CN111656006B - 用于修理将风力涡轮机转子叶片连接到转子轮毂的接头的替换插入件 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于修理将风力涡轮机叶片连接到风力涡轮机的转子轮毂的接头的替换插入件。替换插入件包括衬套，该衬套具有第一端、第二端、外表面和内部通道。替换插入件还包括围绕衬套的外表面的至少一部分的罩。替换插入件可具有非圆形的横截面轮廓。罩限定外表面和从罩的外表面延伸的多个突起。突起被构造成当替换插入件定位在风力涡轮机叶片中的衬套空腔中时用作间隔件，以在替换插入件与衬套空腔的壁之间限定间隙。

Description

用于修理将风力涡轮机转子叶片连接到转子轮毂的接头的替 换插入件

技术领域

本发明总体上涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及一种用于修理将风力涡轮机转子叶片连接到风力涡轮机上的转子轮毂的接头的替换插入件。

背景技术

风力涡轮机用于使用可再生资源且不燃烧化石燃料来产生电能。通常，风力涡轮机将来自风的动能转换成电力。一种水平轴线风力涡轮机包括：塔架；机舱，该机舱位于塔架的顶点处；以及转子，该转子具有中心轮毂和多个叶片，所述多个叶片联接到轮毂并且从轮毂向外延伸。转子支撑在从机舱延伸的轴上，该轴直接或间接地与容纳在机舱内的发电机操作性联接。因此，当风迫使叶片旋转时，发电机产生电能。

近年来，风力已经成为更有吸引力的替代能源，并且在陆地上和在近海处，风力涡轮机、风电场等的数量都显著增加。另外，风力涡轮机的尺寸也显著增加，现代风力涡轮机叶片在长度上延伸50至80米之间，并且预期在未来会进一步增加。风力涡轮机叶片长度的增加为风力涡轮机设计者和制造者引入了许多令人关注的设计考虑。例如，随着叶片长度的增加，风力涡轮机叶片至转子轮毂之间的接头可能经受增加的应力，所述应力呈现了挑战性的设计考虑，以便确保接头能够承受在风力涡轮机的操作寿命期间预期的负载。

风力涡轮机转子叶片和转子轮毂之间的常规接头包括联接到风力涡轮机叶片的根部端并且从该根部端延伸的螺纹柱螺栓，该螺纹柱螺栓继而联接到与转子轮毂相关联的变桨轴承。风力涡轮机叶片通常由一种或多种复合材料制成，所述复合材料由纤维材料和树脂形成。这种材料通常不具有提供牢固固定机构的结构完整性，可以将螺纹柱螺栓直接插入该牢固固定机构中。例如，可在转子叶片的根部端处的复合材料中攻出孔或钻孔，以提供柱螺栓可在其上实现连接的互补螺纹。然而，复合材料具有不足以经由柱螺栓在叶片和轮毂之间传递负载的剪切强度，并且在界面处将发生复合材料的劣化。

因此，制造商试图设计一种接头，该接头将在叶片的根部端和转子轮毂之间的连接处出现的力更均匀地分布。例如，在一个设计中，轴向孔沿着风力涡轮机叶片的端面的圆周形成。然后将内螺纹金属衬套定位在轴向孔内并粘合地结合在轴向孔中，以将金属衬套基本上嵌入转子叶片的复合材料内。或者，在叶片制造的铺设过程期间，金属衬套可定位在叶片模具中，位于叶片的根部端处的各种壳体层压件内。然后，叶片可被注入有树脂并固化以形成最终叶片，衬套作为原始叶片制造的一部分被集成到叶片的根部端中。在任何情况下，柱螺栓然后与金属衬套螺纹接合。在转子叶片和转子轮毂之间作用的力通过柱螺栓起作用，并且因此经由金属衬套传递，金属衬套操作以将力更均匀地分布在具有较软的复合材料的界面区域上。

虽然当前的连接接头通常足以实现其支撑转子叶片与转子轮毂之间的负载的预期目的，但在一些情况下，在衬套/复合材料界面处的粘合剂结合或叶片材料可能变得受损，从而导致衬套在复合叶片材料内松动。这可能在叶片的寿命期间发生，可能是由于不正确的操作或异常的应力或异常的疲劳水平或由于一系列不可预测的因素。如果足够数量的衬套受损，则叶片与转子轮毂之间的接头可能不能够容易地承受在风力涡轮机的操作期间出现的负载和应力，并且可能出现故障的风险。例如，衬套(其粘合剂或附接由于过载等而受损)可能随着时间的推移而趋于使其自身变松。为了避免这种情况，建议对叶片/转子轮毂接头进行定期检查，以确保接头的完整性。如果在检查期间确定足够数量的衬套受损，则在风力涡轮机的操作可重新开始之前可能需要替换整个风力涡轮机叶片。当然，这种替换是非常昂贵的。这不仅包括附加叶片的成本，而且还包括与叶片替换所需的大型起重机和其他设备、实现替换所需的劳动力以及替换过程期间风力涡轮机的损失操作时间相关的成本。

因此，在风力涡轮机行业中需要一种修理风力涡轮机叶片的方法，并且更具体地，需要一种以更成本有效的方式修理风力涡轮机叶片的根部端处的金属衬套以便重建叶片与转子轮毂之间的接头的强度和完整性的方法。

发明内容

为了这些和其他目的，本发明的方面涉及一种用于修理将风力涡轮机叶片连接到风力涡轮机的转子轮毂的接头的替换插入件。替换插入件包括衬套，该衬套具有第一端、第二端、外表面和内部通道。替换插入件还包括围绕衬套的外表面的至少一部分的罩。替换插入件具有非圆形的横截面轮廓。

在另一实施方式中，替换插入件包括：衬套，所述衬套具有第一端、第二端、外表面和内部通道；罩，所述罩围绕衬套的外表面的至少一部分，所述罩限定外表面；以及多个突起，所述多个突起从罩的外表面延伸。多个突起被构造成当替换插入件定位在风力涡轮机叶片中的衬套空腔中时用作间隔件。多个突起限定替换插入件的外表面与限定衬套空腔的壁之间的间隙。

在该实施方式中，多个突起可以由与罩相同的材料形成。另外，多个突起可以与罩一体地形成，例如通过插入件的外表面的机加工过程。多个突起可以具有基本上相同的高度。这样，插入件的外表面与衬套空腔的壁之间的间隙可以被构造成是基本上均匀的。在一个实施方式中，多个突起可以被布置成多排，其中，每排沿着衬套的纵向轴线处于固定位置。每排还可具有绕罩的外表面设置的多个突起。在一个实施方式中，所述排可以沿着衬套的纵向轴线彼此均匀地间隔开。另外，每排中的突起可绕插入件的外表面均匀地或非均匀地间隔开。

在一个实施方式中，罩可以由复合材料形成。更特别地，罩可以由基本上完全固化的复合材料形成。这样，替换插入件可以经受后处理技术以提供尺寸和大小方面以及其他期望的表面特征。固化的罩也便于替换插入件的搬运、存储和运输。

在示例性实施方式中，替换插入件包括具有长轴和短轴的圆头长方形横截面轮廓，其中，长轴大于短轴。作为实施例，罩还可以包括第一平坦表面、与第一平坦表面相对的第二平坦表面、在第一平坦表面和第二平坦表面之间延伸的第一弧形表面以及在第一表面和第二表面之间延伸并且与第一弧形表面相对的第二弧形表面。第一弧形表面和第二弧形表面可以具有基本上恒定的曲率半径。基本上恒定的曲率半径可以基本上等于短轴。在另外的实施方式中，替换插入件可以包括邻近替换插入件的尖端的倒角。

在本发明的实施方案中，罩包括多层纤维材料。相邻层的纤维可以在不同的方向上定向。例如，多层中的每层的纤维可在不同的方向上定向。多层纤维材料中的至少一层可以包括纤维粗纱，其中，粗纱的纤维在基本上垂直于衬套的纵向轴线的方向上定向。多层纤维材料中的至少一层可以包括双轴纤维片，其中，双轴纤维片的纤维相对于衬套的纵向轴线以+/-度定向。多层纤维材料中的至少一层包括单向纤维片，其中，单向纤维片的纤维基本上平行于衬套的纵向轴线定向。在一个示例性实施方式中，多层纤维材料包括：内层，所述内层包括围绕衬套的外表面缠绕的纤维粗纱；中间层，所述中间层包括围绕内层缠绕的双轴纤维片；以及外层，所述外层包括围绕中间层缠绕的单向纤维片。

在又一方面，替换插入件可以包括定位在衬套的第二端中并且从第二端延伸的塞。罩可以围绕塞的外表面的至少一部分设置。替换插入件还可包括设置在衬套的内部通道中的密封件。该密封件被构造成防止在第一端处引入到通道中的污染物到达衬套的第二端，从而保护衬套/复合材料界面处的粘合剂结合。

根据本发明的方面，替换插入件被构造成初始时是单独的、独立的元件，该元件可以作为修理程序的一部分联接到风力涡轮机叶片。

附图说明

并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的一个或多个实施方式，并且与上面给出的本发明的总体描述和下面给出的详细描述一起用于解释本发明。

图1是其中可使用本发明的实施方式的风力涡轮机的立体图；

图2是风力涡轮机叶片的根部端的局部立体图；

图3是图2所示的风力涡轮机叶片的根部端的局部视图；

图4是风力涡轮机叶片的衬套的示例性修理过程的流程图；

图5是用于从风力涡轮机叶片抽出衬套并且修复由抽出产生的叶片空腔的夹具的立体图；

图6A是风力涡轮机叶片的示意性端视图，示出了在抽出衬套之后的衬套空腔；

图6B是风力涡轮机叶片的示意性端视图，示出了修复的衬套空腔；

图7是根据本发明的实施方式的替换插入件的立体图；

图8是图7所示的替换插入件的横截面图；

图9是图7所示的替换插入件的另一横截面图；

图10A至图10C是根据本发明的实施方式的衬套空腔的再成形的概念示意图；

图11是制造图7所示的替换插入件的示例性方法的流程图；

图12A和图12B是示出根据本发明的实施方式的将替换插入件插入修复的衬套空腔中的横截面图。

具体实施方式

参照图1，风力涡轮机10包括塔架12、设置在塔架12的顶点处的机舱14以及操作性联接到容纳在机舱14内的发电机(未示出)的转子16。除了发电机之外，机舱14还容纳将风能转换成电能所需的各种部件以及操作、控制和优化风力涡轮机10的性能所需的各种部件。塔架12支撑由机舱14、转子16以及风力涡轮机10的容纳在机舱14内的其他部件所呈现的负载，并且还操作以根据具体情况将机舱14和转子16升高到地平面或海平面上方的高度，在此高度通常发现较低湍流的更快移动的气流。

风力涡轮机10(其被表示为水平轴线风力涡轮机)的转子16用作机电系统的原动机。超过最低水平的风将启动转子16，并引起在基本垂直于风向的平面中的旋转。风力涡轮机10的转子16包括中心轮毂18和至少一个转子叶片20，该转子叶片在围绕中心轮毂18周向分布的位置处从该中心轮毂向外突出。在代表性实施方式中，转子16包括三个叶片20，但数量可以变化。叶片20被构造成与经过的气流相互作用以产生升力，该升力使中心轮毂18绕中心纵向轴线旋转。

风力涡轮机10可被包括在属于风力农场或风电场的类似风力涡轮机的集合中，风力农场或风电场用作通过传输线与电网连接的发电厂，电网例如是三相交流(AC)电网。电网通常包括发电站、传输电路和变电站的网络，变电站由传输线的网络联接，传输线将电力传输到以电力公司的终端用户和其他客户的形式的负载。在正常情况下，如本领域普通技术人员所知，电力从发电机供应到电网。

如行业中众所周知的，对于某些风力涡轮机设计，转子叶片20以允许叶片20绕叶片20的纵向轴线旋转或变桨的方式联接到转子轮毂18。这通过将叶片20的根部端22联接到变桨轴承(未示出)来实现，变桨轴承操作性联接到转子轮毂18。变桨轴承通常包括可相对于轮毂18旋转的环，叶片20的根部端22联接到该环。变桨轴承在本领域中通常是公知的，因此在此将不进一步详细描述。

如图2和图3所示，风力涡轮机10的转子叶片20与转子轮毂18之间的连接接头24包括：多个衬套26，其在转子叶片20的根部端22处联接到转子叶片20；以及多个柱螺栓28，其被构造成联接到转子叶片20中的衬套26(图3)且进一步被构造成联接到转子轮毂18(图2)，例如通过变桨轴承。如图3所示，衬套26可在叶片20的根部端22处绕端面30周向地间隔开，并且嵌入叶片20的复合材料内。沿着叶片20的根部端22的圆周的衬套26的数量取决于叶片的尺寸，以及其他潜在的因素，但是对于长度在50m至80m之间的叶片，数量可以是70至180个插入件中的任何数。然而，应当认识到，根据具体应用，可以使用更多或更少的插入件。

如上所述，在一些情况下，一个或多个衬套26可能变得受损，使得衬套/复合材料界面处的结合强度可能显著降低。在这种情况下，衬套26可被描述为在围绕衬套26的复合叶片材料内大致松动。本发明的各方面涉及修理在风力涡轮机叶片20的根部端22处松动或以其他方式受损的衬套26。在这点上，图4宽泛地示出了根据本发明的各方面的衬套修理过程的步骤。为此，该过程包括从叶片20的根部端22抽出受损的衬套26，如步骤32所示。接下来，由衬套26的抽出而产生的衬套空腔34可被修复，以便接收包括新衬套的替换插入件36。这在图4中被示为步骤38。如步骤40所示，可以准备替换插入件36以定位在修复的衬套空腔34内。如下面将更详细地解释的，在一个有利方面，替换插入件36可在与修理过程分开的过程中形成，使得在修理过程期间容易获得一个或多个替换插入件36。最后，替换插入件36可定位在修复的衬套空腔中，并且粘合地结合到叶片20的根部端22。这在图4中示出为步骤42。

在一个实施方式中，上述修理过程可在制造、修理或具有必要机械以实现修理的其他设施处发生。因此，修理过程可进一步包括从风力涡轮机10移除受影响的叶片20；将叶片20运输到制造/修理设施；如上所述和如前更详细描述的，修理一个或多个受损的衬套26；将修理过的叶片20运输回到风力涡轮机现场；以及将修理过的叶片20重新附接到风力涡轮机10。由于将风力涡轮机叶片20移除/附接到风力涡轮机10以及在设施与风力涡轮机现场之间运输叶片的细节通常是众所周知的，因此本文将不再进一步详细描述这些方面。在替代实施方式中，可在风力涡轮机现场实现修理过程，从而放弃从制造/修理设施来回运输风力涡轮机叶片20。

在示例性实施方式中，如图5所示，现有衬套26的抽出可使用被构造成操作性联接到叶片20的根部端22的夹具44来实现。在一个实施方式中，夹具44可包括被构造成与叶片20的端面30接合的支撑框架45。夹具44包括限定中心轴线48的中心轮毂或卡盘46。夹具44以可调节的方式联接到叶片20的根部端22，使得卡盘46的中心轴线48可在叶片20的根部端22处与叶片20的中心轴线50基本上同轴地对准。作为实施例而非限制，中心卡盘46可包括多个可伸出的销52，该多个可伸出的销52可在根部端22处与叶片20的内表面接合，或者与设置在叶片20的端面30上方的模板54接合。可伸出的销50可被相应地调节，使得轴线48、50基本上同轴地对准。

夹具44还包括可旋转地联接到中心卡盘46并可绕中心轴线48旋转的臂56。臂56从中心轴线48径向向外延伸到被构造成被承载在臂56的终端附近的工具头58。臂56的长度可以调节，以使工具头58可以直接定位在要抽出的衬套26的上方。各种工具头58可以根据所执行的特定任务选择性地操作性联接到臂56。作为实施例而非限制，为了实现衬套26的抽出，工具头58可包括抽出工具，该抽出工具基本上将衬套26拉出叶片20的根部端22。在一个示例性实施方式中，抽出工具可包括液压千斤顶或致动器。在这种情况下，杆或柱螺栓28可以与选定的衬套26螺纹接合，并操作性联接到液压致动器。然后，液压致动器可被启动，以便向选定的衬套26施加足够的力(例如，高达10吨)，以破坏选定的衬套26与复合叶片材料之间的任何剩余的粘合剂结合，并且从而将衬套26从叶片20拉出拉出。

使用液压致动器作为抽出工具仅仅是示例性的，并且抽出工具可以采取足以从叶片20的根部端22拉出拉出选定的衬套26的其他形式。例如，如果在第一种情况下不能容易地从叶片20拉出选定的衬套26，则衬套26的一部分可能必须被钻出(例如用取芯钻头)，并且然后衬套26的任何剩余部分可以从叶片20被拉出。在这种情况下，抽出工具可以包括或进一步包括用于实现移除衬套26的至少一部分的钻头。应当认识到，如果存在需要从叶片20抽出的多于一个的受损的衬套26，则臂56可以绕卡盘46的中心轴线48旋转(如箭头A所示)，以便处于另一个受损的衬套26上方并且与另一个受损的衬套26大致对准。然后可以重复上述步骤以便从叶片20抽出选定的衬套26。

如上所述和图6A所示，一旦从叶片20移除衬套26，衬套空腔34就保留在叶片20中。虽然一旦抽出受损的衬套26，一些受损或以其他方式损坏的复合叶片材料可能被拉离，但是留下并由此形成衬套空腔34的一些复合叶片材料可能被损坏，并因此不能与重新定位在衬套空腔中的新的元件的衬套形成牢固的粘合剂结合。因此，在优选实施方式中，围绕衬套空腔34的一些复合叶片材料可以被切除或移除，以便将未受损或未损坏的复合叶片材料暴露于替换原始衬套26的新元件。因此，衬套空腔34可以通过沿着衬套空腔34的至少一部分移除相对少量的材料来修复，以限定新的且过大(相对于叶片空腔34)的修复的衬套空腔60，该衬套空腔60被构造成在其中接收替换插入件36。例如，但不限于，衬套空腔34的面积的大约70％至95％之间可以具有被移除的材料以限定新的衬套空腔60。修复的衬套空腔60被构造成暴露新的且未损坏的复合叶片材料，并且由此在复合叶片材料和替换插入件36之间形成更牢固的结合，如将在下面更详细地解释的。修复的衬套空腔60的特定形状和尺寸通常由替换插入件36的形状和尺寸决定。更特别地，衬套空腔60的形状和尺寸可以基本上类似于替换插入件36的形状和尺寸。作为实施例，修复的衬套空腔60可以相对于替换插入件36稍微过大，以便在替换插入件36的外表面和衬套空腔60的内壁之间限定基本上恒定的间隙(例如，大约0.5mm)，如将在下面更详细地解释的。

根据一个实施方式，夹具44可以用于形成修复的衬套空腔60。在这一点上，工具头58可以被构造为再成形工具，例如铣刀钻头、钻头或其他合适的镗孔或铰孔工具，用于从衬套空腔34周围移除材料。在这一点上，一旦修复的衬套空腔60的形状和尺寸被确定(例如，通过替换插入件36的形状和尺寸)，夹具44可以用于再成形衬套空腔34。为此，夹具44可以包括操作性联接到工具头58的控制器62，以便控制工具头58的位置和操作，并且由此与复合材料接合，以便达到用于修复的衬套空腔60的期望形状和尺寸。在图6B中示出了示例性修复的衬套空腔60。

图7至图9示出了根据本发明的示例性实施方式的替换插入件36。在本发明的一个方面，原始衬套26由插入件36替代，该插入件不仅包括新衬套70，而且还包括复合材料的外部包装或罩72以及一个或多个塞74。在本发明的一个特定方面，替换插入件36是在与上面参照图4所述的修理过程分开的过程中形成的独立元件。更特别地，在插入件36定位在叶片20的根部端22中的修复的衬套空腔60中之前，复合材料罩72基本上完全固化。这可以提供许多优点。例如，一个优点是，当替换插入件36被粘合地结合在修复的衬套空腔60中时，该结合发生在两种固化的复合材料之间的界面处。这提供了替换插入件36(和新衬套70)与形成修复的衬套空腔60的壁的复合叶片材料的牢固结合。第二，与修理过程分开地形成替换插入件36允许制造商花费更多的时间和精力来确保在新衬套70和罩72之间的金属/复合材料界面处的粘合剂结合(该结合有时可能是有问题的)是高质量的。换句话说，潜在的更有问题的结合界面的形成在更小、更可控的尺度上执行，并且因此导致在金属/复合材料界面处的通常更高质量的粘合剂结合。第三，由于替换插入件36的复合材料罩72被固化，罩72的外表面可经受各种机加工工艺，以便提供期望的形状或尺寸，并且为替换插入件36提供在修理过程中有用的附加特征(诸如间隔件，下文描述)。在使用、存储和运输期间，替换插入件36也可以更容易地被搬运。

衬套70可类似于衬套26？，并可包括大致圆柱形的细长本体76，该细长本体76具有第一端78、相对的第二端80以及在第一端78和第二端80之间延伸的通道82。细长本体76可由诸如钢的合适金属制成，该金属具有足够的强度以在操作期间适应预期的负载。第一端78可包括凸缘84，并被构造成定位成邻近叶片20的端面30，使得柱螺栓28可接近通道82。第二端80被构造成定位成远离端面30并嵌入叶片材料内。通道82包括邻近第一端78的第一锥形部分86(例如，在朝向第一端78的方向上发散)、第一大致笔直部分88、螺纹部分90、第二大致笔直部分92和第二锥形部分94。第一锥形部分86可被构造成引导柱螺栓28插入衬套70中，螺纹部分90可被构造成与柱螺栓28的螺纹接合，第二锥形部分94(例如，在朝向第二端80的方向上发散)可被构造成与塞(例如，塞74a)接合。上述通道82的布置是示例性的，并且其他布置也是可能的，并且本发明的方面不应限于图中所示的那些。

衬套70的外表面96可具有沿凸缘84的平滑部分98和沿衬套70的其余部分的波状部分100(例如，一系列波峰和波谷)。波状轮廓被构造成增加表面面积并提供与罩72的复合材料的改进的界面。在示例性实施方式中，凸缘84的直径可以大于沿着波状部分100的衬套70的直径。作为实施例，波状部分100可具有这样的直径，该直径减小凸缘84的直径的约10％和约20％之间。在示例性实施方式中，例如，衬套70的长度可在约30cm至约40cm之间，优选地为约36cm，沿凸缘84的外径可在约5cm和约6cm之间，优选地为约5.8cm，沿波状部分100的外径可在约4.5cm和约5.5cm之间，优选地为约5cm。当然，衬套70可具有其他尺寸，且保持在本发明的范围内。

复合材料的外罩72可以包括绕衬套70的外表面96设置的多层复合材料。例如，外罩72可以包括三层复合材料，然而，更多或更少的层也是可能的。在这点上，在示例性实施方式中，罩72可包括复合材料的第一内层102、中间层104和外层106。对于外罩72的每个层102、104、106，复合材料中的纤维的构造可以不同。作为实施例而非限制，内层102可以具有相对于衬套70的纵向轴线在横向或垂直方向(例如，90度)上延伸的纤维(例如，碳纤维或玻璃纤维)。中间层104可以具有相对于衬套70的纵向轴线倾斜地以十字交叉方式延伸的纤维。例如，中间层104的纤维可以相对于纵向轴线以+/-45度延伸。最后，外层106的纤维可以是基本上平行于(例如0度)衬套70的纵向轴线延伸的单向纤维。通常，外层106中的纤维的定向应该基本上对应于形成修复的衬套空腔60的壁的复合材料中的纤维的定向。然而，本发明的方面不限于形成罩72的层102、104、106的复合材料中的纤维的这种特定布置，并且本领域普通技术人员应该认识到，其他纤维布置也是可能的。

如图所示，替换插入件36包括联接到衬套70的第二端80并从第二端80延伸的第一塞74a。第一塞74a包括具有第一端110和第二端112的大致圆柱形本体108。在一个实施方式中，第一塞74a可以是大致实心的。然而，替代地，第一塞74a可以是中空的。在优选实施方式中，第一塞74a可由纤维材料形成，例如木材。然而，用于第一塞74a的其他材料也是可能的。第一塞74a可以包括邻近第一端110并且在朝向第一端110的方向上会聚的第一锥形部分114、大致笔直部分116以及邻近第二端112并且在朝向第二端112的方向上会聚的第二锥形部分118。塞74a的第二端112终止于凸脊120。在示例性实施方式中，塞74a的外表面122可以是大致平滑的。

塞74a的第一锥形部分114的大小和尺寸被确定成被接收在衬套70的通道82的第二锥形部分94中。更具体地说，塞74a的第一锥形部分114的锥角可以与衬套70的第二锥形部分94的锥角基本相同，使得塞74a安置在衬套70中。为此，塞74a可包括与衬套70的在第二端80处的端面接合的肩部124。笔直部分116和第二锥形部分118延伸超过衬套70的第二端。在示例性实施方式中，第一塞74a的长度可在约10cm和约15cm之间，优选地为约12cm。另外，塞74a沿笔直部分116的直径可以与衬套70的波状部分100的外径大约相同，例如在大约4.5cm和大约5.5cm之间，并且优选地为大约5cm。如图所示，罩72的层102、104、106中的一个或多个可以围绕塞74a的延伸超过衬套70的第二端80的大部分。例如，在一个实施方式中，只有第二锥形部分118可以不被包在罩72内。另外，在一个实施方式中，三个层102、104、106中的每一个都围绕塞74a设置。

除了第一塞74a之外，替换插入件36可以包括邻近衬套70的第二端80设置的密封塞74b。更特别地，密封塞74b可以由与通道82的内壁形成密封的合适材料形成。例如，密封塞74b可以由合成橡胶形成，例如氟橡胶(含氟弹性体)。其他材料也是可能的。在一个实施方式中，密封塞74b可以定位在第二笔直部分92中以密封通道82。这样，进入衬套70的通道82的任何液压油或其他污染元素不能渗透到与替换插入件36相关联的金属/复合材料界面或木材/复合界面中。这旨在解决被认为是至少沿着来自插入件36的内部的路径对衬套和周围复合材料造成污染的主要原因。

在本发明的一个方面，替换插入件36的外轮廓130被构造成改进替换插入件36与修复的衬套空腔60之间的粘合剂结合。在这方面，构思是提供具有非圆形横截面轮廓的替换插入件36。在示例性实施方式中，例如，替换插入件36可具有椭圆形或圆头长方形的横截面轮廓，该横截面轮廓的大致特征可在于长轴132和短轴134，其中长轴132大于短轴134。从大致圆形横截面轮廓(例如，从原始衬套34的横截面轮廓)到替换插入件36的椭圆形或圆头长方形横截面轮廓的改变旨在增加插入件36与修复的衬套空腔60的复合叶片材料之间的接触表面面积，并且提供增加的未污染复合叶片材料的界面。

图9示出了具有长轴132和短轴134的替换插入件36的示例性横截面，其中长轴大于短轴134以提供圆头长方形横截面轮廓。作为实施例，长轴132可以比短轴134大约10％到约25％之间。更特别地，在图8所示的示例性实施方式中，外轮廓130包括第一大致平坦表面136、与第一平坦表面136相对的第二大致平坦表面138、在第一平坦表面136和第二平坦表面138之间延伸的第一大致弧形侧表面140以及也在第一平坦表面136和第二平坦表面138之间延伸并与第一弧形表面140相对的第二大致弧形侧表面142。在一个实施方式中，第一弧形表面140和第二弧形表面142可以形成为圆的一部分，即，它们具有大致恒定的曲率半径。圆形部分可以是半圆形的，使得圆形部分的中心位于连接平坦表面138、140的边缘的线上。

上述特定的横截面轮廓可以是从大致圆形的横截面轮廓(例如，从原始圆柱形衬套34)开始的结果，期望产生圆头长方形横截面轮廓(以改进在新界面处的粘合剂结合)但不在径向方向上扩展衬套空腔，并且全部关注在替换插入件36上产生这种外轮廓130的能力和产生具有类似轮廓的修复的衬套空腔60的能力。在一个实施方式中，如图10A至图10C示意性所示，这些可通过在具有大致恒定的曲率半径R的圆形轮廓146的中心线148处分离圆形轮廓146，沿垂直于中心线148的线性轴线150将两个半圆形轮廓146a、146b移动分开，并用平坦表面152填充间隙而在概念上实现。从圆形横截面轮廓开始、以椭圆形横截面轮廓结束并且使用传统的机加工工具(例如钻头、铣刀钻头、铰孔工具等)，这种横截面轮廓被认为是相对容易形成的(在叶片20中)。

替换插入件36的尖端154也可以具有特定的构造。更特别地，替换插入件36的尖端154可以具有锥形或倒角156，其中，横截面面积在朝向凸脊120的方向上减小。外轮廓130向内会聚的程度可以由锥角a₁表征。在示例性实施方式中，锥角a1可在约2度和约10度之间，并且优选地在约4度和7度之间。替换插入件36的上部部分的圆头长方形轮廓可以维持在锥形尖端154中。例如，可在锥形尖端154中维持长轴/短轴比率，以在尖端154中产生均匀的锥形。然而，尖端的其他构造也是可能的。例如，锥形156主要出现在罩72的外层106中，但是可以延伸到中间层104和内层102中，如图7所示。如上所述，塞74a的第二锥形部分118可以暴露，并且不被罩72围绕(图7)。在塞74a的该区域中的锥角a₂可以在约50度和约70度之间，并且优选地在约58度和62度之间。替换插入件36的尖端154中的锥形构造可以被构造成在替换插入件36插入和结合在修复的衬套空腔60中期间改善粘合剂的流动和空气移除，如将在下面更详细地解释的。

现在将参照图11描述制造替换插入件36的示例性方法。在提供金属衬套70的情况下，通过将塞76a的第一锥形部分114插入衬套70的第二端80处的通道82的第二锥形部分94中，塞74a可以联接到衬套70的第二端80。这在步骤160中示出。在下一步骤162中，玻璃或碳纺纤维粗纱可以沿着波状部分100和沿着塞76a的笔直部分116围绕衬套70的外表面96缠绕。优选地，粗纱在横向于衬套36的纵向轴线的方向上围绕衬套36和塞76a缠绕。在一个实施方式中，该粗纱不覆盖凸缘84，而是在减小的直径区域中只是从凸缘84开始。该粗纱构成罩72的内层102，并且可以具有这样的厚度，使得内层102的外径比衬套沿着波状部分100的外径大约5％至10％之间。例如，在示例性实施方式中，内层102的厚度可为大约2mm。其他厚度也是可能的。

在步骤164中，一个或多个玻璃双轴织物片可围绕内层102缠绕并且构成中间层104。优选地，并且如上所述，双轴织物片的纤维可以相对于衬套60的纵向轴线以+/-45度定向。在一个实施方式中，双轴织物片也不覆盖凸缘84，而只是从凸缘84开始。在一个实施方式中，中间层104的厚度使得中间层104的外径可以与凸缘84的外径基本上相同。更宽泛地，中间层104的厚度可以使得中间层104的外径可以比内层102的外径大约5％至约10％。例如，在示例性实施方式中，中间层的厚度可以是约2mm。然而，其他厚度也是可能的。

在另外的步骤166中，一个或多个玻璃单向纤维片可围绕中间层104缠绕并构成罩72的外层106。优选地，单向织物片的纤维可以0度定向，以便大致平行于衬套70的纵向轴线。在一个实施方式中，单向织物片覆盖或围绕凸缘84，使得片的边缘大致与衬套70的在第一端78处的端面齐平。外层106的厚度可以使得外层106的外径比中间层104的外径大约20％至约30％。例如，外层106的厚度可以在约6mm和约9mm之间，并且在示例性实施方式中优选地为约7.5mm。其他厚度也是可能的。

在罩72的纤维层102、104、106已经相对于衬套70定位之后，组件可以注入有树脂并固化，如步骤168所示。作为实施例，RTM过程或真空注入过程可用于这一点。这些过程是公知的，并且在此将不进一步详细描述。如上所述，如上所述的替换插入件36的形成与上面参考图4所述的修理过程分开进行。因此，可以更仔细地控制注入和固化过程，以确保在衬套70的外表面96处的衬套/复合材料界面处具有优异的粘合剂结合的高质量复合结构。在该过程之后，替换插入件36可以稍微过大，并且因此可以执行附加的处理步骤，以便为替换插入件36提供期望的形状、尺寸和特征。

因此，在根据该方法的另外的步骤170中，可以从替换插入件36的外表面158移除材料，以便达到期望的形状、尺寸并且形成其他附加特征。根据本发明的一个方面，由于插入件36的复合材料罩72基本上完全固化，因此可以使用公知的过程来修改替换插入件36的横截面轮廓。例如，可以使用各种机加工过程来从过大的替换插入件36的外表面移除材料，从而达到插入件的期望形状和尺寸。在这方面，过大的插入件的外表面可以被机加工以提供如上所述和图9中所示的圆头长方形横截面轮廓。此外，由于插入件的形成在与修理过程分开的过程中完成，因此可更仔细地控制机加工步骤(或其他材料移除步骤)以便产生高质量的替换插入件。

如上所述，在从过大的替换插入件移除材料期间，附加特征可以添加或结合到插入件36中。在这方面，图7至图9示出了从替换插入件36的外表面158突出的多个离散间隔件172。虽然在一个实施方式中，这些间隔件172可以是联接到插入件36的外表面158的单独元件，但是在示例性实施方式中，间隔件172一体地形成在外表面158中。在这方面，当例如通过可控的铣床等从过大的插入件移除材料时，选定的材料可以被剩下或留下，以便形成间隔件172。在所示的实施方式中，间隔件172可示出为大致正方形或长方形。例如，间隔件可以具有在约3mm和约10mm之间的长度和宽度，并且优选地为约5mm。然而，应该认识到，间隔件172可以采用其他尺寸和形状，并且仍然在本发明的范围内。间隔件172可用于提供替换插入件36的外表面和修复的衬套空腔60的内壁之间的间隙。在这方面，间隔件172的高度可选择成提供期望的间隙。作为实施例，间隔件172的高度可在约0.2mm和约1mm之间，优选地为约0.5mm。这将导致在插入件36的外表面158和修复的衬套空腔36的壁之间的相对均匀的间隙。

间隔件172在替换插入件36的外表面156上的布置可以变化。该布置被构造成在插入件36的外表面158和衬套空腔60的内壁之间提供稳定且一致的间隙。在示例性实施方式中，该布置可包括沿插入件36的长度的多排174，其中每排包括围绕插入件36的周边(例如，在横向于插入件的纵向轴线的方向上)分布的多个间隔件172。例如，该布置可以包括沿着插入件36的长度均匀地间隔开的四排174a、174b、174c、174d。每排174可与相邻排分离约10cm。该距离是示例性的，并且不同的分隔距离是可能的。另外，在替代实施方式中，排174可沿插入件36的长度不均匀地间隔开。

在一个实施方式中，在每个排174中可以有四个间隔件172。间隔件172可围绕插入件36的周边(并且从周向角度立体图)均匀地分布。因此，例如并且参照排174b和174d，间隔件可以围绕替换插入件36的周边以0、90、180和270度定位。这仅仅是示例性的，并且其他均匀布置的间隔件172可以是可能的。或者，间隔件172可具有围绕插入件36的周边的不均匀分布。作为实施例，间隔件172可在第一平坦表面136和第二平坦表面138的任一侧上成特定角度。例如，间隔件172可以定位成与平坦表面136、138中的每一个的任一边成约30度。例如，图7中示出了排174a和174c的这种布置。间隔件172的其他非均匀分布也是可能的。应该认识到，在塞74a的终端处的凸脊120也可以用作插入件36和修复的衬套空腔60的壁之间的间隔件。因此，在一个实施方式中，凸脊120的高度应该基本上等于间隔件172的高度。

如上所述，修复的衬套空腔60被构造成具有与替换插入件36的形状和尺寸类似的形状和尺寸。因此，在抽出选定的受损的衬套26之后保留的原始衬套空腔34可以被再成形以匹配替换插入件36的外轮廓130。在示例性实施方式中，这将包括将衬套空腔60形成为具有如上所述的圆头长方形横截面轮廓。关于叶片20的端面30，原始衬套空腔34的径向内侧和外侧的叶片材料的量并不显著，并且通常小于周向相邻的衬套空腔之间的叶片材料的量(见图6A和图6B)。因此，在示例性实施方式中，替换插入件36的横截面轮廓的长轴132可被构造成大致在叶片20的根部端22的周向方向上延伸。在现在建立的形状、尺寸和定向的情况下，可使用夹具44以及适当的工具头58来将衬套空腔34再成形为具有期望的轮廓。

图12A和图12B示意性地示出了将替换插入件36联接到叶片20，更特别地将替换插入件36联接到修复的衬套空腔60的示例性方法的细节。在这点上，一份粘合剂180可以定位在衬套空腔60的底部中。在本发明的一个方面，精确的、预定的一份粘合剂可以基于衬套空腔60、替换插入件36的尺寸以及粘合剂需要占据的间隙或空腔182的大小来确定。然后，所述一份粘合剂可以沉积在衬套空腔60的底部中。然后，替换插入件36可以缓慢地插入衬套空腔60中，其中锥形尖端154首先插入衬套空腔60中。当然，替换插入件36的定向必须与衬套空腔60的定向匹配。换句话说，替换插入件36的长轴132和短轴134必须与衬套空腔60的长轴和短轴对准。在间隔件172处于适当高度处的情况下，插入件36相对于衬套空腔60基本上是自动居中的。当替换插入件36的尖端154移动靠近空腔60的底部时，插入件36接触粘合剂180并且开始向上穿过间隙182并且朝向叶片20的根部端22的端面30驱动粘合剂180。当替换插入件36完全就位时，凸脊120与空腔60的底部接合，间隔件172基本上与空腔60的侧壁接合，并且粘合剂180基本上填充间隙182，使得粘合剂180基本上与叶片20的端面30齐平。上述填充过程可以特别有利于防止粘合剂中的气穴，并且由此在插入件36的外表面158与衬套空腔60的内壁之间的界面处提供改进的粘合剂结合。

在替换插入件36完全安置在衬套空腔60中的情况下，粘合剂180可以例如通过加热而固化。在这点上，加热毯或其他类型的加热器可用于促进粘合剂180的固化。在附加步骤中，可以在衬套70的第一端78处围绕凸缘84设置密封剂184的填料。密封剂184可以被构造成防止液压油或其他污染物渗透金属衬套70与罩72的内表面之间的界面，并且可选地防止渗透罩72的外表面与衬套空腔60的内壁之间的界面。在密封件184保护敏感结合界面的外部可接近性并且塞74b保护敏感结合界面的内部可接近性的情况下，可以显著地减小流体(例如，液压流体等)和其他污染物对衬套70的损害。

如上所述，一旦所有受污染的衬套26已经以上述方式被修理，则修理过的叶片20可返回到风力涡轮机现场并重新附接到风力涡轮机10。同样，这些步骤在行业中是公知的，在此不作进一步描述。可以相信，上面概述的各种元件和方法表示了解决将风力涡轮机叶片保持在转子轮毂上的衬套松动和损坏的问题的更成本有效的方式。当在风力涡轮机现场实现修理过程时，可进一步提高修理方法的成本效益。这样，可以避免与将叶片移动到制造/修理设施和从制造/修理设施移动叶片相关联的运输成本。

虽然已经通过描述各种优选实施方式对本发明进行了说明，并且虽然已经相当详细地描述了这些实施方式，但是申请人的意图不是将所附权利要求的范围限制或以任何方式限定到这些细节。本领域技术人员将容易地想到附加的优点和修改。因此，本发明的各种特征可以单独使用或以任何组合使用，这取决于用户的需要和偏好。

Claims (23)

1.一种用于修理风力涡轮机的将风力涡轮机叶片连接到转子轮毂的接头的替换插入件，所述替换插入件包括：

衬套，所述衬套具有第一端、第二端、外表面和内部通道；

罩，所述罩围绕所述衬套的所述外表面的至少一部分，所述罩限定外表面；以及

多个突起，所述多个突起从所述罩的所述外表面延伸，并且被构造成当所述替换插入件定位在所述风力涡轮机叶片中的衬套空腔中时用作间隔件，所述多个突起在所述替换插入件的所述外表面和限定所述衬套空腔的壁之间限定间隙，

其中，所述替换插入件具有由长轴和短轴限定的圆头长方形或椭圆形横截面轮廓，其中，所述长轴大于所述短轴，并且所述衬套具有圆形横截面。

2.根据权利要求1所述的替换插入件，其中，所述多个突起由与所述罩相同的材料形成。

3.根据权利要求2所述的替换插入件，其中，所述多个突起与所述罩一体地形成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的替换插入件，其中，所述多个突起具有基本上相同的高度，使得所述插入件的所述外表面与所述衬套空腔的所述壁之间的所述间隙被构造成是基本上一致的。

5.根据权利要求1所述的替换插入件，其中，所述多个突起被布置成多排，每排沿着所述衬套的纵向轴线处于固定位置，并且每排具有多个突起。

6.根据权利要求5所述的替换插入件，其中，所述多排沿所述衬套的所述纵向轴线均匀地间隔开。

7.根据权利要求5或6所述的替换插入件，其中，每排中的所述突起绕所述插入件的所述外表面不均匀地间隔开。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的替换插入件，其中，所述罩由复合材料形成。

9.根据权利要求8所述的替换插入件，其中，所述复合材料基本上完全固化。

10.根据权利要求1所述的替换插入件，其中，所述罩还包括第一平坦表面、与所述第一平坦表面相对的第二平坦表面、在所述第一平坦表面与所述第二平坦表面之间延伸的第一弧形表面以及在所述第一平坦表面与所述第二平坦表面之间延伸且与所述第一弧形表面相对的第二弧形表面。

11.根据权利要求10所述的替换插入件，其中，所述第一弧形表面和所述第二弧形表面具有基本上恒定的曲率半径。

12.根据权利要求11所述的替换插入件，其中，所述基本上恒定的曲率半径基本上等于所述短轴。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的替换插入件，其中，所述替换插入件还包括在所述替换插入件的尖端处的倒角。

14.根据权利要求1所述的替换插入件，其中，所述罩包括多层纤维材料。

15.根据权利要求14所述的替换插入件，其中，相邻层的纤维在不同方向上定向。

16.根据权利要求15所述的替换插入件，其中，所述多层中的每层的纤维在不同方向上定向。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的替换插入件，其中，所述多层中的至少一层包括纤维粗纱，其中，所述粗纱的纤维在基本上垂直于所述衬套的纵向轴线的方向上定向。

18.根据权利要求14至16中任一项所述的替换插入件，其中，所述多层中的至少一层包括双轴纤维片，其中，所述双轴纤维片的纤维相对于所述衬套的纵向轴线以+/-45度定向。

19.根据权利要求14至16中任一项所述的替换插入件，其中，所述多层中的至少一层包括单向纤维片，其中，所述单向纤维片的纤维基本上平行于所述衬套的纵向轴线定向。

20.根据权利要求14至16中任一项所述的替换插入件，其中，所述多层纤维材料还包括：

纤维材料的内层，所述内层包括围绕所述衬套的所述外表面缠绕的纤维粗纱；

纤维材料的中间层，所述中间层包括围绕所述内层缠绕的双轴纤维片；以及

纤维材料的外层，所述外层包括围绕所述中间层缠绕的单向纤维片。

21.根据权利要求1至3中任一项所述的替换插入件，所述替换插入件还包括定位在所述衬套的所述第二端中且从所述第二端延伸的塞，其中所述罩围绕所述塞的外表面的至少一部分设置。

22.根据权利要求1至3中任一项所述的替换插入件，所述替换插入件还包括设置在所述衬套的所述内部通道中的密封件，其中，所述密封件被构造成防止在所述第一端处引入到所述通道中的污染物到达所述衬套的所述第二端。

23.根据权利要求1至3中任一项所述的替换插入件，其中，所述替换插入件被构造成初始时与所述风力涡轮机叶片分离，并且能够作为组装单元附接到所述叶片。