TW202132685A - 用於風力渦輪機之風力渦輪機葉片的根部總成、風力渦輪機葉片及風力渦輪機 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於用於一風力渦輪機(1)之一風力渦輪機葉片(5)的一根部總成(20)。本發明進一步關於包括該根部總成(20)之一風力渦輪機葉片(5)及包括該風力渦輪機葉片(5)之一風力渦輪機(1)。

Description

用於風力渦輪機之風力渦輪機葉片的根部總成、風力渦輪機葉片及風力渦輪機
本發明係關於用於風力渦輪機之風力渦輪機葉片的根部總成、風力渦輪機葉片及風力渦輪機。
根部總成包括連接至風力渦輪機之軸承或輪轂凸緣之風力渦輪機葉片之根部。概言之，軸承或輪轂凸緣係藉由緊固於固定配置在根部中之襯套(見圖2)或螺紋嵌件(見圖4)內之多個螺栓連接至根部。此處之襯套或螺紋嵌件係沿一共同週邊配置。
但尤其是在大型風力渦輪機中，根部總成須可抗極高負載。因此，在根部總成中需設有大量的螺栓及襯套或螺紋嵌件，但在根部共同週邊上的襯套或螺紋嵌件可用空間有限。故已知根部總成設有多螺栓之交錯構造(見圖5)。
但本發明人藉由剪應變分析發現具螺栓交錯構造之根部在根部的根段之間的根段介面處易損(見圖6)。此係因根部並非一整體部，而係由連接在一起以形成根部之不同根段組成。例如在風力渦輪機葉片之蝴蝶型設計中，根部一般係由兩根段組成。在風力渦輪機葉片之整合設計中，根部一般係由連結在一起之多個根段組成。
以下將參考各圖式解釋此根部總成的構造與問題及以上的參考圖式與進一步的圖式。
已知依請求項1之前言及易具前述損壞之根部總成係出自DK178388B1。
本發明之一目的在於提供經改良根部總成、風力渦輪機葉片及風力渦輪機，其等不具有前述缺點，尤其是使用壽命長。
此目的係藉由申請專利範圍之主題解決，尤其是，本目的係藉由依請求項1之根部總成、依請求項14之風力渦輪機葉片及依請求項15之風力渦輪機解決。自其他請求項及描述與圖式揭露本發明的進一步細節。藉此使得關於本發明之根部總成所述特徵與細節，亦適用於關於本發明之風力渦輪機葉片及本發明之風力渦輪機，使得就本發明之個別態樣之揭示而言，係或可彼此參考。
依本發明之第一態樣，本目的係藉由用於一風力渦輪機之風力渦輪機葉片的根部總成解決，藉此(a)該根部總成之一根部包括至少兩個根段，其等在該至少兩個根段之間形成的根段介面處接合在一起，(b)該根部之一根附接面係藉由多個螺栓附接至該根部總成之一軸承或一輪轂凸緣，(c)該多個螺栓之每一螺栓係連接至固定配置於該等根段內之多個螺栓連接手段之一者，使得該多個螺栓沿著該根部之一週邊配置成彼此相鄰且該等螺栓連接手段沿著該根部之該週邊配置成彼此相鄰，及(d)相鄰之螺栓連接手段彼此偏移，使得其等設置在與該根附接面不同距離處，藉此在一介面對之螺栓連接手段之至少一者中，其中該至少一介面對之該等螺栓連接手段設置在該至少兩個根段之不同根段內且配置成最接近該等不同根段之間之該根段介面，該至少一介面對之該兩個螺栓連接手段設置在與該根附接面相同距離處。
藉此可移除或至少減少介面對之螺栓連接手段間根段介面處的剪應力，且因而獲得改良之根部總成具有長使用壽命，尤其是不具前述缺點。
特別言之，螺栓外週邊可具螺紋。藉由這些外螺紋，可與螺栓附接手段的內螺紋互鎖。特別言之，多個螺栓可彼此平行配置。
根段可特別係圓狀，亦即經圓化且此外特別具有部分圓形或橢圓形。換言之，根段可形成弧或具弧狀。不同根段可具相同或不同弧長。藉此，可具有風力渦輪機葉片之圓柱狀根部。根部剖面可具圓形或橢圓形。
根段可為強化塊(諸如預固化之疊層塊)，其等在殼製造期間被放置於風力渦輪機葉片之殼疊層上或內，或可僅係由與殼的其餘部分一同放置與固化的額外層建構的殼之強化區域。
根段可由纖維合成材料製成，尤其是纖維合成疊層。纖維合成材料可具例如玻璃纖維及/或碳纖維。
至少一介面對之兩螺栓連接手段設置在與根附接面相同距離處，這意味著可自介面對之螺栓連接手段之一者至介面對之螺栓連接手段之另一者繪出與根附接面平行的一條線。這意味著自根附接面之介面對之螺栓連接手段之一者之最遠距離點可由自根附接面之介面對之螺栓連接手段之另一者之最近距離點的該平行線連接。藉此，依本發明，只要平行線連接兩螺栓連接手段，則螺栓連接手段在與根附接面等距處。
較佳者係該等螺栓連接手段係襯套及/或螺紋嵌件。螺栓可被打入至襯套及/或螺紋嵌件中且藉此尤其易於與其等連接。
進一步較佳者係多個螺栓藉由螺帽固定抵在該軸承或該輪轂凸緣上。此係尤其簡易緊固軸承或輪轂凸緣至根部的方式。
此外，較佳者係至少一介面對之該等螺栓連接手段之中央設置在與該根附接面相同距離處。藉此，可有效避免在根段介面處發生剪應力。
進一步較佳者係連接至該介面對之該等螺栓連接手段之該等螺栓之間之距離(尤其是最短週邊距離)大於連接至該至少兩個根段內之該等螺栓連接手段之相鄰螺栓之間之距離(尤其是最短週邊距離)。此可避免來自根附接面相同距離處的螺栓連接手段間的縱向應力過度集中，且提供置放根段介面與相關製造容限的額外空間。
或者或此外，較佳者係該介面對之該等螺栓連接手段之間之週邊距離(尤其是最短週邊距離)大於該至少兩個根段內之螺栓連接手段之間之週邊距離(尤其是最短週邊距離)。週邊距離係沿根部週邊測量而非測量螺栓連接手段間的直線距離。藉此，螺栓連接手段間的週邊距離獨立於自根附接面的距離。亦即為了測量兩個螺栓連接手段間的週邊距離，自兩個螺栓連接之每一者至根附接面畫出假想線，使得其等彼此平行。週邊距離係沿根部週邊與彼此平行之兩假想線間測量。
此外，較佳者係該至少一介面對包括在該等不同根段之每一根段內之兩個螺栓連接手段，該兩個螺栓連接手段配置成最接近該等不同根段之間之該根段介面，其中該至少一介面對之該四個螺栓連接手段設置在與該根附接面相同距離處。藉此，可極有效率地避免在根段介面處發生剪應力。
亦較佳者係相鄰螺栓在該等個別根段內彼此偏移，其中其等於該等根段內設有不同長度，藉此在一介面對之螺栓之至少一螺栓中，其中該至少一介面對之該等螺栓設置於該至少兩個根段之不同根段內且配置成最接近該等不同根段之間之該根段介面，該至少一介面對之該兩個螺栓設有相同長度。
進一步較佳者係該多個螺栓具有一第一長度或一第二長度，其中該第二長度大於該第一長度，其中該多個螺栓中具有該第一長度之螺栓與該多個螺栓中具有該第二長度之螺栓交替連接至該等相鄰偏移之螺栓連接手段。藉由多個螺栓具有兩種長度，可簡化且以低成本設置根部總成的總成。
此外，較佳者係該至少一介面對之該等螺栓連接手段與具有該第一長度之該等螺栓或具有該第二長度之該等螺栓連接。
進一步較佳者係該至少一介面對之該等螺栓連接手段與具有一第三長度之螺栓連接，其中該第三長度不同於該第一長度與該第二長度。藉此可進一步簡化根部總成之總成，因為易由藉由長度區隔待用於根段介面處之螺栓與其他螺栓。
此外，較佳者係第三長度介於該第一長度與該第二長度之間。藉此可進一步改善根部中的剪應力分布。
再者，螺栓之至少一者具有一擴展器。該擴展器配置於螺帽與軸承或輪轂凸緣間的螺栓上。藉此將螺帽緊固抵於擴展器而非直接抵於軸承或輪轂凸緣。根據所用的擴展器長度，可調整根段內的螺栓長度。藉此，多個螺栓均可設有相同長度，以提供特別具成本效益的零件且仍可以例如交錯方式配置。
依本發明之第二態樣，本目的係藉由一種包括依本發明之第一態樣之根部總成之風力渦輪機葉片來解決。
依本發明之第三態樣，本目的係藉由一種包括至少一個依本發明之第二態樣之風力渦輪機葉片之風力渦輪機來解決。
風力渦輪機可係例如直接驅動風力渦輪機或齒輪式風力渦輪機。此外，該至少一個風力渦輪機葉片可安裝在風力渦輪機之變槳軸承(pitch bearing)之外環或變槳軸承之內環上。
圖1至13之相同物件均以相同參考編號標示。若圖式之一中有不只一個同類物件，則該物件按升序編號，其中物件之升序號以一點與其參考編號分隔。圖式中特徵與零件之特定尺寸係示例性，可能會放大以方便參考。
圖1顯示依本發明之一實施例之風力渦輪機1。該風力渦輪機1包括一轉子2，其具有連接至一輪轂3之三個風力渦輪機葉片5.1、5.2、5.3。但風力渦輪機葉片10的數量可為至少一個風力渦輪機葉片5、兩個風力渦輪機葉片5或三個以上風力渦輪機葉片5，且可視需要選擇用於風力渦輪機1的特定設定。
輪轂3連接至配置於機艙4內之發電機(未顯示)。在風力渦輪機1操作期間，風力渦輪機葉片5係由風力驅動而轉動，且藉由機艙4中的發電機將風的動能轉換為電能。
機艙4配置於風力渦輪機1之塔架8之上端。塔架8豎立於基座9上，諸如單樁或三樁。基座9連接至及/或被打入至地面或海床中。
風力渦輪機葉片5.1、5.2、5.3之每一者具有一根部6.1、6.2。這些根部6.1、6.2藉由軸承7.1、7.2或輪轂凸緣7.1、7.2連接至輪轂3。在此特定觀看下，風力渦輪機葉片5.3之軸承7或輪轂凸緣7的根部6被輪轂3所覆蓋。
圖2顯示依現有技術之第一實施例之風力渦輪機葉片5之根部6之一部分上的側面透視圖。多個螺栓連接手段11沿著根部6週邊配置於其內。螺栓10附接至螺栓連接手段11。螺栓10可附接至輪轂凸緣7或軸承7，示如圖1。
圖3顯示具有螺栓連接手段11的螺栓10及螺帽12的側面透視圖。在此案例中的螺栓連接手段11係襯套且具圓柱形。其可置於螺栓連接手段11內的對應孔穴中，如由圖2可見。當藉由襯套11將螺栓10緊固於根部6內且輪轂凸緣7或軸承7附接該處時，可藉由螺帽12緊固該等螺栓10。
圖4顯示依現有技術之第二實施例之風力渦輪機葉片5之根部6之一部分上的側面透視圖。此處並非以襯套11作為螺栓連接手段，而係利用螺紋嵌件13連接螺栓10至該處。
圖5顯示依現有技術之一實施例之根部總成20之一部分的剖面圖。根部總成20的兩個根段61.1、61.2在根段介面62處彼此連接。根段61.1、61.2可例如膠合或鑄結在一起。第一根段61.1與第二根段61.2之每一者包括多個交錯螺栓連接手段11，使得螺栓連接手段11交替位於自根附接表面64的第一距離L1 與第二距離L2 處。在此案例中，距離L1 、L2 係測自螺栓連接手段11的中央至根附接面64。藉此，多個螺栓10.1…10.16交錯，使得螺栓10.1…10.16交替具有第一距離L1 與第二距離L2 。螺栓10.1…10.16的每一者藉由螺帽12緊固於根段61.1、61.2內，藉此緊固軸承7或輪轂凸緣7至根段61.1、61.2。
在一介面對之螺栓連接手段11.1、11.9設置在不同根段61.1、61.2內且配置成最接近該根段介面62，該介面對之螺栓連接手段11.1設置在與該根附接面64相距距離L2 處且介面對之螺栓連接手段11.9設置在自該根附接面64相距距離L1 處。距離L1 小於距離L2 。
圖6顯示圖5之根部總成20之一部分之一剪應力輪廓表示上的側面透視圖。此表示顯示在風力渦輪機1操作期間，當力作用在風力渦輪機葉片5上時，作用於根部總成20之部分上的剪應力。
在此視圖中，未顯示螺栓連接手段11。替代螺栓連接手段11，可見到用於螺栓連接手段11之孔穴63.1、63.2、63.9、63.10。螺栓連接手段11定位於孔穴13內且力自螺栓經螺栓連接手段11傳送到根段61.1、61.2。可見到剪應力施加在根段介面62處。這是有問題的，因為根部不是整體製造的，而是由根段61.1、61.2在根段介面62處接合。故根部總成20在根段介面62處特別易受損。
圖7顯示依本發明之第一實施例之根部總成20之一部分的剖面圖。對比於如圖5與6所示之依現有技術之實施例之根部總成20，介面對之螺栓連接手段11.1、11.5，其中螺栓連接手段11.1、11.5設於不同根段61.1、61.3內且配置最接近根段介面62，介面對之兩個螺栓連接手段11.1、11.5設於自根附接面64相同距離L處。此外，在根段介面62處之螺栓10.1、10.5具相同長度L。
圖8顯示圖7之根部總成20之一部分之一剪應力輪廓表示上的側面透視圖。自圖8可見，在圖5之根部總成中的根段介面62處發生的剪應力已藉由設置螺栓連接手段11.1、11.5於自孔穴63.1、63.5內之根附接面64相同距離L處而消除。
圖9顯示依本發明之第二實施例之根部總成20之一部分的剖面圖。在此第二實施例中，在根段介面62處之介面對之螺栓連接手段11係設在自根附接面64相同距離L1 、L2 處。但距離係自螺栓連接手段11的任何點測量。如此一來，距離係在螺栓連接手段11.2的底部處與螺栓連接手段11.1的中央處測量。
圖10顯示依本發明之第三實施例之根部總成20之一部分的剖面圖。依第三實施例，該至少一介面對包括在不同根段61.1、61.2之每一者內之兩個螺栓連接手段11.1、11.2、11.3、11.4，該兩個螺栓連接手段11.1、11.2、11.3、11.4配置成最接近不同根段61.1、61.2間之根段介面62，其中該至少一介面對之該四個螺栓連接手段11.1、11.2、11.3、11.4設置於自根附接面64相同距離L處。
圖11顯示依本發明之第四實施例之根部總成20之一部分的剖面圖。依第四實施例，在根段介面62處之介面對之螺栓連接手段11.1、11.2係在自根附接面64第三距離L3 處，該第三距離L3 係在第一距離L1 與第二距離L2 間。
圖12顯示依本發明之第五實施例之根部總成20之一部分的剖面圖。依第五實施例，在根段介面62處之兩個螺栓10.1、10.2具有擴展器14.1、14.2。藉此，具有螺栓10之兩個長度之較大長度之螺栓10可用於根段介面62處。
圖13顯示依本發明之第五實施例之根部總成20之一部分的剖面圖。在第一根段介面62.1處，介面對之螺栓連接手段11.1、11.2係設在自根附接面64第一距離L1 處，且在第二根段介面62.2處，介面對之螺栓連接手段11.3、11.4係設在自根附接面64第二距離L2 處。故無需在自根附接面64相同距離L處設置每一介面對之螺栓連接手段11。此外，無需在根段介面62處讓所有螺栓具有相同長度L，僅需在根段介面62處使該等成對之螺栓10等長。
1:風力渦輪機 2:轉子 3:輪轂 4:機艙 5:風力渦輪機葉片 5.1:風力渦輪機葉片 5.2:風力渦輪機葉片 5.3:風力渦輪機葉片 6:根部 6.1:根部 6.2:根部 7:軸承/輪轂凸緣 7.1:軸承/輪轂凸緣 7.2:軸承/輪轂凸緣 8:塔架 9:基座 10:螺栓 10.1~10.16:螺栓 11:螺栓連接手段 11.1~11.9:螺栓連接手段 12:螺帽 13:螺紋嵌件 14.1:擴展器 14.2:擴展器 20:根部總成 61.1:根段 61.2:根段 61.3:根段 62:根段介面 63.1~63.10:孔穴 64:根附接面 L:長度 L1 :第一距離 L2 :第二距離 L3 :第三距離
自下列描述揭示本發明之進一步優點、特徵及細節，其中藉由參考本發明之圖式1至13實施例詳述之。藉此，申請專利範圍之特徵及說明書中所述特徵係本發明必不可少的，可單獨使用或任意組合使用。在圖式中，概略顯示如下： 圖1係風力渦輪機上的側面透視圖； 圖2係依現有技術之第一實施例之風力渦輪機葉片之根部之一部分上的側面透視圖； 圖3係具有螺栓連接手段的螺栓及螺帽的側面透視圖； 圖4係依現有技術之第二實施例之風力渦輪機葉片之根部之一部分上的側面透視圖； 圖5係依現有技術之一實施例之根部總成之一部分的剖面圖； 圖6係圖5之根部總成之一部分之一剪應力輪廓表示上的側面透視圖； 圖7係依本發明之第一實施例之根部總成之一部分的剖面圖； 圖8係圖7之根部總成之一部分之一剪應力輪廓表示上的側面透視圖； 圖9係依本發明之第二實施例之根部總成之一部分的剖面圖； 圖10係依本發明之第三實施例之根部總成之一部分的剖面圖； 圖11係依本發明之第四實施例之根部總成之一部分的剖面圖； 圖12係依本發明之第五實施例之根部總成之一部分的剖面圖； 圖13係依本發明之第六實施例之根部總成之一部分的剖面圖。
6:根部
7:軸承/輪轂凸緣
10.1~10.8:螺栓
11.1~11.8:螺栓連接手段
12:螺帽
20:根部總成
61.1:根段
61.2:根段
62:根段介面
64:根附接面
L:長度
L1:第一距離
L2:第二距離

Claims (15)

  1. 一種用於一風力渦輪機(1)之一風力渦輪機葉片(5)的根部總成(20)，藉此 (a)該根部總成(20)之一根部(6)包括至少兩個根段(61)，其等在該至少兩個根段(61)之間形成的根段介面(62)處接合在一起， (b)該根部(6)之一根附接面(64)藉由多個螺栓(10)附接至該根部總成(20)之一軸承(7)或一輪轂凸緣(7)， (c)該多個螺栓(10)之每一螺栓連接至固定配置於該等根段(61)內之多個螺栓連接手段(11、13)之一者，使得該多個螺栓(10)沿著該根部(6)之一週邊配置成彼此相鄰且該等螺栓連接手段(11、13)沿著該根部(6)之該週邊配置成彼此相鄰，及 (d)相鄰之螺栓連接手段(11、13)彼此偏移，使得其等設置在與該根附接面(64)不同距離(L)處， 其特徵在於在一介面對之螺栓連接手段(11、13)之至少一者中，其中該至少一介面對之該等螺栓連接手段(11、13)設置在該至少兩個根段(61)之不同根段(61)內且配置成最接近該等不同根段(61)之間之該根段介面(62)，該至少一介面對之該兩個螺栓連接手段(11、13)設置在與該根附接面(64)相同距離(L)處。
  2. 如請求項1之根部總成，其中該等螺栓連接手段(11、13)係襯套(11)及/或螺紋嵌件(13)。
  3. 如請求項1或2之根部總成，其中該多個螺栓(10)藉由螺帽(12)固定抵在該軸承(7)或該輪轂凸緣(7)上。
  4. 如請求項1至3中任一項之根部總成，其中該至少一介面對之該等螺栓連接手段(11、13)之中央設置在與該根附接面(64)相同距離(L)處。
  5. 如請求項1至4中任一項之根部總成，其中連接至該介面對之該等螺栓連接手段(11、13)之該等螺栓(10)之間之距離大於連接至該至少兩個根段(61)內之該等螺栓連接手段(11、13)之相鄰螺栓(10)之間之距離。
  6. 如請求項1至5中任一項之根部總成，其中該介面對之該等螺栓連接手段(11、13)之間之週邊距離大於該至少兩個根段(61)內之螺栓連接手段(11、13)之間之週邊距離。
  7. 如請求項1至6中任一項之根部總成，其中該至少一介面對包括在該等不同根段(61)之每一根段內之兩個螺栓連接手段(11、13)，該兩個螺栓連接手段(11、13)配置成最接近該等不同根段(61)之間之該根段介面(62)，其中該至少一介面對之該四個螺栓連接手段(11、13) 設置在與該根附接面(64)相同距離(L)處。
  8. 如請求項1至7中任一項之根部總成，其中相鄰螺栓(10)在該等個別根段(61)內彼此偏移，其中其等於該等根段(61)內設有不同長度(L)，藉此在一介面對之螺栓(10)之至少一螺栓中，其中該至少一介面對之該等螺栓(10)設置於該至少兩個根段(61)之不同根段(61)內且配置成最接近該等不同根段(61)之間之該根段介面(62)，該至少一介面對之該兩個螺栓(10)設有相同長度(L)。
  9. 如請求項1至8中任一項之根部總成，其中該多個螺栓(10)具有一第一長度或一第二長度，其中該第二長度大於該第一長度，其中該多個螺栓 (10)中具有該第一長度之螺栓(10)與該多個螺栓 (10)中具有該第二長度之螺栓(10)交替連接至該等相鄰偏移之螺栓連接手段(11、13)。
  10. 如請求項9之根部總成，其中該至少一介面對之該等螺栓連接手段(11、13)與具有該第一長度之該等螺栓(10)或具有該第二長度之該等螺栓(10)連接。
  11. 如請求項9之根部總成，其中該至少一介面對之該等螺栓連接手段(11、13)與具有一第三長度之螺栓(10)連接，其中該第三長度不同於該第一長度與該第二長度。
  12. 如請求項11之根部總成，其中該第三長度介於該第一長度與該第二長度之間。
  13. 如請求項1至12中任一項之根部總成，其中該等螺栓(10)之至少一螺栓具有一擴展器(14)。
  14. 一種風力渦輪機葉片(5)，其包括如請求項1至13中任一項之根部總成(20)。
  15. 一種風力渦輪機(1)，其包括至少一個如請求項14之風力渦輪機葉片(5)。
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