用于一体式风力涡轮机转子轮毂的应变隔离附接件的制作方法

本公开是2014年10月9日提交的标题为用于一体式风力涡轮机转子轮毂的应变隔离附接件(Strain Isolating Attachment For One-Piece Wind Turbine Rotor Hub)的美国申请序列号14/510,287的对应文件。

技术领域

1.使用领域

本公开涉及使用两叶片转子的发电风力涡轮机，两叶片转子通过其中间转子轮毂区域将一个叶片联合至另一叶片而具有一体式连续结构。转子刚性地连接至风力涡轮机主轴，而非绞接(摇摆)。附接件可与单个、两个或多个翼梁的转子轮毂结构构造一起使用。

2.现有技术

用于发电风力涡轮机的两叶片设计在现有技术中是已知的。一体式转子在现有技术中也是已知的。20世纪80年代由通用电气设计出襟翼控制的一体式转子。其使用中心铰链以允许转子相对于涡轮机主轴摇摆以用于卸载。较新的刚性两叶片转子通常使用全翼展变桨或部分翼展变桨。

背景技术：

应变隔离一体式转子轮毂附接件(将转子轮毂附接至风力涡轮机主轴的结构)力求通过提供将一体式转子附接至风力涡轮机主轴(该轴将转子负载载送至风力涡轮机中)的有效方式而显著减小风力涡轮机转子及轮毂附接件重量。附接大型一体式转子的大多数现有努力已经使用中心摇摆铰链来降低被转移至涡轮机主轴中的襟翼负载，但发现在某些风事件中偶然的大运动在摇摆极限下导致非常大的负载，这使摇摆铰链方式在实践中存在问题。转子轮毂与涡轮机主轴之间的直接连接解决了此问题。

一体式风力涡轮机转子轮毂包括从一个叶片延伸到另一叶片的连续叶片结构，由此消除重且昂贵的变桨轴承、螺栓以及分离的轮毂部件，但其并不提供用于将负载转移至涡轮机的常规叶片根部端。为实现最佳的转子重量减小，主转子结构中的平衡负载必须跨过转子中心不间断地流动，而净负载及力矩不平衡必须取出至涡轮机主轴。

在概念上吸引人的是，简单地将涡轮机主轴螺栓连接至风力涡轮机转子轮毂的面向机舱侧，面向机舱侧离主轴最近并提供最短的负载路径。此方法的困难之处在于，在载送其沿面(flatwise)及沿边(edgewise)的弯曲负载时，转子结构在其表面处具有大的应变(展向弹性变形)。金属涡轮机主轴是高度刚性的且无法跟随这些应变，并且直接螺栓连接将导致通过紧固件的非常大的负载流，从而接近于常规叶片根部的那些负载流。这将需要在很大程度上增加轮毂结构而损害一体式转子的优点，这是由于大部分平衡负载随后在跨过轮毂中心时转移出转子。

为避免接合转子轮毂的外侧上的高应变材料，可将轮毂附接件设计成在内部及于(reach to)主剪切腹板上位于它们的翼梁盖之间的中途的较低应变区域，其中“主剪切腹板”表示轮毂附接件刚性固定到其上的剪切腹板。在该处来自沿面弯曲的应变是适度的，因此该处是用于附接的有利区域，在很大程度上与转子轮毂的外部上的大应变隔离。这是实现转子轮毂附接件应变隔离的方式—通过避免连接至外部高应变转子轮毂材料，而是相反地在内部及于转子轮毂剪切腹板上的低应变区域。

对于单个剪切腹板转子设计，沿面弯曲及沿边弯曲二者导致的应变在剪切腹板中间高度附近较低。然而，作为权衡，转子扭矩形成垂直于腹板的大的面外负载，这需要增加相当多的腹板增强材料，足以抵消一体式轮毂的重量及成本优点中的一些。而且，在没有附加结构的情况下，如在扫掠叶片负载不同时将形成的不平衡转子扭转无法进行有效载送。

对于双剪切腹板转子设计，腹板相对于沿边中性弯曲平面的偏移意味着在优选的中间高度腹板配合位置处将存在一定比率的沿边极限纤维应变。然而，两个腹板的弦向分离允许两个中间高度腹板配合位置之间的差动负载有效地抵抗转子扭矩(主要的设计驱动)及转子扭转二者。另外，两个剪切腹板对于外部转子壳体的屈曲稳定性是更好的选择。尽管在双腹板情形中一些应变耦合到附接件中，但是应变能量及疲劳损伤较低，使得仍有效地实现隔离，并且总的来说，这对于当今的大型转子设计来说是优选的实施例。

技术实现要素：

本专利的目标是允许有成本效益地构造结构一体式风力涡轮机转子。这是通过使用新颖的附接件设计来实现，该新颖的附接件设计在内部及于转子轮毂，并且从腹板的中间高度固定至腹板。在中间高度处，来自沿面弯曲的应变接近零，并且来自沿边弯曲的应变是其在外部轮毂区域结构中的极限纤维值的一小部分。轮毂结构是转子结构的中心部分，其中会发生负载向附接件的转移。

本转子附接件的发明允许来自平衡的外部风力及重力负载的内力跨过转子中心，而无需通过常规转子的紧固件及中心钢制轮毂从主结构翼梁移动。仅来自推力及转子重量的净负载加上不平衡气动负载及扭矩负载需要进入应变隔离钢制附接件中，从而简化了负载路径以及载送它们所需的结构的量。

附图说明

附图示出了本发明的优选实施例，这些附图并入到说明书中，并且构成说明书的一部分。这些附图与上面给出的本公开的概要描述以及下面给出的优选实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理。

图1示出了结构一体式风力涡轮机转子，其中揭示了双内部翼梁及应变隔离轮毂附接件，该结构一体式风力涡轮机转子使用外侧叶片襟翼以用于动力控制。还示出了转子的相联合的两叶片结构。

图2示出了一体式转子轮毂，示出了连接至风力涡轮机主轴的附接螺栓圆，以及内部附接结构及其与双剪切腹板的接口的剖视图。

图3a示出了双剪切腹板附接结构，其中未示出剪切腹板，以便可更好地识别出该双剪切腹板附接结构的部件。图3b示出了配合结构的端部的变体以及两个轭架。

图4a以内部结构及其与单个剪切腹板的接口的剖视图示出了单个剪切腹板附接结构。图4b、4c及4d示出了配合结构的端部的变体。

具体实施方式

将理解，在本文档的范围内并非可公开本发明的所有实施例并且本公开的附加实施例对于本领域技术人员在阅读本公开之后将变得显而易见。这些附加实施例在本公开的范围内要求保护。

在图1中，示出了由构建成一个结构的两个叶片101、102组成的一体式转子100，其中在叶片102上揭示出双内部翼梁300，而外侧襟翼400位于两个叶片上以用于控制。本公开还包括单个或多个翼梁转子轮毂结构的构造。还示出了本公开主题的应变隔离轮毂附接件200以及一体式风力涡轮机转子轮毂210，图示为包含应变隔离轮毂附接件200的内转子展向区域，在该区域中负载从转子轮毂210转移至轮毂附接件200。

为了避免接合转子轮毂的外侧上的高应变材料，需要使轮毂附接结构设计在内部及于轮毂的存在于主剪切腹板上它们的翼梁盖之间的中途(中间高度)附近的较低应变区域。在剪切腹板中间高度处因沿面弯曲而产生的应变接近零，因此这是进行附接的本质上较好的区域，在很大程度上与转子轮毂结构的外部上的大应变隔离。这是应变隔离轮毂附接件的工作方式—通过避免连接至外部高应变转子轮毂区域，而是相反地在内部及于转子轮毂剪切腹板的低应变区域。

将理解，剪切腹板是构建在每个叶片的两个表面(即叶片的外部空气动力学壳体)内的转子结构元件。剪切腹板延伸横跨在每个壳体的内表面之间，以连接两个翼梁盖，这两个翼梁盖抵抗弯曲而载送大的结构负载。剪切腹板及翼梁盖的整个组件形成了载送叶片风力负载的主结构翼梁。

将理解，轮毂附接件以机械方式连接至风力涡轮机主轴。在一个叶片上的气动负载平衡另一叶片上的气动负载的情况下，没有净力矩需要被载送出转子而进入到风力涡轮机主轴中，仅需要转移沿顺风方向的净推力。换句话说，本公开的设计允许平衡负载直接从一个叶片转移到另一叶片。假定转子质量平衡，来自一个叶片的重量将平衡来自另一叶片的重量，因此再次地来自重力的力矩不需流出转子，仅仅因其整体重量而产生的力需要流出转子。将理解，在常规完全变桨三叶片风力涡轮机中，平衡及不平衡负载均需要进行负载转移。常规叶片根部具有接头，其必须载送整个叶片根部负载。如上所述，本公开包含一种设计，其允许大量负载直接跨过中心轮毂区域从一个叶片流动到另一叶片。因此，接头的数量以及跨过它们而载送的负载较少。接头增加重量及成本，因此不使平衡负载转移出叶片、跨过轴承并进入到分离的中心轮毂是有利的。

来自转子的不平衡负载必须有效地转移至风力涡轮机主轴以将转子保持在其所需旋转平面中，并且转移提供涡轮机动力输出的扭矩。不平衡沿面负载产生于每个叶片处不同的风速(诸如上叶片对下叶片)以及不同的攻角(诸如当转子以偏航的入流运转时)。如果使用扫掠叶片，还会从这些条件形成围绕轮毂展向轴线的不平衡扭矩。(将理解，“展向”以及“展向轴线”是指沿由两个叶片构成的单个结构的长度延伸的轴线。)由从风提取动力的气动力有意形成不平衡沿边负载；这对于风力涡轮机递送其动力是至关重要的。

为了附接至机舱内的风力涡轮机旋转机械，通常使用圆形的螺栓连接的平接口。图2示出位于轮毂结构外部的此种接口201。这是螺栓圆。在风力涡轮机组装的过程中，当转子100(图1中示出)在涡轮机架设期间提升就位时，此种接口就会螺栓连接至风力涡轮机主轴(未示出)上相匹配的一个接口。还示出外锥体202和内部管状轴203，所述外锥体和内部管状轴形成涡轮机主轴的及于转子轮毂210内部的延伸部，使得可以实现与转子剪切腹板的附接。这些部件用作用于将来自剪切腹板的负载转移至涡轮机主轴的路径。还示出加强轴环204。此种加强件限制位于内管和外锥体之间的过渡部208处的变形。在转子内示出了构成双翼梁主结构的两个剪切腹板310和四个翼梁盖320，同样在转子内示出了附接结构的与它们配合的部件。还示出面向机舱侧205。所示出的整个内部转子区域是图1的一体式风力涡轮机转子轮毂结构210，在该区域中，发生从转子向附接结构的负载转移。将腹板中间高度207示出为剪切腹板介于两个翼梁盖320之间的中途区域。转子轮毂翼展方向由双箭头206所指示。

图3a在未示出轮毂结构的情况下示出用于双翼梁一体式转子的轮毂附接件的透视图。外螺栓圆接口201位于外锥体区域的一个端部处的圆形凸缘上，外锥体在弦长尺寸上变窄，使得外锥体可在双翼梁盖之间穿过，外锥体的截面208(参见图2，垂直于整个转子旋转所围绕的管状旋转轴线209)由此在其进入到转子轮毂中时变得椭圆化。将理解，具有类似包络尺寸的桁架结构可替代管状壳体结构，并且附接件负载流将实现相同的功能，使得桁架实施例被视为落在本公开的范围内。

图3a还示出轮毂附接结构的各种部件，这些部件提供从剪切腹板配合板350至内部管状轴的主要负载路径，这些剪切腹板配合板提供与主剪切腹板的附接接口。在此视图中，相对于主剪切腹板310(参见图2)的配合板350连同菱形框架360一起示出，所述菱形框架向外及于外侧连接部361(在每个菱形框架上存在两个)，以支撑配合板端部385抵抗面内负载。还示出在中间穿透部附近附接至内部管状轴203的平坦轭架370，同样示出位于平坦轭架的端部处的负载转移桥380，所述负载转移桥抵抗配合板端部385处的面外负载。还示出垂直于每个配合板端部385和桥380的骨架390。

当转子处于竖直定向中时，沿着轮毂展向轴线(朝向叶片末端的轴向方向)的剪切腹板面内负载由于重力而产生，并且经由菱形框架360载送至内部管状轴203，至最靠近机舱的那侧以及至内部管状轴的末端附近的远侧。通过它们的设计，这些菱形框架相对自由地弯挠出它们自身的平面，使得它们可根据需要而跟随转子沿面弯曲，而不会接载过多的负载或者应变，这是本发明的期望方面。

沿着轮毂展向轴线的最大剪切腹板面内负载的来源由于将转子的产生动力的扭矩转移到管状轴延伸部中而产生。这些负载形成大扭矩对，在一个剪切腹板上从右至左而在另一个剪切腹板上从左至右。菱形框架的中心连接部363将该扭矩对载送至内部管状轴203的相对两侧，由此将产生动力的扭矩从转子转移至轴。菱形框架边缘360沿着有效地转移这些负载以及垂直于扭矩负载的推力负载的直接路径布置。菱形框架边缘形成确保它们载送这些面内负载中的大多数的刚性路径。

垂直于轮毂展向轴线的剪切腹板面内负载主要由于转子推力而产生，其中，如果如通常所进行地那样使风力涡轮机轴倾斜以获得转子末端至塔架的附加间隙，则小的附加分量由重力而产生。菱形框架360提供主要结构路径，以将这些推力负载从转子载送至内部管状轴203。

当处于水平定向时，垂直于剪切腹板平面的负载(面外负载)主要由转子重量产生，其中，由于菱形框架的有限刚度，因而小的附加分量由转子扭矩产生。在中间穿透部附近附接至内部管状轴203的轭架结构370以及位于所述轭架结构的端部处的桥380提供用于将这些负载从转子轮毂载送至轴的路径。

轭架的功能包括能够在展向(沿着转子轮毂的长轴线)及于配合板端部385和骨架390的末端附近，以使它们稳定而抵抗垂直于主剪切腹板平面的运动。末端桥380的功能在于，利用沿着这些桥的有效负载路径来通过从轭架的末端及于腹板配合板的末端而完成这些负载路径。

在图3b中，在端板385上添加侧向指部395，用于提供沿着这些侧向指部的长度的与剪切腹板的附加附接。端板385的宽度受到沿着转子轮毂的长轴线的应变变形的限制，所述应变变形随着从腹板中间高度朝向翼梁盖向外而增加。用于与剪切腹板接合的附加区域可由细指部来提供。借助于在翼展方向上是窄的，这些指部能挠曲以跟随由于转子轮毂区域弯曲所引起的小的展向延伸和压缩运动，而不会将过大的负载引入到指部中或者与这些指部附接的腹板中。这允许指部能从腹板中间高度进一步分散负载，从而减小为了限制横跨腹板宽度的弯曲而进行腹板加强的需求。

这些指部的存在、数量以及长度通过附加的轮毂附接结构和剪切腹板的加强之间的成本权衡来支配，当使用这些指部时能降低成本。由于双翼梁附接件借助相反方向的负载而将转子扭矩有效地载送至每个腹板中，因而面外腹板弯曲受到限制，使得可如图3a中的那样并不使用指部，而在图3b中仅仅示出基本上相等长度的平行指部实施例。示出了用于单个翼梁附接件的某些其它指部实施例，其中，面外负载越大，这些负载的数值越大，但同样可将这些替代实施例用于双翼梁附接件。参见图4a至4d。将理解，配合板(以及指部)与剪切腹板之间的垫层材料或粘结材料可用于提供除了由机械紧固所载送的负载以外的负载转移。

图3b还示出第二轭架370。应注意的是，轭架并不在它们的中间点处将负载转移至腹板配合板，因而转子轮毂能独立于附接件变形而沿边挠曲，由此有助于结构隔离，并且避免会增大转子轮毂、附接件以及将它们连结在一起的紧固件的重量的负载转移。将这些变形解耦是本公开的期望特征。

具有多个轭架和多个桥的双翼梁附接件设计变体被认为是本发明的可能实施例，并且被包括在本公开的范围内。还被包括的是具有面内加强和圆角的菱形框架，同样还被包括的是在多个展向位置处附接至剪切腹板配合板350的附加菱形附接件。

如前所述，双翼梁/剪切腹板的转子设计被视为如今主导的大转子的可能优选选择，但仍存在可能在某些情形下偏好单翼梁/剪切腹板设计的许多设计权衡。本发明所公开的中间高度腹板附接件可配置成同样有利地与单翼梁转子设计一起工作，并且在本专利的范围内要求保护。

图4a示出单翼梁附接件的优选实施例，其具有螺栓圆401、外部柱体或锥体410、负载转移撑杆420、腹板配合板430以及骨架440。外部柱体410用于提供与风力涡轮机主轴的端部相匹配的螺栓圆401，并且其进一步提供刚性构件以将负载从负载转移撑杆420分散到螺栓圆中。该部件也可以是锥形的，以满足特定的风力涡轮机对转子设计配合几何形状的尺寸过渡需求。腹板配合板和骨架一起形成腹板配合结构450，并且虽然在该视图中仅仅一个可见，但在剪切腹板的远侧上存在镜像结构。两个腹板配合结构通过腹板而螺栓连接在一起，以使得它们两倍于可见的腹板配合结构的高度而作为单个单元工作。还示出构成风力涡轮机转子轮毂单翼梁530的主剪切腹板510加上翼梁盖521和522。负载转移撑杆及于主翼梁的机舱侧翼梁盖522周围并且经过该机舱侧翼梁盖。风力涡轮机机舱在该视图中靠右。

在该实施例中，四个主撑杆420将负载从腹板配合结构450载送至螺栓连接的柱体410。其它数量的撑杆也是可能的，并且此种选择通过具体设计的需求来指定。替代的撑杆数量被认为落在本公开的范围内。

为了在转子呈竖直时载送重力负载，所有的撑杆都一起作为短悬臂而工作，以抵抗沿着剪切腹板的长轴线的重力。当转子呈水平时，重力负载相对于剪切腹板处于面外，并且来自腹板的每侧的倾斜撑杆的三角形提供将这些负载载送至独立柱体410的有效路径。

转子扭矩在两个撑杆三角形的末端处呈现为面外负载对，在一处向上而在另一处向下。两个撑杆三角形各自由两个撑杆420和形成基部的外部柱体410形成。这在撑杆中引起拉伸和压缩负载，这些撑杆有效地载送这些负载，因为这些负载与它们的长向尺寸对准。

在该实施例中，腹板配合结构由两个平坦的细长橄榄球状部件构成，一个是位于剪切腹板的平面中并且附接至该剪切腹板的部件430，而另一个是垂直于该剪切腹板的部件440。这两个细长部件的功能在于，使撑杆负载在展向上足够远地分散，撑杆负载在展向上接合充足长度的剪切腹板，从而被有效地分散到转子轮毂结构中。第一部件430处理主要处于剪切腹板面内的负载，而第二部件440结合其在腹板的相对侧上的镜像部件处理主要垂直于转子剪切腹板的平面指向的负载。

图4b从垂直于剪切腹板的方向示出腹板配合板430、骨架440、端部区域460以及侧向指部470的视图。与双翼梁附接件相比，示出较大数量的指部，这些指部沿着较长的翼展尺寸散布，这是因为单翼梁附接件必须经由来自剪切腹板的大的面外负载来转移转子扭矩。预计需要更大且更强的指部，使得更多的指部接合剪切腹板的更大面积。这些指部示出为相对于转子展向轴线以一定角度张开，以说明接合腹板的更大面积并且及于转子中心向外更远位置的另一种方式。

图4c示出了具有侧向指部470的单翼梁附接件端部区域460。在该视图中，可以看到朝向指部末端载送面外负载的侧向指部骨架475。还示出了腹板配合板430和骨架440。

图4d示出了具有指部螺栓连接突片480的单翼梁附接件端部区域460，所述指部螺栓连接突片提供用于紧固到剪切腹板的措施，同时增加侧向指部470沿转子轮毂翼展方向的柔性。

指部的几何形状的许多其它变体也是可能的，并且在本公开的范围内要求保护。

本文所公开的单翼梁附接件和双翼梁附接件的结构元件的组合可用于具有三个或更多主翼梁的转子轮毂。由于它们增加的复杂性和部件数量，这些不被认为是优选实施例，并且不在本文中详述，但是仍处于本公开的预定范围内。

可行性

用于双腹板和单腹板附接件设计的负载路径短且有效，允许附接到转子腹板的低应变区域(其中根据需要而具有至较高应变区域的指部延伸部)，并且如常规叶片根部设计所必须做的那样，最大限度地减少将平衡力矩带出叶片。平衡负载可流过轮毂区域，而不通过附接件或其紧固件而至转子。仅必须从转子转移至涡轮机的不平衡负载(诸如一个叶片上比其它叶片上更多的风力，以及转子扭矩)和净负载(诸如重力和转子推力)通过附接件载送，从而允许其比常规叶片根部和轮毂装置轻得多。

可用于本发明目标的转子附接件的几何形状和结构体积足以允许其由当前用于风力涡轮机轮毂中的相同类别的材料制成；不需要特定或不寻常的强材料。

尽管双翼梁设计所需的部件可以通过用于管状轴的椭圆形孔进入转子内部，并且可以在单翼梁转子轮毂中形成合适的孔，但可以预期，在转子制造期间，当设置用于工作和质量控制检查的方便路径时，金属部件就可以被固定就位。一旦被安装，可以预期这些部件服务于涡轮机的完整寿命，所以尽管设计用于拆卸的方法是可行的，但可以预期这不是必需的。分立紧固件当然可以进行完整性和预负载的检查，如在标准叶片根部的情况下所进行的那样。

通过沿转子的水平方向提供进入转子的入口(通过管状轴延伸部或转子轮毂壳体中的合适舱口)，可以在完全封闭的安全和天气防护的环境下检查内部附接硬件。类似地，根据需要可以接近(access)、检查以及维修致动器、传感器或位于轮毂内部的其它硬件。进一步离开叶片的路径可以从内部提供，并且甚至可以在外侧襟翼系统或者部分翼展变桨的边界处离开叶片，如果采用了外侧襟翼系统或者部分翼展变桨用于转子控制。

使用本文所公开的有利附接件设计的结构一体式转子的总重量的估计是等价额定功率和直径的常规三叶片全翼展变桨转子的重量的约一半。主要的设计驱动，尤其针对近来追求的较高塔架，是要使塔架频率足够高以避免不期望的共振行为。塔顶转子质量的大大降低由此显著节省了塔架和(尤其是海上)地基的重量和费用。对于必须通过轮毂和轴承来载送平衡以及不平衡叶片根部负载的任何设计，其看起来不能节省这么多的重量。

由于所公开的用于结构一体式两叶片转子轮毂的附接件将必须转移出涡轮机的负载与可有利地保持在转子结构内的那些负载基本上分离，所述附接件展现出相对于本领域已知替代的更佳的结构效率。与常规替代相比，这降低了重量和费用。应当注意，该附接件与由襟翼控制的转子一起使用对本发明不是必需的，一体式轮毂和所公开的附接件可以与使用不同于襟翼的方法的部分翼展变桨控制、外侧叶片流量控制一起使用，并且仍将获得本发明的原理以及其优点。

本说明书被解释为仅仅是说明性的，并且其目的是教导本领域技术人员实施本公开的方式。应该理解，本文所示和描述的本公开的形式应被视为目前优选的实施例。如已经陈述，在不背离本公开的范围的情况下，可以对部件的形状、大小和布置作出各种改变。例如，等价元件可以代替本文所示出和描述的那些元件，并且本公开的某些特征可以独立于其它特征的使用而使用，在受益于本公开的说明书后，所有这些对本领域技术人员来说是显而易见的。

尽管已经示出和描述了具体实施例，但在不背离本公开思想的情况下许多修改是可能的，并且保护范围仅由所附权利要求的范围所限定。