专利名称：带有扁平螺栓的风力涡轮机叶片连接结构的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及风力涡轮机的领域，更具体地说涉及涡轮机叶片连接结构。
背景技术：
公用设施级风力涡轮机(即设计成为公用电网提供电功率的风力涡轮机)可能具有相对较大的转子(例如30米或更大直径)和超过100米的转子轮毂高度。施加于这些涡轮机的转子叶片上的极限负载和疲劳应力可能是相当大的。例如水平和垂直的风剪力等作用力、偏航失准、湍流等等会使叶片产生相当大的弯曲，其有助于施加在叶片上的总应力。这方面的关键设计考虑是叶根和转子轮毂之间的接头。传统的接头设计利用周向间隔开的叶片螺栓将叶片固定到转子轮毂上。关于螺栓的基本设计因素是具有相对柔韧的螺栓和刚性的凸缘，从而提高螺栓的疲劳强度。据估计施加于螺栓上的总应力的大约40% -80%是疲劳弯曲应力。这些传统的螺栓典型地具有带螺纹的末端部分，其分别与叶根凸缘和转子轮毂凸缘中的螺纹孔相接合。更先进的风力叶片螺栓设计利用位于带螺纹的末端部分中间的直径减小的杆体部分，从而增加螺栓的轴向韧性和弯曲韧性以免螺纹应力集中。然而，此设计也由于小的杆体直径而降低了螺栓的极限负载强度。因此，行业将受益于一种在不牺牲螺栓的整体极限负载强度的条件下减小弯曲应力或疲劳应力的叶片螺栓设计。
发明内容
本发明的特点和优势将在以下描述中部分地陈述，或者可从描述而变得明显，或者可通过本发明的实践获悉。根据本发明的多个方面，提供了一种具有多个涡轮机叶片的风力涡轮机。各个叶片均具有圆形的根部凸缘，其通过多个周向间隔开的叶片螺栓而附接在转子轮毂的圆形凸缘上。螺栓具有圆柱形的末端部分，其分别接合在叶根凸缘和转子轮毂凸缘中。在一个特殊的实施例中，这些末端部分是带螺纹的。非圆柱形的杆体在圆柱形的末端部分之间延伸， 并且包括沿着螺栓的纵向轴线而限定的至少一个扁平侧面。在一个特殊的独特实施例中， 杆体具有沿着螺栓的纵向轴线位于平行平面中的相对朝向的扁平侧面。同圆形的杆体部分 (全直径或减小的直径)相比，如本文更详细论述的那样，此独特的杆体剖面为螺栓提供了有利的负载和疲劳特征。应该懂得，本发明不需要所有将涡轮机叶片连接到转子轮毂上的叶片螺栓都必须如本文所述进行构造。本发明包含其中至少一个叶片螺栓符合本发明的方面的任何结构。在一个特殊的实施例中，叶片螺栓旋转地定位成使得扁平侧面与轴线对齐，该轴线在螺栓的相应位置处与叶根凸缘或转子轮毂凸缘相切。在其中杆体具有相对朝向的扁平侧面的实施例中，杆体可具有成圆角的侧边缘。 杆体具有在侧边缘之间测量的直径和垂直于扁平侧面测量的厚度。螺栓可形成为(同机械加工相比)使得杆体部分的直径大致与螺栓的全辊径相等。在其它实施例中，可减小杆体的直径。杆体部分的直径和厚度可被限定，以便取得各种疲劳和极限负载强度剖面。例如， 在给定的杆体直径(例如全辊径)下，可限定杆体厚度(在扁平侧面之间进行测量)，以提高螺栓的疲劳强度，而无需使极限负载强度减少超过限定的数量，该数量可能是零，小于 5%，小于10%，或任何其它限定值。在一个备选实施例中，在给定的杆体直径(例如全辊径)下，可限定杆体厚度，以提高螺栓的极限负载强度，而不会使疲劳强度减少超过限定的数量，该数量可能是零，小于5%，小于10%，或任何其它限定值。在独特的实施例中，在给定的杆体直径下限定杆体厚度，以便最大化螺栓的疲劳强度，而不会减小极限负载强度，或者最大化极限负载强度而不会减小疲劳强度。在参照以下描述和所附权利要求的条件下，本发明的这些以及其它的特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并组成本说明书的一部分的附图显示了本发明的实施例，并且与细节描述一起用于解释本发明的原理。
在参照附图的说明书中为本领域中的普通技术人员阐述了本发明的完整且能够实施的发明公开，包括其最佳模式，其中图1是传统的风力涡轮机的透视图；图2是转子轮毂的一个实施例的放大的透视图，其特别图示了转子轮毂凸缘；图3是涡轮机叶片的根部凸缘的放大的透视图，其显示了传统的叶片螺栓；图4是具有扁平侧面的叶片螺栓的概略顶视图；图5是图4的螺栓的概略侧视图；图6-8描绘了叶片螺栓的杆体部分的各种横截面剖面图；图9是转子轮毂或根凸缘的概略正视图，其特别显示了扁平化的叶片螺栓的旋转位置；图10是各种叶片杆体剖面的概略图，其显示了各种直径和厚度尺寸；且图11是基于图10各种剖面的计算结果的表。零部件列表10风力涡轮机12 塔架14 机舱15发电机16涡轮机叶片18转子轮毂20主凸缘22转子轴24 轴承28 底座30齿轮箱
32收缩联接器
34螺距控制
50转子凸缘
52转子轮毂凸缘
54叶片螺栓(传统)
55叶片螺栓
56圆柱形的末端部分
58螺纹
60杆体部分
61轴线
62扁平侧面
64直径
66侧面
68厚度
具体实施例方式现在将详细参考本发明的实施例，图中显示了其一个或更多示例。各个示例是作为本发明的说明，而非本发明的限制而提供的。实际上，本领域技术人员将会懂得，在不脱离本发明的范围或精神的条件下可在本发明中做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分而被显示或被描述的特征可供另一实施例使用，从而产生又一实施例。因而，只要其落入所附权利要求及其等价物的范围内，则本发明意图包含这种修改和变化。图1显示了传统结构的风力涡轮机10。风力涡轮机10包括塔架12，且机舱14安装在塔架上。多个涡轮机叶片16安装在转子轮毂18上，转子轮毂18又连接在使主转子轴 22旋转的主凸缘20上。主转子轴22相对于底座观由轴承M支撑。在轴的前端处，主凸缘20附接到轴22上并与转子轮毂18相连接。主转子轴22的相对端通过收缩联接器32 而联接在齿轮箱30上。齿轮箱30通过高速轴(未显示)连接在发电机15上。叶片16将风的动力通过轴22和齿轮箱30转换成旋转的机械能，以便通过发电机15产生电力。图1的视图只是为说明性的目的而提供的，以便将本发明应用于合适的使用领域。应该懂得，图1的结构是并非限制性的，而且本发明可与任何风力涡轮机结构一起使用。图2显示了带有多个转子轮毂凸缘52的转子轮毂18。涡轮机叶片16 (图1)包括圆形的根部凸缘50 (图幻，其通过本领域中已知的多个叶片螺栓M而附接到相应的转子轮毂凸缘52上。图3显示了叶片螺栓M的传统结构，其中各个螺栓均包括带螺纹的圆柱形末端部分56和直径减小的圆柱形的杆体部分60。图3是为显示叶片螺栓M的定向和位置的目的而提供的。图4到图6显示了根据本发明的多个方面的叶片螺栓55的实施例。螺栓55具有圆柱形的末端部分56，其构造成通过传统手段而分别与转子轮毂凸缘52以及叶根凸缘50 构成物理接合。例如，在一个特殊的实施例中，各个圆柱形的末端部分56均包括螺纹58，用于与相应的凸缘的螺纹接合。在备选实施例中，末端部分可构造用于在相应的凸缘内任何
6其它合适的接合。非圆柱形的杆体部分60位于圆柱形的末端部分56的中间。杆体区域60包括沿着螺栓55的纵向轴线61而限定的至少一个“扁平”侧面。应该懂得，用语“扁平”在本文用于描述在单个平面中不一定平坦的剖面(如图6中所示)，但代表杆体部分60的限定的侧面，其具有同圆柱形的横截面杆体的一致半径相比不同的剖面。换句话说，杆体的侧面看起来已经从一致半径的杆体圆柱体上除去了一部分材料，使得产生减小的或“扁平的”剖面 62，其可能是平坦的、曲线型的、锯齿形的等等。图6、图7和图8显示了杆体部分60的各种实施例，其具有带至少一个扁平侧面 62的剖面。在图6中，相对朝向的侧面62是平坦的，并且位于平行的平面中。在图7中，侧面62具有轻微凸起的形状。在图8中，侧面62具有轻微凹陷的形状。因而应该懂得，用语 “扁平”指侧面62同圆柱形的横截面的一致半径相比减小的外观。参看图5到图8，在所示的实施例中，杆体部分60具有成圆角的侧边缘66。这些侧边缘66可具有与圆柱形的末端部分56相同的曲率半径。具体地说，在形成螺栓55的一个实施例中，在成圆角的边缘66之间测量的直径64(图4)通常等于螺栓的名义辊径。参看图5，扁平侧面62限定了垂直于扁平侧面进行测量的杆体部分60的厚度参数68。还应该容易理解的是，本发明包含机械加工的螺栓55，其中成圆角的边缘的直径 64被限定于任何所需的尺寸。风力涡轮机叶片16经历围绕中性轴线的弯曲应力，中性轴线与圆形的根部凸缘 50相切。本申请人已经发现通过从杆体部分60除去离此弯曲轴线最远的材料可减小螺栓 55中引起的弯曲应力，其甚至可比拟传统螺栓中形成的直径减小的杆体。如以下参照图10 和图11更详细论述的那样，这种在弯曲应力方面的减小可在不牺牲螺栓的极限负载强度的条件下实现。同直径减小的传统杆体相比，申请人还已经发现通过沿着中性轴线增加材料，可增加螺栓的负载强度，而不会牺牲疲劳强度。换另一方式考虑，不需要沿着中性轴线减小杆体部分60的直径，但垂直于轴线的杆体部分60的侧面可扁平化或减小。图9描绘了具有杆体部分60的多个螺栓55，杆体部分60带有相对朝向的扁平侧面62。螺栓旋转地定向成使得在围绕凸缘50 (或5 的各个螺栓位置上，各个螺栓55的扁平侧面62位于弯曲的中性轴线63上，该轴线63在螺栓位置上与凸缘相切。应该懂得，可选择杆体部分的直径64和厚度68的相对尺寸，从而取得某些期望的负载和疲劳强度特征。例如，在给定的杆体部分60的直径(例如名义辊径)下，可选择限定在扁平侧面62之间的厚度尺寸68，从而在没有减小螺栓的极限负载强度的条件下增加螺栓的疲劳强度。在这点上，可限定厚度，从而在没有减小极限负载强度的条件下最大化螺栓的疲劳强度。在一个备选实施例中，在相同的给定直径下，可限定厚度尺寸68，从而在没有减小疲劳强度的条件下增加螺栓的极限负载强度。例如，可限定厚度，从而在没有减小疲劳强度的条件下最大化螺栓的极限负载强度。在又一备选实施例中，在给定的直径尺寸64下，可限定厚度尺寸68，从而在使极限负载强度减少不超过一定量，例如不超过大约5 %的条件下增加螺栓的疲劳强度。在这点上，可限定厚度尺寸，从而在使螺栓的极限负载强度减少不超过一定量，例如大约1 %的条件下使螺栓的疲劳强度增加最小量，例如10%。在又另一备选实施例中，在给定的杆体部分60的直径尺寸64下，可限定厚度尺寸68，从而在使疲劳强度减少不超过一定量，例如不超过大约10%的条件下增加螺栓的极限
负载强度。图10和图11显示了本文所述的螺栓55的某些特征。图10显示了叶片螺栓的三个简图。第一简图显示了传统的直径减小的叶片螺栓，其具有大约23. Imm的杆体直径A。 第二简图显示了具有大约27. 7mm的全名义辊径的螺栓。图10中的第三简图显示了根据本发明的多个方面制成的叶片螺栓，其具有与27. 7mm的全名义直径相等的杆体部分直径A， 以及扁平的杆体厚度值B，其具有图11的表中显示的值。图10还显示了中性弯曲轴线63。图11是显示了某些计算的表，其反映了扁平侧面杆体结构的优点。图11的第一列与传统的直径减小的螺栓杆体相关，其中螺栓的全名义直径已经从27. 7mm减小至23. Imm0 这种直径减小的剖面提供了 419mm2的杆体面积和1. 40的总疲劳指数。此杆体剖面可被认为是用于本比较目的的“控制”。因此，对于该剖面的疲劳强度的增加和极限强度的增加都被设于0%。第二列11显示了杆体剖面的全直径，其产生了 602. 6mm2的横截面积及2. 17 的总疲劳指数。同控制剖面相比，该剖面产生了大约43. 8%的极限强度的增加，但同控制剖面相比使疲劳强度减小了 35.4%。图11中接下来的三列显示了提供具有扁平侧平面的全名义直径的杆体部分的各种结果。在第三列中，扁平侧面的厚度尺寸B是16. 0mm。该剖面产生了 1. M的总疲劳指数，同控制剖面相比疲劳强度增加了 13. 1%，并且同直径减小的控制剖面相比极限强度只减小了 0. 5%。图11中的第四列描绘了 18mm的厚度尺寸B，其产生了 460mm2的横截面积。该剖面产生了 1. 41的总疲劳指数，同控制剖面相比极限强度增加了 9. 8%，且在疲劳强度只减小了 0. 9%。图11中的下一列显示了使杆体部分的厚度尺寸B增加至大约19. 4mm的结果，其提供了 489mm2的杆体部分的横截面积和1. 54的总疲劳指数。同直径减小的控制剖面相比， 该剖面导致极限强度增加大约16. 7%，但疲劳强度的损失为大约9. 0%。图11中的第六列显示了其中厚度尺寸B经过选择，从而在同直径减小的控制剖面相比没有减小螺栓极限强度的条件下最大化疲劳强度的一个实施例。在这个实施例中，厚度尺寸被设于16. 1mm，其同直径减小的控制剖面相比导致了大约12. 5%的疲劳强度的增加，而极限强度没有任何减小。图11中的最后列显示了其中厚度尺寸B经过选择，从而在没有损失疲劳强度的条件下最大化极限强度的一个实施例。在这个实施例中，厚度尺寸B被限定于17. 9mm，其同直径减小的控制剖面相比导致了大约9. 的极限强度的增加，而疲劳强度没有任何损失。虽然已经参照其具体的示例性实施例和方法而详细描述了本主题发明，但是应该懂得，本领域技术人员在获得前文的理解后可以很容易对这种实施例做出变更、变化和等效物。因此本发明公开的范围是作为示例而非限制而提供的，并且本发明公开不排除包含本领域中的普通技术人员容易领会的这些对本主题的变更、变化和/或增加。
权利要求
1.一种风力涡轮机(10)，包括多个涡轮机叶片(16)，各个所述叶片均具有根部凸缘(50)，所述根部凸缘(50)通过多个周向间隔开的叶片螺栓(50)而附接在转子轮毂(18)的凸缘(52)上；各个所述叶片螺栓均包括相对的圆柱形的末端部分(56)，其分别接合在所述转子轮毂凸缘和所述叶根凸缘内；在所述圆柱形的末端部分之间延伸的非圆柱形的杆体(60)；和沿着所述螺栓的纵向轴线在所述杆体中限定的至少一个扁平侧面(62)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述杆体(60)包括相对朝向的扁平侧面(62)。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述扁平侧面(6 沿着所述螺栓的纵向轴线位于平行的平面中。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述螺栓(50)旋转地定位成使得所述扁平侧面(6 与轴线(6 对齐，所述轴线(6 在相应的所述螺栓的各个位置上与所述转子轮毂凸缘(5 相切。
5.根据权利要求3所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述杆体(60)具有成圆角的侧边缘(66)，所述侧边缘(66)具有在所述侧边缘之间测量的直径(64)和垂直于所述扁平侧面测量的厚度(68)。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，在所述给定的直径(64)下， 限定所述厚度(68)以便在不减小极限负载强度的条件下增加所述螺栓(50)的疲劳强度。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，在所述给定的直径(64)下， 限定所述厚度(68)以便在不减小极限负载强度的条件下最大化所述螺栓(50)的疲劳强度。
8.根据权利要求6所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，形成所述螺栓(50)，并且所述给定的直径(64)大致等于所述螺栓(50)的名义辊径。
9.根据权利要求4所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，在所述给定的直径(64)下， 限定所述厚度(68)以便在不减小疲劳强度的条件下增加所述螺栓(50)的极限负载强度。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，在所述给定的直径(64)下， 限定所述厚度(68)以便在不减小疲劳强度的条件下最大化所述螺栓(50)的极限负载强度。
11.根据权利要求9所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，形成所述螺栓(50)，并且所述给定的直径(64)大致等于所述螺栓的名义辊径。
12.根据权利要求6所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，形成所述螺栓(50)，并且所述给定的直径(64)大致等于所述螺栓的名义辊径，并且其中在所述给定的直径下，限定所述厚度(68)以便在极限负载强度减小不超过大约5.0%的条件下增加所述螺栓的疲劳强度。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，限定所述厚度(68)，以便在极限负载强度减小不超过大约1. 0%的条件下使所述螺栓(50)的疲劳强度增加至少10%。
14.根据权利要求6所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，形成所述螺栓(50)，并且所述给定的直径(64)通常等于所述螺栓的名义辊径，并且其中，在所述给定的直径下，限定所述厚度(68)以便在疲劳强度减小不超过大约10.0%的条件下增加所述螺栓的极限负载强度。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，限定所述厚度(68)，从而在疲劳强度减小不超过大约1.0%的条件下使所述螺栓的极限负载强度增加至少10%。
全文摘要
本发明涉及带有扁平螺栓的风力涡轮机叶片连接结构，具体而言，一种风力涡轮机(10)包括多个涡轮机叶片(16)，且各个叶片均具有根部凸缘(50)，根部凸缘(50)通过多个周向间隔开的叶片螺栓(55)而附接在转子轮毂(18)的凸缘(52)上。叶片螺栓具有相对的圆柱形的末端部分(56)和在圆柱形的末端部分之间延伸的非圆柱形的杆体(60)，末端部分分别接合在转子轮毂凸缘和叶根凸缘中。在杆体中沿着螺栓的纵向轴线限定了至少一个扁平侧面(62)。
文档编号F03D1/06GK102287320SQ201110175570
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月17日 优先权日2010年6月17日
发明者E·M·雅各布森 申请人:通用电气公司