专利名称：具有连接装置的风力或潮汐涡轮机桨叶的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有连接装置的风力或潮汐涡轮机桨叶，尤其是用于将桨叶的根部连接在桨毂上的根部连接装置或者用于将风力或潮汐涡轮机桨叶的两个部分连接在一起的连接装置。
背景技术：
风力涡轮发电机通常由以下几部分构成塔；吊舱，该吊舱位于塔的顶部并且包括发电机、变速箱或将风能转化为电能的任何装置；桨毂，该桨毂具有各个桨叶用的变桨轴承(pitch bearing)；以及若干(两个或三个)风力涡轮机桨叶，每个风力涡轮机桨叶都装配在桨毂的相应变桨轴承上。潮汐发电机相应地包括桨毂和装配在桨毂上的桨叶。桨叶的“根部”是通过变桨轴承连接在桨毂上的端部，并且通常呈圆柱环形，其形状和尺寸与轴承相匹配。桨叶通常使用复合材料构造成，尤其是在树脂基质内含有纤维的纤维增强复合材料，因此复合材料的根部必须连接在由金属构成的变桨轴承上。通常，通过将根部栓接在轴承上使得桨叶可以被安装和拆卸而实现连接。在使用时，根部连接系统必须能够可靠地承受在风力涡轮机运行期间随着风力涡轮机桨叶旋转而交替地施加在上面的拉伸力和压缩力。通常，通过在环形根部周围周向延伸的圆形排列的螺栓将桨叶连接在变桨轴承上，例如，对于大的桨叶，使用大约50-100根通常长达55m的螺栓。在使用时，有三种常用方法用于将螺栓连接在桨叶的复合结构上T型螺栓如图1所示，对于从变桨轴承(未示出)延伸出来的各个螺栓300，圆柱形金属插入件302嵌到径向延伸孔304中，该径向延伸孔延伸穿过环形桨叶根部306的厚度。插入件302通常是螺栓300直径的2-3倍。插入件302被钻孔并且冲出螺旋状螺纹， 以接收带螺旋状螺纹的螺栓300，该螺栓经由根部306的自由端310内的纵向延伸孔308插入。根部306必须很厚，以具有防止插入件302拉出的足够支承强度。厚意味着根部306 很重，并且由于复合材料中的树脂发热而存在制造问题。这种系统目前被大多数桨叶制造厂商所使用，其中利用树脂注入来生产纤维增强复合材料的根部。粘接衬套如图2所示，对于从变桨轴承(未示出)延伸出来的各个螺栓，在复合材料根部404的自由端内钻出大于螺栓直径的纵向孔402。圆柱形衬套406粘附在孔402 中。衬套406设有用于接收螺栓的内螺纹。衬套406与复合材料根部404的结合强度很关键，从而要求仔细制造。纤维增强复合材料层压体需要很厚，以便即使在钻出孔402之后也足够强，从而引起如上所述的树脂发热的问题。层压压入式衬套如图3所示，对于从变桨轴承(未示出)延伸出来的各个螺栓， 纵向延伸衬套502设置在根部504内，从自由端506向内延伸，并且衬套502在层压过程中被包含在层压的复合材料中，而不是如同上文所述的粘接衬套系统一样在之后粘附在复合材料中。因为根部层压体自然地遵循衬套502的形状而在其间没有不必要的复合材料，所以允许根部层压体薄很多。因此，与(a)和(b)相比，这种方案更轻并且不易发热。在环状地包围衬套502的相邻层压体部分512之间设置泡沫510。然而，层压过程复杂，因此劳动成本会很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有连接装置的风力或潮汐涡轮机桨叶，尤其是用于将桨叶的根部连接在桨毂上的根部连接装置，从而至少部分地克服了已知根部连接系统的上述问题。风力涡轮机桨叶被制造得越来越长，例如目前达到大约60m，这造成了运输困难。此外，本发明的目的在于提供一种具有连接装置的风力或潮汐涡轮机桨叶，该连接装置适合将风力或潮汐涡轮机桨叶的两个部分连接在一起。单个桨叶可以由能够通过连接装置连接在一起的多个部分构成。本发明的目的还在于提供一种连接系统，例如风力或潮汐涡轮机桨叶的根部连接系统，在使用时，该根部连接系统能够可靠地承受例如在涡轮机运行期间随着风力或潮汐涡轮机桨叶旋转而交替地施加在上面的拉伸力和压缩力。因此，本发明提供了一种具有连接装置的风力或潮汐涡轮机桨叶，所述连接装置包括涡轮机桨叶的支撑部，所述支撑部具有相对表面；插入件，所述插入件适合安装用于将所述支撑部与另一结构连接的螺栓；以及安装构件，所述安装构件用于使所述插入件与所述支撑部配合，所述安装构件包括在所述插入件前面上延伸并与所述支撑部的位于所述插入件相对侧的相对表面粘接的层，所述层允许螺栓穿过该层进入所述插入件或者从所述插入件出来。根据本发明提供了一种连接系统，该连接系统可以作为风力或潮汐涡轮机桨叶的根部连接系统，在使用时，该根部连接系统能够可靠地承受例如在涡轮机运行期间随着风力或潮汐涡轮机桨叶旋转而交替地施加在上面的拉伸力和压缩力。优选的是，所述安装构件包含纤维增强复合材料。所述插入件可以包括从所述前面向外延伸的颈部，所述螺栓从所述颈部伸出。所述插入件的后面可以具有用于与所述支撑部的互补端面配合的非平面的表面。 任选地，所述插入件的后面是凹面并且所述端面是凸面。任选地，所述插入件的后面和所述端面具有互补的阶梯状表面。优选的是，所述支撑部是环形的，并且所述连接装置设有至少一个插入件和至少一个安装构件，从而形成用于通过多根螺栓将环形支撑部与另一结构连接的环形组件，每个螺栓从所述的至少一个插入件伸出。在一个实施例中，所述的至少一个插入件包括多个插入件，每个插入件具有相应的螺栓，各插入件环形地排列在所述支撑部周围。通常，相邻插入件的相邻侧面对接在一起。相邻插入件的相邻侧面可以具有互锁部件，使得相邻插入件锁定在一起。在另一个实施例中，所述的至少一个插入件包括一个环形插入件。优选的是，所述的至少一个安装构件包括一个环形安装构件。优选的是，所述安装构件具有覆盖所述插入件的中央部以及与所述支撑部的位于所述插入件相对侧的相对表面粘接的相对腿部。任选地，所述安装构件具有U形截面。优选的是，所述的相对腿部均具有截面渐缩的端部，腿部的厚度朝着相应腿部的自由端减小。 更优选的是，所述的相对腿部的渐缩端部均与所述支撑部的相应外层的截面渐缩的对应端部区域配合。所述安装构件可以是预成型的。任选地，所述安装构件的腿部分开地向外扩张，并且所述支撑部的相对表面互补地扩张。任选地，所述支撑部的截面厚度沿着远离所述插入件延伸的方向减小。所述支撑部可以包括楔形的渐缩芯部，所述芯部从所述插入件向内延伸并夹在纤维增强复合材料的相对外层之间。所述支撑部可以包括具有相对表面的中央梁部和一对相对的渐缩支承板，每一个渐缩支承板邻近所述梁部的相应的相对表面布置，所述支承板的截面厚度沿着远离所述插入件延伸的方向减小。所述安装构件的相对腿部可以具有粘接在一起的端部，所述安装构件内的空腔收容所述插入件和芯部部件，所述芯部部件构成所述支撑部，并且至少一个腿部的至少一个外面与风力或潮汐涡轮机桨叶的根部的渐缩部分粘接。任选地，所述安装构件包括两个安装部，第一安装部具有覆盖所述插入件的第一弯曲部以及与所述支撑部的相对表面之一粘接的第一邻接部，第二安装部具有与第一弯曲部粘接的第二弯曲部以及与所述支撑部的另一个相对表面粘接的第二邻接部。所述插入件的后面可以对接所述支撑部的端面。可选择地，所述插入件的后面与所述支撑部的端面分隔开。所述涡轮机桨叶还可以包括用来与风力或潮汐涡轮机桨叶连接的连接结构，所述连接结构包括具有凹入槽的支承座，所述凹入槽用于以配合关系接收所述安装构件的在所述插入件上延伸的互补凸出部。所述支承座可以包括风力或潮汐涡轮机的桨毂的变桨轴承，或者所述支承座可以适合固定在风力或潮汐涡轮机的桨毂的变桨轴承上。优选的是，所述支撑部是风力或潮汐涡轮机桨叶的根部。可选择地，所述支撑部是风力或潮汐涡轮机桨叶的一段的端部。所述涡轮机桨叶还可以包括安装在至少一个螺栓上的环箍，用于收容远离所述环箍延伸的两个带相反螺纹的相对螺栓的端部，每个螺栓适合接收在相应的钻孔中。优选的是，所述环箍的相对支承面均适合与插入件的相应支承面配合。所述插入件可以包括用于接收相应螺栓的钻孔，并且所述螺栓可以以旋拧方式接收在所述钻孔中，或者被捕捉在所述插入件中。可选择地，所述螺栓可以与所述插入件形成一体。优选的是，所述安装构件包括用于使从所述插入件伸出的相应螺栓穿过的孔。优选的是，所述支撑部包含纤维增强复合材料，任选地包括中央芯部。本发明还提供了一种用于将诸如风力或潮汐涡轮机桨叶等元件与另一结构连接的连接装置，所述连接装置包括插入件，所述插入件适合安装用于将所述连接装置与另一结构连接的螺栓；以及安装构件，所述安装构件包括在所述插入件前面上延伸的层，所述层允许螺栓穿过该层进入所述插入件或者从所述插入件出来，其中，所述安装构件具有覆盖所述插入件的中央部和相对腿部，所述安装构件的相对腿部具有粘接在一起的端部，并且所述安装构件内的空腔收容所述插入件。在本发明特别优选的实施例中，所述连接装置适合将风力或潮汐涡轮机桨叶与诸如变桨轴承或桨毂等另一结构连接。然而，在可选实施例中，所述连接装置适合将诸如不同的发电元件(例如，潮汐电力装置的往复运动元件或桨叶)与另一结构连接。在其他实施例中，所述连接装置可以用于将组合结构的不同组件(例如，桥梁的各段)相互连接。任选地，所述连接装置是渐缩形的并且截面厚度沿着远离所述插入件延伸的方向减小，从而限定了用于与风力或潮汐涡轮机桨叶的根部的渐缩部分粘接的呈锐角倾斜的外表面。所述连接装置还可以包括芯部部件，所述芯部部件具有远离自由端延伸的相对表面，所述插入件具有朝向所述自由端的后面，并且所述安装构件的腿部与所述芯部部件的位于所述插入件相对侧的相对表面粘接。任选地，所述安装构件包括两个安装部，第一安装部具有第一腿部和覆盖所述插入件的第一弯曲部，第二安装部具有第二腿部和与第一弯曲部粘接的第二弯曲部。优选的是，所述安装构件包含纤维增强复合材料。优选的是，所述的相对腿部均具有截面渐缩的端部，腿部的厚度朝着相应腿部的自由端减小。在一个方面，本发明涉及一种用于将风力或潮汐涡轮机桨叶的根部与从桨毂的变桨轴承伸出的螺栓连接的系统。在另一个方面，本发明涉及一种在使用复合材料(在诸如热固性树脂等任何基质材料中混入诸如玻璃或碳纤维等纤维)构造的风力或潮汐桨叶的高负荷部件之间提供任何栓接的系统。如上所述，本发明的优选实施例可以提供一种将带螺纹的金属插入件与桨叶根部结合的可选方式，该桨叶根部比已知的T型螺栓系统或粘接螺柱系统更轻，而且比层压压入式螺柱系统更容易层压。
下面，参考附图仅通过举例方式描述本发明的实施例，在附图中图1 3分别示出不同的已知风力涡轮机桨叶的根部连接装置；图4是根据本发明第一实施例的风力涡轮机桨叶的根部连接装置的示意性截面图；图5是图4所示的风力涡轮机桨叶的根部连接装置的插入件的示意性立体图；图6是图4所示的风力涡轮机桨叶的根部连接装置的带状模制件的示意性立体图；图7示意性示出图5所示的插入件的边缘的变型形式；图8示出根据本发明第二实施例的风力涡轮机桨叶的根部连接装置的示意性截面图；图9示出根据本发明第三实施例的风力涡轮机桨叶的根部连接装置的示意性截面图；图10示出根据本发明第四实施例的风力涡轮机桨叶的根部连接装置的示意性截面图11示出根据本发明第五实施例的风力涡轮机桨叶的根部连接装置的示意性截面图；图12示出根据本发明第六实施例的风力涡轮机桨叶的根部连接装置的示意性截面图；图13示出根据本发明第七实施例的风力涡轮机桨叶的根部连接装置的示意性截面图；图14示出根据本发明第八实施例的风力涡轮机桨叶的根部连接装置的示意性截面图，其中连接装置安装在桨毂上；图15示出根据本发明第九实施例的风力涡轮机桨叶的根部连接装置的示意性截面图，其中连接装置安装在桨毂上；图16示出根据本发明第十实施例的风力涡轮机桨叶的根部连接装置的示意性截面图，其中连接装置安装在桨毂上；图17示出根据本发明第十一实施例的风力涡轮机桨叶的根部连接装置的示意性截面图，其中连接装置安装在桨毂上；图18示出根据本发明第十二实施例的用于将风力涡轮机桨叶的两个部分连接在一起的连接装置的示意性截面图；图19示意性示出在图18所示实施例中的一部分风力涡轮机桨叶的接头的立体图；以及图20示出根据本发明第十三实施例的用于将风力涡轮机桨叶的两个部分连接在一起的连接装置的示意性截面图。
具体实施例方式虽然所示的实施例涉及风力涡轮机桨叶，但是技术人员将清楚如何采用本发明来制造潮汐涡轮机桨叶的实施例。参照图4 6，示出根据本发明第一实施例的风力涡轮机桨叶的根部连接装置2。 风力涡轮机桨叶6的根部4由纤维增强复合材料的层压体8 (任选地其内具有芯材)制成， 并且通过根部连接装置2形成用于与桨毂(未示出)连接的环形(最典型为圆柱状环形) 的根部结构。如图5更详细地示出，根部连接装置2包括至少一个具有插入件10的螺栓支撑件，该插入件具有与环形根部4的端面14配合的向后面12。在所示实施例中，向后面12 是平面的，而端面14是相应平面的。在端面14上没有钻孔。与象在上述一些已知系统中那样在端面上精确地钻出多达100个孔相比，使桨叶以由端面14构成的平面结束是相对简单的加工操作。桨叶根部可以包括桨叶壳体端部、梁部端部、单独模制的根部插入件或者这三种元件的组合。本领域中已知的是，圆柱形根部的内表面和外表面应当是精确的圆柱形并且是同心的，即，必须小心地控制根部的厚度。这可以通过使内表面和外表面都为模制表面或者通过在脱模后进行加工来实现。在本实施例中，插入件10具有凸出弯曲的前面16，该前面通常呈大致半圆形。从前面16延伸的是其内具有螺纹钻孔20的颈部18，钻孔20的轴线与根部4的轴线平行。颈部18延伸远离插入件10的前面16，从而提供大于插入件10的主体22的厚度的钻孔长度。如图所示，钻孔20可以形成为盲孔，或者可选择地，该钻孔可以延伸穿过主体22的整个厚度以及颈部18的长度。插入件10通常由耐用金属(例如，钢或青铜)构成。颈部18的端面还使得根部连接装置可以牢固地对接在桨毂的变桨轴承上，从而在变桨轴承与桨叶根部4之间提供能够承受高压缩和拉伸负荷的固定配合。这还意味着可以精确控制桨叶根部层压体的面与变桨轴承之间的距离而不依赖于对层压体厚度的控制。如图6更详细地示出，大致U形截面的带状模制件M将插入件10固定在根部4 上。带状模制件M包括纤维增强复合材料的模制件。带状模制件M具有延伸远离中央弯曲部30的相对腿部沈和28，从而限定形状和尺寸适合与插入件10和根部4配合的中央通道31。中央弯曲部30与插入件10的前面16配合(并且任选地粘接)，相对腿部沈和观分别与根部4的外周面32和内周面34配合并粘接。带状模制件M在中央部30中设有孔 36，颈部18延伸穿过该孔。因此，从桨毂(未示出)延伸出来的根部螺柱(或根部螺栓)38 可以穿过带状模制件M的孔36以旋拧方式固定在颈部18的螺纹钻孔20中。带状模制件M大致呈环形以包围环形根部4。带状模制件M包括多个孔36，每个孔都与相应的颈部18配合。多个插入件10嵌在围绕根部4外周的环形组件中，从而在桨毂(未示出)与根部4之间提供用于环形排列的根部螺柱或螺栓38的连接装置。在制造过程中，将一个或多个带螺纹的插入件10布置成在使钻孔20与相应螺栓 38对齐的位置抵靠桨叶的端面14。使用夹具将插入件10临时保持在适当位置。然后，U形截面的复合材料的通道模制件M与插入件10配合，颈部18延伸穿过孔36，并且模制件粘接到桨叶根部4上。可以在单独的模具上将模制件M层压并固化。通过额外的粘合层48或者通过带状模制件M的纤维增强复合材料的树脂基质的粘接，将带状模制件M的腿部26和观的向内表面44和46分别与根部4的外周面32和内周面；34粘接。带状模制件M包括纤维增强复合材料的层压体，层压体可以离线模制然后与桨叶根部4配合，或者可选择地，可以现场层压在插入件10与桨叶根部4的组件上。通常，带状模制件M包含层压材料，该层压材料是三轴取向与单向纤维增强复合材料的混合物或者双轴取向与单向纤维增强复合材料的混合物。如图5所示，插入件10可以只具有用于将一个根部螺柱或螺栓38嵌到相应的带螺纹钻孔20中的一个颈部18。可选择地，插入件10可以至少局部呈弓形并且具有多个相互间隔的颈部18，每个颈部具有用于嵌入多个根部螺柱或螺栓38的相应的带螺纹钻孔20。在一个变型实施例中，一个环形插入件10与一个环形带状模制件M—起设置，一个环形插入件10设有多个带螺纹钻孔20，用于接收相应的多个根部螺柱或螺栓38以与桨毂连接。当设置多个插入件10时，插入件10可以相互间隔的构造环形地布置在根部4周围。可选择地，各插入件10可以对接在一起，并且当对接在一起时，如图7所示，任选地，相邻的插入件10可以设有互补形状的互锁表面，例如凸犬骨40/相应的凹空腔42的结构。与一个环形插入件10相比，多个插入件10的构造更容易制造。在图4 6的实施例中，插入件的向后面12是平面的。然而，向后面可以具有适合与桨叶层压体的端面互补配合的异形面。例如，如图8所示，插入件51的向后面50与根部53的端面52可以具有阶梯状结构M。这样在插入件51与根部53之间提供了互锁关系，从而增强了它们之间连接的机械强度。根部58的中央部56可以设有例如多孔泡沫体的楔形芯部60，该楔形芯部的截面远离端面52逐渐变细。芯部60可以局部地加厚根部53的末端55，从而在不增加显著的额外重量的情况下提供用于安装插入件51的扩大端面57。在图9所示的另一种变型中，插入件65的向后面64可以是凹陷的，而根部68的端面66可以是相应凸出的，从而在它们之间形成配合关系。在使用时，凹面64可以在根部 68的整个厚度方向上施加压缩力，以抑制或防止根部68内的纤维增强复合层的分层。在图10的实施例中，插入件71的前面70包括经由相应曲面80和82与平的中央面76连接的内外圆柱环形侧面72和74，其中颈部78从该平的中央面延伸出来。参照图11，在另一个实施例中，桨叶89的根部88的外和/或内周面84和86可以具有在朝着端面90的方向上减小根部厚度的渐缩形状，渐缩角度α通常为约2 3°。 这样可以有助于通过在向外渐缩的根部表面84和86上逐渐滑动模制件92而将预成型的 U形截面模制件92与插入件91和具有相应向外张开形状构造的根部88配合。参照图12，在另一个实施例中，U形截面模制件94包括一对互锁的J形截面模制件96和98。J形截面模制件96和98分别包括弯曲端部100和102以及腿部104和106。 第一 J形截面模制件96与插入件108和根部112的外周面110配合，并且如上文所述与它们粘接，然后第二 J形截面模制件98与第一 J形截面模制件96的弯曲端部100和根部112 的内周面114配合。本实施例提供多部件的U形截面带状模制件，与单部件的U形截面模制件相比，多部件的U形截面带状模制件更容易制造和装配。参照图13，在另一个实施例中，根部116包括由纤维增强复合材料构成的具有恒定截面的梁部118，该梁部与一对由纤维增强复合材料构成的渐缩支承板120和122配合， 该渐缩支承板在根部116的外内周面IM和1 上并且通过粘合剂或者通过纤维增强复合材料的树脂基质粘接在上面。任选地，这些支承板可以与U形截面模制件138形成一体。 根部116的端面130包括梁部118以及支承板120和122的端面，并且可以通过与支承板 120和122相比进一步向外延伸的梁部118而具有阶梯状构造。插入件132与端面130配合，并且具有向后面134，该向后面具有形状与端面130互锁的阶梯状构造。插入件132的前面136被U形截面模制件138覆盖，并且U形截面模制件138的孔140与插入件132的带螺纹钻孔142对齐以接收相应的螺栓或螺柱144。U形截面模制件138的腿部146和148在远离覆盖插入件132的中央弯曲部150 的方向上具有逐渐减小的渐缩厚度。可以在任何或所有其他实施例中提供这种沿着腿部的全部或端部渐缩的腿部厚度。在本实施例中，可以具有如下尺寸插入件的长度1可以为约100mm，梁部118的被U形截面模制件138覆盖的长度L可以为约630mm。这样与上述已知的系统相比提供了紧凑的螺栓安装结构。在图14 17所示的根部连接系统的实施例中，根部连接装置和变桨轴承构造成利用互补的凸/凹表面配合，使得在使用时，U形截面梁部模制件能够承受在风力涡轮机运行期间随着风力涡轮机桨叶旋转而施加在上面的拉伸力和压缩力。首先，参照图14，与图11的实施例一样，插入件160未设置颈部而是具有平滑凸出弯曲的前表面162，该前表面完全由U形截面梁部模制件164覆盖。因此，模制件164的中央弯曲部166是平滑凸出弯曲的，并且在根部末端处设置平滑凸出弯曲的突出部167，根部末端紧密地嵌在变桨轴承170的互补形状的环形凹槽168内。凹槽168在变桨轴承170中形成凹部，用于以负荷支承关系接收根部的环形自由端。可以在变桨轴承170中加工凹槽 168。螺柱或螺栓172以旋拧方式嵌在插入件160的带螺纹钻孔174中，以将风力涡轮机桨叶176牢固地栓接在变桨轴承170上。在本实施例中，还改变了根部结构。根部178包括例如多孔泡沫或层压纤维增强复合材料的中央芯部180，该中央芯部夹在纤维增强复合材料的两个外层182和184之间。 层182和184的自由端逐渐变细并且与模制件164的相应渐缩端186和188配合。通过层 182和184与模制件164的组合，本实施例对根部178提供了包围插入件160和芯部180的大致恒定厚度的复合材料最外层，插入件160和芯部180在径向上具有基本相同的厚度。这种结构在根部178上提供了更薄的层压体，从而提供了更轻质的结构。由于桨叶层压体不必将附近的负荷传递到插入件160的平端面182处而可以在该位置更薄，所以可以减小桨叶层压体端部的应力集中。因为U形截面模制件164的端部被紧密配合的变桨轴承170外部支撑和被插入件160内部支撑，所以该U形截面模制件能够承受压缩负荷。这样可防止U形截面模制件164围绕其弯曲端部弯曲或变形。在变桨轴承 170中设置凹部168还减少了变桨轴承170的重量。图15示出了变型实施例，其中，作为在变桨轴承自身中设置凹部的替换形式，带有形成槽的凹部192的附加安装件190与变桨轴承194配合。在图16所示的另一个变型实施例中，插入件196具有圆柱形截面，因而具有弯曲的端面198，而不是如图14和图15的实施例中所示的大致平的端面。在图17所示的另一个变型实施例中，U形截面模制件206的腿部202和204的自由端200和201不是分开的，而是接触在一起并且粘接在一起，从而包围插入件208和渐缩的芯部210。这样形成的模制件206在结构上不对称，具有与桨叶214轴线的纵向大致对齐的一个外面212和相对于桨叶轴线的纵向呈锐角倾斜的相对外面216，从而为模制件206 的远离变桨轴承218的端部提供渐缩结构207，该渐缩结构与桨叶或梁部的互补渐缩匹配端部219配合。然而，在其他实施例中可以设置对称结构，该对称结构的两个外面均相对于桨叶轴线的纵向呈锐角倾斜并且与桨叶或梁部的端部的互补渐缩匹配部分配合。同样，这提供了以下结构该结构可以提供减小厚度的根部结构，因而可以提供更轻重量的桨叶。本发明的实施例还可以进一步改变为省略芯部，即，模制件的两个腿部的自由端粘接在一起，以包围收容插入件的空腔。本发明连接装置的主要应用是用于风力或潮汐涡轮机桨叶的根部连接装置。然而，一些风力涡轮机桨叶被制成更短的部件以更容易操作和运输，然后在涡轮机竖立起来之前或期间现场组装。在这种情况下，本发明的进一步应用是将风力或潮汐涡轮机桨叶的几段连接在一起。因此，图18 20示出将风力涡轮机桨叶的几段连接在一起而不是将风力涡轮机桨叶的根部连接在变桨轴承上的实施例。参照图18，显示了将要利用连接装置2M连接在一起的风力涡轮机的两段220和 222的每一段，与图4的实施例相同，环形的U形截面模制件2 和2 粘接梁部或层压体的端部230和232。模制件2 和2 将相应的插入件234和236 (尤其是以环形方式排列的相应的多个插入件)分别固定在风力涡轮机的相应段220和222的梁部或层压体的端部。插入件234和236提供了带螺纹钻孔238和MO的环形阵列，这些带螺纹钻孔延伸穿过相应插入件234和236的颈部242和244并且进入插入件234和236的主体。颈部242 和244彼此面对并且设置在可旋转环箍246的相对两侧。环箍246具有安装在上面的螺栓 248或者一对相对指向的螺栓M8，并且相对的螺栓端部250和251带相反的螺纹，即，一端带右手螺纹，而另一端带左手螺纹。可活动手柄252可以临时连接在环箍246上，并且手柄252的旋转引起环箍246 的旋转和相应的螺栓248的旋转，螺栓的旋转将两个插入件234和236拉在一起，从而将插入件234和236 —起牢固地栓接在环箍246上。在取下手柄252之后，相应地拧紧剩下的所有螺栓，从而在风力涡轮机桨叶的两段220和222之间提供可靠的多螺栓接合。如图19所示，U形截面模制件2 和2 可以设置在由风力涡轮机桨叶的外皮 256遮住的梁部254的环形端部(不必为圆形)上。这种实施方式不必须要求螺栓阵列为圆形；相反，螺栓图案可以设置成在该点适合于桨叶梁部的截面。参照图20，按照与图14 17的实施例类似的方式，组件设置成在将风力涡轮机桨叶的两段连接在一起时使U形截面带状模制件可以承受压缩和拉伸负荷。在本实施例中， 与图14的结构类似，风力涡轮机桨叶的各个相应段262和沈4的U形截面模制件沈0的凸出端258分别收容在相应支撑体266和沈8中，而支撑体具有互补形状的环形凹槽形凹部 270和272。两个支撑体266和沈8 (分别用于风力涡轮机桨叶的段262和沈4)通过可旋转环箍272分隔开，该可旋转环箍布置在两个支撑体之间并且安装与相对插入件274和276 螺纹配合的螺栓270。环箍272以上面结合图18实施例所述的方式旋转引起螺栓270的旋转并且将风力涡轮机桨叶的两段262和沈4固定栓接在一起。可以对所示的实施例进行各种变化，如下面所概述的。在本发明的全部所示的实施例中，插入件均包括钻孔，带螺纹的螺栓或螺柱可以收容在该钻孔中。然而，在包括所示实施例在内的任何实施例中，可以设置替换的螺栓/螺柱结构，其中螺栓或螺柱通过除了螺纹以外的其他方式连接在插入件上，例如，螺栓或螺柱可以形成由插入件捕捉或以其他方式固定的“头部”，螺栓或螺柱可以焊接在插入件上，或者，螺栓或螺柱甚至可以通过例如锻造而形成为插入件的一部分或与插入件形成一体。插入件的后面可以对接如所示实施例中示出的支撑部的端面，或者当U形截面梁部安装构件适合承受压缩负荷时，特别是对于图14 17所示的使用具有负荷支撑槽的支撑座的实施例，插入件的后面可以与支撑部的端面分开。在本发明的优选实施例中，金属插入件带有颈部，该颈部伸入U形截面模制件的孔中，从而加长了插入件的固定螺栓或螺柱的部分(任选地带有螺纹)，并且提供了经加工的平面以便与夹具并最终与风力涡轮机的变桨轴承对接。然而，在一些实施例(例如，参见图11 13)中可以省略这种颈部。可以在金属插入件与桨叶根部和/或U形截面带状模制件之间使用缝隙填充化合物或粘合剂。可以是与用于将U形截面带状模制件粘接在桨叶根部上的相同粘合剂。U形截面带状模制件可以在现场层压在插入件和桨叶根部上，从而避免使用单独的模具并且避免U形截面带状模制件与根部之间不可见的粘接(有可能存在缝隙和空隙)。
金属插入件可以通过互锁机构连接在一起，例如犬骨形的金属插入件，或者可以形成与插入件主体构成整体的类似形状，或者金属插入件可以由连续的带制成，使得一个金属插入件被钻出用于多个或甚至所有螺栓的孔。U形截面带状模制件可以是适合根部整个外周的连续部件，或者可以制成若干较短的段。在极端情况下，可以是每个螺栓具有一段。这些段的端部逐渐缩小并重叠，从而在各个交叉点处形成嵌接。U形截面带状模制件可以制成在各螺栓或各颈部之间经过的若干段，因此不需要具有螺栓或颈部经过的孔。这可能会减少制造时间和材料使用，并且减小孔处的应力集中。对于图12的实施例，U形截面带状模制件可以制造成在弯曲端部重叠的两个部件。为了便于组装，如图11所示，在根部外表面具有相应渐缩形状的情况下，U形截面带状模制件可以增加轻微的扩张形状，从而在将U形通道粘接在适当位置的同时允许可靠的粘接。可以在阳模或阴模上预成型U形通道，并且上述扩张形状提供了脱模的便利。插入件中的孔可以是封闭端的或开放端的。可以通过增加泡沫楔形件(例如，参见图8)或者通过留出能够用低密度填充物填充的空隙来局部加厚桨叶层压体。如果需要额外的厚度来提供足以配合金属插入件的深度，那么这样避免了增加额外的重量。金属插入件可以是凹形的或带有凹槽(例如，参见图8和图9)，从而抑制根部在压缩负荷下的分层。可选择地，金属插入件在U形通道带状模制件与桨叶根部之间的角部处可以是凸形的，从而减小纤维增强复合材料中的应力集中。对于U形截面带状模制件的纤维增强复合材料而言以及对于根部而言，纤维大部分可以在桨叶的纵向上取向，而一部分在其他方向上取向以有助于分散负荷。本发明各实施例的连接装置的结构提供了多种技术效果和优点。在螺栓处于拉伸状态下，用于U形通道模制件的纤维增强复合材料在纤维中主要承受拉伸负荷，这是使复合材料承受负荷的最有效方法。在螺栓处于压缩状态下，在叶纤维中直接承受压缩负荷。除了在通过层间剪切力将负荷从U形通道传递至根部时以外，纤维增强复合材料的树脂基质不承受负荷，通过朝向U形通道模制件的腿部的相应末端逐渐减小腿部的厚度，可以将层间剪切力保持在合理限度内，如图所示。因此，与已知的T型螺栓系统相比，能够更有效地利用复合材料，所以层压体可以更薄。与已知的T型螺栓系统(a)不同，金属插入件不局限于圆柱形，因而可以由更少的材料制成。金属插入件比现有系统(C)中的层压压入式衬套短很多，因而更轻。螺栓可以比上述任何现有系统中使用的螺栓更短，因而更轻。在本发明的所述实施例中，金属插入件包括从U形截面带状模制件的孔中伸出来的颈部，通过插入件与变桨轴承之间的直接对接来承受螺栓的预拉伸(可以是典型螺栓工作负荷的若干倍)，从而减轻了来自桨叶根部组件的复合材料部分的负荷。这不同于已知的通过复合材料根部与变桨轴承之间的对接来承受螺栓预拉伸的T型螺栓系统。与层压压入式衬套系统(C)相比，桨叶根部的层压体结构更简单。U形截面带状模制件与根部之间的粘接区域大于衬套系统(b)和(C)中的衬套与层压体之间的粘接区域，因而桨叶的根部部分可以更短(即，更轻)并且粘接应力更低 (即，更可靠)。与T型螺栓系统(a)和粘接衬套系统(b)相比，基础根部层压体(1)可以相当薄。 这样降低了材料重量和成本，但更重要的是降低了在固化期间发热反应的可能性，从而允许根部更快地固化，这样降低了制造周期时间。这还减小或者消除了对单独根部模制件的需要。与对于每个螺栓需要钻出2个孔的T型螺栓系统(a)以及对于每个螺栓需要钻出一个极长孔以进入桨叶根部的粘接衬套系统(b)相比，本发明的钻孔要求更简单。这是因为在U形截面带状模制件中钻孔，U形截面带状模制件比桨叶根部小得多，因而更容易精确地操纵。因为孔的尺寸可以大于螺栓，所以各孔的容差也不太关键；通过夹具来确定正确的螺栓位置。与用于将风力涡轮机桨叶的根部连接在桨毂的变桨轴承上的已知系统相比，本发明的优选实施例可以在以下的一个或多个方面改进之前的系统更轻；减少了对制成的桨叶或梁部的加工；提供增大的粘接区域和/或减小的根部长度；提供减小的螺栓长度；承受在金属制造中直接产生的螺栓预负荷；提供减小的层压体厚度，因而更容易/更快速制造而没有发热反应；潜在节省了材料成本；和/或由于高的部件周转时间而潜在提高了生产性。
权利要求
1.一种具有连接装置的风力或潮汐涡轮机桨叶，所述连接装置包括涡轮机桨叶的支撑部，所述支撑部具有相对表面；插入件，所述插入件适合安装用于将所述支撑部与另一结构连接的螺栓；以及安装构件，所述安装构件用于使所述插入件与所述支撑部配合，所述安装构件包括在所述插入件前面上延伸并与所述支撑部的位于所述插入件相对侧的相对表面粘接的层，所述层允许螺栓穿过该层进入所述插入件或者从所述插入件出来。
2.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，其中，所述安装构件包含纤维增强复合材料。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮机桨叶，其中，所述插入件包括从所述前面向外延伸的颈部，所述螺栓从所述颈部伸出。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的涡轮机桨叶，其中，所述插入件的后面具有用于与所述支撑部的互补端面配合的非平面的表面。
5.根据权利要求4所述的涡轮机桨叶，其中，所述插入件的后面是凹面并且所述端面是凸面。
6.根据权利要求4所述的涡轮机桨叶，其中，所述插入件的后面和所述端面具有互补的阶梯状表面。
7.根据前述任一项权利要求所述的涡轮机桨叶，其中，所述支撑部是环形的，并且所述连接装置设有至少一个插入件和至少一个安装构件，从而形成用于通过多根螺栓将环形支撑部与另一结构连接的环形组件，每个螺栓从所述的至少一个插入件伸出。
8.根据权利要求7所述的涡轮机桨叶，其中，所述的至少一个插入件包括多个插入件， 每个插入件具有相应的螺栓，各插入件环形地排列在所述支撑部周围。
9.根据权利要求8所述的涡轮机桨叶，其中，相邻插入件的相邻侧面对接在一起。
10.根据权利要求9所述的涡轮机桨叶，其中，相邻插入件的相邻侧面具有互锁件，使得相邻插入件锁定在一起。
11.根据权利要求7所述的涡轮机桨叶，其中，所述的至少一个插入件包括一个环形插入件。
12.根据权利要求7-11中任一项所述的涡轮机桨叶，其中，所述的至少一个安装构件包括一个环形安装构件。
13.根据前述任一项权利要求所述的涡轮机桨叶，其中，所述安装构件具有覆盖所述插入件的中央部以及与所述支撑部的位于所述插入件相对侧的相对表面粘接的相对腿部。
14.根据权利要求13所述的涡轮机桨叶，其中，所述安装构件具有U形截面。
15.根据权利要求13或14所述的涡轮机桨叶，其中，所述的相对腿部均具有截面渐缩的端部，腿部的厚度朝着相应腿部的自由端减小。
16.根据权利要求15所述的涡轮机桨叶，其中，所述的相对腿部的渐缩端部均与所述支撑部的相应外层的截面渐缩的对应端部区域配合。
17.根据权利要求13-16中任一项所述的涡轮机桨叶，其中，所述安装构件是预成型的。
18.根据权利要求17所述的涡轮机桨叶，其中，所述安装构件的腿部分开地向外扩张， 并且所述支撑部的相对表面互补地扩张。
19.根据权利要求1-17中任一项所述的涡轮机桨叶，其中，所述支撑部的截面厚度沿着远离所述插入件延伸的方向减小。
20.根据权利要求19所述的涡轮机桨叶，其中，所述支撑部包括楔形的渐缩芯部，所述芯部从所述插入件向内延伸并夹在纤维增强复合材料的相对外层之间。
21.根据权利要求1-17中任一项所述的涡轮机桨叶，其中，所述支撑部包括具有相对表面的中央梁部和一对相对的渐缩支承板，每一个支承板邻近所述梁部的相应的相对表面布置，所述支承板的截面厚度沿着远离所述插入件延伸的方向减小。
22.根据权利要求13所述的涡轮机桨叶，其中，所述安装构件的相对腿部具有粘接在一起的端部，所述安装构件内的空腔收容所述插入件和芯部部件，所述芯部部件构成所述支撑部，并且至少一个腿部的至少一个外面与风力或潮汐涡轮机桨叶的根部的渐缩部分粘接。
23.根据权利要求1-13中任一项所述的涡轮机桨叶，其中，所述安装构件包括两个安装部，第一安装部具有覆盖所述插入件的第一弯曲部以及与所述支撑部的相对表面之一粘接的第一邻接部，第二安装部具有与第一弯曲部粘接的第二弯曲部以及与所述支撑部的另一个相对表面粘接的第二邻接部。
24.根据前述任一项权利要求所述的涡轮机桨叶，其中，所述插入件的后面对接所述支撑部的端面。
25.根据权利要求1-23中任一项所述的涡轮机桨叶，其中，所述插入件的后面与所述支撑部的端面分隔开。
26.根据前述任一项权利要求所述的涡轮机桨叶，还包括用来与风力或潮汐涡轮机桨叶连接的连接结构，所述连接结构包括具有凹入槽的支承座，所述凹入槽用于以配合关系接收所述安装构件的在所述插入件上延伸的互补凸出部。
27.根据权利要求沈所述的涡轮机桨叶，其中，所述支承座包括风力或潮汐涡轮机的桨毂的变桨轴承。
28.根据权利要求沈所述的涡轮机桨叶，其中，所述支承座适合固定在风力或潮汐涡轮机的桨毂的变桨轴承上。
29.根据前述任一项权利要求所述的涡轮机桨叶，其中，所述支撑部是风力或潮汐涡轮机桨叶的根部。
30.根据权利要求116中任一项所述的涡轮机桨叶，其中，所述支撑部是风力或潮汐涡轮机桨叶的一段的端部。
31.根据权利要求30所述的涡轮机桨叶，还包括安装在至少一个螺栓上的环箍，用于收容远离所述环箍延伸的两个带相反螺纹的相对螺栓的端部，每个螺栓适合接收在相应的钻孔中。
32.根据权利要求31所述的涡轮机桨叶，其中，所述环箍的相对支承面均适合与插入件的相应支承面配合。
33.根据前述任一项权利要求所述的涡轮机桨叶，其中，所述插入件包括用于接收相应螺栓的钻孔。
34.根据权利要求33所述的涡轮机桨叶，其中，所述螺栓以旋拧方式接收在所述钻孔中。
35.根据权利要求33所述的涡轮机桨叶，其中，所述螺栓被捕捉在所述插入件中。
36.根据权利要求1-32中任一项所述的涡轮机桨叶，其中，所述螺栓与所述插入件形成一体。
37.根据前述任一项权利要求所述的涡轮机桨叶，其中，所述安装构件包括用于使从所述插入件伸出的相应螺栓穿过的孔。
38.根据前述任一项权利要求所述的涡轮机桨叶，其中，所述支撑部包含纤维增强复合材料，任选地包括中央芯部。
39.一种用于将诸如风力或潮汐涡轮机桨叶等元件与另一结构连接的连接装置，所述连接装置包括插入件，所述插入件适合安装用于将所述连接装置与另一结构连接的螺栓；以及安装构件，所述安装构件包括在所述插入件前面上延伸的层，所述层允许螺栓穿过该层进入所述插入件或者从所述插入件出来，其中，所述安装构件具有覆盖所述插入件的中央部和相对腿部，所述安装构件的相对腿部具有粘接在一起的端部，并且所述安装构件内的空腔收容所述插入件。
40.根据权利要求39所述的连接装置，其中，所述连接装置是渐缩形的并且截面厚度沿着远离所述插入件延伸的方向减小，从而限定了用于与风力或潮汐涡轮机桨叶的根部的渐缩部分粘接的呈锐角倾斜的外表面。
41.根据权利要求39或40所述的连接装置，还包括芯部部件，所述芯部部件具有远离自由端延伸的相对表面，所述插入件具有朝向所述自由端的后面，并且所述安装构件的腿部与所述芯部部件的位于所述插入件相对侧的相对表面粘接。
42.根据权利要求39-41中任一项所述的连接装置，其中，所述安装构件包括两个安装部，第一安装部具有第一腿部和覆盖所述插入件的第一弯曲部，第二安装部具有第二腿部和与第一弯曲部粘接的第二弯曲部。
43.根据权利要求39-42中任一项所述的连接装置，其中，所述安装构件包含纤维增强复合材料。
44.根据权利要求39-43中任一项所述的连接装置，其中，所述插入件包括从所述前面向外延伸的颈部，所述螺栓从所述颈部伸出。
45.根据权利要求39-44中任一项所述的连接装置，其中，所述连接装置是环形的并且包括至少一个插入件和至少一个安装构件，从而形成用于通过多根螺栓将所述连接装置与另一结构连接的环形组件，每个螺栓从所述的至少一个插入件伸出。
46.根据权利要求45所述的连接装置，其中，所述的至少一个插入件包括多个插入件， 每个插入件具有相应的螺栓，各插入件环形地排列。
47.根据权利要求46所述的连接装置，其中，相邻插入件的相邻侧面对接在一起。
48.根据权利要求47所述的连接装置，其中，相邻插入件的相邻侧面具有互锁件，使得相邻插入件锁定在一起。
49.根据权利要求45所述的连接装置，其中，所述的至少一个插入件包括一个环形插入件。
50.根据权利要求45-49中任一项所述的连接装置，其中，所述的至少一个安装构件包括一个环形安装构件。
51.根据权利要求39-50中任一项所述的连接装置，其中，所述的相对腿部均具有截面渐缩的端部，腿部的厚度朝着相应腿部的自由端减小。
52.根据权利要求39-51中任一项所述的连接装置，还包括用来与风力或潮汐涡轮机桨叶连接的连接结构，所述连接结构包括具有凹入槽的支承座，所述凹入槽用于以配合关系接收所述安装构件的在所述插入件上延伸的互补凸出部。
53.根据权利要求52所述的连接装置，其中，所述支承座包括风力或潮汐涡轮机的桨毂的变桨轴承。
54.根据权利要求52所述的连接装置，其中，所述支承座适合固定在风力或潮汐涡轮机的桨毂的变桨轴承上。
55.根据权利要求39-54中任一项所述的连接装置，其中，所述连接装置适合与风力或潮汐涡轮机桨叶的根部连接。
56.根据权利要求39-54中任一项所述的连接装置，其中，所述连接装置适合与风力或潮汐涡轮机桨叶的一段的端部连接。
57.根据权利要求39-56中任一项所述的连接装置，其中，所述插入件包括用于接收相应螺栓的钻孔。
58.根据权利要求57所述的连接装置，其中，所述螺栓以旋拧方式接收在所述钻孔中。
59.根据权利要求57所述的连接装置，其中，所述螺栓被捕捉在所述插入件中。
60.根据权利要求39-56中任一项所述的连接装置，其中，所述螺栓与所述插入件形成一体。
61.根据权利要求39-60中任一项所述的连接装置，其中，所述安装构件包括用于使从所述插入件伸出的相应螺栓穿过的孔。
全文摘要
本发明公开了一种具有连接装置的风力或潮汐涡轮机桨叶，所述连接装置包括涡轮机桨叶的支撑部，所述支撑部具有相对表面；插入件，所述插入件适合安装用于将所述支撑部与另一结构连接的螺栓；以及安装构件，所述安装构件用于使所述插入件与所述支撑部配合，所述安装构件包括在所述插入件前面上延伸并与所述支撑部的位于所述插入件相对侧的相对表面粘接的层，所述层允许螺栓穿过该层进入所述插入件或者从所述插入件出来。
文档编号F03B3/12GK102575635SQ201080041785
公开日2012年7月11日 申请日期2010年8月6日 优先权日2009年8月7日
发明者卢克·尼尔·马克温, 安东尼·詹姆斯·希尼尔, 弗雷德里克·埃尔韦·卢阿伦, 朱莉安·塞利耶 申请人:古瑞特(英国)有限公司