用于将风力涡轮机中的转子叶片连接到转子轮毂的衬套的制作方法

本发明通常涉及风力涡轮机，更具体地，涉及一种定位在风力涡轮机叶片的根端中的改进衬套，以用于将风力涡轮机的转子叶片连接到转子轮毂。

背景技术：

1、风力涡轮机被用于使用可再生资源而不是燃烧化石燃料来生产电能。通常，风力涡轮机将来自风的动能转化为电能。水平轴风力涡轮机包括塔架、位于塔架的顶点处的机舱以及转子，该转子具有中心轮毂和联接到该轮毂并且从轮毂向外延伸的多个叶片。转子背支撑在从机舱延伸的轴上，该轴与安置在机舱内部的发电机直接或间接地可操作地联接。因此，当风迫使叶片旋转时，发电机会产生电能。

2、近年来，风力发电已经成为一种更具吸引力的替代性能源，并且陆地和海上的风力涡轮机、风电场等数量已经明显增加。附加地，风力涡轮机的尺寸也已经显著增加，其中，现代风力涡轮机叶片的长度在80米到100米之间延伸，并且预计未来还会进一步增加。风力涡轮机叶片的增加的长度已经为风力涡轮机设计师和制造商带来了许多有趣的设计考虑。例如，随着叶片长度的增加，风力涡轮机叶片与转子轮毂之间的接头可能会经受更大的应力，这带来了具有挑战性的设计考虑，以便确保接头能够承受风力涡轮机的运行寿命期间所期望的载荷。例如，叶片轮毂接头上的应力相当大，这主要是由于叶片质量和风力以及转子连续旋转的影响，因为转子每次旋转都会改变叶片上的力的程度和方向。系统中的振动也可能相当大。

3、风力涡轮机转子叶片与转子轮毂之间的传统接头包括联接到风力涡轮机叶片的根端并从该根端延伸的螺纹双头螺栓，这些螺纹双头螺栓反过来联接到与转子轮毂相关的俯仰轴承。风力涡轮机叶片通常由一种或多种由纤维材料和树脂形成的复合材料制成。这种材料通常不具有结构完整性而无法提供供螺纹双头螺栓可以直接插入到其中的安全固定机构。例如，可以在转子叶片根端处的复合材料中开一个洞或孔，以提供双头螺栓可以在其上实现连接的互补螺纹。然而，复合材料的抗剪强度不足而无法经由双头螺栓在叶片与轮毂之间传递载荷，并且接口处的复合材料会发生劣化。

4、因此，通常已知在螺纹双头螺栓与风力涡轮机叶片的根端处的复合材料之间的接口处使用内螺纹金属衬套。在一种方法中，可以沿着风力涡轮机叶片的根端的圆周来形成孔。然后，金属衬套可以被定位在孔内，并且粘附地粘合在其中，以将金属衬套基本上嵌入转子叶片的复合材料中。在另一种方法中，金属衬套可以嵌入复合材料中，该复合材料共同形成插入件(与叶片分开)。然后，复合材料/金属插入件可以被定位在沿着风力涡轮机叶片的根端形成的孔内。来自这些方法的衬套/插入件通常被称为粘合插入件，因为它们在以其他方式形成的风力涡轮机叶片的螺纹孔内粘合。wo 2017/101943和wo 2021/155896都由本发明的所有者拥有，并且例示了示例性的粘合插入件。

5、在最近的方法中，金属衬套已经被嵌入复合材料内，以形成插入件(仍然与叶片分离)，并且多个这样的插入件以邻接和互锁的方式作为用于制造形成风力涡轮机叶片的叶片外壳的纤维铺设工艺的一部分而被定位在模具内。然后，插入件通过树脂灌注成型工艺(例如，真空灌注)而被集成在叶片外壳内。由于在叶片制造过程中它们在模具内的布置，这种方法的插入件通常被称为互锁插入件。本发明所有者拥有的wo 2019/110071例示了示例性互锁插入件。

6、无论采用何种特定方法，接下来，双头螺栓都会与定位在叶片的根端中的金属插入件螺纹接合，然后连接到转子轮毂，从而将叶片固定到风力涡轮机。转子叶片与转子轮毂之间的力通过双头螺栓进行作用，从而经由金属衬套来传递，该金属衬套用于将力更均匀地分布在具有较软复合材料的接口区域上。由金属衬套提供的力的分布特性进而提供了一种具有足够的结构完整性的连接接头，以在使用期间在转子轮毂与转子叶片之间提供牢固的连接。

7、虽然目前的连接接头足以实现其支撑转子叶片与转子轮毂之间载荷的预期目的，但是制造商担心如何应对风力涡轮机叶片的尺寸的进一步预期增加。一种方法可能依赖于缩放连接接头来适应更大的风力涡轮机叶片，即增加连接接头的尺寸。在这种方法中，叶片在根端处的尺寸必须增加(例如，直径越来越大)，并且轮毂和俯仰轴承的尺寸也必须增加，所有这些都会导致材料和制造成本的显著增加。附加地，金属插入件的数量、长度和/或直径必须相应地增加，以便适应连接接头处增加的载荷。这再次增加了材料和制造成本。因此，缩放对于适应更大的风力涡轮机叶片来说具有一些局限性。

8、因此，制造商正在寻求一种不同的解决方案，以用于适应未来风力涡轮机叶片尺寸的增加。例如，一种替代性方法可以包括在不相应地增加连接接头尺寸的情况下提高连接接头的强度特性。在这方面，大多数衬套具有朝向衬套的远端的锥形配置，以减小该位置处的应力集中。然而，衬套的锥形端可能成为裂纹萌生部位，并且承受显著的剪切和剥离载荷，这有助于裂纹扩展，从而最终导致连接接头的弱化或失效。因此，在这种替代性方法中，制造商寻求减少作用在衬套的端部处的剪切和剥离载荷，从而改善连接接头的强度特性。

技术实现思路

1、为了解决这些和其他缺点，在本发明的第一方面，公开了一种用于将风力涡轮机叶片连接到风力涡轮机的转子轮毂的改进衬套，该改进衬套寻求减少作用在衬套末端处的剪切力和剥离力。根据该方面，所述衬套包括：主体，所述主体限定所述衬套的连接端，以接收用于将所述叶片固定到所述转子轮毂的紧固件；管状延伸部，所述管状延伸部从所述主体向远侧延伸，并且限定所述衬套的末端；和中心孔，所述中心孔从所述衬套的所述连接端延伸到所述末端，并且限定所述衬套的中心轴。所述管状延伸部包括一个或多个锥形或圆柱形区段和末端区段，所述末端区段位于所述一个或多个锥形或圆柱形区段的远端并且邻近所述末端。所述末端区段包括大体上彼此平行并且大体上平行于所述衬套的所述中心轴的外表面和内表面。所述末端区段的几何形状被配置成减少作用在所述衬套的所述末端处的剪切力和剥离力(即抵抗拔出力)。

2、在一个实施方式中，所述管状延伸部包括至少一个锥形区段，该锥形区段具有外表面和内表面，其中，所述外表面和所述内表面中的至少一者相对于所述衬套的所述中心轴限定锐角锥角。通过这种方式，所述至少一个锥形区段可以包括多个锥形区段(例如，第一锥形区段和第二锥形区段)，其中，所述外表面和所述内表面中的所述至少一者的锥角针对所述多个锥形区段中的每一者而变化。在示例性实施方式中，所述外表面和所述内表面中的所述至少一者的所述锥角可以在朝向所述衬套的所述末端区段的方向上减小。在一个实施方式中，所述至少一个锥形区段的所述外表面和所述内表面都相对于所述衬套的所述中心轴限定了锐角锥角。因此，在该实施方式中，所述外表面沿着所述至少一个锥形区段朝向所述衬套的所述中心轴汇聚，而所述内表面沿着所述至少一个锥形区段远离所述衬套的所述中心轴发散。当所述至少一个锥形区段的所述外表面和所述内表面与具有平行表面的末端区段组合来限定锐角锥角时，这导致所述末端的剥离力降低，并且所述锥形区段的所述内外表面上的剥离力得以减小。

3、所述末端区段可以具有在约10mm至约20mm之间的长度和在约1mm至约3mm之间的壁厚。

4、附加地，所述管状延伸部可以包括在所述末端区段远端处限定了所述末端的圆角倒角。该圆角倒角可以具有小于5mm(例如，在约1mm至约3mm之间)的长度。

5、在第二实施方式中，所述管状延伸部包括具有外表面和内表面的至少一个圆柱形区段(例如，单个圆柱形区段)，其中，所述外表面具有限定一系列峰和谷的波状轮廓。该波状轮廓与具有平行表面的所述末端区段相组合，从而导致改善的载荷传递，因为所述波状轮廓提供了与周围材料的互锁布置，而所述末端区段的所述平行表面导致了所述末端处的剥离力减小。通过这种方式，波状轮廓可以是波浪状的，并且其特征在于具有振幅和波长。在一个实施方式中，所述波状轮廓的所述波长被配置成在朝向所述衬套的所述末端区段的方向上增加。此外，在一个实施方式中，所述波状轮廓的所述振幅被配置成在朝向所述衬套的所述末端区段的方向上减小。在一个实施方式中，所述至少一个圆柱形区段的所述内表面大体上平行于所述衬套的所述中心轴。提供所述内表面使其大体上平行于所述衬套的所述中心轴是有益的，因为其允许芯材容易地插入到中心孔中，特别地，该芯材可以具有恒定的截面。所述至少一个圆柱形区段的所述内表面大体上平行于所述衬套的所述中心轴，这也减小了所述内表面处的剥离力。

6、腹板可以延伸横跨邻近所述衬套的所述末端的所述中心孔，以沿着所述至少一个圆柱形区段来限定近端孔部分和远端孔部分。所述远端孔部分的直径可以大于所述近端孔部分的直径，并且所述远端孔部分的长度可以小于所述近端孔部分的长度。所述末端区段可以具有在约10mm至约20mm之间的长度和在约5mm至约10mm之间的壁厚。所述末端区段的所述内表面可以包括邻近所述末端的斜面。

7、根据本发明的第二方面，还公开了一种用于集成到风力涡轮机叶片的根端中的插入件。根据该方面所述的插入件包括根据上述第一方面所述的衬套。在一个实施方式中，所述插入件还包括与所述衬套的至少一部分粘合的复合材料。在一个实施方式中，所述衬套可以是粘合插入件，该粘合插入件被配置成粘附地粘合在形成于所述风力涡轮机叶片的根端中的孔内。在另一个实施方式中，所述衬套可以是互锁插入件，该互锁插入件被配置成在用于制造所述叶片的模制工艺期间而被集成在所述风力涡轮机叶片的所述根端内。

8、在另一方面，公开了一种具有根端和末端的风力涡轮机叶片。根据该方面，所述叶片包括根据第二方面所述的多个插入件，每个插入件均嵌入所述叶片的所述根端内。

9、在另一个方面，公开了一种将插入件集成到风力涡轮机叶片的根端中的方法。根据该方面，该方法包括：在所述风力涡轮机叶片的所述根端的端面中形成多个孔，将根据第二方面所述的插入件定位到所述多个孔中的每一者中，并且将所述插入件粘合在所述多个孔内。

10、在又一个方面，公开了将插入件集成到风力涡轮机叶片的根端中的另一种方法。根据该方面，该方法包括：提供用于形成风力涡轮机叶片的外壳的模具，将纤维材料铺设在模具中，将多个根据第二方面的插入件定位在该模具中，并且将树脂灌注在所述模具中，以形成所述叶片外壳。