用来在单轴向复合材料中形成端部连接体的插入物和方法技术

一种用来形成用于例如风力涡轮机轮毂的单轴向复合材料的端部连接体的插入物。插入物（３０）包括套筒，该套筒具有按多轴向排列的多根纤维。套筒的内表面的至少一部分包括螺纹结构。螺纹可以切削到套筒中，或者套筒可以形成在心轴（１１２、３０１）上。螺旋螺纹插入物（３００、３０１）可以用来提供容易再用的插入物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用来在单轴向复合材料中形成高负载承载端部连接体的插入物。 本专利技术还涉及一种使用插入物在单轴向复合材料中形成端部连接体的方法。本专利技术由用于风力涡轮机叶片的根部端部的插入物作为例示。然而，所述插入物也适于用在其它用途中和供其它材料使用。
技术介绍
在大型的水平轴线风力涡轮机中，风力涡轮机叶片通过多个螺栓连结点连接到转子轮毂上。风力涡轮机叶片的轮毂端(根部)的截面是圆柱形的，并且典型地具有1500mm 至3000mm的直径。大约60至80根螺栓将叶片连接到在转子轮毂内的径向叶距轴承上。螺栓典型地是M30至M40大小，并且每一根要求承受200至400kN的拉出力。螺栓绕根部周向地布置。连接体的凹进部分必须位于叶片的根部部分中，从而当在使用中时可从轮毂侧接近凸出螺栓以便维护，以保证连接不会失效。叶片的根部典型地由用纤维增强的塑料制成，典型地由在环氧、乙烯基酯或聚酯树脂中的玻璃纤维制造。在根部结构中的主要纤维取向是单轴向的，使纤维与叶片/根部圆柱的轴线相平行地延伸，有非常少的纤维在径向方向上。在根部结构中纤维的单轴向取向对于轮毂连接的凹进部分的形成造成问题。这是因为，如果内螺纹直接切削到根部的“端部晶粒”型单轴向层压件中，则将切断纤维，导致仅与树脂的抗剪强度相等的低拉出强度。 这在图1中示出，图1示出了，单轴向线在内螺纹的附近已经切断，从而仅有树脂向螺纹结构提供结构完整性。为了克服这个问题，已经使用长金属内螺纹插入物。金属插入物设计成提供巨大粘结区域，从而当插入物粘结到根部的单轴向复合结构中时，实现具有足够拉出强度的粘结。凸出螺栓拧到内螺纹插入物中，以形成连接。金属插入物或者在复合根部结构已经固化之后，或者当根部结构正在层压/注压时被添加。在第一方法中，将用于插入物的孔钻削到根部中，并且然后将插入物粘结到位。 这种方法要求专用粘合剂和设备。在一种可选择方法中，插入物在“铺设”期间被放置到未固化层压件中，并且然后当固化根部复合物时，被固化到结构中。尽管金属插入物的使用解决了将内螺纹直接切削到根部结构的单轴向“端部晶粒”中的问题，但它们存在它们自己的问题。例如，由在金属插入物与周围复合材料之间的热失配可引起结构问题，这些金属插入物和周围复合材料具有不同的热膨胀系数。另外，金属插入物具有比周围复合材料高的刚度，导致在使用中关于挠曲失配的问题。解决这些问题的一种途径是提供具有锥形、更柔性(有时称作胡萝卜形)的构造， 以使材料刚度失配的影响被最小化。另外，在连接区域中的复合层压件制得非常厚，并因此较刚硬，以进一步减小材料刚度失配的影响。现有技术金属插入物1的典型示意例子表示在图2中，该金属插入物1嵌在单轴向复合材料2中。在实际中，插入物长度的大约三分之一是锥形的。在当前技术中使用的插入物的圆锥也可通过逐渐减少在插入物内侧上的金属材料量而制成。随着风力涡轮机变得越来越大，在根部端部处补偿在金属插入物与复合层压件之间的结构失配要求的额外复合材料已经变得非常显著。添加的材料大大地增加了叶片的整个质量，并因此加大了其成本。对于40m风力叶片，在根部端部处复合层压件的壁厚在80mm 的量级上，并且对于350mm金属插入物，壁厚在它开始减小之前必须保持大约500mm。因为在根部结构中对大量复合材料的需要，使用较昂贵材料(如对较大叶片所需的碳纤维复合物)的成本高得惊人。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供一种用来在单轴向复合材料中形成端部连接体的插入物，该插入物包括套筒，其中，套筒包括具有多轴向排列的多根纤维，其中，套筒的内表面的至少一部分包括螺纹结构。本专利技术的插入物在热和机械性能方面与风力叶片根部的复合材料相似。因此，在插入物相对于根部的热和机械特性之间的失配显著地小于现有技术金属插入物的失配。这允许使用较短的插入物，对于40m风力叶片典型地160mm而不是350mm，并且允许根部具有较小的壁厚。壁厚能够从约80mm减小到大约60mm。另外，因为在根部和插入物的相像材料之间能够实现更好的粘合，所以在对于转子轮毂的连接而言需要使用的插入物/螺栓更少，使得材料成本和维护成本得以节省。对于40m风力叶片，通过使用根据本专利技术的插入物，在根部中可实现大约50%的重量节省。在一个优选例子中，套筒包括一层或多层多轴向纤维织物。这允许纤维铺设构造有更多的变化，因而提供较大设计自由度。套筒还可以包括一个或多个螺旋地缠绕的纤维层，以提供进一步的设计自由度。优选地所述螺旋地缠绕的纤维层或每个螺旋地缠绕的纤维层包覆在一层多轴向纤维织物上。已经发现，这样能够提供一种牢固的结构。所述螺旋地缠绕的纤维层或每个螺旋地缠绕的纤维层的纤维优选地与由螺纹结构的牙顶限定的路径大体对准，以在插入物的螺纹中提供另外强度。在一个可选择例子中，套筒包括用纤维增强的塑料。优选地，套筒包括绕丝纤维复合管，该绕丝纤维复合管可容易地购得。优选地，纤维的缠绕角大致等于士 θ，其中θ是螺纹结构的螺纹角。本专利技术人已经惊讶地发现，这种纤维排列增强了随后切成管的螺纹的拉出强度。纤维优选地嵌在固化的树脂基体内，从而插入物可以以独立元件形式被提供。在一个例子中，螺纹结构与套筒整体地形成。这是有利的，因为不需要为了形成螺纹而切削套筒的纤维。因而能够提供具有较大结构完整性的螺纹。可选择地，为了制造容易，螺纹结构可以是切削螺纹结构。本专利技术人已经惊讶地发现，当将螺纹结构切削到具有多轴向纤维排列的套筒中时，螺纹对于风力涡轮机根部连接用途具有足够的拉出强度。插入物可以布置在螺纹心轴上。插入物优选地包括螺旋螺纹插入物，该螺旋螺纹插入物布置在螺纹结构中，以促进插入物的可再用性。螺旋螺纹插入物可以是螺旋线圈，但更优选地是连续套筒，该连续套筒具有切削在其中的内螺旋螺纹。这种套筒也可以设有外部阳螺旋螺纹。这允许螺旋螺纹插入物卷成心轴。套筒将显著地比现有技术的金属插入物薄，并因此具有低得多的刚度。在本专利技术的第二方面，提供一种端部连接体，该端部连接体包括根据本专利技术第一方面的至少一个插入物，该插入物嵌在单轴向复合材料中。优选地，端部连接体包括多个根据本专利技术第一方面的插入物，这些插入物嵌在单轴向复合材料中。在本专利技术的第三方面，提供一种风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片包括至少一个根据本专利技术第一方面的插入物，该插入物嵌在风力涡轮机叶片的根部中。根据本专利技术的第四方面，提供一种在单轴向复合材料中形成端部连接体的方法， 该方法包括提供套筒，该套筒包括具有多轴向排列的多根纤维；在套筒的内表面的至少一部分上提供螺纹结构；及将套筒定位和固定在单轴向复合材料内。在一个优选例子中，提供套筒包括在螺纹心轴上构造套筒，以将螺纹结构与套筒整体地形成。构造套筒优选地包括将一层或多层多轴向纤维织物定位在螺纹心轴上。所述方法还可以包括将一个或多个螺旋地缠绕的纤维层缠绕在多轴向纤维织物层的至少一个上。优选地，螺旋地缠绕的纤维层缠绕在每个多轴向纤维织物层上。所述螺旋地缠绕的纤维层或每个螺旋地缠绕的纤维层优选地缠绕到心轴上，从而纤维与由在套筒内表面上的螺纹结构的牙顶限定的路径大体对准。所述方法还可以包括将用树脂浸渍套筒并固化树脂，以形成用纤维增强的塑料套筒。在一个可选择例子中，套筒是用纤维增强的塑料，优选地是绕丝纤维复合管，并且提供螺纹结本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用来在单轴向复合材料中形成端部连接体的插入物，所述插入物包括套筒，其中，所述套筒包括具有多轴向排列的多根纤维，其中，所述套筒的内表面的至少一部分包括螺纹结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·T·海登，
申请(专利权)人：刀具动力学有限公司，
类型：发明
国别省市：GB