用於風力渦輪機葉片的避雷系統的製作方法

2023-10-22 10:33:42 2

專利名稱：用於風力渦輪機葉片的避雷系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於風力渦輪機葉片的避雷系統，其中所述葉片是由複合 材料製成的殼體並且包括根部區域和末梢，且其中所itit雷系統包括至少一個 布置成在葉片尖端處或在葉片尖端緊接的鄰區內的殼體表面內/上可以自由使 用的接閃器以及由導電材^"^成的在殼體內沿著葉片的W整個縱向進行延伸 的避雷導體，且其中所述接閃器和所iiit雷"^經由連接區域電連接在一^。
背景技術：
已公知的是採用帶有避雷系統的葉片來保護葉片不受雷擊。例如，W0 96/07825中M了一種避雷系統，其中葉片的尖端裝設有由導電材#^成的所 謂的接閃器。此接閃器可以"捕獲"雷擊，並經由避雷導體傳導電流，所述導 體在葉片的縱向內延伸、並通itX力渦i^才;L的轉子轂接地。此系統已經常被視 作對抗雷擊提^4^人滿意的保護。然而，因為水是導電的，因^在著從接閃器或避雷#到蓄積有水的葉 片內的一些區j^生閃絡(flashover)或火;f^:電(sparkover)的危險。在 此情況下，雷電電流對水加熱，這可能會導致"蒸汽噴發"。這可能會導ftS 力增加到足夠高而損壞葉片。由於例如在葉片表面上的來自空氣的 、鹽分 和昆蟲的沉積，也可能會j^jt閃絡。閃絡引起的損壞會導致必須對葉片加以修 理，或在最壞的情況下要更換葉片，i^l費時費錢的逸艮，M因為修理或更 換葉片十分複雜，尤其是對於離岸的K^7發電廠而言。》ut，存在著雷擊避雷# (或閃絡)穿過葉片表面的危險，n多會產生僅一個穿過葉片表面的小孔，但經常導致對葉片itj^的更大損壞。為了更好 地控制經過葉片的雷電電流而不4吏葉片受到損壞，避雷系統上面可以裝設有若 幹接閃器(多個接受體)或沿葉片縱向的避雷#。 ^i^地，接閃器以5米的 最大間隔進行布置以確保沒有雷擊(或閃絡)通過葉片表面。然而，這是相對 昂貴且複雜的解決方案。發明內容>^發明的目的在於為風力^^bL^^-種新的 i^的避雷系統。才緣本發明，通過使得避雷科在其整個縱向內、與介於避雷科與接閃 H^J'司的連接區域電a,以便防止積聚閃流(streamer )和/或先導(leader )， 從而i^f)J目的。這樣的閃^4先導是雷擊的前奏，因此防止了閃i沐/或先導的 積聚也就防止了雷擊。這產生了與iW避雷系M^目比有所改進的效率，i^的 避雷系統最常應用不錄的避雷科。而且，絲了多個接受體的必要汰。^t雷" ^f艮部端，^^地經由轂接M而使得來自雷擊的電流從接閃 器安全地傳導到避雷導體並最終傳導到地。然而，只要^it雷導體與轂之間具 有火花隙放電器(spark gap) ^X以滿足要求了。才娥本發明的一^#定實施例，避雷*和/或接閃器至少電^至葉片殼 體，並絲為至少部分穿過殼體電絕緣。因此，在葉片JM^bli損毀性雷擊 或閃絡的風IM^小化。才W^本發明的避雷系統的一^N^實施例，避雷#包括由導電材#^如 銅或鋁製成的內奪本、和由優選為高密度聚乙烯(HDPE)的聚乙烯製成的基層 絕緣體(bedding insulation)。令人驚訝地，jlb^成物已被認為特別負^抗 雷擊或閃絡穿過葉片表面。^J也，內導4Mr有在3到30毫米、5到15毫米或7. 5到12毫米範圍內 的直徑，JL^絕緣"M^ 2到15毫米、3到10毫^Ml 4到7毫米範圍內的厚 度。已發現這些尺寸足以防止雷擊通過葉片表面、並傳導雷擊電流經itt雷導 體。才W-個適當的實施例，在內*和基層^^^間裝設一層半"!^#料。 ^i^，此^H^4t料具有0. 5到1毫米的厚度。此半"^##*^1過使*中 的電場密度最小化而提供了抗閃絡的額夕卜，。才娥一*定實施例，接閃器和介於接閃器與避雷"!MMU'司的連接區域借 助於同J^材料分離的絕^"料而絕緣。此絕^1#料可以例如是收縮套筒或矽樹脂。附加的絕^bN吏得在接閃器與避雷"!^間的連接區域中發生雷擊或 閃絡的危險最小化。才娥本發明的一個^#實施例，葉片尖端淨皮形成為由絕^N"^I^J成的;^t 實心本體。艦地，此^#料是塑'14#料，諸如聚氯乙烯(PVC)、纖維增強 聚合物或聚氨酯(PUR)，例如發泡聚氨酯。這提供了一種特別簡單的實施例， 其中使得在接閃器與避雷^t間的連接區域中的雷擊的危險最小化。才娥本發明的一個適當的實施例，避雷^^在其外端裝設有例如螺玟的連 接機構，以將所述#連接到接閃器上的相應機構。接閃器可以是例如適於包 括內螺紋，從而使得接閃器和避雷*可以螺4式檸到"-^。才緣另一適當實 施例，接閃器裝設有^^外螺紋的連接片，而同時避雷#包括了例>^入由高密vO:乙烯(HDPE)製成的絕緣套的內螺紋。才娥本發明的一個實施例，接閃器定M葉片的後緣。因而，可以減少來 自葉片的噪聲發射。給葉片的表面裝設避雷針(diverter)從而將葉片前緣處的雷擊傳導到接閃器可f^A有利的。才娥本發明的一個特別適當的實施例，在葉片尖端處或在葉片尖端緊接的 鄰區內布置額外的至少一個排 ML，且可g，將大致在排^ML位置與接閃器 位置之間延伸的避雷針定^J，J葉片表面。排7ML^保了在葉片內不形成積水， 積^Jt加了從接閃器到所述積水的閃絡的危險。避雷針確保了對排^ML的雷擊 經由避雷針傳導到接閃器、並最終經由接閃器傳導到地。另外，用於收集 的逸慮H^i^Mf置在葉片內#從而使得所述微險不阻塞排水4。才娥一^N^選實施例，接閃器具有富蘭克g雷針(Franklin rod)的形 式或;^^L^蛋狀。此形式確保了接閃器不具有被雷擊以及例:M^煉損壞的"尖 銳"邊緣。圓形的接閃器表面延長了接閃器使用壽命，因為其A^T形狀在雷擊 下M最小的改變。##本發明的一個4#實施例，葉片的-"^分尖端適於作為由例如鴒、銅 或黃銅製成的接閃器。這提供了葉片尖端的一個特別適當的實施例。^i^， 接閃器為^^型的從而使得其匹酉巳葉片的尖端。


下面藉助於附圖中所示的實施例，對本發明進行更^^地說明，其中 圖la是朝向葉片的後^ii行，Jl^的^H本發明的第一實施例的葉片的示意圖，圖lb是同一葉片的頂視圖，圖lc示出了圖lb中所示的葉片的放大細節，圖2a是根據本發明的另一實施例的一部分葉片沿著圖2b中的線llb-llb ^的示意性剖視圖，圖2b是同一葉片沿著圖2a中的線11a-lla;^L的局部剖視圖，圖3是根據本發明的第三實施例的一部分葉片的示意圖性局部頂剖視圖，和圖4 Af過才娥本發明的避雷"!^的剖視圖。
具體實施方式
M地，本發明涉及在工業中以根悟"丹麥理念，，的風力渦輪機聞名的那 些類型的風力渦輪機。通常，這樣的風力渦輪機包括塔架、帶齒#發電機的短搶、以及包^:和三個葉片的#^，其中^軸是;Ut水平的。用於才Nt "丹麥理念"的風力渦輪機上的葉片的sepr避雷系統經常^^i一 種在葉片尖端裝設由導電材料製成的所謂"接閃器"的構造。此接閃器可以"捕獲"雷擊並傳導電流經it^雷導本，所述"^^在葉片的縱向延伸並經由轂接地。 通常，接閃器與錨定塊(anchoring block)的一倆W目連，而同時避雷"H^與同 -4^定塊的另一側相連，已發艦構造提供有效的抗雷擊保護，然而，也已發 ^k^I造易受到穿過葉片表面的雷擊的損害-尤其是在轉子旋轉期間當雷擊發 生的同時葉片處於近似水平位置的情況下。而且，錨定塊,是矩形的且具有 尖^fii緣，這增加了在所述尖^ii緣處積聚閃流的可能性，並因而增加了雷擊 或閃絡的可能性。為了更好#制穿過葉片的雷電電流而不損壞葉片，葉片的避雷系統可以 裝設有若干接閃器或沿著葉片縱向的避雷科。絲地，接閃器以5米的最大 間隔布置以確保沒有雷擊穿過葉片表面。然而，這是相對昂貴且複雜的解決方 案。圖1示出了根據本發明的葉片1的笫一實施例。根據此實施例，接閃器3 布置在葉片1的^^，所述接閃m^i要是蛋M形成為所述的"富蘭克 ,雷針"，斜總是如此。接閃器3連接到;Ut在葉片1的整個縱向Ji^葉 片1尖端處的接閃器3延伸到4H"M的葉片1的相L部區域的避雷導體2。 m 地，避雷^^部分被電連接到轂，且來自雷擊接閃器3的雷電電流因而可以經 由避雷科2和轂引導JJ^，所ii^由藉助於例如塔姊短dtfe^接到地的第 二避雷導沐(未示出)而接地。jH》卜，可以M雷導^ 2與轂之間、或^ig/t 科2與塔架之間iU—個或多個火花隙放電器。避雷科^^iik^可以是銅 #或可以由任何其它導電材料製成。避雷# 2 ;^t在^^個縱向方向從葉片1的根部區域到介於避雷導沐2 g閃器3之間的連接區^U&緣的。葉片1是由^i^纖維增強聚^的製成 的殼儲成，從而使得葉片l分別包括層壓殼6和葉片1內的空腔9。避雷# 2和接閃器3例如藉助於螺紋而連接，其中避雷導體2和接閃器3 M地設置有內螺故。然而，也可以想到，提^-"個實施例，其中接閃器3裝設有^^外螺 玟的連接片，所iii^接片與避雷導沐2的內螺紋螺旋iW 到-^。接閃器3以這樣的一種方式定位於葉片1的層壓殼6內，即-"#分接閃器 3在葉片1的後緣處從葉片表面突伸出，在該 雷*2穿過-^p分層壓殼6。 M示出的避雷導體2包括^^絕緣體或;tA層絕緣體形式的第一絕緣體。另 外，接閃器3與避雷科2之間的連接區域藉助於收縮套筒形式的又一^_體5 而電絕緣。自套筒5延伸一^MJf巨離iiAi^雷"！^ 2的J^絕^^體，並延伸 一Wif巨離ii/v接閃器3。因此，避雷"^2完4^緣至接閃器3。jH^卜，葉片1 iM有同樣穿ii^壓殼6的、並定絲葉片1後緣處的排水 孔4。排擬l4連接到空腔9，後者(即空腔9)因而與5^;i^t。這樣，無論 何時均^了葉片1內部的積水，因為在^^旋轉期間通過離心力經由排7ML4 從葉片l排空了水。同時，葉片l可以裝設it^,器7，以收集可能出5t^葉片l 內從而不負^t拋向排7ML 4並將排 ML阻塞的塵埃和其它汙紫。艦地，it^！ 器7定位^^空腔9的整個滅面。通過將接閃器3和排tML 4定錄葉片1 後^處，減少了^"^t轉產生的噪聲。另外，葉片1的表面裝設有;^葉片1後緣處鄰近接閃器3的區域《^伸到葉 片1前緣處的區域的避雷針8。艦雷針確保了在葉片1 ;tlUch於水平位置JL其 中接閃器朝下的同時，對葉片1前緣的雷擊傳導到接閃器3、並經由後者(即接 閃器3)傳導到避雷科2。避雷針8可以是導電材料的錢絲，但也可以是 分段的，其中離子化空氣的先導在雷擊時在各獨立時間段之間形成，雷電電流 由此沿著避雷針8在其縱向傳導。如圖lc中所示，接閃器3可以,紛為兩部分從而使#—^P分接閃器模塑到 葉片1的層壓殼6內，而同時第二部^^助於例如螺^^接而附接到第"^分。 因此，如絲雷擊後從葉片1的表面突伸出的""^分接閃器3 ^4員或損壞，則 所述部分易於更換。圖2示出了才MI本發明的葉片101的第二實施例。根椐此實施例的葉片101 具有形成為例如聚氨酯、PVC或纖維增強聚合物的固體的尖端105。葉片101的 其^MP分是由具有層壓殼106的殼體製成。如圖1中所示的實施例，葉片的避 雷系統包括過在葉片101的整個縱向Ji^轉子缺的根部端延伸到^^f的避 雷科102。避雷科102被引導出葉片IOI的空腔、且被引導入尖端105內產 生的孔穴、並匹酉遞雷導體102。避雷#可以被引導到^匕穴。避雷^與大 致蛋狀的接閃器103相連。接閃器103被定位在尖端105的表面處，從而使得它的一小部分突伸出該表面。接閃器103的位置^式均適於匹配葉片101的 尖端104的所需空氣動力特性，而同時具有大的金屬表面，這確保了良好的耐 久'脈長的壽命，因為它包含大量可以在雷擊時熔化的材料。如圖1所示的實施例，避雷導沐102和接閃器103 ^^^助於螺經J^接 相連，其中M避雷導沐102 g閃器103之間的連接區域可以是藉助於例如 ，套筒或>^#脂形式的另外的^物而電絕緣的。然而，固體尖端105可以 狄以提供所需的電錄的。固體尖端105設置有連接到兩個排擬L 104的空腔109從而使得空腔可以 經由孔穴與環境連通。當轉子旋轉時，由於離心力，因而使有可能積恭在葉片 101內的 l^皮引導到尖端105的空腔109、並從該處經排 ML104流出。^i^t， 尖端105另外在尖端105的表面上i5^有在鄰近排 ML 104的區域與鄰ii接閃 器103的區域之間延伸的避雷針。任啊對排 ML 104的雷擊因而經由避雷針傳 導到接閃器103，再經由後者(接閃器103)傳導到避雷導體102, M終經由 轂、塔架或類似物傳導到地。尖端105藉助於膠接108緊固到葉片101的其餘 部分。圖3示出了相魂本發明的葉片201的第三實施例。根提此實施例的葉片201 具有如圖2所示的實施例中的形成為例如聚氨酯、PVC或纖維增強聚合物的;kJt 實心本體的尖端205。葉片201的其絲分是由具有層壓殼206的殼體製成。如 圖1和圖2中所示的實施例，葉片201的避雷系統包括;^t在葉片201的整個 縱向Ji^轉子緣的根部端延伸到^N(的避雷科202。避雷# 202被引導出 葉片201的空腔、且被引導入尖端205內產生的孔穴、並匹酉遞雷#202。避雷導體202被連接至具有圓形並定^尖端205的頂點處的接閃器203。 接閃器203 ^tJtit，從而使得在尖端205械閃器203之間存在^Ut滑的過 渡、^H吏得接閃器具有尖端201所需的空氣動力特徵。換句i^兌，才娥此實施 例的接閃器203是葉片201的尖端的"""lp分。如圖1和圖2所示的實施例，避雷導本202 g閃器203藉助於夾持連接 或螺故連接211連接。而且，避雷"fH^藉助於兩個帶外螺紋的塑'l!iW 210和 接閃器203中的兩個螺紋孔而錨定到尖端205。介於避雷# 202械閃器203 之間的連接區域藉助於例如收縮材料或矽樹脂形式的又一種絕緣物而電絕緣。 然而，固體尖端205可以AA以提供所需的電絕緣的。因為雷電"試圖"找出到地的最MJ^聖，雷電經常對雷擊時在空中突伸出 最高的轉子葉片進行雷擊。然而，在轉子旋轉期間，當轉子葉片處於;Ut水平位置時仍有雷擊葉片的危險。雷擊穿過葉片的層壓殼、或雷擊兩半葉片殼之間 的^^bl具有最大雷擊可能性的情形。發明人已進行了大量^^M^查用於這種最壞情況的情形中的葉片的避雷 系統。在試驗期間，通過將葉片暫停在試驗室地面或表面上方的水平位置，實 施所謂的高壓切換和雷電脈衝仿真，來仿真等電勢面。在雷擊之前，正當葉片接1^^平位置時所述等電勢面出#葉片上。在 室表面與葉片的避雷系統 之間建立電勢差，以在葉片的避雷系統與#室地面之間激發閃絡。正極性和負極性的試ciHl^皮執行，其中在1050kV實現帶正極性的閃絡，而在1400kV實 現帶負極性的閃絡。用具有不同的避雷系統的、艾爾姆玻璃纖維製品公司(LM Glasfiber)生 產的糾LM28.8P葉片進^ff^。很快即證明了，接閃器和避雷科均連接到 錨定塊的傳,雷系統不足以防止雷擊穿過葉片層壓殼、或雷擊兩半葉片殼的 齡處。當測試用於與圖2所示避雷系,應的避雷系統的不同避雷#時，令人 驚訝M現，具有銅芯和由高密;lfL乙烯(HDPE)製成的絕緣層的電纜形式的 避雷"^^在防止雷擊穿過葉片表面方面尤為有效。在22次仿真雷擊後，12次為 jL^l性和10次為負極性，葉片未示出可JU員壞或其它負面^。在所有仿真的 雷擊期間，只》Jt^到葉片的接閃器處形成閃流。如圖4所示，檢查的電纜是由銅絲製成的500血2的芯21和HDPE製成的大約 4、 5咖厚的絕緣套22構成。在芯21和絕緣物22之間，設置有半"f^4t料23， 目的是使得在M獨立的銅絲處的電場密度最小化。然而，要&'J避雷系統所 需效果，半"^##料並不是^必要的。已經發現^^I相對薄的HDPE ^的就 足夠了。這A^有利的，因為jH^t電纜不會導致葉片重量非必要的大量增加。而 且，這樣的電纜非常便宜。因而，這種新穎的避雷系統不僅有M防止了雷擊 穿過葉片表面，也提供了更簡單的構造、且並不比帶有或不帶有多個接閃器的 傳,雷系統的製造更昂貴。上面已經結合多^Ni選實施例對本發明進行了描述。可以想到許多變型而 不會由此偏離本發明的範疇。對^域的技^A員顯而易見的變型和修改被認為;l^於;^發明的範疇內的。附圖才示i己列表1， 101， 201葉片2， 102， 202避雷科3， 103， 203接閃器4,104,204排枉歸套筒或麟材料105, 205尖端6， 106， 206層壓殼78避雷針108， 208膠接9, 109,209空腔21內科2223210塑,缺211螺組接212螺紋孔
權利要求
1、一種用於風力渦輪機葉片的避雷系統(1，101，201)，其中所述葉片(1，101，201)是由複合材料製成的殼體且包括根部區域和末梢，且其中所述避雷系統包括-至少一個接閃器(3，103，203)，所述至少一個接閃器被布置成在葉片(1，101，201)尖端處或在葉片(1，101，201)尖端緊接的鄰區內的殼體單元表面內/上可以自由使用，和-避雷導體(2，102，202)，所述避雷導體由導電材料製成、在殼體內沿著葉片(1，101，201)的大致整個縱向進行延伸，且其中-所述接閃器(3，103，203)和所述避雷導體(2，102，202)藉助於連接區域而電連接在一起，其特徵在於，避雷導體(2，102，202)在其整個縱向上以及在介於避雷導體(2，102，202)與接閃器(3，103，203)之間的連接區域內是電絕緣的，以防止積聚閃流和/或先導。
2、 ^M'要求1所述的避雷系統，^#絲於，避雷*(2， 102， 202 ) 和/或接閃器(3， 103， 203 )至少電狄至葉片(1， 101， 201)殼體，並且優 選為至少部分穿過殼體電g。
3、 如權矛j^求l或2所述的避雷系統，^4HiE^於，避雷#(2， 102， 202 )包括由導電材^H^如銅或鋁製成的內早沐(21)、和由優選為高密;OL乙 烯(HDPE)的聚乙烯製成的M絕緣體(22)。
4、 如權矛溪求3所述的避雷系統，其特M於，內# (21)具有在3到 30毫米、5到15毫iMl 7. 5到12毫米範圍內的直徑，JL^層絕緣體(22 )具 有2到15毫米、3到10毫米或4到7毫米範圍內的厚度。
5、 械利要求3或4所述的避雷系統，其特絲於，在內科(21 )和基 層絕緣體(22 )之間裝設^^##料(23 )層。
6、 械矛決求3到5中—項所述的避雷系統，^#絲於，接閃器(3， 103， 203 )和介於接閃器(3， 103， 203 )與避雷奪沐(2， 102, 202 )之間的 連接區域藉助於同基層材料分離的絕^N"料而絕緣。
7、 械矛溪求3到5中l項所述的避雷系統，^#站於，葉片(1， 101， 201)的尖端(105， 205 )形成為由絕^H"料製成的;Ut實心本體。
8、 如權利要求7所述的避雷系統，^徵在於，所述^#料是塑'^#料，#聚氯乙烯(PVC)、纖維增強聚合物或聚氨酯(PUR)，例如發泡聚氨酯。
9、 如前狄矛漆求中^"項所述的避雷系統，^#絲於，避雷*(2， 102， 202 )在其外端裝設有例如螺紋的連接機構，以將所述*連接至接閃器 上的相應機構。
10、 如前i^5U'J要求中^r"-項所述的避雷系統，^#絲於，在葉片(1， 101， 201)尖端處或在葉片尖端緊接的鄰區內布置至少一個名M^L (4， 104， 204 )，且可選地，將過在排擬L(4, 104， 204 )位置與接閃器(3， 103， 203 )位置之間延伸的避雷針定位到葉片(1， 101， 201)表面上。
11、 如前i^3l利要求中^-項所述的避雷系統，^#絲於，接閃器(3, 103， 203 )具有富蘭克M雷針(Franklin rod)的形式或;UtX蛋狀。
12、 如前i^5L利要求中^-項所述的避雷系統，脈絲於，葉片(201) 的""^分尖端(205 )適於作為由例如鴒、銅或黃銅製成的接閃器(203 )。
全文摘要
本發明涉及一種用於風力渦輪機葉片的避雷系統，其中所述葉片是由複合材料製成的殼體並且包括根部區域和末梢。所述避雷系統包括至少一個布置成在葉片尖端處或在葉片尖端緊接的鄰區內的殼體表面內/上可以自由使用的接閃器以及由導電材料製成的在殼體內沿著葉片的大致整個縱向進行延伸的避雷導體。所述接閃器和所述避雷導體經由連接區域電連接在一起。所述避雷導體在其整個縱向上以及在介於避雷導體與接閃器之間的連接區域內是電絕緣的，以防止雷擊穿過葉片表面。
文檔編號F03D11/00GK101336342SQ200680052102
公開日2008年12月31日 申請日期2006年12月1日 優先權日2005年12月2日
發明者L·B·漢森 申請人:Lm玻璃纖維製品有限公司