用于将弯曲物体联接到中心轴的联接系统

本专利申请要求于2020年5月13日提交的、发明名称为“临5-20垂直轴风力涡轮机叶片连接件(Provisional 5-20Vertical Axis Wind Turbine Blade Connections)”的第63023969号美国临时专利申请的权益。

技术领域

本发明涉及解决将弯曲结构(通常但不一定由塑料或复合材料制成)附接到另一个弯曲结构(在通常的实施例中为轴)的问题。这里预见的主要应用是小型风力涡轮机，但是也适用于弯曲结构的其它组合。

相关技术：不适用。

发明内容

本发明通过在轴与弯曲结构之间提供较好的连接，成功地解决了目前已知构型的缺点。

现在首先公开一种用于将弯曲物体联接到中心轴的联接系统，弯曲物体包括内表面和外表面，内表面面向中心轴,该系统包括：

联接构件，联接构件用于将弯曲物体联接到中心轴；

至少一个凹穴，至少一个凹穴整体形成在弯曲物体的弯曲表面上，并且相对于内表面和外表面中的至少一个被限定为凹部，凹穴包括：

平坦部分，平坦部分具有用于容纳联接构件的孔；以及

凸缘部分，凸缘部分从平坦部分连续过渡到弯曲物体，并且成形从而使平坦部分垂直于联接构件设置；

紧固构件，紧固构件用于将联接构件紧固到平坦部分；

其中，平坦部分和凸缘部分的厚度是弯曲物体的厚度。

根据另一实施例，联接构件是杆，联接构件的第一端联接至中心轴，并且联接构件的第二端联接至弯曲物体。

在该系统中，其中，联接构件包括螺栓构件和杆，螺栓构件设置在孔中，杆的第一端联接到中心轴并且杆的第二端联接到螺栓构件。

根据另一实施例，紧固构件包括至少一个垫圈和一个螺母，并且其中，平坦部分被配置为允许垫圈和螺母放置在平坦部分上。

根据另一实施例，凸缘部分的第一小块从弯曲物体的外表面突出，凸缘部分的第二小块从弯曲物体的内表面突出，并且其中，平坦部分在外表面与内表面之间延伸。

根据另一实施例，凸缘部分从弯曲物体的内表面-突出，并且其中，平坦部分延伸到内表面之外。

根据另一实施例，凸缘部分的第一段包括弯曲部，弯曲部包括空气动力学特性，空气动力学特性被配置为与弯曲表面的空气动力学特性一致。

根据另一实施例，凸缘部分的第一段包括弯曲部，弯曲部被配置为相对于弯曲表面的弯曲部具有平滑过渡。

根据另一实施例，弯曲物体是风力涡轮机叶片，并且其中，中心轴被配置为通过风力涡轮机叶片旋转。

现在首先公开一种用于通过多个联接构件联接到中心轴的风力涡轮机叶片，风力涡轮机叶片包括：

面向中心轴的内表面和外表面；

多个凹穴，多个凹穴整体形成在叶片的弯曲表面上，并且相对于内表面和外表面中的至少一个被限定为凹部，并且被配置成用于容纳联接构件中的一个联接构件，凹穴包括：

平坦部分，平坦部分具有用于容纳联接构件中的一个联接构件的孔；以及

凸缘部分，凸缘部分将平坦部分联接到弯曲表面，并且成形从而使平坦部分垂直于联接构件设置；

紧固构件，紧固构件用于将联接构件紧固到平坦部分；

其中，平坦部分和凸缘部分的厚度至少是弯曲物体的厚度。

附图说明

参考附图，本文仅以示例的方式描述本发明。

图1是现有技术的叶片和连接的示意图。

图2是现有技术的叶片和连接的示意图。

图3是现有技术的层压到叶片上的大头螺丝的示意图。

图4是凹穴和杆的示意图。

图5是图4所示凹穴和杆的不同透视图。

图6是风力涡轮机的示意图。

图7是分离的杆和凹穴系统的示意图。

图8是从一个角度看的风力涡轮机的示意图。

图9是从不同角度看的风力涡轮机的示意图。

图10是凹穴中带有大头螺丝的叶片的示意图。

图11是附接有一个叶片的涡轮机的示意图。

图12是从外部看的大头螺丝凹穴的示意图。

图13是叶片内部的大头螺丝凹穴的示意图。

图14是穿过凹穴的横截面图。

图15是大头螺丝的示意图。

图16是根据本发明插入的大头螺丝的示意图。

具体实施方式

本发明提出了将弯曲物体附接到中心轴的较好的方法。

附图中术语的标识：

弯曲物体或叶片：21

中心轴：51

凹穴：60

凹穴中的开口：44，54

穿过凹穴中的开口的联接构件：24或70

大头螺丝：穿过开口并且在一侧具有止挡的联接构件，这意味着联接构件和紧固构件将是弯曲物体内部的一个结构的一部分：70

凸缘部分：22或23，56

紧固构件，在一些情况下可以是桁架，它将联接构件固定在轴和弯曲物体的结构上：25、26、27或53

参考附图和描述，可以更好地理解根据本发明的附接到轴的弯曲物体的原理和操作。

现在参考附图，图1至图3示出了基于现有技术的有问题的产品。

技术问题

在小型垂直轴涡轮机中，有几种方法将叶片连接到旋转轴。一种是叶片内部的内部附接，叶片各种类型的支柱仅附接到内部。图3是现有技术中这种方法的示例，其中，使用螺栓从内部将螺栓从支柱(也称为臂或凸缘)放置到叶片的不等厚区域中。这对于某些小型涡轮机来说是有意义的，但往往体积较大，占用较多空间。这些小型涡轮机也可能涉及较多工作，例如，将玻璃纤维连接到叶片内部。

一种成本低廉的替代方法是将棒或杆连接到叶片，连接到中心轴的侧面或穿过中心轴中的开口。问题是这些叶片是圆形的，很难将它们垂直附接到轴。

图1示出了该解决方案，即，简单地将杆、垫圈和螺母(2)以直角附接到弯曲叶片(1)。通常在数年之内，杆及其附件的垂直力与弯曲叶片之间的这种不匹配的结果会导致褶皱(3)，从而使叶片断裂。我们买了其中一个来验证这种糟糕的设计。

图2示出了另一种现有技术的解决方案。直界面(12)从叶片表面凹陷，可能在模具中制成，这使得杆和螺母(11)能够以不产生褶皱的方式连接。(注意，杆的形状不一定是圆柱形的。)这里的缺点是它在叶片中产生了薄弱点，因为厚度减小的区域与较厚的区域相邻。众所周知，一致和足够的厚度有助于抵抗大风产生的强作用力，因此叶片不会因厚度较小区域的应力而断裂，并且连接处总是强应力的位置。但是，为了方便附接，这个一般原则通常都被忽略了。

图3示出了复合材料叶片中常见的另一种现有技术。这里的大头螺丝(15)，通常是看起来像图钉但更宽更厚的金属部件(图15，70)，仅在一侧附接到叶片的内部，即附接到内表面，并且在界面(17)处层叠(16)在叶片的内表面的顶部，在界面(17)处有明显的薄弱区域，在高转速下易于断裂。在另一侧，大头螺丝附接到联接构件，联接构件将大头螺丝附接到轴。因此，大头螺丝仅改变了现有叶片内部的厚度，并且呈现出一个表面，这导致人们担心它们会在强风中断裂。大头螺丝也基于叶片内侧的曲线，使得易于被剥离的附加材料填充在大头螺丝的形状与叶片曲线之间不匹配的间隙中。另一个缺点是大头螺丝妨碍了运输时叶片的紧密堆叠。另一个缺点是大头螺丝很难在现场组装。

这些使用杆和不相等尺寸厚度叶片的现有技术解决方案使得叶片的耐用性大大低于它们应有的耐用性。

解决方案

申请人提出了一种新颖的方法，该方法保持连接界面处叶片的厚度，并且为杆或其它连接件附件提供垂直表面，从而解决了当前使用杆的方法的不足。杆或其它连接件附件也存在于叶片的外部和内部。

这种解决方案适用于许多情况，但最常见的是风力涡轮机叶片和轴，因此有时说到风力涡轮机叶片和轴，但不排除其它应用。

总之，本发明包括特征的组合，现有技术可能没有利用完整的解决方案：

1.杆或连接件从外部向内部延伸。也称为“联接构件”。在某些情况下，人们也可以称之为“桁架”。

2.杆或凸缘位于叶片的凹穴内，并且通过开口或孔连接。

3.凹穴具有垂直于连接到轴的部件的基部。

4.通常为塑料、复合材料，或金属和塑料的组合的材料的厚度在凹穴的区域中基本上保持连续和平滑。

5.对叶片的外弯曲部或内弯曲部的最小影响。

图4示出了叶片(21)的横截面。叶片具有内表面(28)和外表面(29)。当杆接近供杆插入的界面时，它改变路径，以在叶片(22)的前表面上在与平坦部分(20)的界面(“凸缘部分”)的边缘处形成弯曲和凸出的外部小块，同时保持相同的厚度。然后，杆(24)(其为联接构件)在垂直于杆(24)的平面中直线前进，并且联接构件附接到统称为“紧固构件”的结构组合体，在这种情况下，垫圈(25，26)和螺母(27)经由联接构件将叶片连接到轴。在该实施例中，(26)是垫圈，其填充凹穴，凹穴被视为叶片外表面中的凹部，并从22至23的凸缘部分延伸。然后，叶片形成内部小块或突出部(在20与23相交的地方)，内部小块或突出部稍微向叶片的内部凸出，使得叶片的其余部分恢复周围叶片的弯曲部，而不减少叶片的厚度和强度。(22)的厚度与(23)大致相同，并且在(23)处，叶片恢复到与(21)处相似的弯曲部。(22)和(23)一起形成基部，用于将垫圈和杆附接在凹穴内。需要说明的是，在实施例中，外部小块和内部小块大致平衡。

使用塑料和复合材料的模具是制造这种叶片和界面的理想方式。具有所描述的特征的模具也包括在本发明中。

图5是与图4所示的界面变化紧邻的叶片的不同横截面的视图。邻近杆(35)以及外部突出部(32)和内部突出部(33)的叶片(31)是完全光滑和连续的，没有任何褶皱或厚度变化。人们可以容易地看到，外部突出部32使迎面而来的空气偏转，这为叶片前缘在螺母(34)上的旋转提供了阻力，螺母伸出产生的空气动力学干扰最小。

图6示出了它是如何在申请人团队生产的叶片上实现的。叶片(41)具有附接到并且穿过中心轴(43)的杆和小块(42)。图10是从内部看的凹穴的视图。图11是从外部看的凹穴的视图。人们应该注意的一部分是垂直于轴的杆的基部。

具有小块的叶片的新颖形状可以通过制造具有这些特征的模具来生产。

这样就得到一组更耐用、低成本且易于组装的涡轮叶片。

本发明可以用在非对称数量的叶片上，其中，杆一端连接到轴的一侧，另一端连接到叶片。理想的实施例是用于对称的偶数个叶片，其中，杆(可以包括几个部件)延伸穿过轴每侧上的开口，杆在杆的两个远侧上固定附接到每个叶片的界面。

杆(或联接构件)不一定是单个部件。如图7的分解图所示，对于具有两个叶片并且杆(45)穿过轴中的开口(44)的涡轮机，杆可以包括组成杆的一组部件。图8是图6和图7的整个涡轮机的三维视图。涡轮机包括轴(47)和叶片(41)，叶片(41)通过联接构件(45)和紧固构件(46)联接到轴。图9给出了轴(47)、联接构件(45)和紧固构件(46)的另一视图。

现在我们将考虑图3所示相关问题的相关解决方案。

图10首先给出了放大图。该图示出了在叶片上具有大头螺丝(49)的叶片，大头螺丝(49)的一部分用于联接到指向内部的联接构件。图15是大头螺丝(70)的图。

图11还示出了涡轮机及其叶片的截面的放大图。(50)是叶片，(51)是轴，(52)是紧固构件，大头螺丝的头部被插入叶片中的凹穴中，并且(53)是联接构件或桁架。附加的紧固构件没有示出，可以是将联接构件附接到紧固构件所需的任何附加的螺钉或垫圈。

图12将大头螺丝凹穴(54)示出为叶片外部(55)上的凹部。图13示出了大头螺丝凹穴，连接到作为图12的叶片内部上的突出部(56)的凸缘部分。

图14是叶片(63)的横截面。(60)是凹穴。凹穴(60)是叶片外侧弯曲部中的凹部。(61)是凹穴的基部。(62)是用于使大头螺丝(在这种情况下是“联接构件”)在附接到紧固构件的过程中向内朝向轴延伸的孔或开口。需要说明的是，大头螺丝开口周围的区域与叶片的厚度相等，并且与叶片的其余部分平滑连续。(64)是叶片(63)与基部(65)之间的凸缘部分。需要说明的是，叶片(63)的角度在插入凹穴之后恢复其曲线。

图16示出了本发明的玻璃纤维叶片，其中，凸缘部分从弯曲物体的内表面突出，并且其中，平坦部分延伸到内表面外部。(81)是大头螺丝的轴。(80)是凸缘部分的突出部。在图16中，看不到大头螺丝的基部，因为它被埋在凹穴中并且被凸缘部分覆盖。(80)与图13的(56)相同。与图3现有技术有重要的可比之处。图16中的新技术在空气动力学上不那么生硬、更坚固、更平滑。

虽然已经就有限数量的实施例描述了本发明，但是应理解，本发明可以进行许多改变、修改并用于其它应用。