NO151432B - Festeanordning for rotorblad - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en festeanordning

for rotorblad, særlig et stort vindturbinrotorblad, hvor bladet omfatter en belastningsoverførende bjelke med et hult sylindrisk indre endeparti hvor festeanordningen omfatter en første sylindrisk, metallisk hylse som er utformet til å danne anlegg mot bjelkens indre endeparti rundt dettes utvendige omkrets, og som rager noe forbi nevnte endeparti, en andre sylindrisk, metallisk hylse utformet slik at den danner anlegg mot nevnte endeparti rundt dettes innvendige omkrets, hvorved den andre hylse rager noe forbi endepartiet, og den første og den andre hylse er festet til endepartiet langs dettes anleggsflater, idet den ene av hylsene har en radialt innadrettet flens ved endepartiet.

Forskjellige festeanordninger for rotorblad, f.eks. fly-propellere, er kjente og omfatter mekanismer såsom flenser, trykk-lagre, trykkringer, låseringer og delte krager. Disse anordninger krever en viss modifisering av bladskaftet, f.eks. utforming av spor eller opphøyninger. Videre er for mange anordningers vedkommende skaftdelen utformet i ett stykke med en bladstig-ningsregulerende mekanisme, og er strukturelt innrettet til å absorbere og overføre både sentrifugale og transversale belastninger fra bladene og stigningsendringsmekanismene.

Under utviklingen av store rotorblad, f.eks. for vind-drevete turbiner eller vindmøller, der rotorene ofte har en diameter på 30-60 m, krever bladene en spesiell fremstillingstek-nikk for reduksjon av vekt og kostnader. Videre påfører de store roterende blad store belastninger på festeanordningene, og for-bedringer i konstruksjonen av slike festeanordninger er ønskelig for å oppnå riktig belastningsfordeling.

Fra US-patentskrift 3.734.642 er det kjent en festeanordning som omfatter en indre og en ytre hylse som danner anlegg mot det mellomliggende blad. Imidlertid er festeanordningen ikke for et vindturbinblad, men for et helikopterrotorblad. Det anvendes ikke bolter. Hylsene er anordnet i forhold til bladet slik at under normale betingelser overføres all belastning fra bladet til navet gjennom heftforankringen mellom bladet og den utvendige hylse. Dersom nevnte forankring brytes utøves belastning på den utvendige hylse fra den innvendige hylse langs mot-stående hylseskuldre i aksial retning. Det er derved klart at i anordningen ifølge patentskriftet må hver av heftforankringene mellom bladet og en av hylsene være i stand til å oppta hele bladbelastningen. I et helikopterrotorblad kan dette være til-strekkelig, men i et stort vindturbinblad kan det være nødvendig å kunne fordele bladbelastningen mellom et antall organer. Med utførelsen ifølge US-patentskrift 3.734.642 er det ikke mulig med samtidig belastningsoverføring gjennom den indre og den ytre hylse og heftforankringene mellom disse. Ifølge patentskriftet holdes hylsene atskilt fra hverandre med en spalte inntil forbindelsen mellom den ytre hylse og bjelken svikter. Forbindelsen mellom bjelken og den indre hylse overfører derved normalt ikke belastning, og nevnte forbindelse, og den indre hylse, er anordnet utelukkende for å muliggjøre belastningsoverføring ved svikt i forbindelsen mellom bjelken og den ytre hylse.

En måte å redusere bladvekt og kostnad uten påvirkning

av den strukturelle styrke, omfatter anvendelse av kompositt-materialer for bladet. Et sammensatt blad av fiberarmert grunn-masse kan fremstilles i automatiske spolemaskiner, noe som redu-serer avhengigheten av skjøter for å bevare bladenes strukturelle integritet. Typiske fibermaterialer som kan benyttes er glassfiber, karbon, grafitt, "Kevlar" og bor i grunnmasser av epoksy eller polyester. Sammensatte bånd kan også benyttes. Med blader av denne type er bjelken, som også er fiberspolet, det vesent-ligste belastningsopptakende element. Anvendelsen av en fiber-spoleprosess tillater variasjoner av veggtykkelsen og fiberret-ningen for optimalisering av styrke og stivhet langs bladet,

noe som gir ypperlige skjæregenskaper og evne til å klare store belastninger.

De fleste kjente sammensatte blad har stålbjelker som gir konstruksjonsmessig støtte til bladet i hele dets lengde og som tillater anvendelse av standard bladfesteanordninger med blad-stigningsregulerende mekanismer utformet i ett stykke med blad-bjelkens skaft. For blad med fiberspolte bjelker er kjent teknikk for festing av bladet til navet ikke skikkelig på grunn av varia-sjonene i bjelkematerialet. For blad med bjelker av komposittmateriale har det vist seg å være ønskelig å skille bladstigningsreguleringsmekanismen fra bladet, hvorved bladstigningskreftene overføres fra reguleringsmekanismen i navet via blad-til-navinn-satser og videre til selve bladet. Således må bladfesteanordningen kunne holde fast bjelken samtidig som den må kunne over-føre bladstigningskrefter fra bladstigningsreguleringsmekanismen til bladet, og dessuten kunne oppnå disse resultater samtidig som høye belastninger fra de store blader absorberes.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe

en bladfesteanordning som muliggjør samtidig belastningsover-føring langs flere baner fra bladbjelken til rotornavet.

Festeanordningen ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved

at flensen er anordnet på den utvendige hylse og rager radialt innad og danner anlegg mot den indre hylses forlengelse, at en første serie boltorganer er anordnet rundt bjelkens omkrets, hvorved hvert boltorgan løper radialt gjennom hylsene og bjelkens endeparti til festing av endepartiet mellom hylsene, og at en andre serie boltorganer er anordnet ved et punkt litt forbi bjelkens endeparti, hvorved hvert av de andre boltorganer løper radialt gjennom og forankrer de første og de andre hylser til hverandre.

Bjelken er hensiktsmessig utformet av filamentviklet komposittmateriale .

En vesentlig fordel med oppfinnelsen er at den indre innsatshylse kan brukes som en del av spolehodet for bjelken, hvorved fibrene eller de sammensatte bånd er spolet helt rundt den indre hylse og senere skåret bort på ønsket sted, slik at det dannes en skarp grense for bjelke enden. Denne teknikk bedrer spolingen og festet av den indre hylse til den sammensatte bjelke.

Boltene kan også festes til de deler de sammenkopler for

å danne et feste uten toleranser, noe som minimaliserer innbyrdes bevegelse mellom komponentene.

Oppfinnelsen vil nedenfor bli nærmere beskrevet under hen-visning til den medfølgende tegning, hvori: Fig. 1 viser et snitt gjennom bladfesteanordningen ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 viser et snitt etter linjen 2-2 i fig. 1.

Fig. 1 viser en bladbjelke 10 av et sammensatt materiale, rundt hvilken det er spolet et bladhylster 12. Bjelkens og hyls-terets mest hensiktsmessige sammensetning er et fiberspolet glassfiber-epoksymateriale, selv om andre fibrer og grunnmasser samt bånd kan anvendes. Spolingen kan utføres på konvensjonell måte. Blad og bjelke kan ha hvilken som helst størrelse, men et stort vindturbinblad med rotordiameter på over 30 m er passende. Slike blad veier mer enn 900 kg og frembringer ved montering for rotasjon ekstremt høye belastninger på de mekaniske bladfesteanordninger. De fleste blad av denne type er også avpasset for forskjellige stigninger rundt bladakselen, noe som er en kilde til ytterligere belastning. Andre belastninger påføres av vind med forskjellig hastighet og retning langs bladakselen eller i forskjellige rotasjonsstillinger. således er den mekaniske låsing av disse blad en viktig faktor med hensyn til sikkerhet og leve-tid for bladet med tilhørende belastningsbærende konstruksjoner. Bruken av spolte, fiberinneholdende, sammensatte materialer i blad og bjelke, gir lavere vekt, men krever nøyaktighet for å kunne gi passende mekaniske festeanordninger på'grunn av sammensatte materialers unike egenskaper.

En bladfesteanordning som gir en mengde belastningsbaner vises i figurene og omfatter en indre metallisk innsatshylse 14 og en ytre metallisk innsatshylse 16, fortrinnsvis av stål. Hylsene er konsentriske med bladakselen, hvorved en del av hver hylse rager inntil og ligger an mot bladbjelken 10, slik at denne er inneklemt mellom hylsene. Bjelken 10 er festet mellom hylsene 14, 16 ved hjelp av en rekke sikringsbolter 18 og mutre 20, som er anordnet langs bjelkens omkrets og gjennom hull utformet i hylsene og bjelken. Boltene kan også festes til bjelken og hylsene f.eks. ved innføring av en mindre mengde av en egnet epoksy-harpiks i bolthullene før innføring av boltene 18. Hylsene 14,

16 festes også til bjelken 10 (se nedenfor).

Hylsene 14, 16 rager videre et kort stykke forbi bjelkens indre ende, hvorved den ytre hylse 16 danner en flens 22 som løper radialt innover og møter en indre forlengelse av den indre hylse 14 og danner en forbindelse 24. Flensen 22 har liten av-stand til bjelkens indre ende, hvorved et lite mellomrom 26 mellom disse hindrer direkte belastning mellom bjelkeende og flens 22. Foruten rekker av bolter som fester hylsene 14, 16

via bjelken 10, er en andre rekke sikringsbolter 38, som er festet med mutre 40, innført i hull i hylsene litt innenfor bjelke-

enden. Boltene 38 kan dessuten limes for øket festekraft.

Bladfesteanordningen med hylsene 14, 16 holder bladbjelken 10 sikkert på plass. For å feste bjelken og holderanordningen til rotornavet trengs ytterligere et organ. Avhengig av konstruksjon er det mulig å bolte fast bladfestehyIsen direkte på rotornavet. I mange utførelser er det imidlertid nødvendig å anordne en mellomliggende koplingsdel, f.eks. en konisk koplingsdel 32

i fig. 1, som i en ende er boltet fast til bladfesteanordningen og i andre ende til navskaftet 36.

Flere gjengete hull 28 er boret aksialt gjennom flensen

22 i den ytre hylse 16, og gjengete bolter 30 er montert i disse for å feste flensenden av den tilpassete koplingsdel 32 til den ytre hylse. Én eller flere bolter 30 kan erstattes med press-pasningsstaver for å minimalisere innbyrdes bevegelse og vrid-ningsbelastninger mellom den ytre hylse 16 og koplingsdelen 32. Boltene 30 kan også festes i hullene 28 ved hjelp av epoksyhar-piks. Boltene kan løsnes dersom rotorbladet ønskes løsnet fra navet, særlig dersom det ikke er benyttet harpiks.

Koplingsdelen 32 festes på kjent måte, f.eks. ved bolter, til navskaftet som bæres av lagre (ikke vist), og som kan mon-teres for rotasjon rundt dets akse for å gi stigningsendringer hos bladene. Navet er selvsagt utformet for rotasjon som en konvensjonell rotor eller propellar.

Som best vist i fig. 1, har bjelkens 10 indre ende eller skaftdel en diameter som er noe mindre enn den umiddelbart til-støtende ytre del av bjelken, idet den indre ende er noe konisk og smalner av innover mot navet. Denne konstruksjon gir en posi-tiv låsing av bjelken, idet sentrifugalkreftene som har tendens til å trekke bjelken ut av feste også oppviser en kraftkomponent som virker radialt mot hylsene 14, 16, som på sin side motvirker kraftkomponenten og strammer hylsenes feste, dvs. hylsene virker som en kile for låsing av bjelken.

Bjelken festes som sagt til innsatshylsene. Ifølge en fore-trukket festeteknikk benyttes den indre hylse 14 som en del av hodet der det spoles glassfiber til dannelse av bjelken 10. Inn-ledningsvis spoles fibermaterialet i ett stykke over den indre innsatshylse 14, og epoksybindemiddel påføres hylsens festeflate. Nødvendig fibertykkelse mellom hylsene oppnås ved å legge en fibervevnad mellom fiberlagene. De første vevnadslag anbringes direkte over bindemidlet på den indre hylse, og det første fiberspirallag spoles over vevnaden, hvoretter et nytt vevnadslag påføres, deretter et nytt fiberspirallag osv. til ønsket tyk-kelse er oppnådd. Ytterligere vevnadslag kan om nødvendig anvendes i bjelkens låseflate, men det siste lag er spolet. I prak-sis anvendes et ytre avtakbart nylonlag for å beskytte bjelke-flaten under påfølgende hylsefesteoperasjoner.

Den ferdige bjelke herdes ved romtemperatur i 48 timer

slik at materialet i bjelkelåseflaten kan bearbeides. Bjelke-enden avskjæres deretter på passende sted i forhold til den indre hylse, idet spolingsprosessen har dekket hele den indre hylse med glassfiber. Bjelkefesteflaten bearbeides deretter og epoksybindemiddel påføres bjelken og den ytre hylses festeflater. Den ytre hylse føres deretter på bjelken til ønsket radial stilling, og holdes der til bindemidlet er stivnet. Bolthullene i den ytre hylse er fortrinnsvis boret på forhånd, og brukes som bøssinger for boring og brosjing av hullene i bjelken og den indre hylse. Boltene 38 settes deretter på, og boltene 18 settes på senere etter fjerning av bjelkehodet. Andre fremgangsmåter kan også benyttes.

Bladfesteanordningen ifølge oppfinnelsen danner to bestemte baner for belastninger utøvet av bladet på festeanordningen.

For det første passerer skjærkreftene fra bjelken til den indre og den ytre hylse 14 og 16 via festene mellom disse, og belastningen til den indre hylse overføres videre til den ytre hylse via boltene 38, og deretter til støttekonstruksjonen via boltene 30. Dels danner boltene 18 en annen bane for samme belastning. Dersom således en belastningsbane bryter sammen, kan den andre på en sikker måte overføre belastningen, og en meget pålite-lig festeanordning oppnås.

Bjelken 10 og dens skaftdel er fortrinnsvis sirkelformete

og hule, men andre konstruksjoner kan tilpasses til festeanordningen ifølge oppfinnelsen.

Claims (6)

1. Festeanordning for rotorblad, særlig et stort vindturbinrotorblad, hvor bladet omfatter en belastningsoverførende bjelke (10) med et hult sylindrisk indre endeparti hvor festeanordningen omfatter en første sylindrisk, metallisk hylse (14) som er utformet til å danne anlegg mot bjelkens (10) indre endeparti rundt dettes utvendige omkrets, og som rager noe forbi nevnte endeparti, en andre sylindrisk, metallisk hylse (16) utformet slik at den danner anlegg mot nevnte endeparti rundt dettes innvendige omkrets, hvorved den andre hylse (14) rager noe forbi endepartiet, og den første og den andre hylse (14,16) er festet til endepartiet langs dettes anleggsflater, idet den ene av hylsene har en radialt innadrettet flens ved endepartiet, karakterisert ved at flensen (22) er anordnet på den utvendige hylse (16) og rager radialt innad og danner anlegg mot den indre hylses (14) forlengelse, at en første serie boltorganer (18) er anordnet rundt bjelkens (10) omkrets, hvorved hvert boltorgan løper radialt gjennom hylsene (16,14) og bjelkens endeparti til festing av endepartiet mellom hylsene, og at en andre serie boltorganer (38) er anordnet ved et punkt litt forbi bjelkens endeparti, hvorved hvert av de andre boltorganer løper radialt gjennom og forankrer de første og de andre hylser (16,14) til hverandre.

2. Festeanordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved en koplingsdel (32) med en flensformet sirkulær endedel og organer som omfatter en tredje serie boltorganer (30) anordnet langs koplingsdelens (32) periferi, idet disse løper aksialt gjennom den andre hylses (16) flens (22) i bjelkens plan, hvorved koplingsdelen (32) er forbundet med den andre hylse (16).

3. Festeanordning i samsvar med krav 2, karakterisert ved at minst ett av den tredje serie boltorganer (30) er en presspasningsstav.

4. Festeanordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at rotorbladbjelken (10) er utformet av filamentviklet komposittmateriale.

5. Festeanordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at bjelkens (10) endeparti er aksialt konus-formet, hvorved dets omkrets er noe mindre enn umiddelbart uten-for endepartiet, og hvorved endepartiet smalner av i en retning slik at en del av belastningen som utøves av sentrifugalkrefter som virker på bladet, overføres på hylsene (14,16) i en tverr-retning slik at endepartiet blir kilt fast mellom hylsene.

6. Festeanordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den første og den andre serie boltorganer (18,38) er festet til respektive konstruksjoner som er sammen-føyet ved hjelp av boltorganene.