本发明总体涉及风轮机，更特别涉及用于将风轮机转子叶片连接至转子轮毂的改进接头，以及形成具有将风轮机叶片连接至转子轮毂的改进接头的风轮机转子叶片的方法。
背景技术：
风轮机用于利用可再生资源并且不燃烧化石燃料产生电能。通常，风轮机将来自风的动能转换成电力。水平轴风轮机包括塔架、位于塔架顶端的机舱以及转子，转子具有中央轮毂和连接至轮毂并从轮毂向外延伸的多个叶片。转子支撑在从机舱延伸的轴上，轴直接或者间接可操作地与容纳在机舱内的发电机联接。因此，当风迫使叶片旋转时，发电机生产电能。
近年来，风力已经成为更加诱人的另选能源并且陆地上与离岸风轮机的数量、风电场等显著增加。此外，风轮机的尺寸也显著增大(现代风轮机叶片的长度在50米至80米之间延伸)并期望将来进一步增大。风轮机叶片的增大的长度向风轮机设计者以及制造商提出了若干引人关注的问题。例如，由于增加的叶片长度，风轮机叶片与转子轮毂之间的接头会经受增大的应力，增大的应力存在挑战性的设计问题以便确保接头能够承受工作寿命期间预期的载荷。
风轮机转子叶片与转子轮毂之间的传统接头包括联接至风轮机叶片的根端并且从该根端延伸的螺纹双头螺栓，这些螺纹双头螺栓则联接至与转子轮毂关联的变桨轴承。风轮机叶片通常由一种或者多种由纤维材料以及树脂形成的复合材料制成。这样的材料一般不具有提供可供螺纹双头螺栓直接插入的稳固固定机构的结构完整性。可以在位于转子叶片的根端处的复合材料里面攻出带螺纹的例如洞或者孔以提供互补的螺纹，双头螺栓可以借助该互补的螺纹实现连接。然而，复合材料具有不足以经由双头螺栓在叶片与轮毂之间传递载荷的抗剪强度并且界面处会出现复合材料劣化。
因此，公知在螺纹双头螺栓与位于风轮机叶片的根端处的复合材料之间的界面处利用内螺纹金属插入件。就此而言，通常沿风轮机叶片的根端的圆周形成孔。然后，将金属插入件定位在孔内并且另选粘结在其中以实质上将金属插入件嵌在转子叶片的复合材料内。然后，双头螺栓与金属插入件螺纹地接合。在转子叶片与转子轮毂之间作用的力经过双头螺栓作用，并因此经由金属插入件转递，金属插入件操作成使力更均匀地分布在较软的复合材料的界面区域上。由金属插入件提供的力分布特征则提供具有在使用中足以提供转子轮毂与转子叶片之间的稳固连接的结构完整性的连接接头。
如图1以及图1a中所示，当前用于风轮机叶片12的金属插入件10包括大体圆柱形的主体14以及从主体14的一端伸出的管状延伸部16。主体14包括孔18，该孔包括用于接纳并且螺纹联接至诸如双头螺栓22之类的螺栓的螺纹部20。主体14限定位于主体14的外表面28处的与风轮机叶片12的复合材料26交界的界面24。管状延伸部16从主体14延伸并且限定位于管状延伸部16的外表面32处的与叶片12的复合材料26交界的外界面30以及位于管状延伸部16的内表面36处的与叶片12的复合材料26交界的内界面34。如以上表明的，插入件10定位在叶片的根端中的孔内并且利用诸如环氧树脂之类的合适的粘合剂粘结至复合材料。
虽然当前的连接接头足以实现支撑转子叶片与转子轮毂之间的载荷的预期目的，但是一个缺陷在于，当风轮机叶片的尺寸继续增大时，连接接头的尺寸一般会增大。因此，叶片在根端处的尺寸将增大(例如，越来越大的直径)并且轮毂与变桨轴承的尺寸将增大，所有这些导致材料与制造成本显著增加。此外，金属插入件的数量、长度以及/或者直径必须大体相应增加以适应结合金属插入件与复合材料的粘结剂上的剪应力。这又增加了材料与制造成本。
因此，需要一种用于将风轮机叶片的根端附接至转子轮毂的改进的连接接头，该连接接头克服当前的连接接头按比例缩放的缺陷并且以改进的方式适应叶片的增大的负载。
技术实现要素：
为了解决这些以及其它缺点，一种用于将风轮机转子叶片附接至转子轮毂的连接接头包括螺栓，该螺栓具有构造成联接至所述转子叶片的叶片端以及构造成联接至所述转子轮毂的轮毂端。所述螺栓包括邻近所述叶片端的颈部区域，其中，所述颈部区域的横向尺寸比所述螺栓的所述叶片端的横向尺寸小。在示例性实施方式中，螺栓的叶片端有螺纹并且所述颈部区域紧邻所述螺栓的所述叶片端上的所述螺纹。螺栓的轮毂端也可以有螺纹。
在一个实施方式中，所述颈部区域是大体圆柱形的并且直径小于所述螺栓的所述叶片端的直径。例如，所述颈部区域的直径相对于所述螺栓的所述叶片端的直径的减小量可以在约5％至约40％之间。在另一实施方式中，所述颈部区域是大体椭圆形的，该椭圆形具有形成所述椭圆形截面的长轴的第一横向尺寸以及形成所述椭圆形截面的短轴的第二横向尺寸，其中，所述短轴的长度比所述螺栓的所述叶片端的横向尺寸小。在一个实施方式中，例如，所述短轴的长度比所述螺栓的所述叶片端的直径小。所述短轴的长度相对于所述螺栓的所述叶片端的直径的减小量可以在约5％至约40％之间。另外，所述长轴的长度可以比所述螺栓的所述叶片端的横向尺寸大。因此，在一个实施方式中，所述长轴的长度比所述螺栓的所述叶片端的直径大。在此实施方式中，所述颈部区域的横截面面积可以与所述螺栓的所述叶片端的横截面面积大致相同。此外，在此实施方式中，螺栓可以包括邻近所述轮毂端的指示器，该指示器对应所述颈部区域的取向。例如，指示器可以包括对应所述椭圆形截面的长轴的方向的槽。
在一个实施方式中，所述颈部区域具有邻近所述螺栓的所述叶片端的第一端以及邻近所述螺栓的所述轮毂端的第二端，其中，所述颈部区域的所述横向尺寸比所述螺栓的邻近颈部区域并且在所述第二端与所述螺栓的所述轮毂端之间的横向尺寸小。在示例性实施方式中，例如，所述颈部区域的在所述第一端与所述第二端之间的长度可以在约0.5d至约2d之间，其中d是所述螺栓的所述叶片端的直径。此外，所述颈部区域可以包括提供所述螺栓的所述横向尺寸平滑变化的过渡。
在其它实施方式中，所述连接接头进一步包括构造成联接至所述风轮机叶片的插入件，其中，所述螺栓的所述叶片端构造成联接至所述插入件。例如，螺栓的叶片端可以与插入件螺纹接合。优选地，所述螺栓是双头螺栓。
在一个实施方式中，一种风轮机叶片具有根端以及末梢端并且包括多个连接接头，这些连接接头包括如以上描述的螺栓以及嵌入转子叶片的根端中的插入件。在示例性实施方式中，所述插入件包括：主体，该主体具有第一端和第二端、朝所述第一端开放并且朝所述第二端延伸的中央孔以及与所述叶片交界的外表面；第一管状延伸部，该第一管状延伸部延伸离开所述主体的所述第二端并且具有内表面以及外表面，所述内表面与所述外表面中的每一者均构造成与所述叶片交界；以及第二管状延伸部，该第二管状延伸部延伸离开所述主体并且具有内表面以及外表面，其中所述内表面与所述外表面中的每一者均构造成与所述叶片交界。
当螺栓具有椭圆形构造时，当螺栓例如经由插入件联接至转子叶片时可以存在螺栓相对于转子叶片的根端处的中轴线的优选取向。就此而言，当螺栓与插入件接合时，螺栓取向成使所述颈部区域的所述椭圆形截面的所述长轴大体垂直于从所述转子叶片的所述中轴线发出的径向线。因此，当叶片在载荷作用下弯曲时，螺栓的颈部区域中的应力由于横向尺寸减小而减小。
在另一实施方式中，一种形成用于将风轮机转子叶片附接至转子轮毂的连接接头的方法，该方法包括：设置具有叶片端以及轮毂端的螺栓；以及在所述螺栓中邻近所述叶片端形成颈部区域，其中，所述颈部区域的横向尺寸小于所述螺栓的所述叶片端的横向尺寸。
在一个实施方式中，形成颈部区域的步骤进一步包括机加工所述螺栓以形成直径小于所述螺栓的所述叶片端的直径的大体圆柱形的颈部区域。在另一实施方式中，形成颈部区域的步骤包括按压所述螺栓的相对两侧以形成具有长轴以及短轴的大体椭圆形的颈部区域。所述短轴的长度小于所述螺栓的所述叶片端的横向尺寸。在形成所述椭圆形的颈部区域的过程中，所述颈部区域的横截面面积可以保持基本恒定。
附图说明
附图结合到本说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了本发明的一个或者多个实施方式，并且与以上给出的本发明的总体描述以及下文给出的详细描述一起用于解释本发明。
图1是用于风轮机叶片的根据现有技术的金属插入件的俯视图；
图1a是图1中所示的金属插入件的剖面图；
图2是可以使用本发明的实施方式的风轮机的立体图；
图3是具有连接接头的风轮机转子叶片与转子轮毂的立体图；
图4是风轮机叶片的根端的放大立体图；
图5是用于风轮机转子叶片以及转子轮毂的连接接头的拆开的剖面图；
图6是插入件的剖面图；
图7是用于风轮机转子叶片以及转子轮毂的连接接头的组装起来的剖面图；
图8是双头螺栓的局部立体图；
图8a是大体沿线8a-8a获取的图8的双头螺栓的立体图；
图9是双头螺栓的局部立体图；
图9a是大体沿线9a-9a获取的图9的双头螺栓的立体图；
图10是风轮机叶片的根部的局部端视图；以及
图11是双头螺栓的局部立体图。
具体实施方式
参照图2，风轮机40包括塔架42、布置在塔架42的顶端的机舱14以及可操作地联接至容纳在机舱44内的发电机(未示出)的转子46。除了发电机以外，机舱44还容纳将风能转化成电能所需的各种部件以及操作、控制风轮机40并且优化风轮机40的性能所需的多种部件。塔架42支撑由机舱44、转子46以及风轮机40的容纳在机舱44内的其它部件提供的载荷，并且还操作成将机舱44和转子46举升至地平面或海平面以上的高度，在此高度可能常发现低湍流的较快移动的气流。
风轮机40(表示成水平轴风轮机)的转子46用作机电系统用的原动机。超过最低水平的风会启动转子46，从而引起在基本垂直于风向的平面中的旋转。风轮机40的转子46包括中央毂48以及在绕中央毂48周向分布的位置处从中央毂48向外伸出的至少一个转子叶片50。在代表性的实施方式中，转子46包括三个叶片50，但是此数量可以变更。叶片50构造成与经过的气流相互作用以产生使中央毂48绕纵轴线回旋的升力。
风轮机10可以被包括在属于风电场或风电站的类似风轮机的集合中，该风电场或风电站充当由输电线与电网(诸如三相交流电(ac)电网)连接的发电厂。电网通常由输电线的网络联接的发电站、传输电路以及变电站的网络构成，输电线向最终用户或电气公共设施的其他客户形式的负载输电。在正常环境下，如本领域普通技术人员已知的，从发电机向电网供电。
如行业中公知的，对于某些风轮机设计而言，转子叶片50以使得叶片50能够绕叶片50的纵轴线旋转或者变桨的方式联接至转子轮毂48。这通过将叶片50的根端52联接至可操作地联接至转子轮毂48的变桨轴承(未示出)而实现。变桨轴承大体包括可相对于轮毂48旋转的环，叶片50的根端联接至该环。本领域中普遍公知变桨轴承并因此本文中将不进一步详细描述该变桨轴承。
如图3以及图4中所示，转子轮毂48与风轮机40的转子叶片50之间的连接接头54包括：在转子叶片50的根端52处联接至转子叶片50的多个插入件56；以及多个螺栓58，在此实施例中这些螺栓是构造成联接至位于转子叶片50中的插入件56并且进一步构造成例如借助变桨轴承联接至转子轮毂48(图3)的双头螺栓。如图4中所示，插入件56可以绕叶片50的根端52处的端面60周向间隔开并且嵌入叶片50的材料内，使得插入件56的连接端从叶片50的端面60稍微突出(例如，约5毫米)。以下将更充分地描述用于将插入件56定位在叶片50的材料内的方法。沿叶片50的根端52的圆周的插入件56的数量在潜在的其它因素中取决于叶片的尺寸，但是对于长度在50米至80米之间的叶片而言可以是从80至180的任一数量的插入件。应意识到，取决于具体应用可以使用更多或者更少的插入件。
双头螺栓58是具有螺纹叶片端62以及螺纹轮毂端64的大体圆柱形的细长构件。如图3中所示，在风轮机40的组装过程中，双头螺栓58可与风轮机叶片50的根端52处的插入件56螺纹接合，使得双头螺栓58的螺纹轮毂端64延伸离开叶片50的根端52。然后，双头螺栓58与位于轮毂48上的变桨轴承中的相应的洞对准，经由这些洞插入，并且借助螺纹紧固件等稳固至变桨轴承。借助连接接头54，风轮机叶片50可以稳固连接至风轮机40的转子轮毂48并且在风轮机40的工作寿命中大体适应施加至叶片50的载荷。
图5至图7中示出了用于改进转子轮毂48与转子叶片50之间的连接的连接接头54。在此实施方式中，插入件56包括大体圆柱形的主体70以及至少两个管状延伸部72、74，管状延伸部72、74从主体70的端部(未示出)伸出并且构造成与风轮机叶片50的沿着管状延伸部72、74中的每一者的内表面与外表面的材料(例如，复合材料)接合(图7)。在有利方面中，始于主体70的多个管状延伸部增大了插入件56与形成叶片50的材料之间的接触的总表面积。另外，多个管状延伸部增大了插入件的自由端处的接触周长。由于自由端接触周长的增大，连接接头54的负载能力相应增大。因此，给定插入件的固定宽度(例如，直径)与长度，与以上描述的那些传统插入件相比，插入件56将提供增大的负载能力。因此，在不相应增大插入件的宽度或者长度的情况下，插入件56可以适应更大的叶片50。
如图7中所示，插入件56的主体70包括连接端76以及从连接端76向内延伸并且构造成将双头螺栓58接纳于其中的中央孔78。中央孔78邻近连接端76的第一入口部80、邻近入口部80的第二螺纹部82以及邻近螺纹部82的第三扩展部84。入口部80的截面大体是圆形的，该入口部具有平滑侧壁，并且设定尺寸成将双头螺栓58接纳于其中。在示例性实施方式中，入口部80的沿中央孔78的长度可以在约0.25d至约2d之间，其中，d是双头螺栓58的构造成被接纳在中央孔78中的螺纹叶片端62的大直径。应意识到，其它长度也是可行的并且仍在本发明的范围内。
螺纹部82包括内螺纹，该内螺纹构造成与双头螺栓58的叶片端62上的螺纹啮合。以实施例并且非限制的方式，螺纹部82可以构造成接纳m20至m50的螺纹双头螺栓58(并且优选约m30的螺纹螺栓)并且具有沿中央孔78的在约0.5d至约3d之间的长度。其它长度也是可行的并且本发明不限于以上范围。
最后，扩展部84的横向尺寸比螺纹部82的横向尺寸大，其中，紧邻螺纹的腔的尺寸的增大构造成减小第一螺纹处的应力集中并且使力更均匀地分布在若干螺纹上。在示例性实施方式中，扩展部84可以是直径比螺纹部82的直径大的大体圆柱形。例如，扩展部84的直径可以比螺纹部82的直径大出约5％至约50％之间。而且，在各个实施方式中，扩展部84的沿中央孔78的长度可以在0.1d至1d之间。应意识到，直径与长度可以具有其它值并且仍在本发明的范围内。
在示例性实施方式中，插入件56的主体70可以是大体的圆柱形，其中，主体70的外表面86大体平行于插入件56的中轴线88。而且，主体70可以设定尺寸成外表面86在约1.5d至约3d之间。主体70的尺寸可以比以上提供的尺寸小或者大。此外，主体70的长度可以在约0.4d至约6d之间。该长度也可以具有在此范围之外的其它值。在示例性实施方式中，主体70可以由诸如钢之类的金属形成。然而，应意识到，在另选实施方式中，其它类型的金属或者甚至其它合适的坚固非金属材料可以用于形成插入件56的主体70。
在示例性实施方式中，第一管状延伸部72具有联接至主体70的末梢端92的第一端90并且离开主体70延伸至自由端94。在一个实施方式中，第一管状延伸部72可以是大体圆柱形，其中，延伸部72的外表面96与内表面98离开主体70平直延伸成大体平行于插入件56的中轴线88。因此，第一管状延伸部72的壁厚度可以沿第一管状延伸部72的从第一端90到自由端94的长度保持大致恒定。而且，第一管状延伸部72可以设定尺寸成第一管状延伸部72的位于第一端90处的外表面96与主体70的位于末梢端92处的外表面86对准或者平滑地匹配。此外，第一管状延伸部72的长度可以在约2d至约10d之间。然而，其它长度也是可行的。在示例性实施方式中，第一管状延伸部可以由诸如钢之类的金属形成。然而，应意识到，在另选实施方式中，其它类型的金属或者甚至其它合适的坚固非金属材料可以用于形成插入件56的第一管状延伸部72。
在另选实施方式中，并且如图5至图7中所示，第一管状延伸部72可以是大体圆锥形，其中，外表面96以及/或者内表面98关于插入件56的中轴线88形成锐角。就此而言，第一管状延伸部72的外表面96可以在约1度至约20度之间的范围中朝中轴线88向内成锥形。类似地，第一管状延伸部72的内表面98可以在约1度至约20度之间的范围中离开中轴线88向外成锥形。因此，第一管状延伸部72的壁厚度可以沿从第一端90朝向自由端94的方向减小。以实施例的方式，壁厚度可以从第一端90至自由端94在约10％至约80％之间减小。在以上表明的范围之外的减少量也是可行的。例如，自由端94可以相当尖锐，在端部处大致无厚度。在一个实施方式中，外表面96以及/或者内表面98的锥角可以沿第一管状延伸部72的从第一端90到自由端94的长度大体恒定。另选地，锥角可以沿第一管状延伸部72的长度变更从第一端90到自由端94。
如以上论述的，在有利方面中，插入件56包括第二管状延伸部74，该第二管状延伸部构造成增大插入件与叶片50的根端52处的材料之间的接触面积。在示例性实施方式中，第二管状延伸部74可以关于第一管状延伸部72同轴布置。更具体地并且如图6中所示，第二管状延伸部74可以定位在第一管状延伸部72内，使得第一管状延伸部72布置成外管状构件并且第二管状延伸部74布置成内管状构件。
类似于第一管状延伸部72，第二管状延伸部74具有联接至主体70的末梢端92的第一端106并且离开主体70延伸至自由端108。在一个实施方式中，第二管状延伸部74可以是大体圆柱形，其中，延伸部74的外表面110与内表面112离开主体70平直延伸成大体平行于插入件56的中轴线88。因此，第二管状延伸部74的壁厚度可以沿第二管状延伸部74的长度从第一端106到自由端108保持大致恒定。而且，第二管状延伸部74可以设定尺寸成配合在第一管状延伸部72内并且限定第二管状延伸部74的外表面110与第一管状延伸部72的内表面98之间的空间或者间隙114(图6)。以实施例的方式，第二管状延伸部74在第一端106处的外直径可以是第一管状延伸部72在第一端90处的外直径的约20％至约70％之间。其它值也是可行的。此外，间隙114可以在邻近主体70的弧形区域中终止。而且，第二管状延伸部74的长度可以例如与第一管状延伸部72的自由端94毗连。然而，在另选实施方式中，第二管状延伸部74的自由端108可以在第一管状延伸部72的自由端90的内部或者外部。在示例性实施方式中，第二管状延伸部74可以由诸如钢之类的金属形成。然而，应意识到，在另选实施方式中，其它类型的金属或者甚至其它合适的坚固非金属材料可以用于形成插入件56的第二管状延伸部74。
在另选实施方式中，并且如图5至图7中所示，第二管状延伸部74可以是大体圆锥形，其中，外表面110以及/或者内表面112关于插入件56的中轴线88形成锐角。就此而言，第二管状延伸部74的外表面110可以在约1度至约20度之间的范围中朝中轴线88向内成锥形。类似地，第二管状延伸部74的内表面112可以在约1度至约20度之间的范围中离开中轴线88向外成锥形。因此，第二管状延伸部74的壁厚度可以沿从第一端106朝向自由端108的方向减小。以实施例的方式，壁厚度可以从第一端106至自由端108在约10％至约80％之间减小。在以上表明的范围之外的减少量也是可行的。例如，自由端94可以相当尖锐，在端部处大致无厚度。在一个实施方式中，外表面110以及/或者内表面112的锥角可以沿第二管状延伸部74的长度从第一端106到自由端108大体恒定。另选地，锥角可以沿第二管状延伸部74的长度从第一端106到自由端108变更。
在示例性实施方式中，第一管状延伸部72与第二管状延伸部74可以具有相似构造，例如具有相似的几何构造、长度、锥角、壁厚度等。然而，本发明不限于这样的布置，并且在另选实施方式中，第一管状延伸部72与第二管状延伸部74的构造可以彼此不同，包括不同的几何构造、长度、锥角、壁厚度等。
在一个实施方式中，插入件56可以形成一元化构件，其中，主体70、第一管状延伸部72以及第二管状延伸部74可以整合在一起形成为单体构件。然而，在另选实施方式中，插入件56可以具有两部分设计或者架构，其中所述两部分被分开形成并且随后联接在一起以形成插入件56。就此而言并且如图5中所示，插入件56可以包括第一插入元件120与第二插入元件122，第一插入元件120与第二插入元件122被分开形成并且随后联接而形成插入件56。在示例性实施方式中，各个插入元件120、122中的每一者均带有插入件56的管状延伸部72、74中的一者。例如，第一插入元件120可以带有第一管状延伸部72并且第二插入元件122可以带有第二管状延伸部74。当第一插入元件120与第二插入元件122例如以以下论述的方式联接在一起时，元件集体地形成主体70以及第一管状延伸部72和第二管状延伸部74。两部分设计提供了用于制造插入件56的成本更有效的途径并且从制造的观点来看更切实可行。
如图5中所示，第一插入元件120包括基部124以及从基部124的末梢端延伸的第一管状延伸部72。在示例性实施方式中，基部124与第一管状延伸部72可以整合地形成为一元体。然而，在另选实施方式中，基部124与第一管状延伸部72可以是随后联接在一起的单独件。基部124包括如以上描述的中央孔78。此外，基部124包括腔126，该腔朝第一管状延伸部72的中空部开放，并因此可从第一管状延伸部72的自由端94接近。腔126也可以朝中央孔78开放。在一个实施方式中，腔126可以是中央孔78的扩展部84的纵向延伸部。如以下论述的，腔126构造成接纳第二插入元件122的方面以便使两个元件120、122联接在一起而形成插入件56。
第二插入元件122包括大体圆柱形的基部128以及从基部128的末梢端延伸的第二管状延伸部74。在示例性实施方式中，基部128与第二管状延伸部74可以整合地形成为一元体。然而，在另选实施方式中，基部128与第二管状延伸部74可以是随后联接在一起的单独件。为了以下将更详细描述之目的，基部128包括通道130，该通道从基部128的第一端132延伸并且朝第二管状延伸部74的中空部开放。
如图6中所示，要由两个插入元件120、122形成插入件56，第二插入元件122可以插入穿过第一插入元件120的第一管状延伸部72的自由端94并且穿过第一管状延伸部72的中空部直到第二插入元件122的基部128座置在第一插入元件120的基部124中的腔126内。在一个实施方式中，可以借助第二插入元件122的基部128与第一插入元件120的腔126之间的压配合实现两个插入元件120、122之间的联接。就此而言，基部128的外表面可以稍微成锥形，以有助于这样的压配合。然而，应意识到，可以通过包括粘结、收缩连接、超声焊接等的另选或者另外的过程实现插入元件120、122之间的联接。螺纹连接也可以用于联接插入元件120、122。然而，螺纹连接应足够紧使得两个插入元件之间大致无游隙。当第一插入元件120与第二插入元件122联接起时，可以形成如以上描述的插入件56。就此而言，基部124、128集体限定插入件56的主体70，第一管状延伸部72与第二管状延伸部74从主体70的末梢端92延伸。如图6中进一步所示，第二插入元件122的基部128实质上封闭第一插入元件120中的中央孔78。然而，当插入元件120、122联接在一起时，基部128中的通道130可以朝中央孔78开放。
如以上论述的，多个插入件56绕转子叶片50的根端52处的端面60周向隔开并且嵌入形成叶片50的根端52的诸如复合材料之类的材料138中。因此，在形成风轮机叶片50之后或者至少在形成至少叶片50的根端52之后，可以在叶片50的根端52的端面60中形成多个周向隔开的孔140。孔140大体构造成尺寸与形状对应插入件56的尺寸与形状，使得插入件56可以被接纳在其中。就此而言，各个孔140均包括第一大体圆柱形腔部142，该第一大体圆柱形腔部从端面60向内延伸并且在第二端144处终止。孔140的宽度(例如，横向尺寸、直径等)比构造成被接纳在孔140内的插入件56仅稍微大些。而且，第一腔部142的长度构造成大体相当于插入件56的主体70的长度。
孔140进一步包括第一环形腔146，该第一环形腔具有位于第一腔部142的第二端144处的第一端148并且从该第一端向内延伸并在第二端150处终止。以此方式，第一环形腔146朝第一腔部142开放。第一环形腔146的构造大体对应第一管状延伸部72的构造。因此，在示例性实施方式中，第一环形腔146可以具有大体圆柱形构造或者大体圆锥形构造以匹配第一管状延伸部72的构造。而且，第一环形腔146的长度大体相当于第一管状延伸部72的长度。如能理解的，第一环形腔146应稍微大于第一管状延伸部72(例如，约0.5毫米的间隔)并且稍微长于第一管状延伸部(例如，约长出5毫米)以容纳第一管状延伸部以及周围的粘合剂。
以相似的方式，孔140进一步包括第二环形腔152，该第二环形腔具有位于第一腔部142的第二端144处的第一端154并且从该第一端向内延伸并在第二端156处终止。以此方式，第二环形腔152朝第一腔部142开放。第二环形腔152的构造大体对应第二管状延伸部74的构造。因此，在示例性实施方式中，第二环形腔152可以具有大体圆柱形构造或者大体圆锥形构造以匹配第二管状延伸部74的构造。而且，第二环形腔152的长度大体相当于第二管状延伸部74的长度。如能理解的，第二环形腔152应稍微大于第二管状延伸部74(例如，约0.5毫米的间隔)并且稍微长于第二管状延伸部(例如，约长出5毫米)以容纳第二管状延伸部以及周围的粘合剂。在示例性实施方式中，第二环形腔152关于第一环形腔146同轴布置。更具体地说，并且如图5中所示，第二环形腔152可以定位在第一环形腔146内部，使得第一环形腔146布置成外环形腔并且第二环形腔152布置成内环形腔。
在一个实施方式中，可以通过用合适的钻孔元件或者钻头首先钻第一腔部142而形成孔140。随后，可以用适当尺寸的诸如带金刚石头的钻孔元件之类的中空钻孔元件形成两个环形腔146、152。可以以连续的方式形成环形腔146、152或者可以同时形成环形腔146、152。然而，在另选的实施方式中，可以使用单个钻孔元件形成整个孔140。本领域中的普通技术人员会意识到用于形成叶片50的根端52中的孔140的另选或者另外的方法，并且本发明不限于本文中描述的方法。另外，可以存在将插入件56嵌入叶片50的根端52内的另选过程。以实施例的方式，插入件56可以是用于形成叶片的模制过程的一部分。因此，本发明不应限于位于叶片的根端中的用于将插入件嵌入叶片内的孔的形成。
如图7中所示，借助形成在转子叶片50的根端52处的端面60中的孔140，插入件56可以定位在其中。就此而言，插入件56可以定位成：插入件56的主体70大体定位在第一腔部142中；第一管状延伸部72大体定位在第一环形腔146中；并且第二管状延伸部74大体定位在第二环形腔152中。在示例性实施方式中，要将插入件56联接至风轮机叶片50的根端52，插入件56可例如借助合适的环氧树脂粘结在孔140内。这可以例如通过将粘合剂沉积物或者粘合剂包(未示出)定位在第一管状延伸部72与第二管状延伸部74之间的间隙114内而实现。这样的粘合剂可以是环氧粘合剂。以此方式，当插入件56被推到孔140中时，叶片材料158的环形延伸部接触粘合剂沉积物并且迫使粘合剂沿插入件56与孔140之间的界面流动。然后粘合剂固化以将插入件56稳固在风轮机叶片50的孔140内。
如果需要，可选实施另外的过程以确保插入件56与孔140之间充分粘结。例如，可以穿过叶片50的根端52处的外侧壁以及/或者内侧壁形成入口(未示出)，使得入口与孔140的第一腔部142以及/或者第一环形腔146连通。然后，粘合剂可以被泵送穿过入口以填充插入件56与孔140之间的填隙空间。通道130可以用于在粘结过程中使空气以及过多的粘合剂能够逸出。另选地，可以在通道130处抽真空以有助于粘合剂沿位于插入件56与孔140之间的界面流动。本领域中的普通技术人员会意识到其它过程，以确保插入件56足以粘结至位于转子叶片50的根端52中的孔140，并且本发明不限于本文中描述的过程。
如图7中所示，当插入件56嵌入转子叶片50的根端52中时，插入件56的主体70限定关于叶片50的材料138的、位于主体70的外表面86处的粘结界面164。而且，从主体70延伸的第一管状延伸部72限定关于在第一管状延伸部72的外表面96处与叶片50的材料138交界的外粘结界面166以及在第一管状延伸部72的内表面98处与叶片50的材料138交界的内粘结界面168。在有利方面中，从主体70延伸的第二管状延伸部74限定在第二管状延伸部74的外表面110处与叶片50的材料138交界的外粘结界面170以及想第二管状延伸部74的内表面112处与叶片50的材料138交界的内粘结界面172。由第二管状延伸部74提供的粘结界面170、172显著增大插入件56与叶片材料138之间的接触表面积。此外，包括第二管状延伸部74，这增大了插入件56的自由端处的接触周长。接触周长的此增大则增大了转子叶片50与转子轮毂48之间的连接接头54的负载能力。
如以上论述的，为了有助于转子叶片50联接至转子轮毂48，双头螺栓58可以插入到插入件56的中央孔78中并且旋转以使双头螺栓58的叶片端62处的螺纹与插入件56中的中央孔78的螺纹部82中的螺纹接合。双头螺栓58可以插入到中央孔78中直到双头螺栓58的螺纹端与螺纹部82的第一螺纹或者最内部的螺纹相齐或者延伸超出螺纹部82的第一螺纹或者最内部的螺纹(图7)。例如，在一个实施方式中，双头螺栓58的螺纹端可以延伸经过第一螺纹并且可以与第二插入元件122的封闭中央孔78的基部128仅稍微隔开。使双头螺栓58的端部延伸超出螺纹部82的第一螺纹，这使力更均匀地分布在螺纹上并且减小了使用过程中应力高度集中的可能性。
根据另一方面，双头螺栓58可以包括邻近双头螺栓58的螺纹叶片端62、在180处总体示出的应力减小元件。例如，在一个实施方式中，应力减小元件可以紧邻螺纹叶片端62。然而，在另选实施方式中，应力减小元件180可以与叶片端62的螺纹稍微隔开。在风轮机的操作过程中，叶片经受空气动力载荷以及重力载荷，这产生挥舞方向弯曲力矩以及摆振方向弯曲力矩，并且这些弯曲力矩被双头螺栓58中的轴向力保持。当风轮机叶片附接至转子轮毂时，叶片结构与轮毂结构关于螺纹样式不对称并因此双头螺栓58中出现一些径向变形，这些径向变形迫使双头螺栓绕它们的中线弯曲。因此，双头螺栓58经受轴向应力与弯曲应力两者。为了减小双头螺栓中的弯曲应力，双头螺栓具有减小的横向尺寸，这使双头螺栓在径向变形的方向上更柔韧。双头螺栓中的径向变形一般不被双头螺栓58的弯曲刚度限制并因此双头螺栓的较薄的区段将致使双头螺栓对于相同径向变形经受较小弯曲应力，因为螺纹的外表面通常经受最大的应力。因此，为了减小双头螺栓58对于相同径向变形的弯曲应力，设置使双头螺栓的相关横向尺寸减小的局部区域。然而，横向尺寸的此减小不到危害连接接头54的结构完整性的程度。
例如，在一个实施方式中，应力减小元件180可以形成颈部区域，其中，颈部区域的横向尺寸小于螺纹叶片端62的横向尺寸。在示例性实施方式中，颈部区域包括邻近叶片端62的第一端以及更邻近轮毂端64的第二端，使得颈部区域182的长度小于(并且优选明显小于)双头螺栓58的长度。双头螺栓58的叶片端62与轮毂端64相比，颈部区域更朝叶片端62定位。颈部区域的横向尺寸也可以小于邻近颈部区域并位于第二端与双头螺栓58的轮毂端64之间(例如位于叶片端62的相反侧)的双头螺栓58横向尺寸。
在一个实施方式中，如图8以及图8a中所示，颈部区域182可以是具有大体圆形截面的大体圆柱形，其中，颈部区域182的直径小于螺纹叶片端62的直径。颈部区域182的直径也可以小于邻近颈部区域182并位于第二端与双头螺栓58的轮毂端64之间的双头螺栓58的直径。以实施例的方式，可以通过从形成的双头螺栓移除材料的机加工过程(例如，磨削操作)形成颈部区域182。在示例性实施方式中，与双头螺栓58的叶片端62的直径相比，颈部区域182的直径的减小量可以在约5％至约40％之间。在此范围外的其它值也是可行的。而且，颈部区域182的长度可以在约0.5d至约2d之间。然而，其它长度也是可行的。此外，颈部区域182可以包括位于颈部区域182的一端或者两端处的一个或者多个诸如锥形部、斜切部之类的过渡部184以使双头螺栓58的横向尺寸平滑减小/扩展，从而避免大体与相当尖锐的拐角以及台阶有关的应力集中。
在另一实施方式中并且如图9以及图9a中所示，双头螺栓58可以包括具有大体椭圆形截面的颈部区域186。颈部区域186可以以作为椭圆形截面的长轴188的第一横向尺寸以及作为椭圆形截面的短轴190的第二横向尺寸为特征。颈部区域186的大体沿长轴188的方向延伸的侧面可以限定大体平坦或者平面部192。在示例性实施方式中，短轴190的长度小于螺纹叶片端62的直径。短轴190的长度也可以小于邻近颈部区域186并位于第二端与双头螺栓58的轮毂端64之间的双头螺栓58的直径。以实施例的方式，与双头螺栓58的叶片端62的直径相比，颈部区域182的短轴190的减小量可以在约5％至约40％之间。然而，其它值是可行的。
在示例性实施方式中，长轴188的长度可以大于螺纹叶片端62的直径，并且可能大于邻近颈部区域186并位于颈部区域的第二端与双头螺栓58的轮毂端64之间的双头螺栓58的直径。以实施例的方式，可以在形成双头螺栓56的过程中形成这样的颈部区域186。就此而言，可以利用合适的轧机等将双头螺栓56的相对两侧朝彼此向内按压，从而限定短轴190与平坦区域192。于是此按压使材料沿横向方向膨胀或者扩展(例如，使得截面面积仍大致恒定)，从而限定长轴188并且产生椭圆形截面的颈部区域186。与以上相似，颈部区域186的长度可以在约0.5d至约2d之间。然而，其它长度也是可行的。此外，颈部区域188可以包括位于颈部区域的一端或者两端处的一个或者多个诸如锥形部、斜切部之类的过渡部以使双头螺栓58的横向尺寸平滑减小/扩展，从而避免大体与相当尖锐的拐角以及台阶有关的应力集中。
存在颈部区域186相对于叶片50的位于叶片50的根端52处的中轴线的优选取向。就此而言并且如图10中所示，双头螺栓58可以取向成使颈部区域186的长轴188或者平坦部192大体垂直于从叶片50的位于根端52处的中轴线向外延伸并且大体与椭圆形截面的中心相交的径向线194。以此方式，双头螺栓的最小横向尺寸大体平行于径向线194。由于与双头螺栓58的叶片端62的直径相比短轴190减小，当双头螺栓经受大体径向弯曲载荷时，可以减小在颈部区域186中(即，最大应力位置)双头螺栓58的表面处的应力。
为了在叶片50联接至轮毂48的过程中以合适的取向放置双头螺栓58(更具体地说颈部区域186)，双头螺栓58可以包括邻近双头螺栓58的轮毂端64的指示器196。就此而言，在安装叶片50的过程中，因为颈部区域186在轮毂48外部，所以轮毂48内部的技术员不能看到双头螺栓58的颈部区域186。然而，通过利用指示器196，技术员能够在不经视觉确认颈部区域本身的情况下确保颈部区域186的合适取向。在一个实施方式中，例如，并且如图11中所示，指示器196可以是形成在螺纹轮毂端64的端面中取向匹配颈部区域186的长轴188的取向的槽、凹口或者线。诸如对应长轴188以及/或者短轴190或者颈部区域186的其它几何方面之类的其它标记也可以用于辨识颈部区域186的取向。通过观察指示器，技术员可以调整双头螺栓58，使得颈部区域186具有图10中所示的取向。
尽管借助各种优选实施方式的描述阐明了本发明，并且尽管相当详细地描述了这些实施方式，但是申请人不意图要将所附权利要求的范围约束或者以任何方式限制至这些细节。对于本领域中的技术人员而言，其它优势以及变型会是显而易见的。例如，虽然根据双头螺栓描述了本发明，但是本发明可能在应用中使用诸如圆头螺栓之类的其它类型的螺栓或者细长连接件是有益的。因此，取决于使用者的需要以及偏好，本发明的各种特征可以单独使用或者任意组合使用。