本發(fā)明通常涉及風力渦輪機，更具體地，涉及一種定位在風力渦輪機葉片的根端中的改進襯套，以用于將風力渦輪機的轉子葉片連接到轉子輪轂。

背景技術：

1、風力渦輪機被用于使用可再生資源而不是燃燒化石燃料來生產電能。通常，風力渦輪機將來自風的動能轉化為電能。水平軸風力渦輪機包括塔架、位于塔架的頂點處的機艙以及轉子，該轉子具有中心輪轂和聯(lián)接到該輪轂并且從輪轂向外延伸的多個葉片。轉子背支撐在從機艙延伸的軸上，該軸與安置在機艙內部的發(fā)電機直接或間接地可操作地聯(lián)接。因此，當風迫使葉片旋轉時，發(fā)電機會產生電能。

2、近年來，風力發(fā)電已經(jīng)成為一種更具吸引力的替代性能源，并且陸地和海上的風力渦輪機、風電場等數(shù)量已經(jīng)明顯增加。附加地，風力渦輪機的尺寸也已經(jīng)顯著增加，其中，現(xiàn)代風力渦輪機葉片的長度在80米到100米之間延伸，并且預計未來還會進一步增加。風力渦輪機葉片的增加的長度已經(jīng)為風力渦輪機設計師和制造商帶來了許多有趣的設計考慮。例如，隨著葉片長度的增加，風力渦輪機葉片與轉子輪轂之間的接頭可能會經(jīng)受更大的應力，這帶來了具有挑戰(zhàn)性的設計考慮，以便確保接頭能夠承受風力渦輪機的運行壽命期間所期望的載荷。例如，葉片輪轂接頭上的應力相當大，這主要是由于葉片質量和風力以及轉子連續(xù)旋轉的影響，因為轉子每次旋轉都會改變葉片上的力的程度和方向。系統(tǒng)中的振動也可能相當大。

3、風力渦輪機轉子葉片與轉子輪轂之間的傳統(tǒng)接頭包括聯(lián)接到風力渦輪機葉片的根端并從該根端延伸的螺紋雙頭螺栓，這些螺紋雙頭螺栓反過來聯(lián)接到與轉子輪轂相關的俯仰軸承。風力渦輪機葉片通常由一種或多種由纖維材料和樹脂形成的復合材料制成。這種材料通常不具有結構完整性而無法提供供螺紋雙頭螺栓可以直接插入到其中的安全固定機構。例如，可以在轉子葉片根端處的復合材料中開一個洞或孔，以提供雙頭螺栓可以在其上實現(xiàn)連接的互補螺紋。然而，復合材料的抗剪強度不足而無法經(jīng)由雙頭螺栓在葉片與輪轂之間傳遞載荷，并且接口處的復合材料會發(fā)生劣化。

4、因此，通常已知在螺紋雙頭螺栓與風力渦輪機葉片的根端處的復合材料之間的接口處使用內螺紋金屬襯套。在一種方法中，可以沿著風力渦輪機葉片的根端的圓周來形成孔。然后，金屬襯套可以被定位在孔內，并且粘附地粘合在其中，以將金屬襯套基本上嵌入轉子葉片的復合材料中。在另一種方法中，金屬襯套可以嵌入復合材料中，該復合材料共同形成插入件(與葉片分開)。然后，復合材料/金屬插入件可以被定位在沿著風力渦輪機葉片的根端形成的孔內。來自這些方法的襯套/插入件通常被稱為粘合插入件，因為它們在以其他方式形成的風力渦輪機葉片的螺紋孔內粘合。wo?2017/101943和wo?2021/155896都由本發(fā)明的所有者擁有，并且例示了示例性的粘合插入件。

5、在最近的方法中，金屬襯套已經(jīng)被嵌入復合材料內，以形成插入件(仍然與葉片分離)，并且多個這樣的插入件以鄰接和互鎖的方式作為用于制造形成風力渦輪機葉片的葉片外殼的纖維鋪設工藝的一部分而被定位在模具內。然后，插入件通過樹脂灌注成型工藝(例如，真空灌注)而被集成在葉片外殼內。由于在葉片制造過程中它們在模具內的布置，這種方法的插入件通常被稱為互鎖插入件。本發(fā)明所有者擁有的wo?2019/110071例示了示例性互鎖插入件。

6、無論采用何種特定方法，接下來，雙頭螺栓都會與定位在葉片的根端中的金屬插入件螺紋接合，然后連接到轉子輪轂，從而將葉片固定到風力渦輪機。轉子葉片與轉子輪轂之間的力通過雙頭螺栓進行作用，從而經(jīng)由金屬襯套來傳遞，該金屬襯套用于將力更均勻地分布在具有較軟復合材料的接口區(qū)域上。由金屬襯套提供的力的分布特性進而提供了一種具有足夠的結構完整性的連接接頭，以在使用期間在轉子輪轂與轉子葉片之間提供牢固的連接。

7、雖然目前的連接接頭足以實現(xiàn)其支撐轉子葉片與轉子輪轂之間載荷的預期目的，但是制造商擔心如何應對風力渦輪機葉片的尺寸的進一步預期增加。一種方法可能依賴于縮放連接接頭來適應更大的風力渦輪機葉片，即增加連接接頭的尺寸。在這種方法中，葉片在根端處的尺寸必須增加(例如，直徑越來越大)，并且輪轂和俯仰軸承的尺寸也必須增加，所有這些都會導致材料和制造成本的顯著增加。附加地，金屬插入件的數(shù)量、長度和/或直徑必須相應地增加，以便適應連接接頭處增加的載荷。這再次增加了材料和制造成本。因此，縮放對于適應更大的風力渦輪機葉片來說具有一些局限性。

8、因此，制造商正在尋求一種不同的解決方案，以用于適應未來風力渦輪機葉片尺寸的增加。例如，一種替代性方法可以包括在不相應地增加連接接頭尺寸的情況下提高連接接頭的強度特性。在這方面，大多數(shù)襯套具有朝向襯套的遠端的錐形配置，以減小該位置處的應力集中。然而，襯套的錐形端可能成為裂紋萌生部位，并且承受顯著的剪切和剝離載荷，這有助于裂紋擴展，從而最終導致連接接頭的弱化或失效。因此，在這種替代性方法中，制造商尋求減少作用在襯套的端部處的剪切和剝離載荷，從而改善連接接頭的強度特性。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決這些和其他缺點，在本發(fā)明的第一方面，公開了一種用于將風力渦輪機葉片連接到風力渦輪機的轉子輪轂的改進襯套，該改進襯套尋求減少作用在襯套末端處的剪切力和剝離力。根據(jù)該方面，所述襯套包括：主體，所述主體限定所述襯套的連接端，以接收用于將所述葉片固定到所述轉子輪轂的緊固件；管狀延伸部，所述管狀延伸部從所述主體向遠側延伸，并且限定所述襯套的末端；和中心孔，所述中心孔從所述襯套的所述連接端延伸到所述末端，并且限定所述襯套的中心軸。所述管狀延伸部包括一個或多個錐形或圓柱形區(qū)段和末端區(qū)段，所述末端區(qū)段位于所述一個或多個錐形或圓柱形區(qū)段的遠端并且鄰近所述末端。所述末端區(qū)段包括大體上彼此平行并且大體上平行于所述襯套的所述中心軸的外表面和內表面。所述末端區(qū)段的幾何形狀被配置成減少作用在所述襯套的所述末端處的剪切力和剝離力(即抵抗拔出力)。

2、在一個實施方式中，所述管狀延伸部包括至少一個錐形區(qū)段，該錐形區(qū)段具有外表面和內表面，其中，所述外表面和所述內表面中的至少一者相對于所述襯套的所述中心軸限定銳角錐角。通過這種方式，所述至少一個錐形區(qū)段可以包括多個錐形區(qū)段(例如，第一錐形區(qū)段和第二錐形區(qū)段)，其中，所述外表面和所述內表面中的所述至少一者的錐角針對所述多個錐形區(qū)段中的每一者而變化。在示例性實施方式中，所述外表面和所述內表面中的所述至少一者的所述錐角可以在朝向所述襯套的所述末端區(qū)段的方向上減小。在一個實施方式中，所述至少一個錐形區(qū)段的所述外表面和所述內表面都相對于所述襯套的所述中心軸限定了銳角錐角。因此，在該實施方式中，所述外表面沿著所述至少一個錐形區(qū)段朝向所述襯套的所述中心軸匯聚，而所述內表面沿著所述至少一個錐形區(qū)段遠離所述襯套的所述中心軸發(fā)散。當所述至少一個錐形區(qū)段的所述外表面和所述內表面與具有平行表面的末端區(qū)段組合來限定銳角錐角時，這導致所述末端的剝離力降低，并且所述錐形區(qū)段的所述內外表面上的剝離力得以減小。

3、所述末端區(qū)段可以具有在約10mm至約20mm之間的長度和在約1mm至約3mm之間的壁厚。

4、附加地，所述管狀延伸部可以包括在所述末端區(qū)段遠端處限定了所述末端的圓角倒角。該圓角倒角可以具有小于5mm(例如，在約1mm至約3mm之間)的長度。

5、在第二實施方式中，所述管狀延伸部包括具有外表面和內表面的至少一個圓柱形區(qū)段(例如，單個圓柱形區(qū)段)，其中，所述外表面具有限定一系列峰和谷的波狀輪廓。該波狀輪廓與具有平行表面的所述末端區(qū)段相組合，從而導致改善的載荷傳遞，因為所述波狀輪廓提供了與周圍材料的互鎖布置，而所述末端區(qū)段的所述平行表面導致了所述末端處的剝離力減小。通過這種方式，波狀輪廓可以是波浪狀的，并且其特征在于具有振幅和波長。在一個實施方式中，所述波狀輪廓的所述波長被配置成在朝向所述襯套的所述末端區(qū)段的方向上增加。此外，在一個實施方式中，所述波狀輪廓的所述振幅被配置成在朝向所述襯套的所述末端區(qū)段的方向上減小。在一個實施方式中，所述至少一個圓柱形區(qū)段的所述內表面大體上平行于所述襯套的所述中心軸。提供所述內表面使其大體上平行于所述襯套的所述中心軸是有益的，因為其允許芯材容易地插入到中心孔中，特別地，該芯材可以具有恒定的截面。所述至少一個圓柱形區(qū)段的所述內表面大體上平行于所述襯套的所述中心軸，這也減小了所述內表面處的剝離力。

6、腹板可以延伸橫跨鄰近所述襯套的所述末端的所述中心孔，以沿著所述至少一個圓柱形區(qū)段來限定近端孔部分和遠端孔部分。所述遠端孔部分的直徑可以大于所述近端孔部分的直徑，并且所述遠端孔部分的長度可以小于所述近端孔部分的長度。所述末端區(qū)段可以具有在約10mm至約20mm之間的長度和在約5mm至約10mm之間的壁厚。所述末端區(qū)段的所述內表面可以包括鄰近所述末端的斜面。

7、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，還公開了一種用于集成到風力渦輪機葉片的根端中的插入件。根據(jù)該方面所述的插入件包括根據(jù)上述第一方面所述的襯套。在一個實施方式中，所述插入件還包括與所述襯套的至少一部分粘合的復合材料。在一個實施方式中，所述襯套可以是粘合插入件，該粘合插入件被配置成粘附地粘合在形成于所述風力渦輪機葉片的根端中的孔內。在另一個實施方式中，所述襯套可以是互鎖插入件，該互鎖插入件被配置成在用于制造所述葉片的模制工藝期間而被集成在所述風力渦輪機葉片的所述根端內。

8、在另一方面，公開了一種具有根端和末端的風力渦輪機葉片。根據(jù)該方面，所述葉片包括根據(jù)第二方面所述的多個插入件，每個插入件均嵌入所述葉片的所述根端內。

9、在另一個方面，公開了一種將插入件集成到風力渦輪機葉片的根端中的方法。根據(jù)該方面，該方法包括：在所述風力渦輪機葉片的所述根端的端面中形成多個孔，將根據(jù)第二方面所述的插入件定位到所述多個孔中的每一者中，并且將所述插入件粘合在所述多個孔內。

10、在又一個方面，公開了將插入件集成到風力渦輪機葉片的根端中的另一種方法。根據(jù)該方面，該方法包括：提供用于形成風力渦輪機葉片的外殼的模具，將纖維材料鋪設在模具中，將多個根據(jù)第二方面的插入件定位在該模具中，并且將樹脂灌注在所述模具中，以形成所述葉片外殼。