专利名称：风力涡轮机的叶片根部的t型螺栓连接的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力涡轮机，其在风力涡轮机叶片的壁中包括用于横向螺栓和纵向螺栓的多个横向孔和纵向孔，其中，至少一个纵向螺栓布置在叶片壁的厚度方向，以将叶片连接到轴承的内轴承环或外轴承环。
背景技术：
通常，风力涡轮机包括轮毂结构，叶片在其根端处的连接区域中连接到该轮毂结构。很多风力涡轮机包括具有内轴承环和外轴承环的变桨轴承(pitch bearing)，用于分别围绕叶片的纵向轴线旋转安装的叶片。在该情况下，每一个动叶片连接到相应的变桨轴承的内轴承环或外轴承环中的一个，而轮毂连接到另一个轴承环。将风力涡轮机的动叶片连接到风力涡轮机的安装结构，例如轮毂或变桨轴承的轴承环，是非常重要和艰巨的任务，因为风力涡轮机叶片为整个风力涡轮机的受应力最大的部件之一。由于其运动而作用在叶片上的力毫无疑问被传递到风力涡轮机的轮毂。因此，风力涡轮机叶片的连接部及相邻部分将受到大的应力和载荷，并且往往降低疲劳强度或易于材料失效。由于趋势是增大尺寸的风力涡轮机，因此风力涡轮机叶片的尺寸也增大，并且风力涡轮机叶片的连接部的结构设计变得越来越意义重大。为了将动叶片连接到风力涡轮机的安装结构，例如轮毂、叶片轴承环、转接器或延伸部，并且为了将动叶片节段彼此连接，通常使用纵向和横向螺栓组合，所述纵向和横向螺栓被插入动叶片壁内的孔中。由于其在传递高载荷方面的简易性和可靠性，该技术方案自身已经在实际使用中形成。最简单的形式在"Windpower plants" (Erich Haul996, 2.Ed., SpringerVerlag, Heidelberg New York, pp.206-209)中有所说明。在该方法中，多个所谓的横向孔被垂直地应用到叶片的构成壁中，并且通到横向孔的所谓的纵向孔被设置在该壁内。横向螺栓插入横向孔中。纵向螺栓被插入这些横向螺栓中，在轮毂凸缘的辅助下，动叶片可被支撑在该纵向螺栓上。纵向螺栓可通过螺栓头对纵向螺栓施加应力被直接预加应力，或通过在被用作双头螺栓的纵向螺栓上使用螺母被间接预加应力。根据将更多的纵向螺栓应用在叶片的一定的壁长度上的思想，经调整的方法在以下多个专利或专利申请中有所公开，以实现可传递载荷与组件尺寸和重量的更好的比率:DE 197 33 372 Cl将横向螺栓布置在两排盲孔中，以通过使用纵向螺栓将叶片连接到轮毂的T形凸缘。用于横向螺栓的这些盲孔必须从内部和外部钻出，这导致高的生产难度。而且，可能在盲孔端部处期望一定的硬度，以降低缺口应力。该布置方式的另一个缺点是纵向螺栓之间的大的间距。由于这点，纵向螺栓将必须具有相当大的尺寸，以确保足够的连接。DE 103 24 166 B4描述了每个横向螺栓的两个纵向螺栓在叶片壁外部的配置。上面提到的纵向螺栓之间的大的间距的缺点在这里特别适用。横向螺栓的长的长度要求非常大的直径，这在所需的高质量材料中不容易制备。到相邻螺栓组的间距由于横向螺栓自身的增大的直径而必然增大。因而，仅有限量的螺栓组可被应用于该默认长度。将叶片连接到变桨轴承的内或外轴承环是比将其连接到轮毂更具挑战性的任务。轮毂通常由铸钢制成，并且其几何形状有助于使其承载从叶片传递的非常大的载荷。反之，轴承环具有环形几何形状，由于从叶片通过其传递到轮毂的大载荷，因此其更易于损坏。
发明内容
本发明的目的是设计一种叶片连接部，其避免了上述问题，并且在叶片和轴承环之间提供提高强度和载荷传递的连接。同时，该连接部应易于制造和应用。本发明的又一个目的是以防止例如风力涡轮机的轴承环变形等相关问题的方式提高连接部的载荷传递。这些目的通过在将叶片连接到变桨轴承的内或外轴承环时，沿叶片壁的厚度方向应用至少一个纵向螺栓来实现。为了进行连接，叶片在其壁中包括多个孔，用于插入螺栓。沿叶片的纵向方向存在用于接收纵向螺栓的孔，并且沿叶片的厚度方向存在用于插入横向螺栓的孔。术语“厚度方向”对应于叶片壁节段的横切向方向或横向方向，其中不包括相对的叶片壁节段。特别地，厚度方向基本上垂直于叶片壁节段的中线。在具有恒定壁厚的情况下，厚度方向基本上垂直于叶片的壁。叶片通过分别插入叶片壁中的横向孔和纵向孔中的横向螺栓和纵向螺栓连接到内轴承环或外轴承环。根据本发明的优选实施例，至少两个纵向螺栓被沿厚度方向一个安装在另一个后面。因此，多个纵向螺栓被沿厚度方向布置在叶片壁节段中。以该方式，在叶片和内轴承环或外轴承环之间建立结实连接。沿厚度方向施加不止一个纵向螺栓增大叶片和内或外轴承环之间沿叶片的横向方向的连接的长度，力被传递到该连接部上。代替点到点连接，而是建立若干连接点，所述若干连接点提高连接部的强度，并且延长连接部的使用寿命。在长时间使用中，这导致更少的例如与轴承环变形等叶片和轮毂之间的高载荷传递相关的问题。换句话说，连接部的连接元件以特别紧凑的方式布置，允许明显更多的连接元件，同时保持部件的几乎相似的外部尺寸，因此传递明显更大的静和动载荷。还可能相当大地减小部件尺寸，同时保持相等的载荷，以获得制造和后勤方面的优点。优选地，纵向螺栓特别靠近相邻的装置设置，或设置在叶片节段内，并且全部具有相同的结构。在构成壁中沿厚度方向布置多排纵向螺栓导致连接元件的非常紧密的设置。在又一个实施例中，横向螺栓布置在横向孔中，并且包括至少一个用于接收纵向螺栓的至少部分的孔，即接收纵向螺栓的端头区域的孔。横向螺栓中的这些孔为盲孔或通孔。优选地，每一个纵向螺栓被分别安装在单独的横向螺栓中。在替代实施例中，多个纵向螺栓被布置在仅一个横向螺栓中。用于横向螺栓的横向孔优选沿叶片的厚度方向布置，以使一个横向螺栓可沿厚度方向接收多个纵向螺栓。在优选实施例中，插入横向孔中的横向螺栓在其后部处具有小的平直部。横向螺栓的平直的后部导致更容易制造。在本发明的又一个实施例中，至少一个纵向螺栓由纤维增强材料制成，优选由碳纤维增强塑料制成。即使纤维增强材料的刚度低于钢中的一种，但是该材料仍具有高的强度、较低的重量和长度方向的柔韧性。在使用由纤维增强材料制成的螺栓，而不是传统的由钢制成的螺栓时，这些材料特性产生不同的优点。由于沿纵向方向的较高的柔韧性，因此损失较小的预张紧力。该材料的高强度导致更结实的连接部，以及由纤维增强材料制成的螺栓的长的疲劳寿命，因此连接部的长的疲劳寿命。另外，与较大的同时较差的传统螺栓相比较时，由于较高的强度，因此在保持与连接部的相同的强度的同时，该螺栓的更小的直径是可行的。优于传统螺栓的另一个优点是由纤维增强材料制成的螺栓的较低的重量和避免了腐蚀问题。优选地，由纤维增强材料制成的至少一个纵向螺栓包括螺纹。叶片壁中的孔可包括具有螺纹的内壁或螺纹插件，其中，纵向螺栓的螺纹可在纵向螺栓被插入孔中之一时被保持。在优选实施例中，由纤维增强材料制成的纵向螺栓仅在螺栓的被完全插入孔中时搁置在内或外轴承环内部的部分上包括螺纹。螺栓的搁置在叶片或横向螺栓内的部分上不存在螺纹。在叶片或横向螺栓中，由纤维增强材料制成的纵向螺栓可结合到其周围结构中，以提供具有附加强度的连接。这在叶片自身通常由纤维增强材料构成时特别有效，从而确保高的结合强度。在又一个优选实施例中，通过紧固多个沿叶片厚度方向插入的纵向螺栓，使叶片和内轴承环之间的连接部的刚度与外轴承环合轮毂之间的连接部的刚度适合。在发明内容中术语部件的“刚度”描述部件抵抗由作用在部件上的力或扭矩产生的扭曲或变形的抵抗力。该刚度取决于部件的几何形状和材料性能，例如弹性。两个部件的连接部的刚度取决于两个部件的刚度，即材料和几何形状，并且取决于连接部自身的类型和强度。在可替代实施例中，叶片连接到外轴承环，其中，叶片和外轴承环之间的所述连接部的刚度对应于内轴承环和轮毂之间的连接部的刚度。关于风力涡轮机的变浆轴承，必须考虑两个连接部；叶片到轴承环中的一个的连接部和轮毂到另一个轴承环的连接部。如果两个连接部的刚度明显不同，则显然对于载荷传递是不利的。刚度方面的差异导致轴承的高应力和应变，以及材料的降低的疲劳强度和磨损。由于由连接部传递的高的载荷，因此后果通常是轴承环的变形，特别是连接到叶片的轴承环的变形。通过以轴承环和叶片之间的连接部的刚度对应于另一个轴承环和轮毂之间的连接部的刚度的方式调节轴承环和叶片之间的连接部的刚度，可防止上面提到的轴承环的变形。在又一个实施例中，沿厚度方向的多个纵向螺栓被布置在叶片壁中多个环形排中的相应的纵向孔内。优选地，叶片壁包括纵向孔的两个环形排，用于接收纵向螺栓。因为其沿着叶片的整个周长延伸，因此所述环形排被认为是环形的。所述环形排优选沿叶片整个周长彼此具有恒定距离。优选地，不同环形排的纵向螺栓沿着垂直于叶片壁的中线的直线布置在叶片壁内。或者，不同环形排的纵向螺栓以交错方式沿叶片壁的厚度方向布置。在本发明的又一个实施例中，布置在叶片壁内的纵向螺栓之间沿厚度方向的间距在叶片壁的在其根端处的厚度的20%和90%之间，优选在30%和80%之间，特别优选在40%和70%之间。术语间距指两个相邻的螺栓的中心沿厚度方向的间距。纵向螺栓之间的相对小的间距允许布置更多的纵向螺栓，并且因此允许提高载荷传递，同时保持待连接部件的相似的外径。
下面将参照后面以示意图显示的附图描述本发明，附图中:
图1是变桨轴承(pitch bearing)的内轴承环和叶片壁的剖视图；图2是变桨轴承的内轴承环和叶片壁的剖视图；图3是变桨轴承的内轴承环和叶片壁的侧视图。
具体实施例方式图1显示了风力涡轮机的变桨轴承的内轴承环17和叶片壁11沿厚度方向22的剖视图。叶片壁11包括横向孔12，用于插入横向螺栓，在本发明的该特定实施例中，两个横向螺栓13a，13b插入该横向孔12中。横向螺栓13a，13b的内表面侧抵靠在彼此上。而且，叶片壁11包括纵向孔，用于插入纵向螺栓，纵向螺栓以两个环形排布置，每一个环形排沿叶片周边延伸。两个环形排沿叶片壁11的厚度方向22—个布置在另一个后面，并且在每一排中，纵向螺栓以均匀的间隔布置。图1中显示了两个纵向孔15a，15b，即每一个环形排的一个纵向孔，其中分别布置一个纵向螺栓16a, 16b。孔15a, 15b和纵向螺栓16a, 16b适于使其形成间隙配合，以在纵向螺栓16a, 16b被布置在纵向孔15a, 15b中时,在纵向孔15a,15b的内壁和纵向螺栓16a，16b之间存在间隙23。两个不同的环形排的纵向螺栓16a，16b垂直于叶片壁11的中心线布置在叶片壁11内，并且因此沿叶片壁11的厚度方向22布置。每一个纵向螺栓16a，16b分别安装在单独的横向螺栓13a，13b中。横向螺栓13a，13b分别包括一个孔14a，14b，用于接收纵向螺栓16a，16b的部分。在该实施例中，用于纵向螺栓16a，16b的部分插入的横向螺栓13a，13b中的孔14a，14b为盲孔。仅每一个纵向螺栓16a，16b的端部区域16aa, 16ba被插入横向螺栓13a, 13b中。这些端部区域16aa, 16ba包括螺纹，并且旋入布置在孔14a，14b中的相配螺纹中。通过将横向螺栓13a，13b和纵向螺栓16a，16b布置在叶片壁11中，叶片被连接到变桨轴承的内轴承环17。因此，内轴承环17包括两个纵向孔18a, 18b,用于插入纵向螺栓16a，16b。特别地，内轴承环17通过纵向螺栓16a，16b和螺母21a，21b被支撑到叶片壁11。图2显示了本发明的另一个实施例的叶片壁11和变桨轴承的内轴承环17沿厚度方向22的剖视图。在叶片壁11中，一个横向螺栓13布置在一个螺栓孔12中，并且由纤维增强材料制成的两个纵向螺栓20a，20b布置在两个纵向孔15a，15b中。由纤维增强材料制出的两个纵向螺栓20a，20b都安装在一个横向螺栓13中。出于该目的，横向螺栓13包括两个盲孔14a，14b，纵向螺栓20a，20b的端部区域20aa，20ba结合到所述两个盲孔14a，14b中。另外，横向螺栓13在其后侧包括平直部19，这导致其更容易装配。纵向螺栓20a，20b和横向螺栓13的装配将变浆轴承的内轴承环17连接到叶片壁11。为了进行该连接，内轴承环17沿纵向方向包括两个孔18a，18b，用于插入纵向螺栓20a，20b，并且通过所述纵向螺栓20a，20b和螺母21a，21b被支撑到叶片壁。图3显示了关于叶片壁11和变浆轴承的内轴承环17的侧视图，其中，叶片壁11部分未图示，从而显示出布置在叶片壁11内的纵向孔15中的纵向螺栓16a。纵向螺栓16a被安装在延伸到假想平面中的横向螺栓13a中，并且被插入内轴承环17的纵向孔18中。另夕卜，纵向螺栓16a通过螺母21a被支撑。在纵向螺栓16a旁边，显示了具有另一个纵向螺栓16b的横向螺栓13b，其中，另一个纵向螺栓通过螺母21b也被支撑。
权利要求
1.一种风力涡轮机，包括: 叶片， 轮毂，和 轴承，其用于将所述叶片安装到所述轮毂，所述轴承包括内轴承环和外轴承环， 其中，所述叶片被连接到内轴承环或外轴承环， 其中，所述叶片在其壁中在连接区域内包括多个横向孔和纵向孔，分别用于接收横向螺栓和纵向螺栓，在所述连接区域中，所述叶片被连接到内轴承环或外轴承环，并且其中，至少一个纵向螺栓被沿叶片壁的厚度方向布置在叶片壁内。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机， 其中，多个纵向螺栓被沿厚度方向布置在叶片壁中。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机， 其中，横向螺栓被布置在横向孔中， 其中，所述横向螺栓每一个包括至少一个孔，用于接收纵向螺栓的至少部分，并且 其中，所述至少一个孔为盲孔或通孔。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机， 其中，每一个纵向螺栓被分别安装在单独的横向螺栓中。
5.根据权利要求3所述的风力涡轮机， 其中，多个纵向螺栓被安装在一个横向螺栓中。
6.根据权利要求3所述的风力涡轮机， 其中，所述横向螺栓在其后部处具有小的平直部。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机， 其中，所述纵向螺栓由纤维增强材料制成。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机， 其中，所述纵向螺栓被结合到叶片。
9.根据权利要求2所述的风力涡轮机， 其中，内轴承环和叶片之间连接部的通过紧固多个纵向螺栓获得的刚度对应于外轴承环和轮毂之间的连接部的刚度。
10.根据权利要求2所述的风力涡轮机， 其中，外轴承环和叶片之间的连接部的通过紧固多个纵向螺栓获得的刚度对应于内轴承环和轮毂之间的连接部的刚度。
11.根据权利要求2所述的风力涡轮机， 其中，所述多个纵向螺栓被以多个环形排布置在叶片壁中，并且 其中，所述多个环形排彼此沿叶片周边具有恒定间距。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机， 其中，不同环形排的纵向螺栓布置在叶片壁内，位于垂直于叶片壁的中线的直线上。
13.根据权利要求11所述的风力涡轮机， 其中，不同环形排的纵向螺栓以交错方式沿叶片壁的厚度方向布置。
14.根据权利要求2所述的风力涡轮机， 其中，布置在叶片壁中的纵向螺栓之间沿厚度方向的间距在叶片壁的在其根端处的厚度的20%和90%之间。
全文摘要
本发明涉及一种风力涡轮机，包括叶片、轮毂和用于将叶片安装到轮毂的轴承，该轴承包括内轴承环和外轴承环，其中，叶片连接到内轴承环或外轴承环，其中，叶片在其壁中在连接区域内包括多个横向孔和纵向孔，分别用于接收横向螺栓和纵向螺栓，在该连接区域中，叶片被连接到内轴承环或外轴承环，并且其中，至少一个纵向螺栓被沿叶片壁的厚度方向布置在叶片壁中。
文档编号F03D1/06GK103154505SQ20118004078
公开日2013年6月12日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年6月9日
发明者B.索伊弗特, A.克里默 申请人:三菱重工业株式会社, 欧洲风力发电设备开发有限公司