CN101063437A - 用于风力涡轮的转子叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种风力涡轮(100)的转子叶片(40)，其中转子叶片包括位于叶片根部(400)壁面上的径向孔和纵向孔，所述径向孔在叶片(400)的纵向上交错着，所述每一个纵向孔从叶片边缘(410)延伸到相应的径向孔。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮的转子叶片，尤其涉及这种转子叶片的根部结构。进一步地，本发明还涉及具有这种转子叶片的风力涡轮。
背景技术
除了风力涡轮转子叶片的空气动力学设计之外，转子叶片的质量和重量主要取决于叶片与转子轮毂连接的设计，例如，叶片根部。负荷从转子叶片的纤维复合结构传递到转子轮毂的金属结构，使得叶片与转子轮毂之间的连接设计成为一项困难的任务。负荷传递的困难原理上归因于相关材料的不同性质。一种公知的将转子叶片装配到毂上的技术是在叶片根部和轮毂之间形成T形螺拴连接或交叉螺拴连接。
然而这样，转子负荷便集中在叶片根部和转子轮毂。另外，转子负荷呈现出高动态的负荷频谱。从而，叶片/轮毂连接中的根部薄板和螺栓必须符合特定的设计余度。特别是，叶片螺栓的设计余度可能会过余以至于一个给定的负荷谱将需要大量的螺栓。然而，螺栓数量的增加使得相邻T形连接之间的根部薄层量相应地减少。结果，叶片根部的连接将经受不起过度的载荷，致使叶片根部连接受损甚至折断。对于计划改装较大转子叶片的现有涡轮，以上的考虑尤为关键。
发明内容
基于上述内容，本发明提供了一种用于风力涡轮的转子叶片，其包括位于叶片根部壁上的径向孔，此径向孔在转子叶片的纵向上交错开。进一步地，此转子叶片还包括位于叶片根部壁上的纵向孔，每个纵向孔从叶片边缘延伸至相应的径向孔。
由于叶片根部的以上结构，径向孔沿转子叶片的翼展方向相互间隔开。因此，对于一个给定的叶片根部直径，螺栓的数量增加的同时在相邻的径向孔之间仍然有足够的根部薄层，这样交叉螺栓连接就就能够承受过度的负荷。因此，由于这样的交错排列布局，转子负荷在更多的螺栓间分布，同时确保了足够的根部薄层余度。特别是，较大的转子叶片就能安装在现有的风力涡轮上，而不需要对轮毂、承压螺距和叶片根部进行大规模的重新设计。因此，通过相对较小的努力便使得现有涡轮的转子直径和风力级别得到了提高。
独立权利要求、说明书及其附图显现了本发明的进一步的方面、优势和特征。
本发明一方面提供了一种风力涡轮转子叶片，其包括位于叶片根部的多个径向孔和多个纵向孔，其中每个纵向孔连接着转子叶片的轮毂端和一个径向孔，此多个纵向孔由第一组短孔和第二组孔组成，从而使得连接第一组的径向孔和连接第二组的径向孔在转子叶片的纵向上相互间隔开。
依照本发明的一个实施例，相邻径向孔的纵向距离为径向孔直径的0.5-10倍。这样，相邻径向孔之间的距离将适于提供足够的结构强度以承受极限负荷。
依照本发明的另一个实施例，靠近转子叶片轮毂端的径向孔直径比远离转子叶片轮毂端的径向孔直径小。这样，比起所有孔径为相同尺寸的方式来说，这种方式能够增加在靠近轮毂端的径向孔和相邻的延伸入远离毂端径向孔的纵向孔之间的根部薄层量。从而，根/毂连接得到进一步加强并且能承受更高的负荷。
本发明另一个方面还提供了一种具有至少一个转子叶片的风力涡轮。转子叶片通过T形螺栓连接方式装到毂上，其中T形螺栓连接包括插入位于转子叶片根部的纵向螺栓孔中的紧固螺栓，和紧固螺栓固定于插入位于转子叶片根部的径向螺栓孔中的横向螺栓。在此T形螺栓连接中，提供了短纵向螺栓孔和相应的短紧固螺栓以及长纵向螺栓孔和相应的长紧固螺栓。从而提供了一个带有改进的叶片/轮毂连接的风力涡轮。特别地，这种根部和轮毂之间的改进连接使得风力涡轮能够以之前安装小叶片的同样的根部直径安装上更大的叶片。
附图说明
下面将针对本发明向本领域普通术人员进行一个完整的介绍，尤其是通过后面的说明书，并参考其中的附图：
图1是风力涡轮的示意图。
图2是风力涡轮转子叶片的正视图。
图3是风力涡轮转子叶片凸缘部分的示图。
图4是本发明一个实施例中叶片根部的侧视图。
图5是本发明一个实施例中凸缘部分T形螺栓连接的剖面图。
图6是本发明一个实施例中叶片根部和转子轮毂的凸缘部分之间T形螺栓连接的剖面图。
图7示出了本发明一个实施例中的紧固螺栓。
图8是本发明一个实施例中叶片根部和转子轮毂的凸缘部分之间T形螺栓连接的侧视图。
图9是本发明另外一个实施例中叶片根部的侧视图。
具体实施方式
下面将详细介绍本发明的各种实施例，附图示出了其中的一个或多个实施例。每一个实施例都是对本发明的一种解释说明，但其并不意味着对本发明的限制。例如，作为某个实施例的一部分进行图示或描述的特征也可以结合到其它实施例中从而再得出另外的一个实施例。也就是说本发明包括这样的改进和变形。
图1是传统风力涡轮100的示意图。此风力涡轮100包括一个塔架10，机舱20装在其顶端。承载着3个转子叶片40的轮毂30装在机舱20的侧端。
叶片40的基本结构如图2所示。在这，转子叶片40包括一个用来安装转子叶片40到轮毂30的根部400。转子叶片40的顶端42与根部400相对设置。转子叶片40的叶身41在根部400和顶端41之间延伸。
接下来，图3-6对根部400，尤其是，根部凸缘部分的设计进行了描述。
从下方看，例如从叶片根部400往叶片顶端41看，可以看到如图3所示的转子叶片凸缘410。凸缘部分410具有基本为圆环形的截面。此叶片凸缘410进一步包括与纵向孔(未示出)相对应的多个开口420。开口420具有宽度WL，并且沿边缘面凸缘面410的圆周方向均匀隔开一段距离DH。当转子叶片40安装在转子轮毂30上时，紧固螺栓插入纵向孔从而形成T形螺栓连接，更多的细节将在下面进行说明。
图4示出了叶片根部400的侧视图。如图所示，叶片根部提供了径向孔442，444。这些径向孔442，444的设定是为了容纳T形螺栓连接中的横向螺栓。纵向孔432，434(如虚线所示)从径向孔442，444延伸至叶片的轮毂端410。在轮毂端，纵向孔432，434具有开口422，424，供紧固螺栓穿过并插入孔中。如图4所示，径向孔沿着叶片根部400的圆周排布。然而，径向孔被分成靠近叶片轮毂端410的第一组孔442和远离此端的第二组孔444。换句话说，第一组径向孔442相距轮毂端410一段短的纵向距离S，而第二组径向孔444相距轮毂端410一段长的纵向距离L。相应地，纵向孔也被分成两组，第一组432仅从叶片轮毂端410延伸了一个短的纵向距离S，第二组434则从轮毂端延伸了一个长的纵向距离L。因此，第一组径向孔442和第二组径向孔444之间纵向相隔一段距离，这段距离就是长纵向距离和短纵向距离之间的差L-S。典型地，这个距离L-S取为径向孔直径WR的0.5-10倍，优选地取为1-3倍的范围。另外作为选择，这段距离L-S还可以取为长纵向距离L的1-60％，优选地5-40％，更优选地10-30％。如图4所示，径向孔交替着从第一组442和第二组444中选择。这样，在相邻的第一和第二组孔442，444之间提供了带有足够薄层量的间距D1。这样，可以缩小周向距离D3(如图3所示)从而为给定的根部直径提供更多的螺栓连接。
上述的实施例中，典型地，径向孔(未示出)和纵向孔的直径WR和WL的尺寸各自相同。同样，也只提供了一个单一的从毂端410开始的短纵向距离S和一个单一的从毂端410开始的长纵向距离L。然而，应该知道，本发明还可以实施不同的径向孔或纵向孔直径WR，WL。同样，还可以提供多个短的和长的纵向距离，只要依据根部的薄层余度将两个相邻的径向孔充分地间隔开来就行。
图5是图4中叶片根部400凸缘部分沿线A-A’的纵向剖面图。纵向孔432位于转子叶片壁的外侧壁面和内侧壁面之间的中间位置。进一步地，径向孔442设在侧壁中纵向孔432的一端。在相对端，纵向孔432具有一个位于叶片边缘的开口422。把转子叶片40装在转子轮毂30上的时候，将横向螺栓插入径向孔442，并将紧固螺栓插入纵向孔432从而形成T形螺栓连接，更多的细节通过图6进行说明。
图6是根部400和转子轮毂30的凸缘300之间所形成交叉螺栓连接的剖面图。在这，横向螺栓600插入径向孔442。横向螺栓600包括一个带有阴螺纹的开孔610。开孔610对准纵向孔432的位置。进一步地，转子毂30的凸缘300邻接凸缘低端面410。此毂凸缘300具有一个尺寸与叶片凸缘400的纵向孔432相匹配的通孔310。通孔310和纵向孔432相互对准，使得紧固螺栓500能插入通孔310和纵向孔432。紧固螺栓500具有与横向螺栓600的阴螺纹610相适配的阳螺纹530。通过螺旋式紧固将紧固螺栓500装入横向螺拴600，从而形成交叉螺栓连接。这样，转子叶片40也就安装到转子轮毂30上。
尽管只通过参考一个短纵向孔432，对转子叶片和轮毂之间的横向螺栓连接结构进行了描述，但是应该知道，除了纵向孔在纵向上的延展之外，长纵向孔434的结构也基本上相同。特别地，依照本发明的一个实施例，交叉螺栓连接结构仅分别在纵向孔的纵向长度上以及用于长短孔的相应紧固螺栓上有所不同。
如上所述的螺栓连接设计，转子轮毂30的凸缘310，横向螺栓600和紧固螺栓500都典型地选用钢制。典型地，叶片凸缘400是用纤维增强基体制成。例如，叶片凸缘的纤维增强基体是一种包括嵌入了玻璃纤维和/或碳纤维的基体材料。例如，基体材料选自环氧树脂、酚醛环氧树脂、热固树脂如环氧树脂，环氧酚醛清漆，聚脂，聚酰亚胺，可以是浓缩型或者添加型，酚醛树脂，双马来酰亚胺。可以根据基体材料所应用的特定技术目的，任意挑选这些树脂。特别地，可以根据特定的纤维增强体挑选树脂系从而制造一种具有期望机械性和环境特性的混合纤维增强件成品。在树脂中加入硬化剂/催化剂之后，通常会将树脂除气至低于真空，从而从液态树脂中消去或者除去所有的夹杂空气。因此，这些树脂能够在热量和时间的真空压力周期环境中继续工作，而不会形成气泡或空隙。在这样一种基体材料中，碳纤维和/或玻璃纤维被嵌入并典型地设置为纤维网的形式。当然，这些纤维也可以是非交织或者粗纱(roving)纤维形式。
图7示出了本发明一个实施例中的紧固螺栓。图7的左图示出了短型紧固螺栓502。短型紧固螺栓502适于插入短的纵向孔432。短型紧固螺栓502包括一个筒型螺母段510，一个短轴522和一个与筒型螺母段相对的阳螺纹端530。阳螺纹端530适于旋入横向螺栓600的阴螺纹610。轴段522具有一个短的长度LS，其长度可以延伸纵向孔432的短长度S并穿过毂缘通孔310。典型地，筒型螺母段510也包括一个阳螺纹段(未示出)，筒型螺母的阴螺纹可以旋在此阳螺纹段上。作为选择，筒型螺母段510还可以和轴522形成一个整体。在这个例子中，筒型螺母段510可以是一个六角螺母的形式。图7的右图示出的是一个长型紧固螺栓504。它的基本构造与短型螺栓502的一样。
图8是本发明的一个实施例中叶片根部400和转子叶片凸缘段300之间T形螺栓连接的侧视图。在这样的T形螺栓连接中，横向螺栓600插入径向孔442、444，并将它的阴螺纹开孔610对着纵向孔432、434。短的和长的紧固螺栓502、504分别插入短的和长的纵向孔432、434以及毂缘300中相应的通孔310。紧固螺栓502、504通过筒型螺母紧固。典型地，在制造过程中通常将横向螺栓600和紧固螺栓502、504预装在转子叶片中。在这种情况下，紧固螺栓502、504的两端都具有阳螺纹段。于是，转子叶片在构造点位置装配到毂缘上，例如，从开口420开始的紧固螺栓502、504的延伸部分插入了毂凸缘300的通孔310中。接着，通过将筒型螺母旋到紧固螺栓的阳螺纹端，从轮毂的内部完成了T形螺栓连接。
图9是本发明另外一个实施例中叶片根部的侧视图。其基本构造与图4中所示的叶片根部类似。然而，根据叶片轮毂端孔间距的变化，径向孔直径产生了变化。在这个特定的实施例中，靠近轮毂端的径向孔942的直径WRS小于远离轮毂端的径向孔944的直径WRL。因此，不仅两相邻径向孔之间的距离D1缩短了，靠近轮毂端的径向孔942与相邻的垂直延伸的长纵向孔434之间的横向距离D2也缩短了。这样一来，靠近轮毂端的径向孔942和横向穿过径向孔的长纵向孔434之间的根部薄层量得到了增加，根部连接得到进一步巩固。
以上通过实施例对本发明进行了文字描述，包括最佳方式，并使得任何一个本领域的技术人员都能够制造和使用本发明。虽然通过各种详细的实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员还应认识到本发明可以在其权利要求的要旨和范围内进行修改。本发明可获取专利的范围已经由权利要求书确定，同时还包括本领域技术人员想得到的其它实施例。这样的其它实施例，或者其具有的结构元素与本发明权利要求中文字描述的没有区别，或者其包括与本发明权利要求的文字描述没有实质区别的等效结构元素，均落入本发明权利要求的范围。
Claims (10)
1、一种风力涡轮(100)的转子叶片(40)，包括：
位于叶片根部壁(400)中的径向孔，此径向孔在转子叶片的纵向上交错开，和
位于根部(400)壁中的纵向孔，其中每个纵向孔从叶片边缘(410)延伸到一个相应的径向孔。
2、如权利要求1所述的转子叶片，其特征在于第一组径向孔(442)位于与叶片边缘(410)相距第一纵向距离(S)的位置，第二组径向孔(444)位于与叶片边缘(410)相距第二纵向距离(L)的位置，其中所述第一距离(S)小于第二距离(L)。
3、如权利要求1所述的转子叶片，其特征在于沿着叶片根部(400)的周向看，其中径向孔交替从所述第一和第二组(442，444)中选择。
4、如权利要求1所述的转子叶片，其特征在于第一组径向孔(442)的直径(WRS)小于第二组径向孔(444)的直径(WRS)。
5、如权利要求1所述的转子叶片，其特征在于相邻径向孔(442，444)之间的距离(D)适于提供足够的结构强度以承受极限负荷。
6、如权利要求1所述的转子叶片，其特征在于相邻径向孔(442，444)相互纵向相隔的距离为径向孔直径(WR)的0.5-10倍。
7、如权利要求1所述的转子叶片，其特征在于第一组纵向孔(432)具有第一纵向长度(S)，第二组纵向孔(434)具有第二纵向长度(L)，其中所述第一长度(S)小于所述第二长度(L)。
8、如权利要求7所述的转子叶片，其特征在于沿着叶片根部(400)的周向看，其中纵向孔交替从所述第一和第二组(432，434)中选择。
9、如权利要求1所述的转子叶片，其中长短纵向孔之间的纵向长度差(L-S)取为长纵向孔(444)纵向长度(L)的1％到60％，优选为5％到50％。
10、具有至少一个如上述任何一个权利要求所述的转子叶片(40)的风力涡轮(100)，所述转子叶片(40)通过T形螺栓连接安装在轮毂(30)上，
其特征在于，T形螺栓连接包括插入位于转子叶片根部(400)的纵向螺栓孔(420)中的紧固螺栓(500)，并此紧固螺栓固定到插入位于转子叶片根部的径向螺栓孔中的横向螺栓(600)，
其中所述T形螺栓连接中提供了适于短纵向螺栓孔(432)的短紧固螺栓(502)和适于长纵向螺栓孔(434)的长紧固螺栓(504)。
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