CN105121840B - 风力涡轮机叶片到轮毂的固定 - Google Patents

风力涡轮机叶片到轮毂的固定 Download PDF

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Abstract

叶片根部(1)或叶片的内部结构(17)包括设置在层压片材(2,3,18,19)之间的用于接合到轮毂的接合装置，该接合装置由多个***件(4.1,4.2,4.3)组成，其被设计成接收与轮毂相关的固定元件，这有利于叶片与风力涡轮机轮毂的联接。所述接合装置包括压实、伸长和包封配置的纤维带(7)，该纤维带(7)抓持***件(4.1,4.2,4.3)，嵌在层压片材(2,3,18,19)之间的配置组件，其中纤维带(7)确保叶片和轮毂之间的应力的渐进式累进。

Description

风力涡轮机叶片到轮毂的固定
技术领域
本发明可被包括在风力涡轮机叶片(wind turbine blade)的技术领域中，更具体地涉及用于将叶片接合到涡轮机轮毂的接合手段。
描述了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括设置有孔的***件，所述孔被设计成接收将叶片连接到涡轮机轮毂的固定元件，其中提供了纤维带的额外加入，该纤维带以包封的方式抓持***件并且设置成被***叶片叠层中，从而建立所述***件的牢固和阻力固定，也有利于叶片和轮毂之间的应力的渐进传输。
背景技术
近年来，可再生能源发电市场已要求越来越大的风力涡轮机的开发以满足不断增长的需求。这种开发意味着技术问题的出现，所述技术问题来源于特别是内置在风力涡轮机叶片，主要是内置在需要接合到风力涡轮机轮毂的纤维增强塑料中的巨大结构。
然而，纤维增强塑料在高应力集中的条件下，诸如在将叶片根部接合到轮毂时出现的条件下效果并不佳，因为对于某些叶片尺寸，通常出现主要由于大量的叶片负载循环所致的疲劳问题。
风力涡轮机叶片通常是层压复合材料，其由通过树脂接合并且固化以加固叶片的若干层增强材料形成。为了确保将叶片中的每一个固定到轮毂，通常采取将在叶片制造期间引入的内部螺纹金属***件与轮毂的固定螺杆接合的解决方案，所述螺杆旋入叶片的这些***件中，从而建立轮毂与叶片的连接。
文献US 4915590是该类型的接合的一个示例，由于其示出内部嵌入叶片根部的若干***件，所述***件平行于叶片轴设置，其中每个***件包括设计成接收轮毂的螺杆的纵向螺纹孔，使得因此引入***件中的螺杆建立叶片和轮毂之间的固定。
文献US 7530168涉及一种风力涡轮机叶片的制造方法以及由此获得的叶片，详细说明了叶片根部包括设置有内部螺纹区段的多个***件或衬套，所述内部螺纹区段被设计成接收将叶片连接到轮毂的螺杆。在这种情况下，已提供***件具有两个节段，或者***件由两个接合部分形成，其中接合部分中的一个具有圆柱形管状配置并且一体化螺纹区段，并且另一个具有倒角管状配置，其具有逐渐减小的节段直到其远端。
该文献公开了形成叶片根部的过程，该过程包括以下阶段：提供具有被设计成容纳***件的间隔凹槽的保持件，将第一层纤维放置在保持件上，使***件位于所述凹槽中，并且然后在***件上提供附加的纤维层，以纤维加固阶段结束。
文献ES 2382439示出了上述***件类型，其中所述***件在叶片的圆弧上显示分开，并且也观察到位于***件之间的间隔元件，其中垫片通过一个外部叠层和另一个内部叠层与***件连接。
此外，现已知叶片和轮毂之间的其他接合方案，诸如文献D6:US 2009/0263250中所示的解决方案，其中可以观察到叶片根部具有设置在叶片的纵向轴的径向位置或横向位置的横向销，所述横向销具有平行于叶片的纵向轴的螺纹孔，其中螺栓是螺纹的，该螺栓也横贯轮毂的区段，从而通过联接在螺栓中的螺母建立轮毂和叶片之间的紧固。这些横向销的使用构成了纵向***件的另选解决方案，并且特别适合于叶片具有小的厚度的情况。
文献US 20070231146也提供了横向销的使用，其中相邻的横向销位于距根部边缘不同的距离处，因此有助于应力的更佳分配。
在另一方面，现已知***件的不同几何形状，诸如在文献US2012/0207607中所示的几何形状，其具有其中限定螺纹孔的近端和几乎平坦的楔形配置的伸长端，该伸长端有利于叶片根部的层压操作。
然而，上述轮毂和叶片之间的接合解决方案可以被最优化，因为在该类型的接合中，在叶片操作期间产生分离的应力，其导致影响叶片使用寿命的疲劳问题。
发明内容
本发明涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括层压构造元件(laminatedconstruction elements)，该层压构造元件由空气动力学部分、叶片和根部的内部结构或加强芯部以及用于将叶片接合到风力涡轮机轮毂的接合装置组成，所述接合装置包括设置有用于安装固定元件的内部孔的多个***件，固定元件建立叶片与风力涡轮机轮毂的可拆卸联接。不同于先前部分所述的解决方案，用于将叶片接合到轮毂的接合装置从根本上来说是突出的，因为它们另外包括纤维带，优选为无方向的，纤维带抓持***件并且在叶片层压期间被设置成***。
所包括的抓持在层压片材之间的***件的这些纤维带使分配至其的负载成为可能，***件受制于较大区域并且减少局部应力，其导致叶片生命周期的延长和制造较大叶片的可能性，以及有利于叶片层压的构造过程。
一般来说，***件包括抓持区段，该抓持区段构成被设计成由纤维带抓持的***件的区域。
纤维带具有伸长、压实和包封的配置，并且示出上节段、中间节段和下节段，其中下节段和上节段从所述带的后侧开始直到相对侧或前侧，其中存在具有通常弯曲配置的中间节段，其抓持***件的抓持区段，部分覆盖该区段。
纤维可以平行分配的方式或以扇状物和/或互补性互连的方式从***件的区域分配直到后侧。
这些纤维带与抓持所述纤维带的***件、在稍后的层压操作中将嵌入叶片中的配置组件结合。
本发明提出的纤维带与***件的整合有利于在叶片的正常操作期间出现在轮毂和叶片之间，更具体地出现在固定元件和***件之间的应力的平滑和渐进的传输，因此有助于叶片的更大稳定性。
一方面，本发明思考出用于将叶片接合到轮毂的第一解决方案，其中本发明的接合装置连接到叶片根部，特别是叶片根部的外部覆盖物。
另一方面，本发明思考出用于将叶片接合到轮毂的第二解决方案，其中本发明的接合装置连接到存在于叶片根部区域中的叶片的内部结构的端部。
根据这两重接合解决方案，针对叶片***件的配置和定位，以及针对将轮毂连接到叶片***件的固定元件的配置和定位，可思考出若干实施例。
在第一可能实施例中，***件平行于叶片的纵向轴设置，并且主体的孔是螺纹盲孔和纵向孔。抓持区段由限定在主体的侧面中的手柄形成，该手柄与螺纹孔的开口相对，并且固定元件由被设计成旋入螺纹孔中的螺纹螺杆组成。
在第二可能实施例中，如上所述，***件平行于叶片的纵向轴设置，并且主体的孔纵向于主体，该孔是螺纹盲孔。与前述实施例不同，抓持区段由在***件的主体的两侧上垂直延伸的不同侧向延伸部形成，该抓持区段被设计成由纤维带的纤维的各部分抓持，并且固定元件由被设计成旋入螺纹孔中的螺纹螺杆组成。
在第三可能实施例中，不同于先前的实施例，***件由不同主体限定，所述不同主体由横向于叶片的纵向轴设置的相对衬套组成，其中所述主体中的每一个具有纵向孔。抓持区段由所述主体的外部圆柱形表面形成，该抓持区段被设计成由纤维带抓持，并且固定元件由被设计成横贯两个主体的螺纹螺杆组成。
对于以上所述的用于将叶片接合到轮毂的两种解决方案中任一个，无论是对于将根部覆盖物接合到轮毂的情况还是对于将叶片的内部结构接合到轮毂的情况，当用***件定位纤维带时，纤维带不仅抓持***件，而且在通过根部接合的情况下，纤维带将在上节段和下节段之间另外抓持覆盖根部的主体的至少一个层压片材的端部，或在通过叶片的内部结构的其他接合的情况下，纤维带将在上节段和下节段之间抓持叶片的内部结构的至少一个层压片材的端部，使得在两种情况下，纤维带的上节段将定位在片材的外面上，并且下节段将位于所述片材的内部面上。
在前述段落中的可替换配置中，抓持***件的纤维带靠在片材的一面上，使得纤维带的上节段和下节段将在片材的相同侧上，在该情况下，并且为了将上节段与下节段分开，接合装置将另外包括中间块，纤维带的上节段和下节段相应的接触表面构成该块的上面和下面，因此有利于纤维带围绕***件的抓持区段的合适定位，以及确保纤维带的配置及其位置的稳定性。
中间块优选地为楔形形状，该中间块定位成使其最高侧接触或靠近***件的抓持区段，并且随插在纤维带的上节段和下节段之间的倾角减小而延伸。在这种情况下，其考虑了所述带的上节段的后侧和下节段的前侧从相同线开始的可能性。
另一方面，为了有利于***件和纤维带之间的侧向连续性，提供包括***块，所述***块将填充***件之间的间距并且也有助于横向负载的分配和传输。
附图说明
为了使所作出的说明完整并且为了帮助更好地理解本发明的特点，根据本发明的实际实施例的优选示例，所附的一组附图作为所述说明书的组成部分，其中以下附图以例示的方式和非限制性方式给出：
图1示出叶片根部的细节的透视图，***件位于该叶片根部中，并且根据***件的第一实施例配置，其中***件纵向间隔设置并且由在下片材和上层压片材之间的纤维带抓持。
图2示出前述图的由纤维带抓持的***件的实施例的视图。
图3示出仅前述图的***件的透视图。
图4示出接合***件的第二实施例的透视图。
图5示出表示***件的第二实施例的视图，其中纤维带抓持侧向抓持区段。
图6示出叶片根部的细节的透视图，根据第二实施例配置的***件位于该叶片根部中，其中也示出位于***件之间的***块。
图7示出前述图的放大细节。
图8示出与图1相似的视图，其中不像前者，***块已被并入***件之间。
图9示出叶片根部的细节的透视图，根据第三实施例配置的***件位于该叶片根部中，其中***件显示为相对于叶片的纵向轴横向设置。
图10示出与前述图类似的视图，其中为了更好地观察到抓持***件的纤维带，已部分地去除了上层压片材。
图11示出第三实施例的透视图，其中观察到抓持形成***件的衬套的纤维带，其中销被引入所述衬套。
图12示出根据横截面A-A的图11的详细视图。
图13示出透视图，其中观察到叶片的根部和叶片的内部结构或芯部，其中已包括***件的第三实施例，其中纤维带抓持叶片的内部结构的端部。
图14示出透视图，其中观察到叶片的根部和叶片的内部结构或芯部，其中已示出***件的第三实施例，其中纤维带在叶片的内部结构的不同片材之间。
具体实施方式
根据附图，描述本发明的风力涡轮机叶片的一系列优选实施例。
叶片包括空气动力部分、根部(1)以及叶片的内部结构(17)或加强芯部；该空气动力部分在图中未示出；该根部(1)在图1、图6至图10中可观察到，其适于联接到风力涡轮机轮毂(图中也未示出)；该叶片的内部结构(17)或加强芯部仅在图13和图14中示出。
根据本发明，在第一解决方案中，用于将叶片接合到轮毂的接合装置与根部(1)的外部覆盖物相联，并且在第二解决方案中，接合装置与叶片的内部结构(17)相联。
根部(1)包括外部覆盖物，该根部(1)也包括在图1、图6至图10中示出的层压片材(2,3)，在所述层压片材(2,3)之间存在接合装置。
例如，如图1和图14所示，本发明所提出的接合装置被设计成嵌在形成叶片的一部分的层压片材(2,3,18,19)之间，并且该接合装置包括多个***件(4.1,4.2,4.3)，其中所述***件(4.1,4.2,4.3)中的每一个包括设置有至少一个纵向孔(6.1,6.2,6.3)的至少一个伸长主体(5.1,5.2,5.3)，所述至少一个纵向孔(6.1,6.2,6.3)被设计成接收与轮毂相关的固定元件，这有利于叶片和风力涡轮机轮毂之间的联接。
不同于其他解决方案，例如，如图2、图5和图11所示，接合装置还包括压实、伸长和包封配置的纤维带(7)，所述纤维带(7)通过限定在***件(4.1,4.2,4.3)中的抓持区段(8.1,8.2,8.3)抓持***件(4.1,4.2,4.3)。
如图2、图5和图11所示，纤维带(7)由上节段(10)、下节段(11)以及接合节段(12)限定，所述接合节段(12)接合上节段(10)和下节段(11)，且通常是弯曲的，其中下节段(11)和上节段(10)从纤维带(7)的公共侧或后侧开始直到相对侧或前侧，其中存在接合节段(12)，其构成纤维带(7)的抓持***件(4.1,4.2,4.3)的抓持区段(8.1,8.2,8.3)的节段。
图2、图5和图11示出接合装置另外包括用于每个纤维带(7)的至少一个中间块(9)，该中间块(9)***在上节段(10)和下节段(11)之间的纤维带(7)内。在这种情况下，所述中间块(9)具有楔形形状。
在可选实施例中，接合装置不含所述中间块(9)，并且纤维带(7)在上节段(10)和下节段(11)之间直接抓持如在例如图13中出现的层压片材中的至少一个的端部，其中纤维带(7)在上节段(10)和下节段(11)之间抓持层压片材(19)，或在图10的情况下，纤维带在上节段(10)和下节段(11)之间抓持层压片材(2)。
如图6、图7和图8所示，叶片根部(1)也可包括位于***件(4.1,4.2,4.3)之间的中间块(13)，中间块(13)提供***件(4.1,4.2,4.3)和纤维带的连续性，并且有利于横向负载的传输。
在图中，已示出***件(4.1,4.2,4.3)的三个可选解决方案，其中***件(4.1,4.2,4.3)的特定配置适于有利于将轮毂连接到叶片根部(1)的固定元件的联接。
在图1至图3、图8的情况下，所示的***件(4.1)的第一实施例包括单个伸长主体(5.1)，其中孔(6.1)是盲螺纹孔，并且该***件(4.1)的抓持区段(8.1)由限定在主体(5.1)的侧面中的手柄组成，该手柄与螺纹孔(6.1)的开口相对。在这种情况下，固定元件是被设计成于旋入螺纹孔(6.1)中的螺杆(未示出)。在另一方面，图2示出了抓持该***件(4.1)的纤维带(7)随着宽度逐渐增加，以与中间块(9)相同的方式朝向其后侧延伸。
在图4至图7的情况下，所示的***件(4.2)的第二实施例包括单个伸长主体(5.2)，其中孔(6.2)是盲螺纹孔，并且抓持区段(8.2)由在主体(5.2)的两侧上垂直延伸的不同侧向延伸部组成。在这种情况下，固定元件也是被设计成旋入螺纹孔(6.2)中的螺杆(未示出)。对于该***件(4.2)，在图5中已示出纤维带(7)围绕中间块(9)延伸的可能性，该中间块(9)分成两个区段，每个抓持区段(8.2)一个，连接在纤维带(7)的后侧中的区段远离***件(4.2)。
在图9至图11的情况下，所示的***件(4.3)的第三实施例包括不同主体(5.3)，所述不同主体(5.3)由衬套组成并且它们的端部中的一个相对，该衬套被设置成横向于叶片根部的纵向轴，如附图所示，其中所述衬套中的每一个具有的孔(6.3)与其他衬套的孔相对，如图12所示，并且抓持区段(8.3)由所述主体(5.3)的圆柱形外表面形成。在这种情况下，固定元件由销(15)组成。
如图11中所示，中心开口(16)被限定在纤维带(7)和位于主体(5.3)之间的中间块(9)中，该中心开口被设计成，例如，包括轮毂的凸耳(未示出)，在所述中心开口中穿入主体(5.3)之间之后并且在横贯主体(5.3)和凸耳的开口的销(15)的稍后***之后，该轮毂的凸耳将连接到***件(8.3)。
图13和图14示出所观察到的叶片的内部结构(17)与叶片根部相一致，内部结构(17)，而非根部(1)的覆盖物，负责建立叶片与轮毂的连接。
同样地，所述附图示出纤维带(7)，该纤维带(7)抓持***件(4.3)并且在图13的情况下设置成抓持形成内部结构(17)的一部分的层压片材(19)，或者在图14的情况下，纤维带(7)位于层压片材(18,19)之间，从而抓持中间块(9)。
虽然图13和图14仅示出具有***件(4.3)的接合***，但任意先前所示的具有***件(4.1,4.2)的解决方案对于内部结构(17)是同等有效的。

Claims (12)

1.一种风力涡轮机叶片，其包括
-空气动力部分，
-根部(1)
-在所述叶片的内部的内部结构(17)，以及
-用于将所述叶片接合到涡轮机的轮毂的接合装置，所述接合装置被设计成保持嵌在形成所述叶片的一部分的层压片材(2,3,18,19)之间，其包括：
多个***件(4.1,4.2,4.3)，其中所述***件(4.1,4.2,4.3)中的每一个包括设置有至少一个纵向孔(6.1,6.2,6.3)的至少一个伸长主体(5.1,5.2,5.3)，所述至少一个与开口配合的纵向孔(6.1,6.2,6.3)被设计成接收与所述轮毂相关的固定元件，以助于所述叶片和所述风力涡轮机轮毂之间的联接，以及设置有抓持区段(8.1,8.2,8.3)；以及
压实、伸长和包封配置的纤维带(7)，所述纤维带(7)通过所述抓持区段(8.1,8.2,8.3)抓持所述***件(4.1,4.2,4.3)，配置组件嵌在层压片材(2,3,18,19)之间，所述配置组件中的每个由所述***件(4.1,4.2,4.3)和纤维带(7)形成，其中所述纤维带(7)包括上节段(10)、接合节段(12)和下节段(11)，其中所述下节段(11)和上节段(10)从所述纤维带(7)的后侧开始直到相对侧或前侧，其中存在所述接合节段(12)，其构成所述纤维带(7)的抓持所述***件(4.1,4.2,4.3)的所述抓持区段(8.1,8.2,8.3)的所述节段，
其特征在于所述纤维带(7)在所述上节段(10)和所述下节段(11)之间还抓持所述层压片材(2,19)中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述接合装置还包括至少一个中间块(9)，所述至少一个中间块(9)也由在所述上节段(10)和所述下节段(11)之间的每个纤维带(7)抓持。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中所述中间块(9)具有楔形形状的配置。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，还包括位于所述***件(4.1,4.2,4.3)之间的***块(13)，所述***块(13)提供所述***件(4.1,4.2,4.3)和所述纤维带(7)的连续性。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述***件(4.1,4.2,4.3)由相对于所述叶片根部(1)的纵向轴平行设置的第一***件(4.1)形成，其中所述伸长主体(5.1)是单个的，所述纵向孔(6.1)是盲螺纹孔，并且所述抓持区段(8.1)由限定在所述伸长主体(5.1)的侧面中的手柄形成，所述手柄与所述纵向孔(6.1)的开口相对。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其中所述固定元件是被设计成旋入所述纵向孔(6.1)中的螺杆。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述***件(4.1,4.2,4.3)由相对于所述叶片根部(1)的纵向轴平行设置的第二***件(4.2)形成，其中所述伸长主体(5.2)是单个的，所述纵向孔(6.2)是盲螺纹孔，并且所述抓持区段(8.2)由在所述伸长主体(5.2)的两侧上垂直延伸的不同侧向延伸部形成。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片，其中所述固定元件是被设计成旋入所述纵向孔(6.2)中的螺杆。
9.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述***件(4.1,4.2,4.3)由横向于所述叶片的纵向轴设置的第三***件(4.3)形成，所述第三***件(4.3)包括伸长主体(5.3)，所述伸长主体(5.3)由分开的具有圆柱形外表面的衬套形成并且它们的端部相对，其中所述纵向孔(6.3)是通孔，并且所述抓持区段(8.3)由所述圆柱形外表面形成。
10.根据权利要求1或9所述的风力涡轮机叶片，其中所述固定元件是被设计成***穿过所述伸长主体(5.3)的销(15)。
11.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述层压片材(2,3,18,19)是围绕所述叶片根部(1)的主体的层压片材(2,3)。
12.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述层压片材(2,3,18,19)是所述叶片的所述内部结构(17)的层压片材(18,19)。
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