專利名稱：帶有扁平螺栓的風力渦輪機葉片連接結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及風力渦輪機的領(lǐng)域，更具體地說涉及渦輪機葉片連接結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
公用設(shè)施級風力渦輪機(即設(shè)計成為公用電網(wǎng)提供電功率的風力渦輪機)可能具有相對較大的轉(zhuǎn)子(例如30米或更大直徑)和超過100米的轉(zhuǎn)子輪轂高度。施加于這些渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片上的極限負載和疲勞應(yīng)力可能是相當大的。例如水平和垂直的風剪力等作用力、偏航失準、湍流等等會使葉片產(chǎn)生相當大的彎曲，其有助于施加在葉片上的總應(yīng)力。這方面的關(guān)鍵設(shè)計考慮是葉根和轉(zhuǎn)子輪轂之間的接頭。傳統(tǒng)的接頭設(shè)計利用周向間隔開的葉片螺栓將葉片固定到轉(zhuǎn)子輪轂上。關(guān)于螺栓的基本設(shè)計因素是具有相對柔韌的螺栓和剛性的凸緣，從而提高螺栓的疲勞強度。據(jù)估計施加于螺栓上的總應(yīng)力的大約40% -80%是疲勞彎曲應(yīng)力。這些傳統(tǒng)的螺栓典型地具有帶螺紋的末端部分，其分別與葉根凸緣和轉(zhuǎn)子輪轂凸緣中的螺紋孔相接合。更先進的風力葉片螺栓設(shè)計利用位于帶螺紋的末端部分中間的直徑減小的桿體部分，從而增加螺栓的軸向韌性和彎曲韌性以免螺紋應(yīng)力集中。然而，此設(shè)計也由于小的桿體直徑而降低了螺栓的極限負載強度。因此，行業(yè)將受益于一種在不犧牲螺栓的整體極限負載強度的條件下減小彎曲應(yīng)力或疲勞應(yīng)力的葉片螺栓設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的特點和優(yōu)勢將在以下描述中部分地陳述，或者可從描述而變得明顯，或者可通過本發(fā)明的實踐獲悉。根據(jù)本發(fā)明的多個方面，提供了一種具有多個渦輪機葉片的風力渦輪機。各個葉片均具有圓形的根部凸緣，其通過多個周向間隔開的葉片螺栓而附接在轉(zhuǎn)子輪轂的圓形凸緣上。螺栓具有圓柱形的末端部分，其分別接合在葉根凸緣和轉(zhuǎn)子輪轂凸緣中。在一個特殊的實施例中，這些末端部分是帶螺紋的。非圓柱形的桿體在圓柱形的末端部分之間延伸， 并且包括沿著螺栓的縱向軸線而限定的至少一個扁平側(cè)面。在一個特殊的獨特實施例中， 桿體具有沿著螺栓的縱向軸線位于平行平面中的相對朝向的扁平側(cè)面。同圓形的桿體部分 (全直徑或減小的直徑)相比，如本文更詳細論述的那樣，此獨特的桿體剖面為螺栓提供了有利的負載和疲勞特征。應(yīng)該懂得，本發(fā)明不需要所有將渦輪機葉片連接到轉(zhuǎn)子輪轂上的葉片螺栓都必須如本文所述進行構(gòu)造。本發(fā)明包含其中至少一個葉片螺栓符合本發(fā)明的方面的任何結(jié)構(gòu)。在一個特殊的實施例中，葉片螺栓旋轉(zhuǎn)地定位成使得扁平側(cè)面與軸線對齊，該軸線在螺栓的相應(yīng)位置處與葉根凸緣或轉(zhuǎn)子輪轂凸緣相切。在其中桿體具有相對朝向的扁平側(cè)面的實施例中，桿體可具有成圓角的側(cè)邊緣。 桿體具有在側(cè)邊緣之間測量的直徑和垂直于扁平側(cè)面測量的厚度。螺栓可形成為(同機械加工相比)使得桿體部分的直徑大致與螺栓的全輥徑相等。在其它實施例中，可減小桿體的直徑。桿體部分的直徑和厚度可被限定，以便取得各種疲勞和極限負載強度剖面。例如， 在給定的桿體直徑(例如全輥徑)下，可限定桿體厚度(在扁平側(cè)面之間進行測量)，以提高螺栓的疲勞強度，而無需使極限負載強度減少超過限定的數(shù)量，該數(shù)量可能是零，小于 5%，小于10%，或任何其它限定值。在一個備選實施例中，在給定的桿體直徑(例如全輥徑)下，可限定桿體厚度，以提高螺栓的極限負載強度，而不會使疲勞強度減少超過限定的數(shù)量，該數(shù)量可能是零，小于5%，小于10%，或任何其它限定值。在獨特的實施例中，在給定的桿體直徑下限定桿體厚度，以便最大化螺栓的疲勞強度，而不會減小極限負載強度，或者最大化極限負載強度而不會減小疲勞強度。在參照以下描述和所附權(quán)利要求的條件下，本發(fā)明的這些以及其它的特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解。結(jié)合在本說明書中并組成本說明書的一部分的附圖顯示了本發(fā)明的實施例，并且與細節(jié)描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。


在參照附圖的說明書中為本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員闡述了本發(fā)明的完整且能夠?qū)嵤┑陌l(fā)明公開，包括其最佳模式，其中圖1是傳統(tǒng)的風力渦輪機的透視圖；圖2是轉(zhuǎn)子輪轂的一個實施例的放大的透視圖，其特別圖示了轉(zhuǎn)子輪轂凸緣；圖3是渦輪機葉片的根部凸緣的放大的透視圖，其顯示了傳統(tǒng)的葉片螺栓；圖4是具有扁平側(cè)面的葉片螺栓的概略頂視圖；圖5是圖4的螺栓的概略側(cè)視圖；圖6-8描繪了葉片螺栓的桿體部分的各種橫截面剖面圖；圖9是轉(zhuǎn)子輪轂或根凸緣的概略正視圖，其特別顯示了扁平化的葉片螺栓的旋轉(zhuǎn)位置；圖10是各種葉片桿體剖面的概略圖，其顯示了各種直徑和厚度尺寸；且圖11是基于圖10各種剖面的計算結(jié)果的表。零部件列表10風力渦輪機12 塔架14 機艙15發(fā)電機16渦輪機葉片18轉(zhuǎn)子輪轂20主凸緣22轉(zhuǎn)子軸24 軸承28 底座30齒輪箱
32收縮聯(lián)接器
34螺距控制
50轉(zhuǎn)子凸緣
52轉(zhuǎn)子輪轂凸緣
54葉片螺栓(傳統(tǒng))
55葉片螺栓
56圓柱形的末端部分
58螺紋
60桿體部分
61軸線
62扁平側(cè)面
64直徑
66側(cè)面
68厚度
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細參考本發(fā)明的實施例，圖中顯示了其一個或更多示例。各個示例是作為本發(fā)明的說明，而非本發(fā)明的限制而提供的。實際上，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會懂得，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的條件下可在本發(fā)明中做出各種修改和變化。例如，作為一個實施例的一部分而被顯示或被描述的特征可供另一實施例使用，從而產(chǎn)生又一實施例。因而，只要其落入所附權(quán)利要求及其等價物的范圍內(nèi)，則本發(fā)明意圖包含這種修改和變化。圖1顯示了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的風力渦輪機10。風力渦輪機10包括塔架12，且機艙14安裝在塔架上。多個渦輪機葉片16安裝在轉(zhuǎn)子輪轂18上，轉(zhuǎn)子輪轂18又連接在使主轉(zhuǎn)子軸 22旋轉(zhuǎn)的主凸緣20上。主轉(zhuǎn)子軸22相對于底座觀由軸承M支撐。在軸的前端處，主凸緣20附接到軸22上并與轉(zhuǎn)子輪轂18相連接。主轉(zhuǎn)子軸22的相對端通過收縮聯(lián)接器32 而聯(lián)接在齒輪箱30上。齒輪箱30通過高速軸(未顯示)連接在發(fā)電機15上。葉片16將風的動力通過軸22和齒輪箱30轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機械能，以便通過發(fā)電機15產(chǎn)生電力。圖1的視圖只是為說明性的目的而提供的，以便將本發(fā)明應(yīng)用于合適的使用領(lǐng)域。應(yīng)該懂得，圖1的結(jié)構(gòu)是并非限制性的，而且本發(fā)明可與任何風力渦輪機結(jié)構(gòu)一起使用。圖2顯示了帶有多個轉(zhuǎn)子輪轂凸緣52的轉(zhuǎn)子輪轂18。渦輪機葉片16 (圖1)包括圓形的根部凸緣50 (圖幻，其通過本領(lǐng)域中已知的多個葉片螺栓M而附接到相應(yīng)的轉(zhuǎn)子輪轂凸緣52上。圖3顯示了葉片螺栓M的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中各個螺栓均包括帶螺紋的圓柱形末端部分56和直徑減小的圓柱形的桿體部分60。圖3是為顯示葉片螺栓M的定向和位置的目的而提供的。圖4到圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的多個方面的葉片螺栓55的實施例。螺栓55具有圓柱形的末端部分56，其構(gòu)造成通過傳統(tǒng)手段而分別與轉(zhuǎn)子輪轂凸緣52以及葉根凸緣50 構(gòu)成物理接合。例如，在一個特殊的實施例中，各個圓柱形的末端部分56均包括螺紋58，用于與相應(yīng)的凸緣的螺紋接合。在備選實施例中，末端部分可構(gòu)造用于在相應(yīng)的凸緣內(nèi)任何
6其它合適的接合。非圓柱形的桿體部分60位于圓柱形的末端部分56的中間。桿體區(qū)域60包括沿著螺栓55的縱向軸線61而限定的至少一個“扁平”側(cè)面。應(yīng)該懂得，用語“扁平”在本文用于描述在單個平面中不一定平坦的剖面(如圖6中所示)，但代表桿體部分60的限定的側(cè)面，其具有同圓柱形的橫截面桿體的一致半徑相比不同的剖面。換句話說，桿體的側(cè)面看起來已經(jīng)從一致半徑的桿體圓柱體上除去了一部分材料，使得產(chǎn)生減小的或“扁平的”剖面 62，其可能是平坦的、曲線型的、鋸齒形的等等。圖6、圖7和圖8顯示了桿體部分60的各種實施例，其具有帶至少一個扁平側(cè)面 62的剖面。在圖6中，相對朝向的側(cè)面62是平坦的，并且位于平行的平面中。在圖7中，側(cè)面62具有輕微凸起的形狀。在圖8中，側(cè)面62具有輕微凹陷的形狀。因而應(yīng)該懂得，用語 “扁平”指側(cè)面62同圓柱形的橫截面的一致半徑相比減小的外觀。參看圖5到圖8，在所示的實施例中，桿體部分60具有成圓角的側(cè)邊緣66。這些側(cè)邊緣66可具有與圓柱形的末端部分56相同的曲率半徑。具體地說，在形成螺栓55的一個實施例中，在成圓角的邊緣66之間測量的直徑64(圖4)通常等于螺栓的名義輥徑。參看圖5，扁平側(cè)面62限定了垂直于扁平側(cè)面進行測量的桿體部分60的厚度參數(shù)68。還應(yīng)該容易理解的是，本發(fā)明包含機械加工的螺栓55，其中成圓角的邊緣的直徑 64被限定于任何所需的尺寸。風力渦輪機葉片16經(jīng)歷圍繞中性軸線的彎曲應(yīng)力，中性軸線與圓形的根部凸緣 50相切。本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過從桿體部分60除去離此彎曲軸線最遠的材料可減小螺栓 55中引起的彎曲應(yīng)力，其甚至可比擬傳統(tǒng)螺栓中形成的直徑減小的桿體。如以下參照圖10 和圖11更詳細論述的那樣，這種在彎曲應(yīng)力方面的減小可在不犧牲螺栓的極限負載強度的條件下實現(xiàn)。同直徑減小的傳統(tǒng)桿體相比，申請人還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過沿著中性軸線增加材料，可增加螺栓的負載強度，而不會犧牲疲勞強度。換另一方式考慮，不需要沿著中性軸線減小桿體部分60的直徑，但垂直于軸線的桿體部分60的側(cè)面可扁平化或減小。圖9描繪了具有桿體部分60的多個螺栓55，桿體部分60帶有相對朝向的扁平側(cè)面62。螺栓旋轉(zhuǎn)地定向成使得在圍繞凸緣50 (或5 的各個螺栓位置上，各個螺栓55的扁平側(cè)面62位于彎曲的中性軸線63上，該軸線63在螺栓位置上與凸緣相切。應(yīng)該懂得，可選擇桿體部分的直徑64和厚度68的相對尺寸，從而取得某些期望的負載和疲勞強度特征。例如，在給定的桿體部分60的直徑(例如名義輥徑)下，可選擇限定在扁平側(cè)面62之間的厚度尺寸68，從而在沒有減小螺栓的極限負載強度的條件下增加螺栓的疲勞強度。在這點上，可限定厚度，從而在沒有減小極限負載強度的條件下最大化螺栓的疲勞強度。在一個備選實施例中，在相同的給定直徑下，可限定厚度尺寸68，從而在沒有減小疲勞強度的條件下增加螺栓的極限負載強度。例如，可限定厚度，從而在沒有減小疲勞強度的條件下最大化螺栓的極限負載強度。在又一備選實施例中，在給定的直徑尺寸64下，可限定厚度尺寸68，從而在使極限負載強度減少不超過一定量，例如不超過大約5 %的條件下增加螺栓的疲勞強度。在這點上，可限定厚度尺寸，從而在使螺栓的極限負載強度減少不超過一定量，例如大約1 %的條件下使螺栓的疲勞強度增加最小量，例如10%。在又另一備選實施例中，在給定的桿體部分60的直徑尺寸64下，可限定厚度尺寸68，從而在使疲勞強度減少不超過一定量，例如不超過大約10%的條件下增加螺栓的極限
負載強度。圖10和圖11顯示了本文所述的螺栓55的某些特征。圖10顯示了葉片螺栓的三個簡圖。第一簡圖顯示了傳統(tǒng)的直徑減小的葉片螺栓，其具有大約23. Imm的桿體直徑A。 第二簡圖顯示了具有大約27. 7mm的全名義輥徑的螺栓。圖10中的第三簡圖顯示了根據(jù)本發(fā)明的多個方面制成的葉片螺栓，其具有與27. 7mm的全名義直徑相等的桿體部分直徑A， 以及扁平的桿體厚度值B，其具有圖11的表中顯示的值。圖10還顯示了中性彎曲軸線63。圖11是顯示了某些計算的表，其反映了扁平側(cè)面桿體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。圖11的第一列與傳統(tǒng)的直徑減小的螺栓桿體相關(guān)，其中螺栓的全名義直徑已經(jīng)從27. 7mm減小至23. Imm0 這種直徑減小的剖面提供了 419mm2的桿體面積和1. 40的總疲勞指數(shù)。此桿體剖面可被認為是用于本比較目的的“控制”。因此，對于該剖面的疲勞強度的增加和極限強度的增加都被設(shè)于0%。第二列11顯示了桿體剖面的全直徑，其產(chǎn)生了 602. 6mm2的橫截面積及2. 17 的總疲勞指數(shù)。同控制剖面相比，該剖面產(chǎn)生了大約43. 8%的極限強度的增加，但同控制剖面相比使疲勞強度減小了 35.4%。圖11中接下來的三列顯示了提供具有扁平側(cè)平面的全名義直徑的桿體部分的各種結(jié)果。在第三列中，扁平側(cè)面的厚度尺寸B是16. 0mm。該剖面產(chǎn)生了 1. M的總疲勞指數(shù)，同控制剖面相比疲勞強度增加了 13. 1%，并且同直徑減小的控制剖面相比極限強度只減小了 0. 5%。圖11中的第四列描繪了 18mm的厚度尺寸B，其產(chǎn)生了 460mm2的橫截面積。該剖面產(chǎn)生了 1. 41的總疲勞指數(shù)，同控制剖面相比極限強度增加了 9. 8%，且在疲勞強度只減小了 0. 9%。圖11中的下一列顯示了使桿體部分的厚度尺寸B增加至大約19. 4mm的結(jié)果，其提供了 489mm2的桿體部分的橫截面積和1. 54的總疲勞指數(shù)。同直徑減小的控制剖面相比， 該剖面導致極限強度增加大約16. 7%，但疲勞強度的損失為大約9. 0%。圖11中的第六列顯示了其中厚度尺寸B經(jīng)過選擇，從而在同直徑減小的控制剖面相比沒有減小螺栓極限強度的條件下最大化疲勞強度的一個實施例。在這個實施例中，厚度尺寸被設(shè)于16. 1mm，其同直徑減小的控制剖面相比導致了大約12. 5%的疲勞強度的增加，而極限強度沒有任何減小。圖11中的最后列顯示了其中厚度尺寸B經(jīng)過選擇，從而在沒有損失疲勞強度的條件下最大化極限強度的一個實施例。在這個實施例中，厚度尺寸B被限定于17. 9mm，其同直徑減小的控制剖面相比導致了大約9. 的極限強度的增加，而疲勞強度沒有任何損失。雖然已經(jīng)參照其具體的示例性實施例和方法而詳細描述了本主題發(fā)明，但是應(yīng)該懂得，本領(lǐng)域技術(shù)人員在獲得前文的理解后可以很容易對這種實施例做出變更、變化和等效物。因此本發(fā)明公開的范圍是作為示例而非限制而提供的，并且本發(fā)明公開不排除包含本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員容易領(lǐng)會的這些對本主題的變更、變化和/或增加。
權(quán)利要求
1.一種風力渦輪機(10)，包括多個渦輪機葉片(16)，各個所述葉片均具有根部凸緣(50)，所述根部凸緣(50)通過多個周向間隔開的葉片螺栓(50)而附接在轉(zhuǎn)子輪轂(18)的凸緣(52)上；各個所述葉片螺栓均包括相對的圓柱形的末端部分(56)，其分別接合在所述轉(zhuǎn)子輪轂凸緣和所述葉根凸緣內(nèi)；在所述圓柱形的末端部分之間延伸的非圓柱形的桿體(60)；和沿著所述螺栓的縱向軸線在所述桿體中限定的至少一個扁平側(cè)面(62)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，所述桿體(60)包括相對朝向的扁平側(cè)面(62)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，所述扁平側(cè)面(6 沿著所述螺栓的縱向軸線位于平行的平面中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，所述螺栓(50)旋轉(zhuǎn)地定位成使得所述扁平側(cè)面(6 與軸線(6 對齊，所述軸線(6 在相應(yīng)的所述螺栓的各個位置上與所述轉(zhuǎn)子輪轂凸緣(5 相切。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，所述桿體(60)具有成圓角的側(cè)邊緣(66)，所述側(cè)邊緣(66)具有在所述側(cè)邊緣之間測量的直徑(64)和垂直于所述扁平側(cè)面測量的厚度(68)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，在所述給定的直徑(64)下， 限定所述厚度(68)以便在不減小極限負載強度的條件下增加所述螺栓(50)的疲勞強度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，在所述給定的直徑(64)下， 限定所述厚度(68)以便在不減小極限負載強度的條件下最大化所述螺栓(50)的疲勞強度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，形成所述螺栓(50)，并且所述給定的直徑(64)大致等于所述螺栓(50)的名義輥徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，在所述給定的直徑(64)下， 限定所述厚度(68)以便在不減小疲勞強度的條件下增加所述螺栓(50)的極限負載強度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，在所述給定的直徑(64)下， 限定所述厚度(68)以便在不減小疲勞強度的條件下最大化所述螺栓(50)的極限負載強度。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，形成所述螺栓(50)，并且所述給定的直徑(64)大致等于所述螺栓的名義輥徑。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，形成所述螺栓(50)，并且所述給定的直徑(64)大致等于所述螺栓的名義輥徑，并且其中在所述給定的直徑下，限定所述厚度(68)以便在極限負載強度減小不超過大約5.0%的條件下增加所述螺栓的疲勞強度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，限定所述厚度(68)，以便在極限負載強度減小不超過大約1. 0%的條件下使所述螺栓(50)的疲勞強度增加至少10%。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，形成所述螺栓(50)，并且所述給定的直徑(64)通常等于所述螺栓的名義輥徑，并且其中，在所述給定的直徑下，限定所述厚度(68)以便在疲勞強度減小不超過大約10.0%的條件下增加所述螺栓的極限負載強度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的風力渦輪機(10)，其特征在于，限定所述厚度(68)，從而在疲勞強度減小不超過大約1.0%的條件下使所述螺栓的極限負載強度增加至少10%。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶有扁平螺栓的風力渦輪機葉片連接結(jié)構(gòu)，具體而言，一種風力渦輪機(10)包括多個渦輪機葉片(16)，且各個葉片均具有根部凸緣(50)，根部凸緣(50)通過多個周向間隔開的葉片螺栓(55)而附接在轉(zhuǎn)子輪轂(18)的凸緣(52)上。葉片螺栓具有相對的圓柱形的末端部分(56)和在圓柱形的末端部分之間延伸的非圓柱形的桿體(60)，末端部分分別接合在轉(zhuǎn)子輪轂凸緣和葉根凸緣中。在桿體中沿著螺栓的縱向軸線限定了至少一個扁平側(cè)面(62)。
文檔編號F03D1/06GK102287320SQ201110175570
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月17日
發(fā)明者E·M·雅各布森 申請人:通用電氣公司