专利名称：改进的柱体螺母的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的柱体螺母(barrel nut)，并且具体地涉及一种用于风力涡 轮机转子叶片的改进的柱体螺母。
背景技术：
除风力涡轮机转子叶片的气动设计之外，转子叶片的品质和重量基本上由叶片与 转子轮毂的连接设计即叶片根部区段的设计所确定。造成叶片与转子轮毂的连接设计成 为一项困难事项的是，将负载从转子叶片的纤维复合材料结构传递到转子轮毂的金属结构 中。由于所涉及材料的性质完全不同，故这种负载传递原则上较为困难。用于将转子叶片 附接到轮毂上的已知技术为在叶片根部与轮毂之间形成螺母与螺栓的连接。柱体螺母通常 用于固定螺栓。 通常，使用圆柱形的柱体螺母来固定螺栓。这些已知的柱体螺母较大且很重，并且 增大了必须由风力涡轮机的轴承和塔架所支承的总重量。此外，使用了大量材料来制造螺 母，且相当程度地增加了在大型公用级风力涡轮机中的材料成本。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种柱体螺母，其具有适于与紧固件的阳螺纹部 分相接合的内部阴螺纹部分。柱体螺母包括承载面以及与承载面相反的顶面。侧壁面大致 介于承载面与顶面之间。侧壁面具有成形为以便减少在制造柱体螺母中所使用材料的轮廓。 根据本发明的另一个实施例，提供了一种具有至少一个柱体螺母的风力涡轮机， 并且柱体螺母具有适于接合紧固件的阳螺纹部分的内部阴螺纹部分。该柱体螺母包括承载 面以及与承载面相反的顶面。侧壁面大致介于承载面与顶面之间。侧壁面具有成形为以便 减少在制造柱体螺母中所使用材料的轮廓。
在余下说明中包括参照附图，向本领域的普通技术人员更为具体地阐述了本发明
的完整和能够实现的公开内容(包括其最佳模式)，在附图中 图1为风力涡轮机的简图。
图2为风力涡轮机转子叶片的前视图。
图3为风力涡轮机转子叶片的法兰区段的视图。 图4为根据本发明实施例的叶片根部的侧视图。 图5为根据本发明实施例的法兰区段中的T形螺栓的截面图。 图6为根据本发明实施例的位于叶片根部与转子轮毂的法兰部分之间的T形螺栓
连接的截面图。 图7示出了根据本发明实施例的紧固螺栓。
图8为根据本发明实施例的位于叶片根部与转子轮毂的法兰部分之间的T形螺栓 连接的侧视图。 图9为根据本发明实施例的位于叶片根部与转子轮毂的法兰部分之间的螺母与 螺栓连接的截面图。 图10为根据本发明另一实施例的位于叶片根部与转子轮毂的法兰部分之间的螺 母与螺栓连接的截面图。 图11为根据本发明又一实施例的位于叶片根部与转子轮毂的法兰部分之间的螺
母与螺栓连接的截面图。 零件清单 IOO风力涡轮机 110塔架 120机舱 130轮毂 140叶片 142根部区段 144主体区段 146尖部端 310叶片法兰 320开口 422开口 424开口 432纵向孔洞 434纵向孔洞 442径向孔洞 444径向孔洞 610轮毂法兰 612通孔 620柱体螺母 630螺栓 632螺栓螺纹 634头部区段或柱体螺母 636轴 730螺栓 732螺栓螺纹 734头部区段或柱体螺母 736轴 920柱体螺母 940柱体螺母 1020柱体螺母
1040柱体螺母
1120柱体螺母
1140柱体螺母
具体实施例方式
现将更为详细地参照本发明的各个示例性实施例，在附图中示出了其中的一个或 多个实例。各个实例通过举例的方式提供而非意在对本发明进行限制。例如，示为或描述 为一个实施例的一部分的特征可用于其它实施例或结合其它实施例来使用，以产生又一个 实施例。本发明意图包括此类修改和变型。 图1为常规风力涡轮机100的简图。风力涡轮机100包括塔架IIO，机舱120安装 在塔架110的顶端处。承载三个转子叶片140的轮毂130安装到机舱120的横向端上。
图2中示出了转子叶片140的基本构造。其中，转子叶片140包括根部区段142， 其用于将转子叶片140安装到轮毂130上。与根部区段142相反，设置的是转子叶片140 的尖部端146。转子叶片140的主体区段144在根部区段142与尖部端146之间延伸。
接下来，参照图3至图6论述根部区段142的设计，且尤其是根部区段法兰部分的 设计。 图3示出了在从下方即从根部区段142至转子叶片的尖部146观测时转子叶片的 叶片法兰310。法兰区段310具有基本上为圆环形的截面。叶片法兰310还包括对应于纵 向孔洞(未示出)的许多开口 320。开口 320具有一定宽度WL，并且沿法兰区段310的圆 周方向以一定距离DH均匀地间隔开。当转子叶片140安装到转子轮毂130上时，紧固螺栓 插入到纵向孔洞中，作为一个实例，以形成如下文将更为详细论述的螺栓连接。
图4示出了叶片根部142的侧视图。其中，示出了径向孔洞442， 444提供在叶片根 部区段中。这些径向孔洞442,444构造成用以收容T形螺栓连接的横螺栓(cross-bolt)。 纵向孔洞432，434(以虚线示出)从径向孔洞442,444延伸至叶片的轮毂端310。在轮毂端 处，纵向孔洞432,434提供了开口 422，424，紧固螺栓可经由开口 422，424插入。如图4中 所示，径向孔洞沿叶片根部142的圆周布置。然而，径向孔洞可分为邻近叶片的轮毂端的第 一组孔洞442，以及定位成远离该轮毂端的第二组孔洞444。换句话说，第一组径向孔洞442 与叶片的轮毂端310间隔开较小的纵向距离S，而第二组径向孔洞444与轮毂端310间隔开 较长的纵向距离L。相对应的是，纵向孔洞也分成了从叶片的轮毂端310仅延伸较小的纵 向距离S的第一组432，以及从轮毂端310延伸较长的纵向距离L的第二组434。因此，第 一组径向孔洞442通过较长纵向距离与较短纵向距离之间的差距L-S来与第二组径向孔洞 444纵向地间隔开。 一般而言，该距离L-S在径向孔洞直径WR的0. 5倍至10倍的范围内， 优选的是在1倍至3倍的范围内。作为备选或此外，距离L-S可在较长的纵向距离L的1 % 至60%的范围内，优选的是在5%至40% ，更为优选的是10%至30% 。如图4中所示，径向 孔洞可交替地选自第一组442和第二组444。因此，具有足量根部叠层(laminate)的距离 Dl提供在相邻的第一组径向孔洞442与第二组径向孔洞444之间。结果，周向间距DH(见 图3)可縮小，以便对于给定的根部直径可提供更多的螺栓连接。 在上述实施例中，分别将径向孔洞的直径WR和纵向孔洞的直径WL选择成相同的。 另外，提供了距轮毂端310仅有单个较小的纵向距离S以及距轮毂端310仅有单个较长的
5纵向距离L。然而，应当理解的是，也可利用变化值的径向孔洞直径WR或纵向孔洞直径WL来实现本发明。同样，只要遵循两个相邻的径向孔洞根据根部叠层裕度充分地间隔开，便可提供多个较小和较长的纵向距离。 图5为沿图4中的线A-A'的叶片根部142法兰区段的纵向截面图。纵向孔洞432基本上定位在转子叶片壁的外侧壁面与内侧壁面之间的中间位置。此外，径向孔洞442提供在侧壁中，位于纵向孔洞432的一端。在相反端处，纵向孔洞432和434在叶片法兰中分别具有开口 422和424。当转子叶片140安装到转子轮毂130上时，柱体螺母插入径向孔洞442,444中，以形成与插入纵向孔洞432的紧固螺栓的连接，这将参照图6在下文中进行更为详细的描述。 图6为在根部区段142与转子轮毂130的法兰610之间形成的螺母与螺栓的连接的截面图。柱体螺母620插入径向孔洞442中。柱体螺母620包括具有阴螺纹的中央开口。该开口与纵向孔洞432的位置对齐。此外，转子轮毂130的法兰610邻接抵靠法兰区段310的下表面。轮毂法兰610具有通孔612，该通孔612的尺寸形成为与叶片法兰310的纵向孔洞432相配合。通孔612和纵向孔洞432彼此对齐，使得紧固螺栓630可插入通孔612和纵向孔洞432中。紧固螺栓630包括与柱体螺母620的阴螺纹相配合的阳螺纹632。紧固螺栓630通过螺旋紧固来固定到柱体螺母620上，以便形成螺母_螺栓连接。在螺栓630的相反端处还可采用柱体螺母640。因此，转子叶片140可固定到转子轮毂130上。
尽管参照较短的纵向孔洞432描述了转子叶片与轮毂之间的螺母-螺栓连接的构造，但应当理解的是，用于较长纵向孔洞434的构造除了纵向孔洞的纵向延伸程度外基本上都是相同的。具体而言，根据本发明的一个实施例，螺母-螺栓连接的构造分别对于较长的孔洞和较短的孔洞而言，区别仅在于纵向孔洞和对应紧固螺栓的纵向长度。
在上文所述的螺栓连接布置中，转子轮毂的法兰310、柱体螺母620和紧固螺栓630通常由钢制成。通常，叶片法兰310由纤维增强的基体制成。例如，叶片法兰的纤维增强基体为包括嵌入基体材料中的玻璃纤维和/或碳纤维的材料。例如，基体材料选自环氧树脂、酚醛型环氧树脂、类似于环氧树脂、酚醛型环氧树脂、聚酯、聚酰亚胺的縮合型和加成型热固性树脂、酚醛树脂以及双马来酰亚胺的组合。根据利用基体材料的特定技术目的，可选择这些树脂的任何一种。具体而言，应当相对于特定的纤维增强来选择树脂系统，用于产生具有期望机械性能和环境性能的成品混合纤维增强的零件。在树脂中混合硬化剂/催化剂之后，通常使树脂在真空下脱气，以从液体树脂中消除或除去所有的截留空气。因此，树脂应当能够经受热量和时间的真空压力循环环境，而不形成气泡和空隙。在这样的基体材料中，嵌入了碳纤维和/或玻璃纤维，且碳纤维和/或玻璃纤维通常以纤维层的形式提供。然而，纤维还可采用非织造织物或粗纺织物的形式提供。 图7示出了根据本发明实施例的紧固螺栓。在图7的左手边，示出了短型紧固螺栓630。较短的紧固螺栓630适用于插入较短的纵向孔洞432中。较短的紧固螺栓630包括头部区段634、短轴636，以及与头部区段相反的阳螺纹端部632。阳螺纹端部部分632适于旋入柱体螺母620的阴螺纹中。轴部636具有较短的长度LS，其尺寸形成为在纵向孔洞432的较短长度S和轮毂法兰的通孔612上延伸。在备选实施例中，头部区段634可包括具有阴螺纹的柱体螺母，该柱体螺母可紧固到轴636的螺纹端部上。作为备选，头部区段634可与轴636 —体形成。在此情形中，头部区段634可形成为六角螺母。
在图7的右手边，示出了长型紧固螺栓730。其基本构造与短型螺栓630相同。较长的紧固螺栓730包括头部区段734、短轴736，以及与头部区段相反的阳螺纹端部732。正如较短的螺栓630 —样，柱体螺母可用在阳螺纹端部732和/或头部区段734上。
图8为根据本发明实施例的位于叶片根部142与转子轮毂的法兰部分610之间的螺母_螺栓连接的侧视图。在这种螺母_螺栓连接中，柱体螺母620可插入径向孔洞442，444中，且它们的阴螺纹开口面对纵向孔洞432， 434。此外，柱体螺母620还可用于螺栓630和螺栓730的头部区段上。较短的纵向紧固螺栓630和较长的纵向紧固螺栓730分别插入在较短的纵向孔洞432和较长的纵向孔洞434以及轮毂法兰610的对应通孔612中。在本发明的一个实施例中，柱体螺母紧固紧固螺栓630和730。在有些情形中，柱体螺母620和紧固螺栓630，730可在制造期间预先安装在转子叶片中。在此情形中，紧固螺栓630，730在两端侧上具有阳螺纹部分。然后，转子叶片在施工地点安装到轮毂法兰上，即，从开口 420伸出的紧固螺栓630,730的端部插入在轮毂法兰610的通孔612中。随后，通过将柱体螺母紧固到紧固螺栓的阳螺纹端部上，可从轮毂内侧完成螺母_螺栓连接。
柱体螺母620可用于螺栓630， 730的一端或两端。柱体螺母可包括大量材料，而在一个实例中，对于各螺母可使用大约七磅钢材。各叶片均需要一些柱体螺母，并且公用级风力涡轮机通常每个涡轮都具有两个或三个叶片。这导致在各风力涡轮机中使用大量的柱体螺母。有利的是，减小各柱体螺母的重量用于降低成本(使用较少材料)和用于减小应力(较小重量)。 图9示出了根据本发明一个方面的在根部区段142与转子轮毂130的法兰610之间形成的螺母与螺栓连接的截面图。柱体螺母920插入在径向孔洞442中。柱体螺母920包括具有阴螺纹的中央开口。此外，转子轮毂130的法兰610邻接抵靠法兰区段310的下表面。紧固螺栓630包括与柱体螺母920的阴螺纹相配合的阳螺纹。紧固螺栓630通过螺旋紧固来固定到柱体螺母920上，以便形成螺母_螺栓连接。柱体螺母940还可用于螺栓630的相反端处。因此，转子叶片140可固定到转子轮毂130上。 如图9中的虚线所指出，柱体螺母920和940已移除其上的部分材料。例如，根据本发明的一个实施例，可移除包括各柱体螺母的材料的大约三分之一或更多。从常规圆柱形的柱体螺母上可切除直线形状、曲线形状、阶梯形状或复合形状，以获得具有较少材料的改进的柱体螺母。通过使用较少材料，可降低成本。风力涡轮机中使用了许多柱体螺母，故可显著地节省成本。此外，改进的柱体螺母920,940具有减小的重量，这会减小由风力涡轮机构件所经受的应力。减小重量的好处在于，可延长单独的风力涡轮机构件的使用寿命。
图10示出了根据本发明另一个方面的在根部区段142与转子轮毂130的法兰610之间形成的螺母与螺栓连接的截面图。柱体螺母1020和1040具有阶梯状轮廓。图ll示出了根据本发明又一个方面的螺母与螺栓连接的截面图。柱体螺母1120和1140具有弯曲轮廓部分或曲线轮廓部分。本文所述的所有实施例提供了具有减少的材料的柱体螺母。
成角度的、弯曲的或阶梯状的切口可设计成不引起在螺栓疲劳的连结刚度比率方面的显著变化，因为承载区域仍为接触区域的大约98+%。从柱体螺母上除去的区域具有低于平均水平的压力。柱体螺母将不会存在任何显著的强度减弱，因为临界点为穿过螺纹孔的截面。弯矩也会随着远离孔口边缘而急剧降低，故期望具有最小的刚度变化。选择阶梯状切口几乎会完全消除叠层剪应力集中，这是因为总是保持了 180度的柱体螺母承载区
7域。 已经示出了许多不同的柱体螺母形状，然而应当理解到，柱体螺母的减少的材料区段可围绕整个螺母延伸，或仅围绕螺母的一部分延伸。例如，图9中的成角的切口可围绕螺母延伸360度，或者其可定位成分布在螺母的一侧或两侧中。可同时使用多种构造的柱体螺母(例如，如图9中所示的成角的切口螺母920可如图10中所示的阶梯状螺母1040那样用于相同的风力涡轮机中)。 本书面描述使用了实例来公开包括有最佳模式的本发明，并且还使任何本领域的技术人员能够制造和使用本发明。尽管已根据各种具体实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将认识到，本发明可利用在权利要求的精神和范围内进行的修改来实施。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所想到的其它实例。如果这些其它的实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差别的同等结构元件，则确定这些实例落在权利要求的范围之内。
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权利要求
一种柱体螺母(920，940)，包括适于接合紧固件(630)的阳螺纹部分的内部阴螺纹部分；承载面和与所述承载面相反的顶面；大致介于所述承载面与所述顶面之间的侧壁面；其中，所述侧壁面具有成形为以便减少在制造所述柱体螺母中所使用材料的轮廓。
2. —种具有至少一个柱体螺母(920)的风力涡轮机，所述柱体螺母包括 适于接合紧固件的阳螺纹部分的内部阴螺纹部分； 承载面和与所述承载面相反的顶面； 大致介于所述承载面与所述顶面之间的侧壁面；其中，所述侧壁面具有成形为以便减少在制造所述柱体螺母中所使用材料的轮廓。
3. 根据前述权利要求中任何一项所述的柱体螺母，其特征在于，所述轮廓在所述顶面 与所述承载面之间大致线性地延伸。
4. 根据前述权利要求中任何一项所述的柱体螺母，其特征在于，所述轮廓在所述顶面 与所述承载面之间大致阶梯状地延伸。
5. 根据前述权利要求中任何一项所述的柱体螺母，其特征在于，所述轮廓在所述顶面 与所述承载面之间大致曲线地延伸。
6. 根据前述权利要求中任何一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述柱体螺母用于 紧固风力涡轮机构件。
7. 根据前述权利要求中任何一项所述的柱体螺母，其特征在于，所述柱体螺母用于将 叶片紧固到风力涡轮机的轮毂上。
全文摘要
本发明涉及改进的柱体螺母。具体而言，提供了一种柱体螺母(920，940)，其具有适于接合紧固件的阳螺纹部分的内部阴螺纹部分。柱体螺母包括承载面以及与承载面相反的顶面。侧壁面大致介于承载面与顶面之间。侧壁面具有成形为以便减少在制造柱体螺母中所使用材料的轮廓。
文档编号F03D11/00GK101776116SQ20091022447
公开日2010年7月14日 申请日期2009年11月18日 优先权日2008年11月18日
发明者E·M·雅各布森, R·A·哈迪森 申请人:通用电气公司