CN114562414A - 一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构，包括叶片与变桨轴承，叶片根部与变桨轴承的内圈通过固定件连接，其特征是，所述叶片根部上沿径向设置有至少两圈固定孔组，固定孔内均设置有预埋定位套，变桨轴承内圈上对应固定孔组设置有过孔，所述固定件贯穿过孔并连接预埋定位套。通过在叶片与变桨轴承分组设置多圈固定孔组形成“网格”式连接结构，无需增加螺栓数量及单根螺栓质量，仅通过结构优化有效降低应力集中现象，提升抗断裂性能。

Description

一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构

技术领域

本发明涉及风电机组装技术领域，尤其是涉及一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构。

背景技术

近些年来，随着风电产业的快速发展，风电机组对高性能、长尺寸的叶片需求日益增多，叶片已经开始向大型化发展。

随着叶片尺寸和重量的不断增加，叶片所承受的载荷也越来越大，使得叶片的根部与变桨轴承的连接强度成了叶片开发的瓶颈。尽管，近年来的叶片设计尺寸有了巨大的提升，但叶片的根部连接结构设计仍然保留着传统的单排螺栓连接设计思路，即在叶片根部预埋一圈螺栓套，通过双头螺栓与变桨轴承相连接，并通过玻璃纤维内外补强来增加叶片螺栓的抗腐蚀性能。随着风电行业的迅速发展，大兆瓦级的叶片应运而生，而随着叶型的增大，叶片与变浆轴承传统的连接方式已经明显的不能满足叶片与变浆轴承在连接处对强度、刚度、抗疲劳强度级抗腐蚀的性能要求。按照传统的单排螺栓连接设计已经很难满足叶片大型化的需求，而传统地解决方案是加大叶片根部尺寸、增加叶根连接螺栓数量，而这将导致叶片重量、根部尺寸以及与之相连接的变桨轴承尺寸进一步加大，极大地增加了叶片和风电机组的开发成本，也给运输和吊装增加了很大的难度。目前，叶片根部与变桨轴承的连接设计已成为叶片大型化普遍存在的问题。

例如中国专利文献（公告号：CN102748246A）公开了“风机叶片与变桨轴承的连接结构”，包括风机叶片和变桨轴承，风机叶片与变桨轴承之间设有法兰垫片，风机叶片根部的端面上设有间隔设置的长螺杆孔和短螺杆孔，在风机叶片根部的侧面上沿叶片圆周方向设有两圈螺母孔，所述的螺母孔内设有螺母，处于内圈的螺母孔内的螺母与短螺杆配合紧固，处于外圈的螺母孔内的螺母与外螺杆配合紧固。本发明通过采用长螺杆和短螺杆间隔安装在风机叶片的根部端面上，将风机叶片、法兰垫片和变桨轴承固定连接在一起。

上述技术方案中，虽然将传统的单排螺栓连接优化为长短螺栓交替设置的方案，但仍未解决叶片根部因自重及风压作用产生应力集中的问题，随着风机运行时间增加叶根处的断裂隐患会不断放大，而遭遇强劲瞬时风力则会进一步加快叶根疲劳断裂的产生。

发明内容

针对背景技术中提到的现有风机叶片与变桨轴承之间易产生应力集中进而导致疲劳断裂的问题，本发明提供了一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构，通过在叶片与变桨轴承分组设置多圈固定孔组形成“网格”式连接结构，无需增加螺栓数量及单根螺栓质量，仅通过结构优化有效降低应力集中现象，提升抗断裂性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构，包括叶片与变桨轴承，叶片根部与变桨轴承的内圈通过固定件连接，其特征是，所述叶片根部上沿径向设置有至少两圈固定孔组，固定孔内均设置有预埋定位套，变桨轴承内圈上对应固定孔组设置有过孔，所述固定件贯穿过孔并连接预埋定位套。预埋定位套是在叶片生产制造时与叶片根部一体真空灌注而成，通过连接螺栓及连接螺母与变桨轴承相连接，组成为一个叶根与变桨轴承多圈螺栓连接结构的整体。这种层层递进的连接方式相较于传统连接结构，能够有效分散应力，确保大尺寸叶片的叶根处的剪切力能够分散作用在所有固定孔组的螺栓上，有效增加抗断裂性能。

作为优选，固定孔组包括有靠近叶片外轮廓的第一固定孔组和靠近叶片内腔的第二固定孔组，所述第一固定孔组包括有外圈固定孔，所述第二固定孔组包括有内圈固定孔，所述外圈固定孔间隔于内圈固定孔设置，任一外圈固定孔两侧分别设置有一内圈固定孔，所述外圈固定孔与两内圈固定孔呈等腰三角形的三个端点分布。所述第一固定孔组与第二固定孔组分别为叶片上最外圈螺栓孔组和最内圈螺栓孔组，而叶片自重的主要承力点为最外圈的第一固定孔组，特别的是，当叶片遭遇高额瞬时风力时第一固定孔组处的应力集中达到顶峰，采用呈等腰三角形分布的双圈螺栓能够使载荷均匀分散的由外向内传递，优化连接结构的力学性能。

作为优选，所述外圈固定孔与两侧的内圈固定孔之间分别设置有加强槽，所述加强槽内设置有载荷传递件，所述载荷传递件包括固定设置于加强槽内的中杆，所述中杆一端设置有套合于外圈固定孔的第一固定套，所述中杆另一端设置有套合于内圈固定孔的第二固定套。所述加强槽为浅槽，主要作用是嵌合安装载荷传递件，所述载荷传递件用于连接第一固定孔组和第二固定孔组，正常运行过程中第一固定孔组与第二固定孔组共同承受叶片载荷，两圈固定孔组形成一个“受力整体”对抗载荷；在遇到高额瞬时风力时，载荷传递件可将主要承担应力的第一固定孔组所受载荷传递至第二固定孔组，利用三角形的稳定性特点将两圈固定孔组组成的“受力整体”的内应力进行分散，降低第一固定孔组的应力集中现象，提升连接结构整体的抗断裂性能。

作为优选，所述第一固定套与内圈固定孔的固定件过盈套接，所述第二固定套与外圈固定孔的固定件过盈套接。载荷传递件能够与两端的固定件过盈连接，确保两相邻圈层内的固定件能够彼此支撑并分散载荷，增强整体抗剪切性能。

作为优选，所述设置于一外圈固定孔两侧的两内圈固定孔之间设置有收束筋，所述收束筋两端分别于内圈固定孔上的第二固定套固定连接。所述收束筋用于增加两内圈固定孔遭受巨大载荷时的连接强度，使得外圈固定孔内螺栓与内圈固定孔内螺栓组成完整的三角形结构，进一步提升连接结构的力学性能。

作为优选，所述收束筋向远离第一固定孔组方向呈弧线设置，所述收束筋中部宽度大于两端宽度。所述收束筋的弧形结构能够更好的传递两端螺栓的载荷，并通过中部较宽的部分完成支撑，极大提升了“受力整体”的抗剪切能力，避免叶片与变桨轴承连接处产生破裂。

作为优选，相邻固定孔组同心设置。同心设置的固定孔组能够均匀分散来自叶片的载荷，在叶片规格大幅提升的情况下保证连接稳定性。

因此，本发明具有如下有益效果：（1）通过在叶片与变桨轴承分组设置多圈固定孔组形成“网格”式连接结构，无需增加螺栓数量及单根螺栓质量，仅通过结构优化有效降低应力集中现象，提升抗断裂性能；（2）在遇到高额瞬时风力时，载荷传递件可将主要承担应力的第一固定孔组所受载荷传递至第二固定孔组，利用三角形的稳定性特点将两圈固定孔组组成的“受力整体”的内应力进行分散，降低第一固定孔组的应力集中现象，提升连接结构整体的抗断裂性能；（3）收束筋用于增加两内圈固定孔遭受巨大载荷时的连接强度，使得外圈固定孔内螺栓与内圈固定孔内螺栓组成完整的三角形结构，进一步提升连接结构的力学性能。

附图说明

图1为实施例1中叶片根部的主视图。

图2为图1中A-A处的剖视图。

图3为图1中载荷传递件的结构示意图。

图中：1、叶片，2、变桨轴承，21、内圈，3、预埋定位套，4、固定件，5、第一固定孔组，51、外圈固定孔，6、第二固定孔组，61、内圈固定孔，7、载荷传递件，71、中杆，72、第一固定套，73、第二固定套，8、收束筋。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1、2所示，一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构，包括叶片1与变桨轴承2，叶片1根部与变桨轴承2的内圈21通过固定件4连接，其特征是，所述叶片1根部上沿径向设置有至少两圈固定孔组，固定孔内均设置有预埋定位套3，变桨轴承内圈21上对应固定孔组设置有过孔，所述固定件4贯穿过孔并连接预埋定位套3。固定孔组包括有靠近叶片1外轮廓的第一固定孔组5和靠近叶片1内腔的第二固定孔组6，所述第一固定孔组5包括有外圈固定孔51，所述第二固定孔组6包括有内圈固定孔61，所述外圈固定孔51间隔于内圈固定孔61设置，任一外圈固定孔51两侧分别设置有一内圈固定孔61，所述外圈固定孔51与两内圈固定孔61呈等腰三角形的三个端点分布。相邻固定孔组同心设置。

预埋定位套3是在叶片1生产制造时与叶片1根部一体真空灌注而成，通过连接螺栓及连接螺母与变桨轴承2相连接，组成为一个叶根与变桨轴承2多圈螺栓连接结构的整体。这种层层递进的连接方式相较于传统连接结构，能够有效分散应力，确保大尺寸叶片1的叶根处的剪切力能够分散作用在所有固定孔组的螺栓上，有效增加抗断裂性能。所述第一固定孔组5与第二固定孔组6分别为叶片1上最外圈螺栓孔组和最内圈螺栓孔组，而叶片1自重的主要承力点为最外圈的第一固定孔组5，特别的是，当叶片1遭遇高额瞬时风力时第一固定孔组5处的应力集中达到顶峰，采用呈等腰三角形分布的双圈螺栓能够使载荷均匀分散的由外向内传递，优化连接结构的力学性能。同心设置的固定孔组能够均匀分散来自叶片1的载荷，在叶片1规格大幅提升的情况下保证连接稳定性。

所述外圈固定孔51与两侧的内圈固定孔61之间分别设置有加强槽，所述加强槽内设置有载荷传递件7，所述载荷传递件7包括固定设置于加强槽内的中杆71，所述中杆71一端设置有套合于外圈固定孔51的第一固定套72，所述中杆71另一端设置有套合于内圈固定孔61的第二固定套73。所述设置于一外圈固定孔51两侧的两内圈固定孔61之间设置有收束筋8，所述收束筋8两端分别于内圈固定孔61上的第二固定套73固定连接。所述收束筋8向远离第一固定孔组5方向呈弧线设置，所述收束筋8中部宽度大于两端宽度。

如图3所示，所述加强槽为浅槽，主要作用是嵌合安装载荷传递件7，所述载荷传递件7用于连接第一固定孔组5和第二固定孔组6，正常运行过程中第一固定孔组5与第二固定孔组6共同承受叶片1载荷，两圈固定孔组形成一个“受力整体”对抗载荷；在遇到高额瞬时风力时，载荷传递件7可将主要承担应力的第一固定孔组5所受载荷传递至第二固定孔组6，利用三角形的稳定性特点将两圈固定孔组组成的“受力整体”的内应力进行分散，降低第一固定孔组5的应力集中现象，提升连接结构整体的抗断裂性能。所述收束筋8用于增加两内圈固定孔61遭受巨大载荷时的连接强度，使得外圈固定孔51内螺栓与内圈固定孔61内螺栓组成完整的三角形结构，进一步提升连接结构的力学性能。所述收束筋8的弧形结构能够更好的传递两端螺栓的载荷，并通过中部较宽的部分完成支撑，极大提升了“受力整体”的抗剪切能力，避免叶片1与变桨轴承2连接处产生破裂。

本实施例中，固定件4采用双头螺栓，通过对叶片1根部及变桨轴承2之间的固定件4分布位置进行优化实现叶片1抗断裂性能的提升，具体来说，本实施例采用外圈固定孔51组合内圈固定孔61组两圈间隔设置的固定件4进行连接，通过彼此连接的螺栓形成网格式承力结构，有效避免应力集中现象出现，提升连接结构的抗断裂性能。

除上述实施例外，在本发明的权利要求书及说明书所公开的范围内，本发明的技术特征可以进行重新选择及组合，从而构成新的实施例，这些都是本领域技术人员无需进行创造性劳动即可实现的，因此这些本发明没有详细描述的实施例也应视为本发明的具体实施例而在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构，包括叶片与变桨轴承，叶片根部与变桨轴承的内圈通过固定件连接，其特征是，所述叶片根部上沿径向设置有至少两圈固定孔组，固定孔内均设置有预埋定位套，变桨轴承内圈上对应固定孔组设置有过孔，所述固定件贯穿过孔并连接预埋定位套。

2.根据权利要求1所述的一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构，其特征在于，固定孔组包括有靠近叶片外轮廓的第一固定孔组和靠近叶片内腔的第二固定孔组，所述第一固定孔组包括有外圈固定孔，所述第二固定孔组包括有内圈固定孔，所述外圈固定孔间隔于内圈固定孔设置，任一外圈固定孔两侧分别设置有一内圈固定孔，所述外圈固定孔与两内圈固定孔呈等腰三角形的三个端点分布。

3.根据权利要求2所述的一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构，其特征在于，所述外圈固定孔与两侧的内圈固定孔之间分别设置有加强槽，所述加强槽内设置有载荷传递件，所述载荷传递件包括固定设置于加强槽内的中杆，所述中杆一端设置有套合于外圈固定孔的第一固定套，所述中杆另一端设置有套合于内圈固定孔的第二固定套。

4.根据权利要求2所述的一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构，其特征在于，所述设置于一外圈固定孔两侧的两内圈固定孔之间设置有收束筋，所述收束筋两端分别于内圈固定孔上的第二固定套固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构，其特征在于，所述收束筋向远离第一固定孔组方向呈弧线设置，所述收束筋中部宽度大于两端宽度。

6.根据权利要求3所述的一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构，其特征在于，所述第一固定套与内圈固定孔的固定件过盈套接，所述第二固定套与外圈固定孔的固定件过盈套接。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种风轮叶片与变桨轴承的抗断裂式连接结构，其特征在于，相邻固定孔组同心设置。

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