NL7906875A - Vastzetinrichting voor de bladen van een luchtturbine. - Google Patents

Description

49 271/GB/MV 1 ·, ί UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION, Hartford, Ct.,

Verenigde Staten van Amerika..

Vastzetinrichting voor de bladen van een lucbtturbine.

De uitvinding heeft betrekking op een luchtturbineblad met een ligger en een mantel vervaardigd uit een vezel-versterkte matrix, waarbij de ligger is verbonden met de naaf via een blad-vastzetconstructie met een vergrote 5 krachtsdoorvoerende baan, waardoor een zeer betrouwbare verbinding wordt verkregen.

Verschillende vastzetinrichtingen voor rotorbladen, zoals luchtvaart-schroeven zijn bekend en omvatten onderdelen zoals flenzen, drukringen, druklegers, borgringen en 10 gedeelde kragen. Elk van deze onderdelen vereist een bepaald type aanpassing van de schacht van het blad, zoals het daarin aanbrengen van loopvlakken of het erop aanbrengen van verhoogde vlakken. Verder vormt bij vele van deze bekende vastzetinrichtingen het schachtdeel een integraal 15 geheel met een instelmechanisme voor de spoed van het blad, en is structureel geschikt voor het absorberen en overbrengen van zowel centrifugale als transversale belastingen vanaf het blad en de bedieningsinrichtingen voor het wijzigén van de spoed.

20 Bij de ontwikkeling van grote rotorbladen zoals die voor door de wind aangedreven turbines of windmolens, waarbij de rotors dikwijls een diameter hebben van 30 tot 60 meter, vereisen de bladen speciale fabricagetechnieken voor het verminderen van het gewicht en de kosten ervan. Verder 25 oefenen de grote roterende bladen aanmerkelijke belastingen uit op de vastzetinrichtingen en het verbeteren van de constructie van dergelijke vastzetinrichtingen is gewenst om een juiste verdeling van de belastingen te verzekeren.

Een techniek voor het verminderen van het gewicht 30 en de kosten van een blad, zonder een compromis te moeten 7906875 > *’ ................... " 2 treffen met de structurele sterkte, omvat het gebruik van samengestelde materialen voor het vormen van het blad.

Een samengesteld blad uit een vezelversterkte matrix kan worden vervaardigd met behulp van geautomatiseerde wikkel-5 machines, waardoor een vermindering wordt bereikt van de mate waarin de structurele stijfheid van het blad afhankelijk is van verbindingen. Gebleken is dat gebruik kan worden gemaakt van vezels uit glas, koolstof, grafiet, Kevl&r en borium in een matrix uit een epoxy of polyester-10 hars. Ook kan gebruik worden gemaakt van samengestelde banden. Bij bladen van dit type zal de ligger, die ook uit filamenten is gewikkeld, het voornaamste belasting-dragende element vormen. Het gebruik van een vezelwikkel-proces maakt het mogelijk de wanddikte en de vezeloriëntatie 15 te wijzigen voor het verkrijgen van een optimale sterkte en stijfheid langs het blad, terwijl bijzonder goede af-schuif-eigenschappen worden verkregen en het blad grote belastingen kan dragen. De meeste bekende samengestelde bladen hebben stalen liggers die de structurele onder-20 steuning vormen voor het blad over de gehele lengte daarvan en die het gebruik mogelijk maken van standaard-bladvast-zetinrichtingen waarbij bladinstelmechanismen die een geheel vormen met de schacht van de bladligger. Bij bladen voorzien van vezelgewikkelde liggers zijn de bekende 25 technieken voor het verbinden van het blad met de naaf niet geschikt ten gevolge van het verschil in het materiaal van, de ligger. Bij samengestelde liggerbladen is het gewenst gebleken om het bladinstelmechanisme te scheiden van het blad, waarbij de bladinstelkrachten worden over-30 gebracht vanaf het bladinstelmechanisme, aangebracht in de naaf, op het blad zelf via blad-naafverbindingsorganen. Dientengevolge mqet de bladvastzetinrichting in staat zijn om de samengestelde ligger stevig vast te houden, terwijl het tegelijkertijd de instelkrachten vanaf het 35 instelmechanisme op het blad over moet brengen, terwijl dit gedaan moet worden onder het opnemen van de hoge belas- 7906875 t .3 tingen die het gevolg zijn van de grote afmetingen van het blad.

Een doel van de onderhavige uitvinding is daarom het verschaffen van een bladvastzetinrichting, die geschikt is 5 om een bladelement uit een samengesteld materiaal te verbinden met de rotornaaf.

Een verder doel van de uitvinding is het verschaffen van een bladvastzetinrichting voor grote rotorbladen vervaardigd uit samengestelde materialen, zoals die welke 10 gebruikt worden bij windturbines.

Een verder doel van de uitvinding is het verschaffen van een bladvastzetinrichting voor vezelgewikkelde bladen waarbij een binnenste verbindingsbus wordt gebruikt als een deel van de wikkeldoorn voor de bladligger.

15 Nog een verder doel van de uitvinding is het ver schaffen van een bladvastzetinrichting voor rotorbladen uit samengestelde materialen, waarbij de bladbelastingen worden overgebracht op de naaf via vergrote doorvoerings-banen voor het verkrijgen van een zeer betrouwbare ver-20 binding.

Nog een verder doel van de uitvinding is het verschaffen van een bladvastzetinrichting voor een bladligger gevormd uit een filamentgewikkeld matrixmateriaal, waarbij het uiteinde van de ligger zodanig is gevormd 25 dat het een tegengestelde blokkeringstapsheid bezit voor het verkrijgen van een veilige blokkering onder centrifugale bladbelastingen.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding zijn metalen binnenste en buitenste 30 verbindingsbussen concentrisch ten opzichte van het binneneinde van de ligger daarmee verbonden en de bussen en de ligger worden ten opzichte van elkaar vastgehouden door een eerste serie afschuifbouten en -moeren, die radiaal door de bussen en de ligger heengaan. Een tweede 35 serie afschuifbouten en -moeren gaan door de bussen om deze met elkaar te verbinden, waarbij deze tweede serie iets 7906875 * t' _____________________________. 4 ___________ naar binnen toe ten opzichte van het binneneinde van de ligger is aangebracht. Het uiteinde van de ligger waarmee de bussen worden verbonden, is iets conisch en bezit een verkleinde diameter ten opzichte van het naastliggende 5 buitenste deel van de ligger waardoor het einde van de ligger op effektieve wijze wordt vastgezet tussen de bussen en de centrifugaalkrachten, die inwerken op het blad, de neiging zullen hebben om de blokkering steviger te maken, waardoor losgaan van het blad van de vasthoudbussen wordt 10 voorkomen.

Een gunstig kenmerk van de uitvinding is, dat de binnenste vastzetbus kan worden gebruikt als een deel van de wikkeldoorn voor de ligger, waarbij de vezels of samengestelde banden volledig worden gewikkeld rond de 15 binnenbus en later worden weggesneden op het gewenste punt voor het vormen van een zuivere eindbegrenzing van de ligger. Deze techniek verbetert de wikkelbewerking en de winding van de binnenbus met de samengestelde ligger.

De bouten kunnen eveneens worden gebonden met de 20 delen die zij met elkaar verbinden, voor het verkrijgen van een verbinding met· geen enkele speling, waardoor de verplaatsing tussen bepaalde onderdelen minimaal wordt gemaakt.

De uitvinding zal nu nader worden beschreven aan de 25 hand van een uitvoeringsvorm, weergegeven in de tekening, __ waarin: fig. 1 een dwarsdoorsnede toont over de bladvastzet-inrichting volgens de onderhavige uitvinding, en fig. 2 een.gedeeltelijke doorsnede toont volgens de 30 lijn II-II van fig. 1.

Fig. 1 toont een bladligger 10, gevormd uit een . samengesteld materiaal, waar omheen een bladmantel 12 is gewikkeld. De voorkeurssamenstelling van de ligger en de mantel is een samenstelling uit epoxyhars en glasvezel, 35 hoewel ook andere filamenten en basismaterialen, evenals banden kunnen worden gebruikt. De wikkeling kan worden 7906875 i 5 Ί* uitgevoerd met behulp van bekende technieken die geen deel uitmaken van de onderhavige uitvinding. Het blad en de ligger kunnen elke grootte hebben, maar in het bijzonder wordt gedacht aan een groot blad voor een windturbine met 5 een rotordiameter boven 30 meter. Dergelijke bladen wegen meer dan 900 kg en wanneer zij zijn gemonteerd in een windturbine kunnen bijzonder hoge belastingen worden opgewekt op de mechanische bladvasthoud- en ondersteuningsconstruc-ties.

10 De meeste bladen van dit type zijn eveneens geschikt voor het instellen van de spoed ervan, waarbij het blad om zijn hartlijn wordt verdraaid, wat een extra bron van belastingen vormt. Verdere belastingen worden uitgeoefend door windvlagen,, die zeer verschillende snelheden en/of 15 richtingen kunnen hebben langs de hartlijn van het blad of op verschillende plaatsen tijdens het draaien ervan. Dientengevolge is de mechanische vastzetting van deze bladen een belangrijke faktor voor zowel wat betreft de veiligheid als de levensduur van het blad en voor de 20 constructie die de belasting op moet nemen. Door het gebruik van vezelgewikkelde samengestelde materialen voor het blad en de ligger ervan wordt het gewicht verkleind, maar er is zorg vereist bij de uitvoering van de geschikte mechanische vastzetinrichtingen, ten gevolge van de bij-25 zondere eigenschappen van samengestelde materialen.

Een bladvastzetinrichting, die vergrote krachts-doorvoeringsbanen levert, is weergegeven in de tekening en bestaat uit een binnenste metalen vastzetbus 14 en een buitenste metalen vastzetbus 16, bij voorkeur ver-30 vaardigd uit staal. De bussen lopen concentrisch met de hartlijn van het blad en een deel van elke bus strekt zich uit nabij en -is in aanraking met de bladligger 10, die opgenomen is tussen de bussen 14 en 16. De ligger 10 is vastgezet tussen de bussen 14 en 16 door middel van een 35 aantal afschuifbouten 18 en moeren 20, die zich uitstrekken door de omtrek van de ligger en gaan door openingen die 7906875

P

β ' geboord zijn in de bussen en de ligger. De bouten kunnen eveneens zijn verbonden met de ligger en de bussen zoals door het inbrengen van een kleine hoeveelheid van een geschikte epoxyhars in de boutopeningen voorafgaand aan 5 het inbrengen van de bouten 18. De bussen 14 en 16 zijn eveneens verbonden met de ligger 10, zoals hierna zal worden uiteengezet.

De bussen 14 en 19 strekken zich eveneens uit over een korte afstand buiten het binnenliggende einde van de 10 ligger 10, waarbij de buitenbus 16 is voorzien van een flensdeel 22, dat zich radiaal naar binnen toe uitstrekt en samenwerkt met het naar binnen toe lopende deel van de binnenbus 14 voor het vormen van een verbinding 24.

Het flensdeel 22 van de buitenbus ligt op korte afstand 15 van het binnenèinde van de ligger 10, waarbij een kleine ruimte 26 vrijblijft om elke direkte belasting tussen het einde van de ligger en het flensdeel 22 te vermijden.

In aanvulling op de serie bouten 18, die de binnenste en buitenste bussen 14 en 16 met elkaar verbinden via 20 de ligger 10, is een tweede serie afschuifbouten 38, vastgezet door moeren 40, aangebracht in openingen geboord door de bussen 14 en 16 op een punt iets binnen het einde van de ligger 10. De bouten 38 kunnen eveneens, gebonden zijn voor het verkrijgen van een grotere sterkte.

25 De bladvastzetinrichting, omvattende bussen 14 en 16, zal de bladligger 10 stevig vasthouden. Er. zijn middelen vereist voor het verbinden van de ligger en de ligger-vasthoudinrichting met de rotornaaf. Afhankelijk van een bepaalde constructie is het mogelijk de bladvastzetbus 30 direkt te verbinden met de rotornaaf. Bij veie toepassingen is het echter noodzakelijk een binnenste verbindingselement aan te brengen, zoals bijv. weergegeven, in fig. 1, waarbij een kegelvormig verbindingselement 32 bij het ene einde door middel van bouten is vastgezet met de bladvastzet-35 inrichting· en bij het andere einde met de naaf as 36.

Een aantal draadgaten 28 zijn axiaal aangebracht in 7906875 7 het flensdeel 22 van de buitenbus 16 en daarin zijn tapbouten 30 gemonteerd voor het vastzetten van het flenseinde van het kegelvormige blad-naafverbindingselement 32 aan de buitenbus 16. Eén of meer bouten 30 kunnen vervangen worden door de 5 pen 34, weergegeven in fig. 2, voor het verkrijgen van een minimale relatieve verplaatsing en zwenkbelastingen tussen de buitenbus 16 en het blad-naafverbindingselement 32.

De bouten 30 kunnen eveneens in de gaten 28 worden vastgezet door middel van een geschikte epoxyhars. De bouten 30 10 kunnen gemakkelijk worden verwijderd wanneer het gewenst is een rotorblad van de naaf te verwijderen. Het blad-naafverbindingselement 32 is door bekende middelen zoals bouten' vastgezet aan de naafas 36, die wordt ondersteund door niet weergegeven legers en die draaibaar om zijn as is gemonteerd 15 voor het verschaffen van een spoedverandering van de bladen.

De naaf is natuurlijk geschikt om op de wijze van bekende rotors of schroeven te draaien.

Zoals in het bijzonder blijkt uit fig. 1 heeft het binneneinde ofwel schachtdeel van de ligger 10 een diameter, 20 die iets kleiner is dan het direkt naastliggende buitenste deel van de ligger, zodat het binneneinde van de ligger iets conisch is en taps naar binnen toe loopt naar de naaf.

Deze constructie verschaft een positieve blokkering van de bladligger, daar centrifugaalkrachten zullen trachten de 25 ligger weg te trekken, waardoor eveneens een krachtscompo-nent optreedt, die radiaal inwerkt op de bussen 14 en 16, die op hun beurt de krachtscomponent zullen tegengaan en zullen zorgen voor een steviger afdichting geleverd door de binnenste en de buitenste bus, dat wil zeggen dat de 30 bussen werken als een wig voor het vasthouden van de ligger.

Zoals eerder gezegd kan de ligger 10 zijn verbonden met de binnenste en buitenste bevestigingsbussen 14 en 16. Volgens een voorkeurstechniek wordt gebruik gemaakt van de binnenste verbindingsbus 14 als deel van de doorn waarop 35 het vezelglas wordt gewikkeld bij het vormen van de ligger 10. Om te beginnen wordt het vezelmateriaal integraal ge- 7906875 ...8-.

t> wikkeld over de binnenste bevestigingsbus 14 en er wordt een epoxykleefmiddel aangebracht op het verbindings-oppervlak van de bus 14. De dikte van de vezels vereist tussen de binnen- en de buitenbus wordt bepaald door 5 tussenvoeging van een vezelvlies met de vezellagen. De eerste vlieslagen worden direkt aangebracht over het kleefmiddel op de binnenbus 14 en de eerste schroeflijnvormige vezellaag wordt gewikkeld over het vlies, waarna een volgende vlieslaag wordt aangebracht, een volgende 10 schroeflijnvormige vezellaag over het vlies wordt gewikkeld, enz., totdat de gewenste dikte is verkregen. Aanvullende vlieslagen kunnen worden gebruikt in het vastzetgebied van de ligger indien dit noodzakelijk is, maar de uiteindelijke laag wordt gewikkeld. In de praktijk wordt een 15 uitwendige af te pellen nylon laag gebruikt voor het beschermen van het liggeroppervlak tegen verontreiniging tijdens de erop volgende verbindingsbewerkingen met de verbindingsbus.

De gereedgemaakte ligger wordt bij kamertemperatuur 20 uitgehard gedurende 48 uren, zodat het materiaal in het ligger-vastzetgehied· bewerkt kan worden. Het uiteinde van de ligger wordt dan op de juiste plaats ten opzichte van de binnenbus afgesneden daar bij het wikkelproces de gehele binnenbus met glasvezel wordt bedekt. Het 25 ligger-bindingsvlak wordt dan bewerkt en epoxykleefmiddel wordt aangebracht op de met elkaar te verbinden oppervlakken van ligger en buitenbus. De bpitenbus wordt dan op de ligger geduwd tot de gewenste radiale plaats en vastgehouden totdat het kleefmiddel is uitgehard. De boutgaten in de 30 buitenbus worden bij voorkeur vooraf geboord en gebruikt, als bussen voor het boren en ruimen van de gaten in de ligger en de binnenbus. De bouten 38 worden dan aangebracht en de bouten 18 worden naderhand aangebracht wanneer de liggerdoorn is verwijderd. Natuurlijk kunnen ook andere 35 procedures worden toegepast.

Zoals aangegeven levert de bladvastzetinrichting 7906875 -- 9 * **r volgens de onderhavige uitvinding twee verschillende banen op voor de belastingen die worden opgewekt door het blad op de vastzetconstructie. Ten eerste lopen de afschuif-krachten vanaf de ligger naar de binnen- en de buitenbus 5 14 resp. 16 via de daartussen aanwezige verbindingen en de belasting op de binnenbus wordt verder overgebracht naar de buitenbus via de bouten 38 en dan op de ondersteu-ningsconstructie via bouten 30. Ten tweede leveren de bouten 18 een andere baan voor dezelfde belasting. Wanneer 10 dus de ene krachtsdoorvoeringsbaan zou bezwijken kan de andere baan op veilige wijze de belasting overbrengen, waardoor een zeer betrouwbare vastzetinrichting wordt verkregen.

Hoewel de ligger 10 en het schachtdeel daarvan bij 15 voorkeur cirkelvormig en hol zijn, kunnen ook andere constructies worden aangepast op de vastzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding. Hoewel de uitvinding is beschreven aan de hand van een voorkeursuitvoeringsvorm, zal duidelijk zijn dat vele wijzigingen kunnen worden 20 aangebracht zonder buiten de uitvindingsgedachte te vallen.

- conclusies - 7906875

Claims (7)

1. Vastzetinrichting voor een rotorblad/ welk blad een belastingsoverbrengende ligger heeft met een holle cilindrische binnenliggende schacht die er éën geheel mee vormt, met het kenmerk, dat de inrichting 5 bestaat uit: een eerste cilindrische metalen buselement geschikt om aan te liggen tegen de schacht tegen de binnenomtrek daarvan, welk eerste buselement zich iets uitstrekt tot buiten het einde van de schacht? een tweede cilindrische metalen buselement geschikt om aan te liggen tegen de 10 schacht over de buitenomtrek daarvan, welk tweede bus element zich uitstrekt tot iets buiten het einde van de schacht en is voorzien van een radiaal naar binnen toe stekend flensdeel dat aanligt tegen het uitstekende deel van het eerste buselement nabij het einde van de schacht? 15 middelen voor het verbinden van het eerste en het tweede buselement met de schacht langs de aanliggende oppervlakken daarvan? een eerste aantal bouten aangebracht rond de omtrek van de schacht waarbij elk der bouten zich radiaal uitstrekt door de buselementen en de schacht en de 20 schacht vastzet tussen de buselementen? en een tweede aantal bouten aangebracht op een punt iets buiten het einde van de schacht, waarbij elk van deze tweede bouten zich radiaal uitstrekt door het eerste en het tweede buselement _ en deze met elkaar verbindt.

2. Inrichting volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat een verbindingselement aanwezig is met een geflensd cirkelvormig einddeel en middelen aanwezig zijn omvattende een derde aantal bouten aangebracht rondom de omtrek van het verbindingselement en gaande door het 30 geflensde deel daarvan in het flensdeel van het tweede buselement axiaal in het vlak van de schacht, waardoor het verbindingselement is verbonden met het tweede buselement. 7906875 4

3. Inrichting volgens conclusie 2, m e t het kenmerk, dat ten minste één van het derde aantal bouten gevormd wordt door een pen met een perspassing.

4. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, 5 met het kenmerk, dat de rotorbladligger met inbegrip van de schacht is samengesteld uit een vezel-gewikkeld samengesteld materiaal.

5. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de schacht in axiale 10 richting conisch is waarbij het einde van de schacht een omtrek heeft die iets kleiner is dan het deel van de schacht direkt daarbuiten, waarbij de schacht taps loopt in een richting waardoor een deel van de belasting, geleverd door centrifugaalkrachten inwerkend op het blad, wordt 15 overgebracht op de buselementen in een dwarsrichting waardoor de schacht door wigwerking wordt vastgehouden tussen de buselementen.

6. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kènmerk, dat het eerste en het tweede 20 aantal bouten zijn vastgezet aan de betreffende onderdelen die zij met elkaar verbinden.

7. Inrichting als beschreven en/of weergegeven in de tekening. * 7906875