用于转子叶片段的螺栓接合 |
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| 申请号 | CN201710153570.8 | 申请日 | 2017-03-15 | 公开(公告)号 | CN107191323A | 公开(公告)日 | 2017-09-22 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | P.B.埃内沃尔德森; S.F.波尔森; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于 转子 叶片 段的 螺栓 接合。本发明涉及一种 风 力 涡轮 机（10）的 转子叶片 （20），其中，转子叶片（20）包括第一转子叶 片段 （31）和第二转子叶片段（33）。第一转子叶片段（31）借助于至少一个螺栓接合装置（30）与第二转子叶片段（33）连接。螺栓接合装置（30）包括附接到第一转子叶片段（31）的第一附接单元（33）和附接到第二转子叶片段（33）的第二附接单元（34）。最后，螺栓接合装置（30）包括将第一附接单元（33）与第二附接单元（34）连接的 螺纹 紧 固件 （35）。此外，本发明还涉及一种包括至少一个这样的转子叶片（20）的 风力 涡轮机 （10）。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种风力涡轮机（10）的转子叶片（20）， |
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| 说明书全文 | 用于转子叶片段的螺栓接合技术领域[0001] 本发明涉及一种风力涡轮机的转子叶片，其包括第一转子叶片段和第二转子叶片段，其中，这两段借助于至少一个螺栓接合装置（bolted joint）来彼此连接。此外，本发明还涉及一种包括至少一个这样的转子叶片的风力涡轮机。 背景技术[0002] 随着风力涡轮机叶片的尺寸不断增加，风力涡轮机叶片的制造、运输和安装变得越来越具有挑战性。因此，存在关于风力涡轮机的分段式转子叶片的深入的研究和开发活动。分段式转子叶片的特征在于，它包括至少两个转子叶片段，这些转子叶片段在风力涡轮机操作之前通过接合装置来彼此连接。 [0003] 这样的分段式转子叶片的一个示例在国际专利申请WO 2006/056584 A1中给出。其中，公开了一种具有用于连接两个转子叶片段的连接件的分段式转子叶片。两个转子叶片段通过螺栓接合装置与连接件连接。 [0004] 在国际专利申请WO 2007/131937 A1中给出了分段式转子叶片的另一个示例。其中，两个转子叶片段也通过多个螺栓接合装置彼此直接连接。 [0005] 在国际专利申请WO 2013/083451 A1中给出了分段式转子叶片的第三个示例。这里同样，两个转子叶片段借助于多个螺栓接合装置彼此直接连接。 [0006] 此外，还提到了还存在粘结连接两个转子叶片段的方法。换言之，在该方法中，螺栓连接被粘结连接替代。 [0007] 两个转子叶片段之间的粘结接合存在若干缺点，但是，这不应在本专利申请中论述。 [0008] 在现有技术中螺栓接合还存在一些缺点。一个重要的缺点是需要在螺栓接合装置周围的区域中增厚叶片壳体。这意味着增厚叶片壳体的层压材料，以便容纳螺栓的至少一部分。此外，在T形螺栓的情况下，需要打开层压件，这意味着使这些区域处的层压件变弱。因此，用于连接风力涡轮机的两段转子叶片的T形螺栓解决方案意味着在相当大的延伸部上进一步增厚叶片壳体。这是昂贵的，并且增加了转子叶片的重量。 [0009] 因此，将期望有一种关于如何提供如下螺栓接合的构思，即：该螺栓接合将两个转子叶片段彼此连接，并且克服了现有螺栓接合的上述缺点。 发明内容[0011] 根据本发明，提供了一种风力涡轮机的转子叶片，其包括第一转子叶片段和第二转子叶片段。第一转子叶片段借助于至少一个螺栓接合装置与第二转子叶片段连接。该螺栓接合装置包括附接到第一转子叶片段的第一附接单元和附接到第二转子叶片段的第二附接单元。该螺栓接合装置包括将第一附接单元与第二附接单元连接的螺纹紧固件。 [0012] 因此，本发明的一个关键方面在于转子叶片由至少四个单独的部件组成，即：第一转子叶片段、第一附接单元、第二转子叶片段以及第二附接单元。附接单元被附接到转子叶片段并且与之连接。然而，转子叶片段及其相关联的附接单元不制造为一个单件，而是制造成多个单独的部件。与利用螺栓接合的分段式转子叶片的现有技术的构思不同，所述转子叶片段可以被制造和构造成与由一个单件制成的标准转子叶片相比没有显著的差异。这意味着叶片壳体不需要在与转子叶片段的接合处相邻的区域中增厚。这具有如下优点，即：不再需要在与接合处相邻的区域中增厚层压件的特定工作以及在该区域中的转子叶片的附加重量。因此，简化了制造过程，并且降低了转子叶片的成本和重量。 [0013] 如本专利申请中所公开的将两个转子叶片段联接在一起的方式的另一个优点在于螺栓的尺寸与转子叶片壳体的层压件的厚度解耦：在其中螺栓被至少部分地没入到转子叶片壳体的层压件中的现有技术的构思中，螺栓的直径受层压件的厚度限制。由于在本发明的构思中，螺栓被没入附接单元中而不是层压件中，因此螺栓的最大可能直径取决于附接单元而非层压件的尺寸。因此，可以仅通过增加附接单元的尺寸并且保持转子叶片壳体的层压件不变来相对容易地使用较大的螺栓。 [0014] 在第一替代方案中，在完成转子叶片段的制造之后，附接单元被附接到相应的转子叶片段。这样的附接可以借助于粘结结合来实现。 [0015] 在第二替代方案中，附接单元与叶片壳体一起被放置到在其中模制叶片壳体的模具中。换言之，在铸造转子叶片壳体的相同铸造过程期间，附接单元被铸造到转子叶片壳体。这意味着，使附接单元在制造期间、特别是在完成转子叶片之前与转子叶片段连接。这具有如下优点，即：可以确保附接单元和转子叶片段之间的特别牢固和可靠的连接。 [0016] 所述附接单元可由层压材料制成，例如，类似于构成转子叶片段的壳体的材料。 [0017] 替代地，与转子叶片段的壳体相比，附接单元可通过不同的材料制成。作为示例，壳体的材料可由层压件构成，并且附接单元可由金属制成。 [0018] 有利地，第一转子叶片段通过多个螺栓接合装置与第二转子叶片段连接。螺栓接合装置的具体数量取决于转子叶片的尺寸和预期负载。对于风力涡轮机的100米长的转子叶片，数量为至少50个的螺栓接合装置是合理的假设。 [0019] 需要注意的是，转子叶片由至少两个转子叶片段组成。这意味着它可包括两个转子叶片段，但也可包括三个或甚至更多个转子叶片段。示例性地，第一转子叶片段包括转子叶片的径向向内部分，并且第二转子叶片段包括转子叶片的径向向外部分。在转子叶片包括两个转子叶片段的情况下，第一转子叶片段包括转子叶片的根部，并且第二转子叶片段包括转子叶片的末端。 [0020] 有利地，螺栓接合位于总叶片长度的15％和50％之间的翼展向位置。特别地，螺栓接合位于叶片总长度的20％和30％之间的翼展向位置处。这意味着转子叶片的分段有利地在转子叶片的内半部中进行。 [0021] 在本发明的一个实施例中，至少第一附接单元包括用于接收和支撑紧固件的通孔。 [0022] 在另一个实施例中，螺纹紧固件借助于螺母来紧固，并且该螺母与第一附接单元接触。此外，该螺母至少部分地具有弯曲的外表面，并且第一附接单元也至少部分地具有弯曲的外表面。最后，该螺母的外表面和第一附接单元的外表面彼此对应。 [0023] 如任何螺纹紧固件，将两个转子叶片段彼此连接的螺栓接合装置的螺纹紧固件也专用于旋入具有相对应的螺纹的另一物体中。该其他物体可以通过螺母来实现。 [0024] 在本发明的一个实施例中，所述螺母被设计成使得它以形状配合的方式与附接单元配合，其中，该形状配合的方式通过相应地匹配螺母和附接单元的各自相对应的外表面的曲率来实现。 [0025] 特别地，至少在与第一附接单元接触的部分中，所述螺母可具有在第一转子叶片段和第二转子叶片段的对准和连接期间允许紧固件在两个维度中运动的形状。 [0026] 这种在两个维度中的运动具有如下优点，即：在制造和将附接单元附接到转子叶片段期间可允许一定的容差。特别是在两个转子叶片段之间存在相对大量的接合装置的情况下，对于将附接单元附接到转子叶片段的精度的非常严格的要求将难以实现并且实现成本很高。通过提供紧固件的一定自由度和可允许的运动，当将这种将两个转子叶片段连接在一起的构思付诸实践时，这是非常有利的。 [0027] 作为示例，所述螺母可以被设计为圆柱体，其具有基本上垂直于转子叶片的纵向轴线的纵向轴线。这样的螺母形状也称为圆柱帽（cross-dowel）。因此，附接单元至少在预定与螺母接触的区域中具有对应于该圆柱帽螺母的外表面。 [0028] 在另一个有利的实施例中，至少在与第一附接单元接触的部分中，所述螺母具有在第一转子叶片段和第二转子叶片段的对准和连接期间甚至允许紧固件在三个维度中运动的形状。这在制造和将附接单元附接到转子叶片段期间允许甚至更大的灵活性。 [0029] 作为示例，这样的螺母至少在与第一附接单元接触的部分中可具有椭球的形状。椭球的一种特殊情况是球。原则上，具有球形或更一般而言椭球形的这些类型的接合装置以及具有相对应的或匹配的外表面的第二物体从机械或甚至生物学中是公知的。这样的接合装置具有三个自由度的优点，这在风力涡轮机的转子叶片的当前情况下，在紧固件相对于附接单元的运动方面给出了最大的灵活性。 [0031] 注意，在本专利申请的背景下，垫圈需要以宽泛的方式来解释。这意味着不仅需要考虑盘形垫圈，而且还需要考虑具有球形圆柱（spherical cylinder）的形状的垫圈，例如与第一附接单元连接的螺母，然而在该圆柱的内表面处没有螺纹。这样的圆柱形垫圈具有如下优点，即：附接单元，在这种情况下为第二附接单元，可以与第一附接单元类似地来设计，从而意味着它也包括具有弯曲形状并且对应于球形圆柱的外表面的外表面。 [0033] 现在通过附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施例，附图中：图1示出了一种风力涡轮机； 图2示出了风力涡轮机的分段式转子叶片； 图3示出了连接第一转子叶片段和第二转子叶片段的多个螺栓接合装置； 图4示出了图3的详细视图； 图5示出了如图3和图4中所描绘的螺栓接合装置的剖视图； 图6示出了在转子叶片段的对准和连接期间能够实现两个自由度的螺栓接合装置的一个实施例； 图7示出了螺栓接合装置的另一实施例，其包括加强的第一与第二附接单元和延伸器； 以及 图8示出了根据如图7中所示的实施例的多个螺栓接合装置。 [0034] 附图中的图示采用示意性的形式。应当注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件可配有相同的附图标记。 具体实施方式[0035] 图1示出了风力涡轮机10。该风力涡轮机包括塔架11和机舱12。机舱12相对于塔架11绕偏摆轴线可旋转地安装。如果存在，则机舱12容纳发电机和齿轮箱。机舱12与轮毂13连接。轮毂13是风力涡轮机10的转子的一部分。所述转子包括转子轴线14，该转子轴线14是基本上水平的，但在许多情况下略微向上倾斜大约几度，以便降低风力涡轮机10的转子叶片 20与塔架11之间的碰撞风险。一组转子叶片20被安装在轮毂13处。在许多情况下，风力涡轮机10具有安装到轮毂13的三个转子叶片20。通常，转子叶片20被可旋转或可枢转地安装到轮毂13。这些转子叶片20的旋转轴线被称为纵摇轴线（pitch axis）15。 [0036] 转子叶片20总是包括根部段21和末端部段22。它在根部段21处安装到轮毂13，因此末端部段22最远离轮毂13。图2示出了转子叶片20上的示意性顶视图。转子叶片20包括具有根部211的根部段21和具有末端221的末端部段22。此外，转子叶片20还包括具有后缘231的后缘部段23和具有前缘241的前缘部段24。在每个径向位置处将前缘241与后缘231连接的直线被称为弦26。弦26的长度在肩部262处最大。 [0037] 图2的转子叶片20被分成第一转子叶片段31和第二转子叶片段32。这两个转子叶片段31、32通过接合装置30来连接。在图2的示例中，第一转子叶片段31表示包括根部段21的内部段，并且第二转子叶片段32表示包括转子叶片20的末端部段22的外部段。 [0038] 图3示出了五个接合装置，即第一接合装置301、第二接合装置302、第三接合装置303、第四接合装置304和第五接合装置305，它们全部都根据螺栓接合装置30的第一实施例来设计和布置。可以看到的是，每个接合装置将第一转子叶片段31与第二转子叶片段32连接。 [0039] 现在参考第一接合装置301，该接合装置包括第一附接单元33、第二附接单元34以及连接这两个附接单元33、34的紧固件35。注意第一附接单元33被附接到第一转子叶片段31，而第二附接单元34与第二转子叶片段32连接。第一附接单元33被设计成使得它包括布置和制备成接收和支撑螺母36的一个部分。该螺母36被成形为具有纵向轴线的圆柱体，该纵向轴线基本上平行于转子叶片20的弦向方向261，并且基本上垂直于转子叶片20的翼展方向251。换言之，螺母36的纵向轴线基本上垂直于紧固件35。螺母36的外表面361的曲率对应于第一附接单元33的外表面331的曲率。当连接两个附接单元33、34时，或者换言之，当连接两个转子叶片段31、32时，螺纹紧固件35被旋入到螺母36中。这被执行直到紧固件被紧固，这例如可以被确保，直到紧固件的头部，换言之紧固件头，与第二附接单元34的外表面紧密接触。 [0040] 螺母36的圆柱形形状的优点在于，紧固件能够在垂直于翼展方向251和弦向方向261的方向上的预定范围内定向。换言之，在图3的示例中，紧固件35可以在转子叶片段31、 32的对准和连接期间略微向上和向下移动。这是有利的，因为由此不需要高度精确地制造附接单元33、34。这同样适用于这些附接单元33、34的附接。特别是，当存在多个接合装置 301至305时，紧固件35向上和向下的这种容差具有很大的益处。 [0041] 图4示出了已在图3中图示的四个接合装置的另一视图。可以看到的是，第二接合装置302具有第一附接单元33，该第一附接单元33具有外表面331，该外表面331被成形和设计为类似于球面的一部分。这在转子叶片段的对准和连接期间可允许甚至更多的自由度。注意，为了清楚和简单起见，仅部分地绘制了第二、第三和第四接合装置302至304，使得可以更清楚地看到这些接合装置的单个部件。 [0042] 图5示出了螺栓接合装置30的剖视图。可以看到，在该实施例中，第一附接单元33和第二附接单元34类似地构造并且对称地布置。然而，要注意，在该示例中，与第一附接单元33紧密接触的元件36表示具有螺纹插入件的螺母，而元件37表示垫圈，该垫圈与第二附接单元34紧密接触并且不具有螺纹插入件。由此，螺纹紧固件35可以被可靠和牢固地紧固，使得两个转子叶片段31、32可靠地紧固在一起。还要注意，在图5中，可以很好地识别转子叶片壳体27。要注意，原则上，附接单元33、34可以被放置在叶片壳体27的内表面处或外表面处。由于空气动力学及其他原因，非常有利的是，将螺栓接合装置30放置在内表面处，即放置在转子叶片内部的中空空间中而不是外部。 [0043] 图6详细地示出了具有球形外表面的附接单元的一部分。由于提供了两个自由度，即在平面中以及从平面中向外，因此这允许改进的对准和连接可能性。 [0044] 图7示出了本发明的螺栓接合装置的另一实施例。在该实施例中，第一附接单元33和第二附接单元34二者均以加强的方式设计并且在它们之间具有特定的填充材料。换言之，附接单元33、34不仅提供螺母或垫圈的接收和支撑，而且还提供增加的刚度，并且当两个转子叶片段31、32被牢固地彼此连接时具有“延伸的接触区域”。该延伸的接触区域具有如下技术效果，即：抵消第一转子叶片段31相对于第二转子叶片段32绕平行于接合装置30的倾斜轴线的倾斜运动。 [0045] 如图7中所示的实施例的另一个特征是延伸器38，该延伸器38使螺纹紧固件35在第二附接单元34的一侧延伸。特别地，延伸器38包括围绕螺纹紧固件35的相应部分的外圆柱体。外部延伸器通过例如螺母之类的固定元件来固定，如图7中延伸器38的左侧处所示。延伸器的存在减轻了在风力涡轮机的操作期间作用在接合装置30上的力。 [0046] 最后，图8示出了应用于两个转子叶片段31、32的如图7中所示的接合装置。可以看到，在大型转子叶片中，多个、即数量为至少二十五个的螺栓接合装置是必要的，并且有益于将转子叶片段31、32连接在一起。 |
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