本发明涉及风力发电设备领域,尤其涉及一种叶片用嵌块、叶片及风力发电机组。
背景技术:
纵观风力发电机组的历史,已经进行了很多努力来开发一种坚固,紧凑和廉价的叶片用嵌块。难以以有效和可靠的方式将玻璃纤维/树脂,木纤维/树脂或碳纤维/树脂的复合结构固定到金属轮毂上。
目前业界使用的叶片用嵌块结构和安装方法都属于两种类型之一。
第一类,点型接头(所谓的T型接头)和第二类型的表面到表面型接头(所谓的预埋套管)。
对于标准的T型接头,螺母的最小直径通过下列要求确定:
1、啮合螺纹长度;
2、螺母强度;
3、叶片结构中的孔的抗破碎性;
4、在叶片钻孔后剩余的横截面总面积的强度,包括应力集中因素。
通常,前两个要求可以通过中等尺寸的螺母来满足,然而,第三个标准需要大直径的螺母。该问题在WO 2012 168990 A1的专利中被处理。最后,为了满足第四个要求,叶根的厚度增加。如专利CN 202851266 U,US 2014/0169980A1的方案。这导致叶片的重量增加,从而降低了整个风力发电机组的效率。随着叶片的尺寸和负载的增加,需要增加叶根厚度,或者实行螺母棋盘式布局。
对于带有预装套管的接头,套管的尺寸主要由下列因素确定:
1、啮合螺纹长度;
2、套管强度;
3、套管和其他叶片结构之间的粘合(粘合剂)的强度;
4、套管预安装后叶片剩余截面的总面积强度,包括应力集中系数。
通常,前两个要求可以通过中等尺寸的螺母来满足。然而,第三个要求需要比较长的套管。同时,在结合表面处产生的边缘效果(应力集中),很难确保从纤维增强聚合物结构到套管的金属结构的负载均匀分布,为此需要使用复杂形状的套管最后,为了满足第四个要求,叶根厚度需要增加,导致叶片重量增加,降低了整个风机的效率。而且,随着叶片尺寸和负载的增加,需要提升叶根厚度,或者使用比较负载的套管排列方式,增加了很多成本,叶片重量也增加了不少。
预装套管的接头的进一步发展如WO 2006/070171A1所公开,其中引入了复杂形状(类似冰激凌形状)的预装套管。被进一步描述的总形状和附加的互锁结构的作用是使每个紧固件获得更多面积并且在负载传递过程中使用更大面积,因此,仍然使用叶根和套管结合处的剪切作为主要负载传递方式。该发明的主要缺点在于,由于套管的优选形状不是平坦的,因此,叶根需要如T型接头一样保持一样的厚度或更大的厚度,导致相对高的叶片重量。其中的分层结构还需要增加额外的重量。最后,这种接头方式不允许使用具有高柔性值的长、具有高疲劳寿命的螺栓。
上述的问题促使发明人不断地寻找更好的方案。然而,现有技术中的所有方案都有同样的困难,例如纤维被损坏或粘合长度过大。
专利WO2011/035548的主要目的是通过引入结合到叶片上的楔形结构来降低叶根的厚度。这种结构可以算作一种面到面的结合方式,具有此种类型的结合方式的缺点,如由于粘结剂的低剪切强度造成的低重量效率,粘结剂边缘的应力集中,金属与塑料粘合造成的问题等。
专利CN 103511191A的主要目的是通过在接头中去除套管来减小叶根的厚度。这种结构可以算作是T型接头,其具有T型接头所具有的全部缺点。如,纤维增强材料的纤维完整性被破坏,螺栓引入区域的高应力集中等。另外,此种结构在使用过程中不能更换螺栓,使得叶根连接结构高失效性。
技术实现要素:
本发明的实施例提供一种叶片用嵌块、叶片及风力发电机组,以解决现有叶根预埋螺栓套需要额外增加叶根厚度的问题。
为达到上述目的,本发明的实施例提供一种叶片用嵌块,其包括:连接部,连接部具有连接孔;嵌入部,嵌入部与连接部连接,嵌入部包括安装基体和嵌入凸起,嵌入凸起固定在安装基体上,且沿叶根的径向延伸,或沿第一方向延伸,第一方向与叶根的径向具有第一夹角。
进一步地,沿远离连接部的方向,嵌入部的安装基体的厚度逐渐减小。
进一步地,安装基体的相对至少一个侧面上均设置有嵌入凸起。
进一步地,沿远离安装基体的方向,嵌入凸起的横截面积逐渐减小。
进一步地,在安装基体的一个侧面上或两个侧面上设置有多个嵌入凸起,多个嵌入凸起在安装基体上间隔设置。
进一步地,嵌入部设置在连接部的第一端;或连接部为柱体,嵌入部为两个且一一对应地设置在连接部的径向上的相对两侧;或连接部为柱体,嵌入部设置在连接部的第一端和径向上的相对两侧。
进一步地,连接孔为螺纹孔。
根据本发明的另一方面,提供一种叶片,其包括叶根和与叶根连接的叶片用嵌块,叶片用嵌块为上述的叶片用嵌块,至少叶片用嵌块的嵌入部设置在叶根内。
进一步地,叶片用嵌块为多个,且沿叶根的周向间隔设置。
进一步地,叶片还包括两个或两个以上的叶片段,至少一部分叶片段沿叶片的长度方向依次连接;和/或至少一部分叶片段沿叶片的宽度依次连接。
根据本发明的另一方面,提供一种叶片,所述叶片包括两个或两个以上的叶片段,相邻的叶片段中的一个或两个叶片段对接的部分设置有叶片用嵌块,所述叶片用嵌块为上述的叶片用嵌块。
进一步地,所述叶片用嵌块为多个,且沿所述叶片段对接的部分周向间隔设置。
根据本发明的另一方面,提供一种风力发电机组,其包括叶片,叶片为上述的叶片。
本发明的实施例的叶片用嵌块包括连接部和嵌入部,嵌入部用于嵌入风力发电机组的叶根内,与叶根配合传递载荷,连接部用于连接双头螺杆,使叶片能够与轮毂连接。由于嵌入部具有多个嵌入凸起,通过嵌入凸起和安装基体进行载荷传递,负载传递时,由于嵌入凸起沿叶根的径向方向延伸,因此负载通过嵌入凸起的压缩和拉伸来传递,使得承载能力更好。由于负载转移是平滑的逐渐转移,因此不会发生破碎失效情况,不必增加叶片根部厚度,因此减小了叶片重量,从而提升了叶片效率,而且减小了风力发电机组的叶片和轮毂之间的连接重量。
附图说明
图1为本发明的实施例的第一种叶片用嵌块的第一视角的立体结构示意图;
图2为本发明的实施例的第一种叶片用嵌块的第二视角的立体结构示意图;
图3为本发明的实施例的第一种叶片用嵌块的第三视角的立体结构示意图;
图4为本发明的实施例的第二种叶片用嵌块的立体结构示意图;
图5为本发明的实施例的第三种叶片用嵌块的立体结构示意图;
图6为本发明的实施例的叶根与叶片用嵌块配合的剖视结构示意图;
图7为本发明的实施例的叶片的叶根处的立体结构示意图;
图8为本发明的实施例的叶片的叶根处的结构示意图。
附图标记说明:
10、连接部;11、连接孔;20、嵌入部;21、安装基体;22、嵌入凸起;30、叶根;40、过渡结构;50、双头螺杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例的叶片用嵌块、叶片及风力发电机组进行详细描述。
如图1至图3所示,根据本发明的实施例,叶片用嵌块包括连接部10和嵌入部20,连接部10具有连接孔11;嵌入部20与连接部10连接,嵌入部20包括安装基体21和嵌入凸起22,嵌入凸起22固定在安装基体21上,且沿叶根30的径向延伸,或沿第一方向延伸,第一方向与叶根30的径向具有第一夹角。该叶片用嵌块的嵌入部20用于与叶根30配合,埋设在叶根30的纤维增强层内。连接部10处于叶根30外侧,用于安装螺柱。负载传递时,由于嵌入凸起22沿叶根30的径向方向延伸或沿第一方向延伸,因此负载通过嵌入凸起22的压缩和拉伸来传递,使得承载能力更好。由于负载转移是平滑的逐渐转移,因此不会发生破碎失效情况,不必增加叶片根部厚度,因此减小了叶片重量,从而提升了叶片效率,而且减小了风力发电机组的叶片和轮毂之间的连接重量。
第一方向与叶根30的径向之间的第一夹角的取值可以根据需要为任意值,优选地,第一夹角的取值大于0°且小于180°,且不等于90°。
连接部10和嵌入部20的材料可以根据需要确定,优选为金属或钢结构。嵌入部20和连接部10的位置关系可以根据具体需求确定。如图1至图3所示,嵌入部20设置在连接部10的第一端,连接孔11由连接部10的与第一端相对的第二端向内凹陷形成。
如图4所示,连接部10为柱体(该柱体的横截面积可以是圆形、椭圆形多边形或其他任意形状,当然,该柱体的长度方向的各横截面的形状可以一致,也可以是不同的,即该柱体为变截面柱体),嵌入部20为两个,且对应地设置在连接部10的径向上的相对两侧,连接孔11由连接部10的第一端或第二端向内凹陷形成。
如图5所示,连接部10为柱体,嵌入部20设置在连接部10的第一端和径向上的相对两侧,连接孔11由连接部10的与第一端相对的第二端向内凹陷形成。换而言之,嵌入部20的安装基体21上设置有开口,连接部10设置在开口内。
下面对这三种叶片用嵌块进行详细说明:
如图1至3所示,连接部10为圆柱形,其沿叶根30的轴向延伸。当然,在其他实施例中,连接部10的横截面形状也可以是其他形状,如椭圆形、多边形或不规则形状等。连接部10的最小长度根据叶片的用于与轮毂连接的螺栓的给定公称直径、给定材料的最小啮合长度等来选择,需要确保承载能力。
连接孔11沿连接部10的轴向延伸。在本实施例中,连接孔11为盲孔,其带有螺纹,用于与连接用的双头螺杆50啮合。连接孔11的开口在连接部10的第二端的端面。
嵌入部20的安装基体21通过过渡部分与连接部10连接。安装基体21为平板状。过渡部分由连接部10到嵌入部20厚度逐渐减小。过渡部分的形状和长度根据下列方式选择,避免应力集中,且需要使交变疲劳压力保持在低水平。
需要说明的是,过渡部分可以是与安装基体21一体成型的,即过渡部分实际是安装基体21的一部分。安装基体21可以通过焊接或一体注塑成型等方式与连接部10连接。
优选地,在本实施例中,沿远离连接部10的方向,嵌入部20的安装基体21的厚度逐渐减小。由于叶片用嵌块在埋设在叶根30内时,越远离连接部10的方向嵌入叶根30的深度越深,需要的安装基体21的承载强度可以适当降低,这样可以减少重量。
优选地,安装基体21的相对两个侧面上均设置有嵌入凸起22。以使嵌入部20与叶根30的连接更加可靠,负载传递能力更好。当然,嵌入凸起22可以仅设置在安装基体21的一个侧面上。
在安装基体21的一个侧面上设置有多个嵌入凸起22,多个嵌入凸起22在安装基体21上间隔设置。
在本实施例中,嵌入凸起22在安装基体21上可以以常规的方式排列。如沿安装基体21的长度方向依次间隔设置多组嵌入凸起22,每组嵌入凸起22包括多个沿安装基体21的宽度方向依次间隔设置的嵌入凸起22。当然,在其他实施例中,嵌入凸起22可以以非常规的方式排列。
在本实施例中,嵌入凸起22的横截面为圆形。圆形更有助于生产方便。嵌入凸起22的直径的选择以下列方式,在叶根30上形成的用于安装嵌入凸起22的孔造成的伤害较小。嵌入凸起22的尺寸以下列方式确定,嵌入凸起22直径可比于叶根30符合材料丝束直径。当然制造成本也可以列入考虑。优选地,嵌入凸起22的直径与叶根30的纤维束的直径相等。
多个嵌入凸起22的尺寸可以一致。安装基体21上的嵌入凸起22的数量以经受双头螺杆50传递的载荷而在叶片的生命周期内不失效为宜。当然,嵌入凸起22的尺寸也可以根据使用需求设计为不同的尺寸。
嵌入凸起22可以单独生产后再组装到安装基体21上,也可以与安装基体21一体成型。安装基体21的长度和形状以下列标准确定,使其能够承受嵌入凸起22传递的载荷且无应力集中。安装基体21的厚度和宽度根据下列标准选择,确保安装基体21在叶片的使用过程中可以承受从叶片的双头螺杆50传递的载荷而不失效为宜。
优选地,沿远离安装基体21的方向,嵌入凸起22的横截面积逐渐减小。当然,在其他实施例中,嵌入凸起22的直径也可以不变化。
如图4所示,叶片用嵌块的连接部10为圆柱形,嵌入部20固定设置在连接部10的径向上的相对两侧。除嵌入部20与连接部10的相对位置不一样外,此种叶片用嵌块与上述的叶片用嵌块均可一致。此种叶片用嵌块的嵌入部20的安装基体21的厚度可以一致,也可以渐变。
如图5所示,叶片用嵌块的连接部10为圆柱形,而嵌入部20的安装基体21为矩形板,且一侧具有开口,连接部10设置在开口内,且与安装基体21通过过渡结构40平滑过渡,以防止应力集中。
如图6至图8所示,根据本发明的另一方面,提供一种叶片,其包括叶根30和与叶根30连接的叶片用嵌块,叶片用嵌块为上述的叶片用嵌块,至少叶片用嵌块的嵌入部20设置在叶根30内。该叶片用嵌块嵌入叶根30内,再连接双头螺杆50,可以解决现有技术中T型接头和预埋套管造成的叶根30厚度增加,降低叶片效率的问题。
叶片用嵌块为多个,且沿叶根30的周向间隔设置,以连接双头螺杆50。在径向上,相邻叶片用嵌块的距离可以相等或不等。
如图6所示,嵌入凸起22连接在叶根30相应的部分,嵌入凸起22可能凸出叶根30表面。为了配合能够安装嵌入部20,在叶根30上设置有孔或腔。
叶片用嵌块的形状并不特别重要,只要叶片用嵌块没有尖角,能够减小应力集中即可。尤其需要主意的是,避免连接部10的螺纹孔的产生疲劳裂纹。叶片用嵌块的从叶根凸出的部分,如连接部10,应通过合适的方式防止腐蚀。
当叶片用嵌块被适当处理后,它可以被装入叶根30内。用一个夹具板(未示出来)获得在叶根30的环形上的叶片用嵌块的正确位置。叶片用嵌块主要通过叶根30的结构部分内部嵌入凸起22的压缩力和张力实现负载传递。
叶根30的复合材料层在嵌入部20的上方和下方。叶根30的空腔用于放置嵌入部20。叶根30的空腔的实际横截面可以是任何形状,然而其最好被压扁以具有高纵横比,以便保持叶片根部复合材料的结构完整性。
叶片用嵌块的数量取决于风力发电机组的变桨轴承的设计。通常,对于1.5MW风力发电机组的叶片,具有不少于50个叶片用嵌块。更大的叶片有更多的叶片用嵌块。典型的叶片用嵌块的宽度为100mm。并且叶片用嵌块的间距在中心圆直径上为112.9mm。对于一个2MW叶片而言,中心圆直径2300mm,64个螺栓,使用M36的螺栓。当然,对于更大的叶片而言,使用更多的螺栓和提升螺栓直径也是可以。在叶片中提供两个或以上螺栓和叶片用嵌块的同心环,其中一个在另一个内,这样可以提升压缩/扩张区域在尖端与叶根之间。
优先地,用于安装嵌入凸起22的叶根的纤维增强层压件中的孔,可以在层压固化期间预成形,或者在任何其它制造工艺的辅助下形成。
可选地,连接部由耐腐蚀涂料覆盖。
利用该叶片用嵌块能够显著地减少组装叶片的总重量和原材料成本,并且包括多个这种叶片用嵌块的风力发电机组叶片根部的制造变得容易。
根据本发明的另一方面,提供一种叶片,包括两个或两个以上的叶片段,相邻的叶片段中的一个或两个叶片段对接的部分设置有叶片用嵌块(图中未示出),叶片用嵌块为上述的叶片用嵌块。采用此种叶片用嵌块可以实现叶片段之间的对接,而不必增加叶片段对接位置的厚度,减少叶片重量,实现叶片分段连接。
可选地,叶片用嵌块为多个,且沿叶片段对接的部分周向间隔设置。
根据本发明的实施例的另一方面,提供一种风力发电机组,其包括叶片,叶片为上述的叶片。
与经典的叶片根部附接装置相比,小直径的嵌入凸起22不对叶片的根部施加或造成较小的损伤,在复合材料中不存在应力集中,因此叶根30的厚度和长度可以减小,从而减小叶片的总重量。
与T形预埋螺栓叶根相比,孔钻后叶片的总截面积更大,因此增加了的可靠性。
与预埋的套管相比,预埋套管的负载通过粘合剂中的剪切力从叶片根部传递到套管,本实施例的叶片用嵌块负载主要通过嵌入凸起22的压缩或拉伸的方式传递,增加了材料使用效率。
由于纤维在叶根30和嵌入部20的嵌入凸起22之间延伸,因此在叶根30和嵌入部20之间形成了新的牢固的连接结构。因此,本发明的原理不仅基于结合和局部压缩载荷传递,还基于嵌入凸起22与叶根30的纤维之间的附加锁定结构。
由于负载转移是逐渐转移,因此不会发生破碎失效的情况,不必增加叶片根部厚度,因此减小风力发电机组叶片和轮毂之间的连接重量。
由于嵌入凸起22可以以预定位置布置,因此在钻出容纳嵌入凸起22的孔之后的叶片根部的总截面面积保持相对较大,随后可以在相同半径和叶片根部处安装更多螺栓。当负载通过嵌入凸起22的阵列传递时,因此当前设计是多负载路径设计,相应地增加了叶片根部组件的故障容限。
该叶片用嵌块与叶片连接近似于三维型接头,其是最有效的接头类型,不存在T型接头和预埋套管类接头的问题。使用具体嵌入凸起22的叶片用嵌块,嵌入凸起22的直径与纤维增强材料的纤维束的直径相等,可以自然地融合到叶根30的纤维增强材料中。同时,与其他设计相反的,连接部10内部啮合螺纹的长度根据最小啮合长度要求选取,以允许减小连接部10重量。
本发明的叶片用嵌块、叶片及风力发电机组具有如下效果:
叶片用嵌块可以为叶根提供较低的重量;可以增加叶片根部组件强度和疲劳寿命,因此增加风力发电机组的总体安全性;可为根部组件提供较低的成本,提升叶片用嵌块的防失效性。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。