[发明专利]用于将风轮机转子叶片连接至转子轮毂的接头及相关方法

说明书

一种用于将风轮机转子叶片附接至转子轮毂的连接接头,包括构造成联接至所述风轮机叶片的插入件。所述插入件包括：主体，该主体具有构造成与所述叶片交界的外表面；第一管状延伸部，该第一管状延伸部从所述主体延伸并且具有构造成与所述叶片交界的内表面以及外表面；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构造成与所述叶片交界的内表面以及外表面。还公开了一种具有这样的连接接头的风轮机叶片。另外，公开了一种制作包括所述连接接头的风轮机叶片的方法。

技术领域

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。