專利名稱：用于風(fēng)力渦輪的轉(zhuǎn)子葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪的轉(zhuǎn)子葉片，尤其涉及這種轉(zhuǎn)子葉片的根部結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，本發(fā)明還涉及具有這種轉(zhuǎn)子葉片的風(fēng)力渦輪。
背景技術(shù)：
除了風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)之外，轉(zhuǎn)子葉片的質(zhì)量和重量主要取決于葉片與轉(zhuǎn)子輪轂連接的設(shè)計(jì)，例如，葉片根部。負(fù)荷從轉(zhuǎn)子葉片的纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)子輪轂的金屬結(jié)構(gòu)，使得葉片與轉(zhuǎn)子輪轂之間的連接設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)困難的任務(wù)。負(fù)荷傳遞的困難原理上歸因于相關(guān)材料的不同性質(zhì)。一種公知的將轉(zhuǎn)子葉片裝配到轂上的技術(shù)是在葉片根部和輪轂之間形成T形螺拴連接或交叉螺拴連接。
然而這樣，轉(zhuǎn)子負(fù)荷便集中在葉片根部和轉(zhuǎn)子輪轂。另外，轉(zhuǎn)子負(fù)荷呈現(xiàn)出高動(dòng)態(tài)的負(fù)荷頻譜。從而，葉片/輪轂連接中的根部薄板和螺栓必須符合特定的設(shè)計(jì)余度。特別是，葉片螺栓的設(shè)計(jì)余度可能會(huì)過余以至于一個(gè)給定的負(fù)荷譜將需要大量的螺栓。然而，螺栓數(shù)量的增加使得相鄰T形連接之間的根部薄層量相應(yīng)地減少。結(jié)果，葉片根部的連接將經(jīng)受不起過度的載荷，致使葉片根部連接受損甚至折斷。對(duì)于計(jì)劃改裝較大轉(zhuǎn)子葉片的現(xiàn)有渦輪，以上的考慮尤為關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述內(nèi)容，本發(fā)明提供了一種用于風(fēng)力渦輪的轉(zhuǎn)子葉片，其包括位于葉片根部壁上的徑向孔，此徑向孔在轉(zhuǎn)子葉片的縱向上交錯(cuò)開。進(jìn)一步地，此轉(zhuǎn)子葉片還包括位于葉片根部壁上的縱向孔，每個(gè)縱向孔從葉片邊緣延伸至相應(yīng)的徑向孔。
由于葉片根部的以上結(jié)構(gòu)，徑向孔沿轉(zhuǎn)子葉片的翼展方向相互間隔開。因此，對(duì)于一個(gè)給定的葉片根部直徑，螺栓的數(shù)量增加的同時(shí)在相鄰的徑向孔之間仍然有足夠的根部薄層，這樣交叉螺栓連接就就能夠承受過度的負(fù)荷。因此，由于這樣的交錯(cuò)排列布局，轉(zhuǎn)子負(fù)荷在更多的螺栓間分布，同時(shí)確保了足夠的根部薄層余度。特別是，較大的轉(zhuǎn)子葉片就能安裝在現(xiàn)有的風(fēng)力渦輪上，而不需要對(duì)輪轂、承壓螺距和葉片根部進(jìn)行大規(guī)模的重新設(shè)計(jì)。因此，通過相對(duì)較小的努力便使得現(xiàn)有渦輪的轉(zhuǎn)子直徑和風(fēng)力級(jí)別得到了提高。
獨(dú)立權(quán)利要求、說明書及其附圖顯現(xiàn)了本發(fā)明的進(jìn)一步的方面、優(yōu)勢(shì)和特征。
本發(fā)明一方面提供了一種風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其包括位于葉片根部的多個(gè)徑向孔和多個(gè)縱向孔，其中每個(gè)縱向孔連接著轉(zhuǎn)子葉片的輪轂端和一個(gè)徑向孔，此多個(gè)縱向孔由第一組短孔和第二組孔組成，從而使得連接第一組的徑向孔和連接第二組的徑向孔在轉(zhuǎn)子葉片的縱向上相互間隔開。
依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，相鄰徑向孔的縱向距離為徑向孔直徑的0.5-10倍。這樣，相鄰徑向孔之間的距離將適于提供足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以承受極限負(fù)荷。
依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，靠近轉(zhuǎn)子葉片輪轂端的徑向孔直徑比遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子葉片輪轂端的徑向孔直徑小。這樣，比起所有孔徑為相同尺寸的方式來說，這種方式能夠增加在靠近輪轂端的徑向孔和相鄰的延伸入遠(yuǎn)離轂端徑向孔的縱向孔之間的根部薄層量。從而，根/轂連接得到進(jìn)一步加強(qiáng)并且能承受更高的負(fù)荷。
本發(fā)明另一個(gè)方面還提供了一種具有至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的風(fēng)力渦輪。轉(zhuǎn)子葉片通過T形螺栓連接方式裝到轂上，其中T形螺栓連接包括插入位于轉(zhuǎn)子葉片根部的縱向螺栓孔中的緊固螺栓，和緊固螺栓固定于插入位于轉(zhuǎn)子葉片根部的徑向螺栓孔中的橫向螺栓。在此T形螺栓連接中，提供了短縱向螺栓孔和相應(yīng)的短緊固螺栓以及長(zhǎng)縱向螺栓孔和相應(yīng)的長(zhǎng)緊固螺栓。從而提供了一個(gè)帶有改進(jìn)的葉片/輪轂連接的風(fēng)力渦輪。特別地，這種根部和輪轂之間的改進(jìn)連接使得風(fēng)力渦輪能夠以之前安裝小葉片的同樣的根部直徑安裝上更大的葉片。


下面將針對(duì)本發(fā)明向本領(lǐng)域普通術(shù)人員進(jìn)行一個(gè)完整的介紹，尤其是通過后面的說明書，并參考其中的附圖圖1是風(fēng)力渦輪的示意圖。
圖2是風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片的正視圖。
圖3是風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片凸緣部分的示圖。
圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中葉片根部的側(cè)視圖。
圖5是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中凸緣部分T形螺栓連接的剖面圖。
圖6是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中葉片根部和轉(zhuǎn)子輪轂的凸緣部分之間T形螺栓連接的剖面圖。
圖7示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的緊固螺栓。
圖8是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中葉片根部和轉(zhuǎn)子輪轂的凸緣部分之間T形螺栓連接的側(cè)視圖。
圖9是本發(fā)明另外一個(gè)實(shí)施例中葉片根部的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
下面將詳細(xì)介紹本發(fā)明的各種實(shí)施例，附圖示出了其中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。每一個(gè)實(shí)施例都是對(duì)本發(fā)明的一種解釋說明，但其并不意味著對(duì)本發(fā)明的限制。例如，作為某個(gè)實(shí)施例的一部分進(jìn)行圖示或描述的特征也可以結(jié)合到其它實(shí)施例中從而再得出另外的一個(gè)實(shí)施例。也就是說本發(fā)明包括這樣的改進(jìn)和變形。
圖1是傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪100的示意圖。此風(fēng)力渦輪100包括一個(gè)塔架10，機(jī)艙20裝在其頂端。承載著3個(gè)轉(zhuǎn)子葉片40的輪轂30裝在機(jī)艙20的側(cè)端。
葉片40的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。在這，轉(zhuǎn)子葉片40包括一個(gè)用來安裝轉(zhuǎn)子葉片40到輪轂30的根部400。轉(zhuǎn)子葉片40的頂端42與根部400相對(duì)設(shè)置。轉(zhuǎn)子葉片40的葉身41在根部400和頂端41之間延伸。
接下來，圖3-6對(duì)根部400，尤其是，根部凸緣部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述。
從下方看，例如從葉片根部400往葉片頂端41看，可以看到如圖3所示的轉(zhuǎn)子葉片凸緣410。凸緣部分410具有基本為圓環(huán)形的截面。此葉片凸緣410進(jìn)一步包括與縱向孔(未示出)相對(duì)應(yīng)的多個(gè)開口420。開口420具有寬度WL，并且沿邊緣面凸緣面410的圓周方向均勻隔開一段距離DH。當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片40安裝在轉(zhuǎn)子輪轂30上時(shí)，緊固螺栓插入縱向孔從而形成T形螺栓連接，更多的細(xì)節(jié)將在下面進(jìn)行說明。
圖4示出了葉片根部400的側(cè)視圖。如圖所示，葉片根部提供了徑向孔442，444。這些徑向孔442，444的設(shè)定是為了容納T形螺栓連接中的橫向螺栓。縱向孔432，434(如虛線所示)從徑向孔442，444延伸至葉片的輪轂端410。在輪轂端，縱向孔432，434具有開口422，424，供緊固螺栓穿過并插入孔中。如圖4所示，徑向孔沿著葉片根部400的圓周排布。然而，徑向孔被分成靠近葉片輪轂端410的第一組孔442和遠(yuǎn)離此端的第二組孔444。換句話說，第一組徑向孔442相距輪轂端410一段短的縱向距離S，而第二組徑向孔444相距輪轂端410一段長(zhǎng)的縱向距離L。相應(yīng)地，縱向孔也被分成兩組，第一組432僅從葉片輪轂端410延伸了一個(gè)短的縱向距離S，第二組434則從輪轂端延伸了一個(gè)長(zhǎng)的縱向距離L。因此，第一組徑向孔442和第二組徑向孔444之間縱向相隔一段距離，這段距離就是長(zhǎng)縱向距離和短縱向距離之間的差L-S。典型地，這個(gè)距離L-S取為徑向孔直徑WR的0.5-10倍，優(yōu)選地取為1-3倍的范圍。另外作為選擇，這段距離L-S還可以取為長(zhǎng)縱向距離L的1-60％，優(yōu)選地5-40％，更優(yōu)選地10-30％。如圖4所示，徑向孔交替著從第一組442和第二組444中選擇。這樣，在相鄰的第一和第二組孔442，444之間提供了帶有足夠薄層量的間距D1。這樣，可以縮小周向距離D3(如圖3所示)從而為給定的根部直徑提供更多的螺栓連接。
上述的實(shí)施例中，典型地，徑向孔(未示出)和縱向孔的直徑WR和WL的尺寸各自相同。同樣，也只提供了一個(gè)單一的從轂端410開始的短縱向距離S和一個(gè)單一的從轂端410開始的長(zhǎng)縱向距離L。然而，應(yīng)該知道，本發(fā)明還可以實(shí)施不同的徑向孔或縱向孔直徑WR，WL。同樣，還可以提供多個(gè)短的和長(zhǎng)的縱向距離，只要依據(jù)根部的薄層余度將兩個(gè)相鄰的徑向孔充分地間隔開來就行。
圖5是圖4中葉片根部400凸緣部分沿線A-A’的縱向剖面圖?？v向孔432位于轉(zhuǎn)子葉片壁的外側(cè)壁面和內(nèi)側(cè)壁面之間的中間位置。進(jìn)一步地，徑向孔442設(shè)在側(cè)壁中縱向孔432的一端。在相對(duì)端，縱向孔432具有一個(gè)位于葉片邊緣的開口422。把轉(zhuǎn)子葉片40裝在轉(zhuǎn)子輪轂30上的時(shí)候，將橫向螺栓插入徑向孔442，并將緊固螺栓插入縱向孔432從而形成T形螺栓連接，更多的細(xì)節(jié)通過圖6進(jìn)行說明。
圖6是根部400和轉(zhuǎn)子輪轂30的凸緣300之間所形成交叉螺栓連接的剖面圖。在這，橫向螺栓600插入徑向孔442。橫向螺栓600包括一個(gè)帶有陰螺紋的開孔610。開孔610對(duì)準(zhǔn)縱向孔432的位置。進(jìn)一步地，轉(zhuǎn)子轂30的凸緣300鄰接凸緣低端面410。此轂凸緣300具有一個(gè)尺寸與葉片凸緣400的縱向孔432相匹配的通孔310。通孔310和縱向孔432相互對(duì)準(zhǔn)，使得緊固螺栓500能插入通孔310和縱向孔432。緊固螺栓500具有與橫向螺栓600的陰螺紋610相適配的陽螺紋530。通過螺旋式緊固將緊固螺栓500裝入橫向螺拴600，從而形成交叉螺栓連接。這樣，轉(zhuǎn)子葉片40也就安裝到轉(zhuǎn)子輪轂30上。
盡管只通過參考一個(gè)短縱向孔432，對(duì)轉(zhuǎn)子葉片和輪轂之間的橫向螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，但是應(yīng)該知道，除了縱向孔在縱向上的延展之外，長(zhǎng)縱向孔434的結(jié)構(gòu)也基本上相同。特別地，依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，交叉螺栓連接結(jié)構(gòu)僅分別在縱向孔的縱向長(zhǎng)度上以及用于長(zhǎng)短孔的相應(yīng)緊固螺栓上有所不同。
如上所述的螺栓連接設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子輪轂30的凸緣310，橫向螺栓600和緊固螺栓500都典型地選用鋼制。典型地，葉片凸緣400是用纖維增強(qiáng)基體制成。例如，葉片凸緣的纖維增強(qiáng)基體是一種包括嵌入了玻璃纖維和/或碳纖維的基體材料。例如，基體材料選自環(huán)氧樹脂、酚醛環(huán)氧樹脂、熱固樹脂如環(huán)氧樹脂，環(huán)氧酚醛清漆，聚脂，聚酰亞胺，可以是濃縮型或者添加型，酚醛樹脂，雙馬來酰亞胺。可以根據(jù)基體材料所應(yīng)用的特定技術(shù)目的，任意挑選這些樹脂。特別地，可以根據(jù)特定的纖維增強(qiáng)體挑選樹脂系從而制造一種具有期望機(jī)械性和環(huán)境特性的混合纖維增強(qiáng)件成品。在樹脂中加入硬化劑/催化劑之后，通常會(huì)將樹脂除氣至低于真空，從而從液態(tài)樹脂中消去或者除去所有的夾雜空氣。因此，這些樹脂能夠在熱量和時(shí)間的真空壓力周期環(huán)境中繼續(xù)工作，而不會(huì)形成氣泡或空隙。在這樣一種基體材料中，碳纖維和/或玻璃纖維被嵌入并典型地設(shè)置為纖維網(wǎng)的形式。當(dāng)然，這些纖維也可以是非交織或者粗紗(roving)纖維形式。
圖7示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的緊固螺栓。圖7的左圖示出了短型緊固螺栓502。短型緊固螺栓502適于插入短的縱向孔432。短型緊固螺栓502包括一個(gè)筒型螺母段510，一個(gè)短軸522和一個(gè)與筒型螺母段相對(duì)的陽螺紋端530。陽螺紋端530適于旋入橫向螺栓600的陰螺紋610。軸段522具有一個(gè)短的長(zhǎng)度LS，其長(zhǎng)度可以延伸縱向孔432的短長(zhǎng)度S并穿過轂緣通孔310。典型地，筒型螺母段510也包括一個(gè)陽螺紋段(未示出)，筒型螺母的陰螺紋可以旋在此陽螺紋段上。作為選擇，筒型螺母段510還可以和軸522形成一個(gè)整體。在這個(gè)例子中，筒型螺母段510可以是一個(gè)六角螺母的形式。圖7的右圖示出的是一個(gè)長(zhǎng)型緊固螺栓504。它的基本構(gòu)造與短型螺栓502的一樣。
圖8是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中葉片根部400和轉(zhuǎn)子葉片凸緣段300之間T形螺栓連接的側(cè)視圖。在這樣的T形螺栓連接中，橫向螺栓600插入徑向孔442、444，并將它的陰螺紋開孔610對(duì)著縱向孔432、434。短的和長(zhǎng)的緊固螺栓502、504分別插入短的和長(zhǎng)的縱向孔432、434以及轂緣300中相應(yīng)的通孔310。緊固螺栓502、504通過筒型螺母緊固。典型地，在制造過程中通常將橫向螺栓600和緊固螺栓502、504預(yù)裝在轉(zhuǎn)子葉片中。在這種情況下，緊固螺栓502、504的兩端都具有陽螺紋段。于是，轉(zhuǎn)子葉片在構(gòu)造點(diǎn)位置裝配到轂緣上，例如，從開口420開始的緊固螺栓502、504的延伸部分插入了轂凸緣300的通孔310中。接著，通過將筒型螺母旋到緊固螺栓的陽螺紋端，從輪轂的內(nèi)部完成了T形螺栓連接。
圖9是本發(fā)明另外一個(gè)實(shí)施例中葉片根部的側(cè)視圖。其基本構(gòu)造與圖4中所示的葉片根部類似。然而，根據(jù)葉片輪轂端孔間距的變化，徑向孔直徑產(chǎn)生了變化。在這個(gè)特定的實(shí)施例中，靠近輪轂端的徑向孔942的直徑WRS小于遠(yuǎn)離輪轂端的徑向孔944的直徑WRL。因此，不僅兩相鄰徑向孔之間的距離D1縮短了，靠近輪轂端的徑向孔942與相鄰的垂直延伸的長(zhǎng)縱向孔434之間的橫向距離D2也縮短了。這樣一來，靠近輪轂端的徑向孔942和橫向穿過徑向孔的長(zhǎng)縱向孔434之間的根部薄層量得到了增加，根部連接得到進(jìn)一步鞏固。
以上通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了文字描述，包括最佳方式，并使得任何一個(gè)本領(lǐng)域的技術(shù)人員都能夠制造和使用本發(fā)明。雖然通過各種詳細(xì)的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明可以在其權(quán)利要求的要旨和范圍內(nèi)進(jìn)行修改。本發(fā)明可獲取專利的范圍已經(jīng)由權(quán)利要求書確定，同時(shí)還包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想得到的其它實(shí)施例。這樣的其它實(shí)施例，或者其具有的結(jié)構(gòu)元素與本發(fā)明權(quán)利要求中文字描述的沒有區(qū)別，或者其包括與本發(fā)明權(quán)利要求的文字描述沒有實(shí)質(zhì)區(qū)別的等效結(jié)構(gòu)元素，均落入本發(fā)明權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力渦輪(100)的轉(zhuǎn)子葉片(40)，包括位于葉片根部壁(400)中的徑向孔，此徑向孔在轉(zhuǎn)子葉片的縱向上交錯(cuò)開，和位于根部(400)壁中的縱向孔，其中每個(gè)縱向孔從葉片邊緣(410)延伸到一個(gè)相應(yīng)的徑向孔。
2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于第一組徑向孔(442)位于與葉片邊緣(410)相距第一縱向距離(S)的位置，第二組徑向孔(444)位于與葉片邊緣(410)相距第二縱向距離(L)的位置，其中所述第一距離(S)小于第二距離(L)。
3.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于沿著葉片根部(400)的周向看，其中徑向孔交替從所述第一和第二組(442，444)中選擇。
4.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于第一組徑向孔(442)的直徑(WRS)小于第二組徑向孔(444)的直徑(WRS)。
5.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于相鄰徑向孔(442，444)之間的距離(D)適于提供足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以承受極限負(fù)荷。
6.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于相鄰徑向孔(442，444)相互縱向相隔的距離為徑向孔直徑(WR)的0.5-10倍。
7.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于第一組縱向孔(432)具有第一縱向長(zhǎng)度(S)，第二組縱向孔(434)具有第二縱向長(zhǎng)度(L)，其中所述第一長(zhǎng)度(S)小于所述第二長(zhǎng)度(L)。
8.如權(quán)利要求7所述的轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于沿著葉片根部(400)的周向看，其中縱向孔交替從所述第一和第二組(432，434)中選擇。
9.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子葉片，其中長(zhǎng)短縱向孔之間的縱向長(zhǎng)度差(L-S)取為長(zhǎng)縱向孔(444)縱向長(zhǎng)度(L)的1％到60％，優(yōu)選為5％到50％。
10.具有至少一個(gè)如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)子葉片(40)的風(fēng)力渦輪(100)，所述轉(zhuǎn)子葉片(40)通過T形螺栓連接安裝在輪轂(30)上，其特征在于，T形螺栓連接包括插入位于轉(zhuǎn)子葉片根部(400)的縱向螺栓孔(420)中的緊固螺栓(500)，并此緊固螺栓固定到插入位于轉(zhuǎn)子葉片根部的徑向螺栓孔中的橫向螺栓(600)，其中所述T形螺栓連接中提供了適于短縱向螺栓孔(432)的短緊固螺栓(502)和適于長(zhǎng)縱向螺栓孔(434)的長(zhǎng)緊固螺栓(504)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種風(fēng)力渦輪(100)的轉(zhuǎn)子葉片(40)，其中轉(zhuǎn)子葉片包括位于葉片根部(400)壁面上的徑向孔和縱向孔，所述徑向孔在葉片(400)的縱向上交錯(cuò)著，所述每一個(gè)縱向孔從葉片邊緣(410)延伸到相應(yīng)的徑向孔。
文檔編號(hào)F03D1/06GK101063437SQ200710109780
公開日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月30日
發(fā)明者F·多倫斯普利特, R·阿雷爾特, E·艾布 申請(qǐng)人:通用電氣公司