用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片的根部组件、风力涡轮机叶片和风力涡轮机的制作方法

本发明涉及用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片的根部组件、风力涡轮机叶片和风力涡轮机。

背景技术：

1、风力涡轮机叶片通常经由两种连接方法中的一种被附接到毂：t形螺栓或根部插入件。必须借助于这些连接方法将大的载荷从风力涡轮机叶片传递到毂。趋向于更长涡轮机叶片的行业趋势增加了这些载荷，使得需要更强的根部。

2、本文所指的根部组件被理解为如下的组件，其包括风力涡轮机叶片的根部部分，所述根部部分被连接到风力涡轮机的毂的轴承或毂凸缘。如上所述，典型地，轴承或毂凸缘借助于多个t形螺栓或借助于根部插入件而被连接到风力涡轮机叶片的根部部分，所述t形螺栓是固定在衬套(见图2)内的螺栓，所述根部插入件被引入到根部部分的层压材料中。

3、为了抵抗具有长的风力涡轮机叶片的大型风力涡轮机中的非常高的载荷，需要在根部组件中提供大量的螺栓和衬套或插入件。然而，在根部部分的公共圆周上用于螺栓和衬套或插入件的空间是有限的。因此，已知的是，提供具有多个螺栓的交错构造的根部组件，以增加所谓的根部容量，所述根部容量与根部组件中的t形螺栓的数量有关。

4、然而，根部部分，特别是当具有螺栓的交错构造时，仍然经受大的应变并且因此易于发生故障。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供一种改进的根部组件、风力涡轮机叶片和风力涡轮机，其不具有前述缺点，特别是具有长的使用寿命。

2、该目的通过权利要求的主题来实现。特别地，该目的通过根据权利要求1所述的风力涡轮机的风力涡轮机叶片的根部组件、根据权利要求13所述的风力涡轮机叶片和根据权利要求14所述的风力涡轮机来实现。本发明的进一步细节从其它权利要求以及说明书和附图展开。因此，结合本发明的根部组件描述的特征和细节适用于本发明的风力涡轮机叶片和本发明的风力涡轮机，使得关于本发明的各个方面的公开而言，其是彼此参照的或可以彼此参照。

3、根据本发明的第一方面，该目的通过一种用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片的根部组件来实现。根部组件的根部部分包括根部部段。根部部分的根部附接面借助于多个螺栓附接到根部组件的轴承或毂凸缘。多个螺栓中的每一个连接到固定地布置在至少一个根部部段内的多个衬套中的一个，使得多个螺栓沿根部部分的圆周彼此相邻地布置，并且衬套沿根部部分的圆周彼此相邻地布置。相邻衬套彼此偏移，使得相邻衬套被设置成彼此相距一轴向距离，该轴向距离在轴向方向上从根部附接面到衬套(或者，换句话说，朝向叶片的末梢)并且在相邻衬套的中心之间测量。衬套的轴向距离与衬套直径之间的商为2.5或更大。

4、螺栓和衬套的组合通常称为t形螺栓。特别地，螺栓可以在其外圆周上具有螺纹。借助于这些外螺纹，螺栓可以与衬套的内螺纹互锁。借助于相邻衬套的轴向间距，可以实现t形螺栓的所谓的交错构造。t形螺栓的交错构造的特征在于，相邻衬套在轴向方向上彼此间隔开，或者换句话说，交替地定位在距根部附接表面不同的距离处。因此，相邻的螺栓交替地具有不同的长度以实现交错构造。交错构造允许增加根部容量，而不增加根部部段的圆周方向上的间距。然而，交错构造仍然具有一些缺点。特别地，根部部段具有的衬套的轴向距离与衬套直径之间的商为2.3或更小，这导致高的应变分布(strain profile)，高的应变分布对于风力涡轮机叶片的使用寿命是不利的。

5、螺栓之间的在根部部段的圆周方向上的横向间距通常由外部参数设定，然而，可以容易地调节螺栓或空腔的中心之间的轴向距离或者换句话说轴向间距，螺栓装配在所述空腔中。通过如本文所述根据衬套直径改变轴向距离，可以减小根部部分的层压件中的应变。因此，螺栓的两个交错排之间的距离可以被优化到最佳应变减小的区域。因此，可以实施使用交替的近和远的螺栓的根部螺栓图案。或者，换句话说，可以实施具有位于第一交错排中的内螺栓和位于第二交错排中的外螺栓的根部螺栓图案，其中，排之间的轴向距离根据衬套的轴向距离和衬套直径之间的至少为2.5的商。为了计算所述商，基于仅仅一对相邻衬套的轴向距离相对于该对相邻衬套中的一个衬套的一个衬套直径来计算所述商就足够了。然而，优选地，大多数或所有衬套具有相同的直径。而且，优选地，相邻衬套之间的轴向距离对于大多数或所有相邻衬套对是相同的。

6、取决于风力涡轮机叶片的设计，根部部分可包括一个或多个根部部段。例如，在风力涡轮机叶片的蝶形设计中，根部部分通常由两个根部部段组成。在风力涡轮机叶片的一体式设计中，根部部分可由在相应的根部部段界面处连结在一起的多个根部部段组成。根部部段特别地可以具有无棱角形状，即倒圆的，并且此外特别地具有部分圆形或椭圆形的形状。换句话说，根部部段可以形成弧形或具有弧形形状。根部部段之间可以具有相等或不同的弧长。由此，可提供风力涡轮机叶片的圆柱形状的根部部分。根部部分的横截面可以具有圆形或椭圆形形状。根部部段可以是增强块(例如预固化的层压块)，其在壳体制造期间放置在风力涡轮机叶片的壳体层压件上或内，或者增强块可以简单地是壳体的增强区域，其由与壳体的其余部分一起放置和固化的另外的层构成。根部部段可以由纤维复合材料制成，纤维复合材料特别是纤维复合材料铺层(lay-up)。因此，根部部段的材料也可以称为层压件。纤维复合材料可以具有例如玻璃纤维和/或碳纤维。

7、优选地，衬套的轴向距离与衬套直径之间的商可以在2.5至5的范围内。更优选地，衬套的轴向距离与衬套直径之间的商可以在2.7至4.8的范围内。甚至更优选地，衬套的轴向距离与衬套直径之间的商可以在3至4.5或3.5至4.5的范围内。已经发现，该商的范围对于根部部段的层压件能够承载更高的载荷、对于具有一个或多个根部部段的根部部分从而能够支撑更长的风力涡轮机叶片、以及对于使衬套更紧密地间隔在一起而言是最佳的，从而允许更多的螺栓围绕根部部分的圆周，这也允许更强和/或更长的风力涡轮机叶片。

8、根部部段可具有第一中心线，其位于根部部段的厚度的中心并且沿根部部段的圆周方向延伸，所述厚度沿根部部段的径向方向测量。多个螺栓可以被布置成使它们的中心沿第二中心线，所述第二中心线沿根部部段的圆周方向延伸。第二中心线可从第一中心线偏移。通过使第二中心线从第一中心线偏移，由此，使螺栓远离根部部段的厚度中心朝向风力涡轮机叶片的内侧或外侧移位，可以使穿过风力涡轮机叶片厚度的应变分布均衡。这种均衡还伴随着应变的减小，这可用于增加由根部部分能够承载的最大载荷所限定的根部容量，该最大载荷与放置在根部部分中的螺栓的数量有关。在这点上，中心线表示可在根部组件中绘制以确定所述偏移的几何线。特别地，可以在两条中心线之间测量径向距离，从而指示偏移的量或大小。中心线在根部组件中不必实际地被绘制或者可见，而是仅为假想的或者可通过本文给出的说明来绘制，这意味着第一中心线在根部部段的厚度的中心被绘制并且沿根部部段的圆周方向延伸，该厚度沿根部部段的径向方向测量，并且第二中心线被绘制为沿根部部段的圆周方向通过螺栓或空腔的中心，螺栓被插入到所述空腔中。

9、特别地，第二中心线可在朝向根部部分的内侧的方向上从第一中心线偏移。这是有利的，因为经过衬套并且朝向风力涡轮机叶片的叶片末梢，通过渐缩几何形状来减小根部部分的厚度，以从风力涡轮机叶片的根部区域过渡到壳体。这种渐缩使第一中心线朝向风力涡轮机叶片的外表面偏移，并且随后，根部部分被加载所在的点在毂和末梢端之间是不同的。其结果是，风力涡轮机叶片的外表面承载更多的载荷，并因此承载更多的应变。穿过层压件的这种应变偏倚(bias)是不利的，因为材料不是被均匀地加载。通过使第二中心线朝向根部部分的内侧偏移，或者换句话说，朝向根部部分或风力涡轮机叶片的中心(径向地)偏移，应变偏倚可被补偿，以便减小外表面上的应变并且提供风力涡轮机叶片中的应变的上述均衡。

10、此外，第二中心线可从第一中心线偏移小于根部部段的厚度的15％，特别是小于10％。已经发现，大于该偏移的径向偏移不利于均衡风力涡轮机叶片的应变分布。

11、此外，第二中心线可从第一中心线偏移根部部段的厚度的0.5％至5％，特别是1％至3％。已经发现，在该区域中，穿过风力涡轮机叶片的层压件的应变分布的均衡和根部部分中的总应变的减小是最优选的。

12、而且，可以提供的是，第一中心线延伸通过多个螺栓。在这种情况下，第一中心线不延伸通过螺栓的中心，而是从它们的中心偏移，并且仍然足够靠近第二中心线，使得第一中心线延伸通过螺栓。在这种情况下，两个中心线之间的径向距离不能大于螺栓或空腔的直径的一半，螺栓被插入到所述空腔中。

13、可以提供的是，根部组件的多个螺栓中的至少一半或多于一半、至少三分之二或多于三分之二、或者全部被布置成使其中心沿第二中心线。因此，在根部附接面上可以仅有一排螺栓，所述螺栓沿该根部附接面被引入根部部段中。例如，在根部附接面处设置两排或更多排螺栓将在螺栓之间引入进一步的应变，因而是可以避免的。

14、所述多个螺栓可具有第一长度或第二长度，其中，所述第二长度大于所述第一长度，并且其中，所述多个螺栓中的具有所述第一长度的螺栓和所述多个螺栓中的具有所述第二长度的螺栓交替地连接到相邻的偏移衬套。所述多个螺栓可以借助于螺母被抵靠轴承或毂凸缘固定。这是将轴承或毂凸缘固定到根部部分的特别简单和容易的方式。

15、根据本发明的第二方面，该目的通过一种风力涡轮机叶片来实现，该风力涡轮机叶片包括根据本发明的第一方面的根部组件。

16、根据本发明的第三方面，该目的通过一种风力涡轮机来实现，该风力涡轮机包括至少一个根据本发明的第二方面的风力涡轮机叶片。

17、风力涡轮机可以是例如直接驱动风力涡轮机或齿轮传动风力涡轮机。此外，所述至少一个风力涡轮机叶片可以安装在风力涡轮机的变桨轴承的外圈上或者安装在变桨轴承的内圈上。