动连接器具有偏置元件，该偏置元件构造成约束浮动销在浮动连接器内的双向运动。
在另一方面，一种用于转子叶片组件的浮动连接器具有附接到第一叶片节段和第二叶片节段的多个衬套，该多个衬套具有至少一组对准的钻孔，该至少一组对准的钻孔延伸穿过沿翼弦延伸的接头中的通路。浮动连接器具有至少一个浮动销，该至少一个浮动销穿过至少一组对准的钻孔可去除地安置，该至少一个浮动销构造成用于仅在单个预选平面中在多个衬套中的至少一个衬套内双向运动。
在另外的方面，一种连接两个邻接叶片节段的方法具有以下步骤：使具有公结构部件的第二叶片节段在沿翼弦延伸的接头处插入具有母结构部件的第一叶片节段中；然后对准附接到第一叶片节段和第二叶片节段的多个衬套，该多个衬套具有至少一组对准的钻孔，该至少一组对准的钻孔在大体上沿翼弦的方向和大体上沿翼展的方向中的至少一个方向上延伸穿过沿翼弦延伸的接头中的通路；然后使至少一个浮动销穿过至少一组对准的钻孔可去除地安置以构造至少一个浮动连接器，该至少一个浮动销构造成用于仅在单个预选平面中在多个衬套中的至少一个衬套内双向运动；然后安装至少一个偏置元件，该至少一个偏置元件构造成将至少一个浮动销的双向运动约束在至少一个浮动连接器内。
参照以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在该说明书中且构成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且连同描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
针对本领域普通技术人员的本发明的完整且开放(enabling)的公开内容(包括其最佳模式)在参照附图的说明书中阐述，在附图中：
图1示出风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2示出图1中示出的风力涡轮的转子叶片中的一个的一个实施例的透视图；
图3示出转子叶片组件的十字销/径向销组合的实施例；
图4示出转子叶片组件的双十字销实施例；
图5示出转子叶片组件的公结构部件的实施例；
图6示出转子叶片组件的母结构部件的实施例；
图7示出在母结构部件上以十字销定位的浮动连接器的实施例；
图8示出在母结构部件上以十字销定位的浮动连接器的另一视图；
图9示出在母结构部件上以十字销定位的浮动连接器的又一视图；
图10示出在母结构部件上以径向销定位的浮动连接器；
图11示出公结构部件的实施例；
图12示出在公结构部件上以十字销定位的浮动连接器的实施例；
图13示出组装好的公结构部件和母结构部件，其中浮动连接器以十字销定位；
图14-17示出定位在衬套壳体中的浮动销的实施例；
图18-21示出在衬套壳体中的浮动销的实施例，其中偏置元件用于约束。
本说明书和图中的参考符号的重复使用意在表示本公开内容的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个示例在图中示出。每个示例提供作为本发明的解释，不是本发明的限制。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出各种修改和变型。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例使用，以产生更进一步的实施例。因此，意图的是，本发明覆盖如落入所附权利要求书和其等同物的范围内的此类修改和变型。
大体上，且如图1-4中示出的，本主题涉及一种带有沿翼弦延伸的接头25的风力涡轮叶片16，沿翼弦延伸的接头25将第一叶片节段22与第二叶片节段24联结，第二叶片节段24可由带有可去除的浮动销62的一个或多个浮动连接器60所约束，该浮动销62的去除允许沿翼弦延伸的接头25的组装和拆卸。浮动销62的一处或多处安置仅允许在单个预选平面中在多个衬套中的至少一个衬套内双向运动。运动方向可为大体上沿摆振的方向(也称为X方向)、大体上沿翼弦的方向(也称为Y方向或沿边方向)，或大体上沿翼展的方向(也称为Z方向、轴向方向或径向方向)。浮动销62的运动减小转子叶片组件20上的内结构负载且增加转子叶片组件20的制造公差。转子叶片组件20上来自离心加速度和重力的轴向(沿翼展的)结构负载可由偏置元件64所约束，偏置元件64与浮动销62集成或在第一叶片节段22与第二叶片节段24之间延伸。在常规的固定销/衬套连接的叶片接头中的销当在沿边弯曲方向上加载时可被过度约束。这导致较高的叶片材料成本且可限制可支承在接头处的叶片节段的长度。浮动连接器60可减轻接头处的结构负载。
现在参照图，图1示出常规结构的风力涡轮10的透视图。风力涡轮10包括塔架12，带有安装在其上的机舱14，以及转子15。转子15包括可旋转毂18，可旋转毂18具有安装在其上的多个转子叶片16，可旋转毂18继而连接到主凸缘，该主凸缘转动主转子轴(未示出)。风力涡轮功率生成和控制构件容纳在机舱14内。图1的视图仅提供用于说明性目的来使本发明置于示例性的使用领域中。应了解的是，本发明不限于任何特定类型的风力涡轮构造。
现在参照图2，示出根据本主题的方面的转子叶片16的透视图。如示出的，转子叶片16大体上可包括在前缘36与后缘38之间延伸的吸入侧34和压力侧32(图3)。另外，转子叶片16可包括构造成安装到风力涡轮10的毂18(图1)的根端40以及与根端40相反设置的末端42。此外，转子叶片16可具有翼展44和翼弦46，翼展44限定根端40与末端42之间的总长度，翼弦46限定前缘36与后缘38之间的总长度。如大体上理解的，随着转子叶片从叶片根部40延伸到叶片末端42，翼弦46大体上可相对于翼展44在长度上变化。
另外，转子叶片16可包括多个叶片节段22、24。例如，在示出的实施例中，转子叶片16包括在沿翼弦延伸的接头25处连接到第二叶片节段24的第一叶片节段22。应了解的是，虽然本主题的转子叶片组件20在本文中示出和描述为包括两个叶片节段22、24，转子叶片组件20大体上可包括如本文中描述和示出的那样构造的任何数量的叶片节段。
在若干实施例中，转子叶片组件20的本体可形成为单个整体构件。备选地，本体可由多个壳构件形成。例如，本体可由大体上限定转子叶片组件20的压力侧32的第一半壳和大体上限定转子叶片组件20的吸入侧34的第二半壳制成，其中半壳在叶片组件20的前缘36和后缘38处固定到彼此。另外，本体大体上可由任何合适的材料形成。例如，在一个实施例中，本体可完全由层片复合材料(诸如碳纤维增强的层片复合物或玻璃纤维增强的层片复合物)形成。备选地，本体的一个或多个部分可构造为层合结构，且可包括设置在层片复合材料层之间的由轻量材料(诸如木(例如，轻木)、泡沫(例如，挤制的聚苯乙烯泡沫)或此类材料的组合)形成的芯材29。
应了解的是，沿翼弦延伸的接头25(图2)大体上可位于沿着转子叶片组件20的翼展44的任何合适位置处。例如，在一个实施例中，接头25离叶片根部40的距离可在翼展44的约40%至约95%(诸如翼展44的约40%至约80%或翼展44的约50%至约65%)的范围内。然而，可预见的是，在其它实施例中，接头25离叶片根部40的距离可小于翼展44的40%或大于翼展44的95%。
还应了解的是，在备选实施例中，第一叶片节段22和第二叶片节段24不需要通过将预先存在的转子叶片组件20切为或以其它方式分为两个单独的叶片区段来形成。例如，在另一实施例中，第一叶片节段22和第二叶片节段24可单独地制造为模块化叶片节段且组装在一起以形成模块化转子叶片组件20。
在转子叶片组件20的一个实施例(如图3中示出的且有时称为十字销/径向销组合)中，一个浮动连接器60(十字销)可在大体上沿翼弦的方向57上定位，其中第二浮动连接器60(径向销)在大体上沿翼展的方向58上定位。大体上圆柱形的浮动销62可以可去除地插入至少一个衬套66中，该至少一个衬套66在没有任何沿翼弦或沿摆振的双向运动的情况下对沿摆振的负载起作用，而允许沿着第一叶片节段22与第二叶片节段24之间预选的沿翼展的(轴向)平面双向运动，以减轻轴向方向上的高结构负载。该实施例可避免来自沿边弯曲的轴向负载。例如，浮动销62可通过四个衬套66，该四个衬套66在沿翼弦的方向57上对准，其中两个衬套66在第一(母)叶片节段22中且两个在第二(公)叶片节段24中。注意，浮动连接器60可在第一叶片节段22或第二叶片节段24上使用，而非浮动的常规固定连接器可在相反的叶片节段上使用。在另一实施例中，浮动连接器60可仅在浮动销62(十字销)的一端上使用，而相反端使用常规的固定连接器。在十字销中使用单个浮动连接器60(而不是在每端上一个)使单个浮动连接器60上的运动加倍，故所有的离心负载产生在一侧上，而由于对沿边负载的过度约束，仍去除高的负载。在所有情况下，圆柱形衬套66窄到足以允许叶片节段22、24的相对运动，包括叶片节段的旋转运动。
在图4中示出的另一实施例(有时称为双十字销)中，两个大体上平行的浮动连接器60可间隔开且在大体上沿翼弦的方向57上定位，而不使用如图3中看到的沿翼展的浮动连接器60(径向销)。在该实施例中，连接器中的一个或两个可为浮动连接器60，而另一个仍为常规的固定连接器。而且，在对准成组的双十字销浮动连接器60中的任何数量的浮动连接器60可为浮动的，其中在该对准组中的其余连接器是常规的固定连接器。
在一些实施例中，如图5和图6中示出的，用于风力涡轮10的转子叶片组件20可具有第一叶片节段22，第一叶片节段22带有限定内腔71的母结构部件70。第二叶片节段24可在沿翼弦延伸的接头25处连接到第一叶片节段22。第二叶片节段24可具有公结构部件80，公结构部件80接纳于第一叶片节段22的母结构部件70的内腔71内。至少一个浮动连接器60(见图7-10)可具有偏置元件64(见图15和图16)，其中浮动连接器60构造成穿过沿翼弦延伸的接头25且在大体上沿翼弦的方向57和大体上沿翼展的方向58中的至少一个方向上定位。转子叶片组件20可包括在第一叶片节段22和/或第二叶片节段24上的至少一个衬套壳体68，以促进组件对准且提供浮动连接器60的结构容纳。可颠倒第一叶片节段22和第二叶片节段24来分别容纳公结构部件80和母结构部件70。而且，转子叶片组件20可在其它类型的叶片接头(诸如叠盖的梁接头)中使用。
浮动连接器60减轻来自沿边弯曲的负载，但末端42仍必须相对于风力涡轮操作期间的离心负载和来自重力的反向负载来约束。如图18-21中示出的，约束可为偏置元件64，其作为浮动连接器60的部分或远离浮动连接器60定位在第一叶片节段22与第二叶片节段24之间(例如叶片和末端)。
图14-16示出可去除地安装在浮动连接器60中的浮动销62的实施例。作为浮动连接器60的部分在母结构部件70和公结构部件80上安装的衬套66分别在母连接器表面72和公连接器表面62处接触浮动销62。浮动销62可具有至少一个销突出部78和至少一个偏置元件64(其构造成使浮动销62的双向运动偏置)。浮动连接器60中的衬套66可使用衬套66中钻孔74相邻的可去除的轴承73。可去除的轴承73可具有至少一个重力垫75和至少一个销滑块垫76。如图16中示出的，销突出部78可在预选平面中移动，该预选平面可与沿翼展的方向(Z方向)大体上平行。
图18-21示出定位在衬套壳体68内部的浮动销62和销突出部78。衬套壳体68可具有壳体突出部69，壳体突出部69定位成使得偏置元件64在销突出部78与壳体突出部69之间延伸。壳体突出部69从转子叶片组件20的非浮动或固定部分延伸。偏置元件64可为弹簧、一个或多个波纹管、柔性材料或其组合中的至少一种，且具有抵抗重力负载并保持销突出部78靠置重力垫75的功能。偏置元件64的预载可由螺栓机构或其它已知的预载调整装置来调整。销滑块垫76限制浮动销62在沿摆振方向上的运动，而允许浮动销62在预选平面中的双向运动，诸如沿翼展(Z)方向。
一种连接两个邻接叶片节段的方法可包括以下步骤：使包括公结构部件80的第二叶片节段24在沿翼弦延伸的接头25处插入包括母结构部件70的第一叶片节段22中。然后对准附接到第一叶片节段22和第二叶片节段24的多个衬套66，该多个衬套66具有至少一组对准的钻孔74，该至少一组对准的钻孔74在大体上沿翼弦的方向57和大体上沿翼展的方向58中的至少一个方向上延伸穿过沿翼弦延伸的接头25中的通路。然后，使至少一个浮动销62穿过至少一组对准的钻孔74可去除地安置，以构造至少一个浮动连接器60。至少一个浮动销62可构造成用于仅在单个预选平面中在多个衬套66中的至少一个衬套66内双向运动。然后，安装至少一个偏置元件64，该至少一个偏置元件64构造成约束至少一个浮动销62在至少一个浮动连接器60内的双向运动。
方法还可包括以下步骤：嵌套定位在相应的公结构部件80和母结构部件70中的至少一组的多个衬套66，使得在至少一组嵌套的衬套66之间发生相对的旋转运动。然后，使至少一个浮动销62双向移动，其中单个预选平面仅在沿翼展的方向58上延伸。
该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括带有与权利要求书的字面语言非实质性差异的等同结构元件，此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种用于风力涡轮的转子叶片组件，包括：
第一叶片节段，所述第一叶片节段包括限定内腔的母结构部件，其中，所述第一叶片节段还包括至少一个衬套壳体，所述衬套壳体包括壳体突出部；
第二叶片节段，所述第二叶片节段在沿翼弦延伸的接头处连接到所述第一叶片节段，所述第二叶片节段包括公结构部件，所述公结构部件接纳于所述第一叶片节段的母结构部件的内腔内；以及
至少一个浮动连接器，所述至少一个浮动连接器用于连结所述第一叶片节段和所述第二叶片节段，所述浮动连接器在沿翼弦的方向和沿翼展的方向中的至少一个方向上定位，所述浮动连接器还包括偏置元件，所述偏置元件构造成约束浮动销在所述浮动连接器内的双向运动；
其中，所述至少一个浮动连接器还包括：
多个衬套，所述多个衬套附接到所述第一叶片节段和所述第二叶片节段，所述多个衬套包括至少一组对准的钻孔，所述至少一组对准的钻孔延伸穿过所述沿翼弦延伸的接头中的通路；以及
至少一个浮动销，所述至少一个浮动销穿过所述至少一组对准的钻孔可去除地安置，所述至少一个浮动销构造成用于仅在单个预选平面中在所述多个衬套中的至少一个衬套内双向运动，所述至少一个浮动销包括至少一个销突出部；
其中，所述偏置元件在所述至少一个销突出部与所述壳体突出部之间延伸。
2.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其特征在于，所述转子叶片组件还包括成模块化叶片构造的至少两个沿翼弦延伸的接头。
3.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其特征在于，所述转子叶片组件还包括在沿翼弦的方向上定位的一个浮动连接器和在沿翼展的方向上定位的一个浮动连接器。
4.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其特征在于，所述转子叶片组件还包括在沿翼弦的方向上定位的两个平行的浮动连接器。
5.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其特征在于，所述预选平面与所述沿翼展的方向平行。
6.根据权利要求1所述的转子叶片组件，其特征在于，所述偏置元件包括弹簧、一个或多个波纹管、柔性材料或其组合中的至少一种。
7.一种用于转子叶片组件的浮动连接器，包括：
多个衬套，所述多个衬套附接到第一叶片节段和第二叶片节段，所述多个衬套包括至少一组对准的钻孔，所述至少一组对准的钻孔延伸穿过沿翼弦延伸的接头中的通路；
至少一个浮动销，所述至少一个浮动销穿过所述至少一组对准的钻孔可去除地安置，所述至少一个浮动销构造成用于仅在单个预选平面中在所述多个衬套中的至少一个衬套内双向运动，其中，所述至少一个浮动销包括至少一个销突出部；以及
至少一个偏置元件，所述至少一个偏置元件构造成使所述至少一个浮动销的双向运动偏置；
其中，所述转子叶片组件包括至少一个衬套壳体，所述衬套壳体包括壳体突出部，所述偏置元件在所述至少一个销突出部与所述壳体突出部之间延伸。
8.根据权利要求7所述的浮动连接器，其特征在于，所述多个衬套和所述至少一个浮动销是圆柱形的。
9.根据权利要求7所述的浮动连接器，其特征在于，所述多个衬套还包括所述对准的钻孔相邻的至少一个可去除轴承。
10.根据权利要求9所述的浮动连接器，其特征在于，所述可去除轴承还包括至少一个重力垫和至少一个销滑块垫。
11.根据权利要求7所述的浮动连接器，其特征在于，所述预选平面与转子叶片组件的沿翼展的方向平行。
12.根据权利要求7所述的浮动连接器，其特征在于，所述偏置元件包括弹簧、一个或多个波纹管、柔性材料或其组合中的至少一种。
13.一种连接两个邻接叶片节段的方法，包括：
使包括公结构部件的第二叶片节段在沿翼弦延伸的接头处插入包括母结构部件的第一叶片节段中，其中，所述第一叶片节段还包括至少一个衬套壳体，所述衬套壳体包括壳体突出部；
对准附接到所述第一叶片节段和所述第二叶片节段的多个衬套，所述多个衬套包括至少一组对准的钻孔，所述至少一组对准的钻孔在沿翼弦的方向和沿翼展的方向中的至少一个方向上延伸穿过所述沿翼弦延伸的接头中的通路；
使至少一个浮动销穿过所述至少一组对准的钻孔可去除地安置，以构造至少一个浮动连接器，所述至少一个浮动销构造成用于仅在单个预选平面中在所述多个衬套中的至少一个衬套内双向运动，其中，所述至少一个浮动销包括至少一个销突出部；以及
安装至少一个偏置元件，所述至少一个偏置元件构造成约束所述至少一个浮动销在所述至少一个浮动连接器内的双向运动；
其中，所述偏置元件在所述至少一个销突出部与所述壳体突出部之间延伸。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
嵌套定位在相应的公结构部件和母结构部件中的至少一组的多个衬套，使得在至少一组嵌套的衬套之间发生相对的旋转运动。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
使所述至少一个浮动销双向移动，其中所述单个预选平面仅在沿翼展的方向上延伸。
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