風力渦輪的轉子葉片和風力渦輪的製作方法

2023-05-22 08:15:36

本主題大體上涉及用於風力渦輪的轉子葉片，且更具體而言，涉及具有傳導層的用於轉子葉片的翼梁帽。

背景技術：

風能被認為是目前可獲得的最潔淨、最環境友好的能源中的一種，並且在這點上風力渦輪已獲得更多的關注。現代風力渦輪典型地包括塔架、發電機、齒輪箱、機艙和一個或更多個轉子葉片。轉子葉片使用已知的葉形片(foil)原理從風獲取動能，且通過旋轉能來傳遞該動能，以使軸轉動，該軸將轉子葉片聯接至齒輪箱，或者如果不使用齒輪箱，則直接聯接至發電機。齒輪箱將機械能轉換成電能，該電能可部署至公用電網。

風力渦輪轉子葉片大體上包括主體殼，該主體殼由為複合層壓材料的兩個殼半部形成。殼半部大體上使用模製過程製造，且然後沿轉子葉片的對應邊緣聯接在一起。大體上，主體殼是相對輕量的，且具有結構特性(例如，剛度、抗翹曲力和強度)，這些結構特性不構造成耐受在操作期間施加在轉子葉片上的彎曲力矩和其他負載。為了提高轉子葉片的剛度、壓曲抗力和強度，主體殼通常使用翼梁帽來增強，該翼梁帽接合殼半部的內表面。翼梁帽可由各種材料構造，包括但不限於玻璃纖維層壓複合材料和/或碳纖維層壓複合材料。

在風力渦輪的壽命期間，轉子葉片特別傾向於雷擊。因此，現代風力渦輪通常包括閃電防護系統，其具有：一個或更多個閃電接收器，其配置在轉子葉片的外部上；和閃電傳導器或纜線，其聯接至(多個)閃電接收器且穿過轉子葉片從葉片末梢延伸至葉片根部，且穿過其他構件，直到穿過塔架向下接地至地面位置。因此，當閃電擊中轉子葉片時，電流可流過(多個)閃電接收器且可被穿過閃電系統傳導至地面。 然而，當閃電衝擊發生時，非期望的放電可從翼梁帽產生至主體殼，這可對轉子葉片引起顯著的損壞。

因此，需要防止來自翼梁帽的此種非期望放電的翼梁帽設計。更具體而言，構造為具有傳導層的交替層，以便將翼梁帽的層電連接閃電防護系統的翼梁帽在本領域中將是受歡迎的。

技術實現要素：

本實用新型的方面和優點將在下列描述中部分地示出，或可從描述變得明顯，或通過本實用新型的實施習得。

在本公開的一個方面中，公開了一種風力渦輪的轉子葉片。轉子葉片包括葉片根部和葉片末梢、前緣和後緣、壓力側和吸力側、和至少一個翼梁帽，該至少一個翼梁帽構造在壓力側或吸力側中的任一者或二者的內部表面上。翼梁帽包括第一材料的一個或更多個層和第二傳導材料，該第二傳導材料接觸該第一材料的層中的至少一個。而且，該傳導材料與第一材料不同。因此，該傳導材料與第一材料一起構造，以致於形成等電勢翼梁帽。

在一個實施例中，翼梁帽可包括交替的第一材料的層和傳導材料。在各種實施例中，第一材料的層包括玻璃纖維層壓複合物、碳纖維層壓複合物、和/或預浸處理纖維複合物。更具體而言，在特定實施例中，如果翼梁帽由碳纖維層壓複合物構造，則傳導材料可放置在碳層片的某些層之間。備選地，傳導材料可不存在於第一材料的一些層之間，並且/或者存在於其他層之間，例如，每隔兩個層。在另一實施例中，傳導層可埋在第一材料的層中的一個或更多個內，例如，其中翼梁帽由預浸處理複合纖維構造。

在其他實施例中，傳導材料可包含至少一種金屬或金屬合金。更具體而言，在特定實施例中，金屬或金屬合金可包含銅、鋁、鋼、錫、鎢、鐵、鎳、或它們的組合中的至少一種，或任何其他適合的金屬。此外，傳導材料可包括以下構造中的任一者：網格、線、層片、或它們的任何組合。

在又一實施例中，第一材料的層和傳導材料沿所述翼梁帽的長度可具有不同的長度。因此，第一材料的層和傳導材料可沿轉子葉片的整個跨度或沿轉子葉片的僅一部分延伸。而且，在其他實施例中，第一材料的層和傳導材料沿翼梁帽的寬度可具有一致的長度。

在又一方面中，本公開涉及風力渦輪。風力渦輪包括安裝在支撐表面上的塔架、構造在塔架的頂部的機艙、和具有一個或更多個轉子葉片的轉子轂。轉子葉片中的至少一個具有一個或更多個翼梁帽，該一個或更多個翼梁帽構造在轉子葉片的壓力側或吸力側中的至少一者的內部表面上。而且，翼梁帽包括第一材料的一個或更多個層和第二傳導材料，該第二傳導材料接觸該第一材料的層中的至少一個，該傳導材料與該第一材料不同。因此，該傳導材料與第一材料一起構造，以致於形成等電勢翼梁帽。還應理解的是，風力渦輪還可包括在本文中描述的額外特徵中的任一種。

在又一方面中，本公開涉及一種製造用於風力渦輪的轉子葉片的翼梁帽的方法。本方法包括提供該翼梁帽的第一材料的一個或更多個層。另一步驟包括將第二傳導材料放置在第一材料的層中的至少一個附近，其中，傳導材料與第一材料不同。因此，該傳導材料與第一材料一起構造，以致於形成等電勢翼梁帽。

在另一實施例中，將第二傳導材料放置成以便接觸第一材料的層中的至少一個的步驟還包括使該傳導材料與該第一材料的一個或更多個層交替。在包含預浸處理複合纖維的其他實施例中，本方法還可包括將傳導材料埋在預浸處理複合纖維內。還應理解的是，本方法還可包括在本文中描述的額外特徵和/或步驟中的任一個。

技術方案1：一種風力渦輪10的轉子葉片16，所述轉子葉片16包括：

葉片根部30和葉片末梢32；

前緣26和後緣28；

吸力側36和壓力側34；和，

至少一個翼梁帽20，其構造在壓力側或吸力側34，36中的任一者或二者的內部表面上，所述翼梁帽20包括第一材料52的一個或更多個層和第二傳導材料54，所述第二傳導材料54接觸該第一材料52的層中的至少一個，所述傳導材料54為與所述第一材料52不同的材料，

其中，所述傳導材料54與所述第一材料52一起構造以致於形成等電勢翼梁帽20。

技術方案2：根據技術方案1所述的轉子葉片16，其特徵在於，所述翼梁帽20的傳導材料54構造成電連接至所述風力渦輪10的閃電防護系統50。

技術方案3：根據技術方案1所述的轉子葉片16，其特徵在於，所述翼梁帽20還包括所述第一材料52和所述傳導材料54的交替的層。

技術方案4：根據技術方案1所述的轉子葉片16，其特徵在於，所述傳導材料54埋入所述第一材料52的層中的一個或更多個內。

技術方案5：根據技術方案1所述的轉子葉片16，其特徵在於，所述傳導材料54包括至少一種金屬或金屬合金。

技術方案6：根據技術方案4所述的轉子葉片16，其特徵在於，所述金屬包括以下中的至少一種：銅、鋁、鋼、錫、鎢、鐵、鎳、或它們的組合。

技術方案7：根據技術方案1所述的轉子葉片16，其特徵在於，所述傳導材料54包括以下構造中的至少一種：網格、線、或層片。

技術方案8：根據技術方案1所述的轉子葉片16，其特徵在於，第一材料52的層包括以下中的至少一種：玻璃纖維層壓複合物、碳纖維層壓複合物、或預浸處理纖維複合物。

技術方案9：根據技術方案1所述的轉子葉片16，其特徵在於，所述第一材料52的層和所述傳導材料54沿所述翼梁帽20的長度58包括不同的長度。

技術方案10：根據技術方案1所述的轉子葉片16，其特徵在於， 所述第一材料52的層和所述傳導材料54沿翼梁寬度56包括一致的長度。

技術方案11：一種風力渦輪10，包括：

塔架12，其安裝在支撐表面上；

機艙14，其構造在所述塔架12的頂部；

轉子轂18，其包括一個或更多個轉子葉片16，所述轉子葉片16中的至少一個包括至少一個翼梁帽20，該至少一個翼梁帽20構造在所述轉子葉片16的壓力側34或吸力側36中的至少一者的內部表面上，所述翼梁帽20包括第一材料52的一個或更多個層，和鄰近該第一材料52的層中的至少一個的第二傳導材料54，所述傳導材料54與所述第一材料52不同，

其中，所述傳導材料54與所述第一材料52一起構造以致於形成等電勢翼梁帽20。

技術方案12：一種製造用於風力渦輪10的轉子葉片16的翼梁帽20的方法，所述方法包括：

提供所述翼梁帽20的第一材料52的一個或更多個層；和，

將至少一個傳導材料54放置在該第一材料52的層中的至少一個附近或其內，所述傳導材料54與所述第一材料52不同，

其中，所述傳導材料54與所述第一材料52一起構造，以致於形成等電勢翼梁帽20。

技術方案13：根據技術方案12所述的方法，其特徵在於，將至少一個傳導材料52放置在第一材料52的層中的至少一個附近還包括使所述傳導材料54與所述第一材料52的一個或更多個層交替，或者將所述傳導材料54埋在預浸處理纖維複合物內。

技術方案14：根據技術方案13所述的方法，其特徵在於，第一材料52的層包括以下中的至少一種：玻璃纖維層壓複合物、碳纖維層壓複合物、或預浸處理纖維複合物。

技術方案15：根據技術方案14所述的方法，其特徵在於，還包 括將所述傳導材料埋在所述預浸處理纖維複合物內。

技術方案16：根據技術方案12所述的方法，其特徵在於，所述傳導材料包括至少一種金屬或金屬合金。

技術方案17：根據技術方案16所述的方法，其特徵在於，所述金屬包括以下中的至少一種：銅、鋁、鋼、錫、鎢、鐵、鎳、或它們的組合。

技術方案18：根據技術方案12所述的方法，其特徵在於，所述傳導材料包括以下構造中的至少一種：網格、線、或層片。

技術方案19：根據技術方案12所述的方法，其特徵在於，所述第一材料的層和所述傳導材料沿所述翼梁帽的長度包括不同的長度。

技術方案20：根據技術方案12所述的方法，其特徵在於，所述第一材料的層和所述傳導材料沿翼梁寬度包括一致的長度。

通過參照下列描述和所附權利要求，本實用新型的這些和其他特徵、方面和優點將變得更好理解。併入本說明書並組成其一部分的附圖示出了本實用新型的實施例，並與說明一起用來說明本實用新型的原理。

附圖說明

在參照附圖的說明書中，闡述了針對本領域技術人員的本實用新型的完整和可實踐的公開內容，包括其最佳實施方式，在附圖中：

圖1示出了根據本公開的風力渦輪的一個實施例的立體圖；

圖2示出了風力渦輪的另一實施例的立體圖，其特別例示出根據本公開的與其一起構造的閃電防護系統；

圖3示出了根據本公開的轉子葉片的立體圖；

圖4示出沿線4-4的圖3的轉子葉片的截面圖；

圖5示出了圖4的翼梁帽的詳細圖；

圖6示出了根據本公開的翼梁帽的一個實施例的沿其長度的側視圖；

圖7示出了根據本公開的翼梁帽的一個實施例的另一詳細圖；

圖8示出沿線8-8的圖5的翼梁帽的截面圖；且

圖9示出了根據本公開的翼梁帽的另一實施例的截面圖。

部件列表

10 風力渦輪

12 塔架

14 機艙

16 葉片

18 轉子轂

20 翼梁帽

21 主體殼

22 翼梁帽

23 跨度

24 抗剪腹板

25 弦

26 前緣

27 縱向軸線

28 後緣

30 葉片根部

32 葉片末梢

34 壓力側

35 壓力側的內表面

36 吸力側

37 吸力側的內表面

40 閃電接收器

41 傳導線

50 閃電防護系統

52 第一材料的層

54 傳導材料

56 翼梁帽寬度

58 翼梁帽長度

68 接地傳導路徑

70 接地杆

72 接地線纜。

具體實施方式

現在將詳細地參照在附圖中示出一個或多個實例的本實用新型的實施例。各實施例作為本實用新型的解釋，而非本實用新型的限制來提供。事實上，在本實用新型中可進行各種更改和變化而不脫離本實用新型的精神或範疇這點對於本領域專業人員將是顯而易見的。例如，作為一個實施例的一部分示出或描述的特徵可與另一實施例一起使用以產生進一步的實施例。因此，意圖當更改和變化在所附權利要求和它們的等同物的範圍內時，本實用新型覆蓋這種更改和變化。

總而言之，本主題涉及具有一個或更多個傳導層的風力渦輪的轉子葉片的翼梁帽。更具體而言，翼梁帽包括第一材料的一個或更多個層，和接觸第一材料的層中的至少一者的第二傳導材料的一個或更多個層。而且，該傳導材料與第一材料不同。該傳導材料與第一材料一起構造，以致於形成等電勢的翼梁帽。如在本文中所使用的，用語「等電勢」或「等電勢地」等通常指以下物體，其中該物體中的每個點處於相同的電勢。例如，如果翼梁帽內或表面處的某些點在這些點之間不包含電荷流動，那麼這些點之間的電勢差為零。在此種例示中，翼梁帽將是等電勢的，因為翼梁帽中的所有點具有相同電勢。

本公開提供現有技術中不存在的許多優點。例如，如果第一材料包含碳，那麼翼梁帽在不添加傳導材料的情況下可為各向異性的。通過包括傳導材料，碳翼梁帽的所得的傳導性是更加各向同性的，從而允許穿過厚度且橫過纖維的電流傳遞。因此，本公開的翼梁帽有助於減少從碳翼梁帽到葉片的非期望的放電和電弧，否則它們將導致顯著的損壞，例如，層之間的剝離。

現參照附圖，圖1示出了水平軸線風力渦輪10的立體圖。應當明白的是，風力渦輪10還可為豎直軸線風力渦輪。如例示實施例中所示，風力渦輪10包括塔架12、安裝在塔架12上的機艙14、和聯接至機艙14的轉子轂18。塔架12可由管狀的鋼或其他適合的材料製造。轉子轂18包括一個或更多轉子葉片16，該一個或更多轉子葉片16聯接於轂18且從其徑向向外延伸。如圖所示，轉子轂18包括三個轉子葉片16。但是，在備選實施例中，轉子轂18可包括多於或少於三個的轉子葉片16。轉子葉片16使轉子轂18旋轉，以使動能能夠從風轉變至可用的機械能，且隨後，轉變成電能。具體而言，轂18可以可旋轉地聯接至發電機(未示出)，該發電機位於機艙14內，以用於產生電能。

參照圖2，示出了風力渦輪的一個實施例的立體圖，其具有構造在其上的閃電防護系統50。如圖所示，閃電防護系統50包括具有構造在其上的多個閃電接收器40的至少一個轉子葉片16。而且，轉子葉片16中的各個可以以類似的方式構造。例如，如圖所示，各轉子葉片16包括轉子葉片16內部腔內的傳導迴路60，該傳導迴路60具有經由一個或更多個閃電導體41而連接的多個閃電接收器40。轉子葉片16中的各個的相應閃電傳導迴路60包括終端，該終端延伸穿過轉子葉片16的根部部分且個別地連接至轉子轂18內的接地系統。接地系統可不同地構造，如在本領域中已知的那樣。例如，接地系統可包括由風力渦輪的機械或支撐結構(包括葉片軸承、機械底座板、塔架結構等)限定的任何傳導路徑，該傳導路徑限定從葉片17通過塔架12經由接地線纜72到接地杆70的任何適合的接地傳導路徑68，或其他適合的電氣接地路徑。

現在參照圖3和4，根據本主體的方面而例示出圖2的轉子葉片16中的一個。具體而言，圖3例示出轉子葉片16的立體圖，而圖4例示出轉子葉片16的沿圖3所示的截面線4-4的截面圖。如圖所示，轉子葉片16通常包括葉片根部30和與葉片根部30相反地配置的葉 片末梢32，該葉片根部30構造為安裝或以其他方式固連至風力渦輪10的轂18(圖1)。轉子葉片的主體殼21大體上沿縱向軸線27在葉片根部30與葉片末梢32之間延伸。主體殼21可大體上用作轉子葉片16的外殼體/覆蓋物且可限定基本上空氣動力學的剖面，例如通過限定對稱的或曲面的翼形件形狀剖面。主體殼21還可限定在轉子葉片16的前緣和後緣26、28之間延伸的壓力側34和吸力側36。此外，轉子葉片16還可具有限定葉片根部30與葉片末梢32之間總長的跨度23和限定前緣26與後緣28之間總長的弦25。如通常所理解的那樣，當轉子葉片16從葉片根部30延伸至葉片末梢32時，弦25可通常相對於跨度23在長度上變化。

在若干實施例中，轉子葉片16的主體殼21可作為單個、一體的構件形成。備選地，主體殼21可由多個殼構件形成。例如，主體殼21可由第一殼半部和第二殼半部形成，第一殼半部大體上限定轉子葉片16的壓力側34，第二殼半部大體上限定轉子葉片16的吸力側36，其中此種殼半部在葉片16的前緣和後緣26、28處固連至彼此。此外，主體殼21可大體上由任何適合的材料形成。例如，在一個實施例中，主體殼21可完全由層壓複合材料形成，諸如碳纖維強化層壓複合物或玻璃纖維強化層壓複合物。備選地，主體殼21的一個或更多個部分可構造為分層結構，且可包括核心材料，該核心材料由輕量材料形成，諸如木頭(例如，巴爾沙木(balsa))、泡沫(例如擠出的聚苯乙烯泡沫)或此種材料的組合，配置在層壓複合材料的層之間。

特別參照圖4，轉子葉片16還可包括一個或更多個縱向地延伸的結構構件，其構造成對轉子葉片16提供增大的剛度、抗翹曲力和/或強度。例如，轉子葉片16可包括一對縱向地延伸的翼梁帽20、22，翼梁帽20、22構造成分別相對於轉子葉片16的壓力側和吸力側34、36的相對的內表面35、37接合。此外，一個或更多個抗剪腹板24可配置在翼梁帽20、22之間，以便形成梁狀構造。翼梁帽20、22大體上可設計成控制風力渦輪10的操作期間的彎曲應力和/或沿大體上弦 向的方向(與轉子葉片16的跨度23平行的方向)作用在轉子葉片16上的其他負載。類似地，翼梁帽20、22還可設計成耐受在風力渦輪10的操作期間發生的弦向壓縮。

總而言之，如圖5-9所示，翼梁帽20、22包括第一材料的一個或更多個層52，和接觸第一材料的層52中的至少一者的至少一個傳導材料54。更具體而言，圖5沿翼梁寬度56例示出圖4的翼梁帽20的吸力側的詳細截面圖，而圖6沿翼梁長度(即，沿轉子葉片16的跨度23)例示出翼梁帽20。圖7-9例示出根據本公開的翼梁帽20的傳導材料54的各種實施例。

翼梁帽20、22的第一材料52可由具有材料特性(例如，強度和/或彈性模量)的任何適合的複合材料形成。此外，翼梁帽20、22可大體上由相同的複合材料52形成。因此，在本主題的若干實施例中，兩個翼梁帽20、22可由任何適合的層壓複合材料形成，該層壓複合材料具有與複合材料的壓縮強度和/或彈性模量不同的拉伸強度和/或彈性模量。適合的層壓複合材料可包括利用碳、碳的混合物、纖維玻璃、纖維玻璃的混合物、碳和纖維玻璃的混合物、以及其他適合的強化材料及其混合物來強化的層壓複合物。例如，在本主題的特定實施例中，兩個翼梁帽20、22可由碳纖維強化層壓複合物形成。

傳導材料54是與第一材料52的層不同的材料，且可為任何適當的傳導材料，該傳導材料適於防止從翼梁帽20、22到轉子葉片16的非期望放電或電弧，否則它們將導致顯著的結構損壞。例如，在某些實施例中，傳導材料54可包括金屬或金屬合金，諸如銅、鋁、鋼、錫、鎢、鐵、鎳、或它們的組合。通過包括傳導層54，翼梁帽20、22的所得的傳導性是更加各向同性的，從而允許穿過翼梁帽20、22的厚度且橫過纖維的電流傳遞。

應當理解，翼梁帽20可包括第一材料52的任何數量和/或構造的層和傳導層54。例如，如圖所示，翼梁帽20包括第一材料52的三個層，和傳導材料54的兩個層。在額外的實施例中，翼梁帽20可包括 多於三個或少於三個的第一材料52的層，或多於兩個或少於兩個的傳導材料54的層。而且，如圖所示，翼梁帽20、22可包括第一材料52和傳導材料54的交替的層。備選地，傳導材料54可不存在於第一材料52的一些層之間或之內(例如，在每隔一個層或每隔兩個層之間，等等)。而且，傳導材料54可包括材料的層(例如層片)、網格、線、或任何其他適合的構造。此外，傳導層54可沿轉子葉片16的整個跨度23、沿跨度23的分段小塊、或跨度23的一些百分比實現。因此，傳導材料54的層數和/或構造構造成將翼梁帽的第一材料的層52電連接至風力渦輪10的閃電防護系統50(例如經由閃電導體41)。

特別參照圖5、7，傳導材料54的寬度可與翼梁帽20相同、比翼梁帽20窄、或比翼梁帽20寬。更具體而言，如圖5所示，傳導材料54可與翼梁帽20的寬度56為基本上相同的寬度。相反，如圖7所示，傳導材料54可比翼梁帽20的寬度56寬(例如，當傳導材料54包含一個或更多個線時)。而且，如圖9所示，傳導材料54可比翼梁帽20的寬度56窄(例如，當傳導材料54埋在第一材料52內時)。在其他實施例中，如圖6所示，第一材料52和傳導材料4的層沿翼梁帽20的長度可包括不同的長度。

此外，傳導材料54的寬度可隨用於構造翼梁帽的製造方法而改變。例如，如圖9所示，傳導材料54可由於在固化過程期間，將傳導材料54放置在模具內並且/或者使傳導層形成到預浸處理材料中而埋在第一材料52內。此外，傳導材料54可併入玻璃或碳罩(veil)或幹的織物中。如在本文中使用的，預浸處理材料通常指「預浸漬的」複合纖維，其中已存在基質材料。複合纖維通常採取編織物的形式，且基質用於在製造期間將纖維結合到一起且結合到其他構件。基質僅部分地固化，以允許容易的操作，因此，傳導層54可在其固化之前插入基質中，使得翼梁帽20可作為一部分，在傳導材料54固化在其中的情況下固化。

本公開還涉及用於製造如本文所述的翼梁帽的方法。例如，在一 個實施例中，本方法可包括提供第一材料(例如，玻璃、碳、或預浸處理纖維層壓複合物)的一個或更多個層。因此，本方法還包括將第二傳導材料放置在第一材料的層中的至少一者附近或其內。例如，在一個實施例中，本方法可包括使傳導層在第一材料的層中的一個或更多個之間交替。備選地，在包含預浸處理複合纖維的實施例中，本方法可包括在翼梁帽固化之前將傳導材料埋在預浸處理複合纖維內。因此，本文中描述的方法提供一種翼梁帽，其包括構造在其中的傳導材料，該傳導材料等電勢地連接翼梁帽的所有層，使得翼梁帽可電連接至風力渦輪的閃電防護系統。

本書面說明使用示例以公開本實用新型，包括最佳實施方式，並且還使任何本領域技術人員能夠實踐本實用新型，包括製造並且使用任何設備或系統並且實行任何合併的方法。本實用新型的可取得專利的範圍由權利要求限定，並且可包含本領域人員想到的其他示例。如果這種其他示例具有不與權利要求的文字語言不同的結構元件，或如果它們包括與權利要求的文字語言無顯著差別的等同結構元件，則它們意圖在權利要求的範圍內。