專利名稱：改進的柱體螺母的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進的柱體螺母(barrel nut)，并且具體地涉及一種用于風(fēng)力渦 輪機轉(zhuǎn)子葉片的改進的柱體螺母。
背景技術(shù)：
除風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的氣動設(shè)計之外，轉(zhuǎn)子葉片的品質(zhì)和重量基本上由葉片與 轉(zhuǎn)子輪轂的連接設(shè)計即葉片根部區(qū)段的設(shè)計所確定。造成葉片與轉(zhuǎn)子輪轂的連接設(shè)計成 為一項困難事項的是，將負載從轉(zhuǎn)子葉片的纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)子輪轂的金屬結(jié)構(gòu) 中。由于所涉及材料的性質(zhì)完全不同，故這種負載傳遞原則上較為困難。用于將轉(zhuǎn)子葉片 附接到輪轂上的已知技術(shù)為在葉片根部與輪轂之間形成螺母與螺栓的連接。柱體螺母通常 用于固定螺栓。 通常，使用圓柱形的柱體螺母來固定螺栓。這些已知的柱體螺母較大且很重，并且 增大了必須由風(fēng)力渦輪機的軸承和塔架所支承的總重量。此外，使用了大量材料來制造螺 母，且相當(dāng)程度地增加了在大型公用級風(fēng)力渦輪機中的材料成本。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種柱體螺母，其具有適于與緊固件的陽螺紋部 分相接合的內(nèi)部陰螺紋部分。柱體螺母包括承載面以及與承載面相反的頂面。側(cè)壁面大致 介于承載面與頂面之間。側(cè)壁面具有成形為以便減少在制造柱體螺母中所使用材料的輪廓。 根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了一種具有至少一個柱體螺母的風(fēng)力渦輪機， 并且柱體螺母具有適于接合緊固件的陽螺紋部分的內(nèi)部陰螺紋部分。該柱體螺母包括承載 面以及與承載面相反的頂面。側(cè)壁面大致介于承載面與頂面之間。側(cè)壁面具有成形為以便 減少在制造柱體螺母中所使用材料的輪廓。


在余下說明中包括參照附圖，向本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更為具體地闡述了本發(fā)明
的完整和能夠?qū)崿F(xiàn)的公開內(nèi)容(包括其最佳模式)，在附圖中 圖1為風(fēng)力渦輪機的簡圖。
圖2為風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的前視圖。
圖3為風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的法蘭區(qū)段的視圖。 圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的葉片根部的側(cè)視圖。 圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例的法蘭區(qū)段中的T形螺栓的截面圖。 圖6為根據(jù)本發(fā)明實施例的位于葉片根部與轉(zhuǎn)子輪轂的法蘭部分之間的T形螺栓
連接的截面圖。 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的緊固螺栓。
圖8為根據(jù)本發(fā)明實施例的位于葉片根部與轉(zhuǎn)子輪轂的法蘭部分之間的T形螺栓 連接的側(cè)視圖。 圖9為根據(jù)本發(fā)明實施例的位于葉片根部與轉(zhuǎn)子輪轂的法蘭部分之間的螺母與 螺栓連接的截面圖。 圖10為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的位于葉片根部與轉(zhuǎn)子輪轂的法蘭部分之間的螺 母與螺栓連接的截面圖。 圖11為根據(jù)本發(fā)明又一實施例的位于葉片根部與轉(zhuǎn)子輪轂的法蘭部分之間的螺
母與螺栓連接的截面圖。 零件清單 IOO風(fēng)力渦輪機 110塔架 120機艙 130輪轂 140葉片 142根部區(qū)段 144主體區(qū)段 146尖部端 310葉片法蘭 320開口 422開口 424開口 432縱向孔洞 434縱向孔洞 442徑向孔洞 444徑向孔洞 610輪轂法蘭 612通孔 620柱體螺母 630螺栓 632螺栓螺紋 634頭部區(qū)段或柱體螺母 636軸 730螺栓 732螺栓螺紋 734頭部區(qū)段或柱體螺母 736軸 920柱體螺母 940柱體螺母 1020柱體螺母
1040柱體螺母
1120柱體螺母
1140柱體螺母
具體實施例方式
現(xiàn)將更為詳細地參照本發(fā)明的各個示例性實施例，在附圖中示出了其中的一個或 多個實例。各個實例通過舉例的方式提供而非意在對本發(fā)明進行限制。例如，示為或描述 為一個實施例的一部分的特征可用于其它實施例或結(jié)合其它實施例來使用，以產(chǎn)生又一個 實施例。本發(fā)明意圖包括此類修改和變型。 圖1為常規(guī)風(fēng)力渦輪機100的簡圖。風(fēng)力渦輪機100包括塔架IIO，機艙120安裝 在塔架110的頂端處。承載三個轉(zhuǎn)子葉片140的輪轂130安裝到機艙120的橫向端上。
圖2中示出了轉(zhuǎn)子葉片140的基本構(gòu)造。其中，轉(zhuǎn)子葉片140包括根部區(qū)段142， 其用于將轉(zhuǎn)子葉片140安裝到輪轂130上。與根部區(qū)段142相反，設(shè)置的是轉(zhuǎn)子葉片140 的尖部端146。轉(zhuǎn)子葉片140的主體區(qū)段144在根部區(qū)段142與尖部端146之間延伸。
接下來，參照圖3至圖6論述根部區(qū)段142的設(shè)計，且尤其是根部區(qū)段法蘭部分的 設(shè)計。 圖3示出了在從下方即從根部區(qū)段142至轉(zhuǎn)子葉片的尖部146觀測時轉(zhuǎn)子葉片的 葉片法蘭310。法蘭區(qū)段310具有基本上為圓環(huán)形的截面。葉片法蘭310還包括對應(yīng)于縱 向孔洞(未示出)的許多開口 320。開口 320具有一定寬度WL，并且沿法蘭區(qū)段310的圓 周方向以一定距離DH均勻地間隔開。當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片140安裝到轉(zhuǎn)子輪轂130上時，緊固螺栓 插入到縱向孔洞中，作為一個實例，以形成如下文將更為詳細論述的螺栓連接。
圖4示出了葉片根部142的側(cè)視圖。其中，示出了徑向孔洞442， 444提供在葉片根 部區(qū)段中。這些徑向孔洞442,444構(gòu)造成用以收容T形螺栓連接的橫螺栓(cross-bolt)。 縱向孔洞432，434(以虛線示出)從徑向孔洞442,444延伸至葉片的輪轂端310。在輪轂端 處，縱向孔洞432,434提供了開口 422，424，緊固螺栓可經(jīng)由開口 422，424插入。如圖4中 所示，徑向孔洞沿葉片根部142的圓周布置。然而，徑向孔洞可分為鄰近葉片的輪轂端的第 一組孔洞442，以及定位成遠離該輪轂端的第二組孔洞444。換句話說，第一組徑向孔洞442 與葉片的輪轂端310間隔開較小的縱向距離S，而第二組徑向孔洞444與輪轂端310間隔開 較長的縱向距離L。相對應(yīng)的是，縱向孔洞也分成了從葉片的輪轂端310僅延伸較小的縱 向距離S的第一組432，以及從輪轂端310延伸較長的縱向距離L的第二組434。因此，第 一組徑向孔洞442通過較長縱向距離與較短縱向距離之間的差距L-S來與第二組徑向孔洞 444縱向地間隔開。 一般而言，該距離L-S在徑向孔洞直徑WR的0. 5倍至10倍的范圍內(nèi)， 優(yōu)選的是在1倍至3倍的范圍內(nèi)。作為備選或此外，距離L-S可在較長的縱向距離L的1 % 至60%的范圍內(nèi)，優(yōu)選的是在5%至40% ，更為優(yōu)選的是10%至30% 。如圖4中所示，徑向 孔洞可交替地選自第一組442和第二組444。因此，具有足量根部疊層(laminate)的距離 Dl提供在相鄰的第一組徑向孔洞442與第二組徑向孔洞444之間。結(jié)果，周向間距DH(見 圖3)可縮小，以便對于給定的根部直徑可提供更多的螺栓連接。 在上述實施例中，分別將徑向孔洞的直徑WR和縱向孔洞的直徑WL選擇成相同的。 另外，提供了距輪轂端310僅有單個較小的縱向距離S以及距輪轂端310僅有單個較長的
5縱向距離L。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，也可利用變化值的徑向孔洞直徑WR或縱向孔洞直徑WL來實現(xiàn)本發(fā)明。同樣，只要遵循兩個相鄰的徑向孔洞根據(jù)根部疊層裕度充分地間隔開，便可提供多個較小和較長的縱向距離。 圖5為沿圖4中的線A-A'的葉片根部142法蘭區(qū)段的縱向截面圖?？v向孔洞432基本上定位在轉(zhuǎn)子葉片壁的外側(cè)壁面與內(nèi)側(cè)壁面之間的中間位置。此外，徑向孔洞442提供在側(cè)壁中，位于縱向孔洞432的一端。在相反端處，縱向孔洞432和434在葉片法蘭中分別具有開口 422和424。當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片140安裝到轉(zhuǎn)子輪轂130上時，柱體螺母插入徑向孔洞442,444中，以形成與插入縱向孔洞432的緊固螺栓的連接，這將參照圖6在下文中進行更為詳細的描述。 圖6為在根部區(qū)段142與轉(zhuǎn)子輪轂130的法蘭610之間形成的螺母與螺栓的連接的截面圖。柱體螺母620插入徑向孔洞442中。柱體螺母620包括具有陰螺紋的中央開口。該開口與縱向孔洞432的位置對齊。此外，轉(zhuǎn)子輪轂130的法蘭610鄰接抵靠法蘭區(qū)段310的下表面。輪轂法蘭610具有通孔612，該通孔612的尺寸形成為與葉片法蘭310的縱向孔洞432相配合。通孔612和縱向孔洞432彼此對齊，使得緊固螺栓630可插入通孔612和縱向孔洞432中。緊固螺栓630包括與柱體螺母620的陰螺紋相配合的陽螺紋632。緊固螺栓630通過螺旋緊固來固定到柱體螺母620上，以便形成螺母_螺栓連接。在螺栓630的相反端處還可采用柱體螺母640。因此，轉(zhuǎn)子葉片140可固定到轉(zhuǎn)子輪轂130上。
盡管參照較短的縱向孔洞432描述了轉(zhuǎn)子葉片與輪轂之間的螺母-螺栓連接的構(gòu)造，但應(yīng)當(dāng)理解的是，用于較長縱向孔洞434的構(gòu)造除了縱向孔洞的縱向延伸程度外基本上都是相同的。具體而言，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，螺母-螺栓連接的構(gòu)造分別對于較長的孔洞和較短的孔洞而言，區(qū)別僅在于縱向孔洞和對應(yīng)緊固螺栓的縱向長度。
在上文所述的螺栓連接布置中，轉(zhuǎn)子輪轂的法蘭310、柱體螺母620和緊固螺栓630通常由鋼制成。通常，葉片法蘭310由纖維增強的基體制成。例如，葉片法蘭的纖維增強基體為包括嵌入基體材料中的玻璃纖維和/或碳纖維的材料。例如，基體材料選自環(huán)氧樹脂、酚醛型環(huán)氧樹脂、類似于環(huán)氧樹脂、酚醛型環(huán)氧樹脂、聚酯、聚酰亞胺的縮合型和加成型熱固性樹脂、酚醛樹脂以及雙馬來酰亞胺的組合。根據(jù)利用基體材料的特定技術(shù)目的，可選擇這些樹脂的任何一種。具體而言，應(yīng)當(dāng)相對于特定的纖維增強來選擇樹脂系統(tǒng)，用于產(chǎn)生具有期望機械性能和環(huán)境性能的成品混合纖維增強的零件。在樹脂中混合硬化劑/催化劑之后，通常使樹脂在真空下脫氣，以從液體樹脂中消除或除去所有的截留空氣。因此，樹脂應(yīng)當(dāng)能夠經(jīng)受熱量和時間的真空壓力循環(huán)環(huán)境，而不形成氣泡和空隙。在這樣的基體材料中，嵌入了碳纖維和/或玻璃纖維，且碳纖維和/或玻璃纖維通常以纖維層的形式提供。然而，纖維還可采用非織造織物或粗紡織物的形式提供。 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的緊固螺栓。在圖7的左手邊，示出了短型緊固螺栓630。較短的緊固螺栓630適用于插入較短的縱向孔洞432中。較短的緊固螺栓630包括頭部區(qū)段634、短軸636，以及與頭部區(qū)段相反的陽螺紋端部632。陽螺紋端部部分632適于旋入柱體螺母620的陰螺紋中。軸部636具有較短的長度LS，其尺寸形成為在縱向孔洞432的較短長度S和輪轂法蘭的通孔612上延伸。在備選實施例中，頭部區(qū)段634可包括具有陰螺紋的柱體螺母，該柱體螺母可緊固到軸636的螺紋端部上。作為備選，頭部區(qū)段634可與軸636 —體形成。在此情形中，頭部區(qū)段634可形成為六角螺母。
在圖7的右手邊，示出了長型緊固螺栓730。其基本構(gòu)造與短型螺栓630相同。較長的緊固螺栓730包括頭部區(qū)段734、短軸736，以及與頭部區(qū)段相反的陽螺紋端部732。正如較短的螺栓630 —樣，柱體螺母可用在陽螺紋端部732和/或頭部區(qū)段734上。
圖8為根據(jù)本發(fā)明實施例的位于葉片根部142與轉(zhuǎn)子輪轂的法蘭部分610之間的螺母_螺栓連接的側(cè)視圖。在這種螺母_螺栓連接中，柱體螺母620可插入徑向孔洞442，444中，且它們的陰螺紋開口面對縱向孔洞432， 434。此外，柱體螺母620還可用于螺栓630和螺栓730的頭部區(qū)段上。較短的縱向緊固螺栓630和較長的縱向緊固螺栓730分別插入在較短的縱向孔洞432和較長的縱向孔洞434以及輪轂法蘭610的對應(yīng)通孔612中。在本發(fā)明的一個實施例中，柱體螺母緊固緊固螺栓630和730。在有些情形中，柱體螺母620和緊固螺栓630，730可在制造期間預(yù)先安裝在轉(zhuǎn)子葉片中。在此情形中，緊固螺栓630，730在兩端側(cè)上具有陽螺紋部分。然后，轉(zhuǎn)子葉片在施工地點安裝到輪轂法蘭上，即，從開口 420伸出的緊固螺栓630,730的端部插入在輪轂法蘭610的通孔612中。隨后，通過將柱體螺母緊固到緊固螺栓的陽螺紋端部上，可從輪轂內(nèi)側(cè)完成螺母_螺栓連接。
柱體螺母620可用于螺栓630， 730的一端或兩端。柱體螺母可包括大量材料，而在一個實例中，對于各螺母可使用大約七磅鋼材。各葉片均需要一些柱體螺母，并且公用級風(fēng)力渦輪機通常每個渦輪都具有兩個或三個葉片。這導(dǎo)致在各風(fēng)力渦輪機中使用大量的柱體螺母。有利的是，減小各柱體螺母的重量用于降低成本(使用較少材料)和用于減小應(yīng)力(較小重量)。 圖9示出了根據(jù)本發(fā)明一個方面的在根部區(qū)段142與轉(zhuǎn)子輪轂130的法蘭610之間形成的螺母與螺栓連接的截面圖。柱體螺母920插入在徑向孔洞442中。柱體螺母920包括具有陰螺紋的中央開口。此外，轉(zhuǎn)子輪轂130的法蘭610鄰接抵靠法蘭區(qū)段310的下表面。緊固螺栓630包括與柱體螺母920的陰螺紋相配合的陽螺紋。緊固螺栓630通過螺旋緊固來固定到柱體螺母920上，以便形成螺母_螺栓連接。柱體螺母940還可用于螺栓630的相反端處。因此，轉(zhuǎn)子葉片140可固定到轉(zhuǎn)子輪轂130上。 如圖9中的虛線所指出，柱體螺母920和940已移除其上的部分材料。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，可移除包括各柱體螺母的材料的大約三分之一或更多。從常規(guī)圓柱形的柱體螺母上可切除直線形狀、曲線形狀、階梯形狀或復(fù)合形狀，以獲得具有較少材料的改進的柱體螺母。通過使用較少材料，可降低成本。風(fēng)力渦輪機中使用了許多柱體螺母，故可顯著地節(jié)省成本。此外，改進的柱體螺母920,940具有減小的重量，這會減小由風(fēng)力渦輪機構(gòu)件所經(jīng)受的應(yīng)力。減小重量的好處在于，可延長單獨的風(fēng)力渦輪機構(gòu)件的使用壽命。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明另一個方面的在根部區(qū)段142與轉(zhuǎn)子輪轂130的法蘭610之間形成的螺母與螺栓連接的截面圖。柱體螺母1020和1040具有階梯狀輪廓。圖ll示出了根據(jù)本發(fā)明又一個方面的螺母與螺栓連接的截面圖。柱體螺母1120和1140具有彎曲輪廓部分或曲線輪廓部分。本文所述的所有實施例提供了具有減少的材料的柱體螺母。
成角度的、彎曲的或階梯狀的切口可設(shè)計成不引起在螺栓疲勞的連結(jié)剛度比率方面的顯著變化，因為承載區(qū)域仍為接觸區(qū)域的大約98+%。從柱體螺母上除去的區(qū)域具有低于平均水平的壓力。柱體螺母將不會存在任何顯著的強度減弱，因為臨界點為穿過螺紋孔的截面。彎矩也會隨著遠離孔口邊緣而急劇降低，故期望具有最小的剛度變化。選擇階梯狀切口幾乎會完全消除疊層剪應(yīng)力集中，這是因為總是保持了 180度的柱體螺母承載區(qū)
7域。 已經(jīng)示出了許多不同的柱體螺母形狀，然而應(yīng)當(dāng)理解到，柱體螺母的減少的材料區(qū)段可圍繞整個螺母延伸，或僅圍繞螺母的一部分延伸。例如，圖9中的成角的切口可圍繞螺母延伸360度，或者其可定位成分布在螺母的一側(cè)或兩側(cè)中?？赏瑫r使用多種構(gòu)造的柱體螺母(例如，如圖9中所示的成角的切口螺母920可如圖10中所示的階梯狀螺母1040那樣用于相同的風(fēng)力渦輪機中)。 本書面描述使用了實例來公開包括有最佳模式的本發(fā)明，并且還使任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明。盡管已根據(jù)各種具體實施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，本發(fā)明可利用在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)進行的修改來實施。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員所想到的其它實例。如果這些其它的實例具有與權(quán)利要求的書面語言并無不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這些其它實例包括與權(quán)利要求的書面語言無實質(zhì)差別的同等結(jié)構(gòu)元件，則確定這些實例落在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
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權(quán)利要求
一種柱體螺母(920，940)，包括適于接合緊固件(630)的陽螺紋部分的內(nèi)部陰螺紋部分；承載面和與所述承載面相反的頂面；大致介于所述承載面與所述頂面之間的側(cè)壁面；其中，所述側(cè)壁面具有成形為以便減少在制造所述柱體螺母中所使用材料的輪廓。
2. —種具有至少一個柱體螺母(920)的風(fēng)力渦輪機，所述柱體螺母包括 適于接合緊固件的陽螺紋部分的內(nèi)部陰螺紋部分； 承載面和與所述承載面相反的頂面； 大致介于所述承載面與所述頂面之間的側(cè)壁面；其中，所述側(cè)壁面具有成形為以便減少在制造所述柱體螺母中所使用材料的輪廓。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的柱體螺母，其特征在于，所述輪廓在所述頂面 與所述承載面之間大致線性地延伸。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的柱體螺母，其特征在于，所述輪廓在所述頂面 與所述承載面之間大致階梯狀地延伸。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的柱體螺母，其特征在于，所述輪廓在所述頂面 與所述承載面之間大致曲線地延伸。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，所述柱體螺母用于 緊固風(fēng)力渦輪機構(gòu)件。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的柱體螺母，其特征在于，所述柱體螺母用于將 葉片緊固到風(fēng)力渦輪機的輪轂上。
全文摘要
本發(fā)明涉及改進的柱體螺母。具體而言，提供了一種柱體螺母(920，940)，其具有適于接合緊固件的陽螺紋部分的內(nèi)部陰螺紋部分。柱體螺母包括承載面以及與承載面相反的頂面。側(cè)壁面大致介于承載面與頂面之間。側(cè)壁面具有成形為以便減少在制造柱體螺母中所使用材料的輪廓。
文檔編號F03D11/00GK101776116SQ20091022447
公開日2010年7月14日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者E·M·雅各布森, R·A·哈迪森 申請人:通用電氣公司