CN101839211B - 用于保护风力涡轮机叶片免受闪电损害的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于保护风力涡轮机叶片免受闪电损害的方法及装置，且更具体地，包括一种与风力涡轮机一起使用的涡轮机叶片，其中该涡轮机叶片包括第一侧壁和第二侧壁。第二侧壁沿前缘且沿轴向地隔开的后缘联接到第一侧壁上，使得在第一侧壁和第二侧壁之间限定空腔。释压系统联接到第一侧壁和第二侧壁中的至少一个上。该释压系统构造成当空腔内的压力超过预定的阈值时，从空腔排出流。还描述了组装该涡轮机叶片的方法。

Description

用于保护风力涡轮机叶片免受闪电损害的方法及装置
技术领域
本文公开的主题一般地涉及风力涡轮机，且更具体地，涉及用于保护风力涡轮机叶片免受闪电损害的方法及装置。
背景技术
如众所周知的那样，闪电可对风力涡轮机产生重大的危害。同样地，至少一些已知的风力涡轮机包括保护性设备，以帮助防止对风力涡轮机和/或风力涡轮机叶片的灾难性损害。
例如，在至少一种已知的风力涡轮机中，风力涡轮机叶片包括金属丝或金属网，以在受到雷击时，将电流从叶片传导到地面。在此类风力涡轮机中，叶片设计成在发生雷击的情况下为电流提供流到地面的电路径，从而防止对叶片和/或涡轮机的损害。
尽管经常使用此类保护系统，但此类系统的效果可能有限。例如，当电流经过此类风力涡轮机导向地面时，如果因雷击而产生的相关涡轮机叶片内的压力太高，则该压力可能损害叶片。例如，当涡轮机叶片受到雷击时，对叶片引起的电流可导致在涡轮机叶片内部的空气中产生电弧。此类电弧可升高叶片内部的温度和/或压力。由此发生的温度或压力的增加可在叶片中导致裂纹扩张，或甚至使叶片爆炸。
如果风力涡轮机叶片因为闪电而损坏，对叶片的修理可能是昂贵并且费时的。此外，叶片的损坏可能需要损失由风力涡轮机所发生的电力(即风力涡轮机运行停止)，直到该叶片被更换或修理。
发明内容
在一个实施例中，提供与风力涡轮机一起使用的叶片，其中，该叶片包括第一侧壁和第二侧壁。该第二侧壁沿前缘且沿轴向地隔开的后缘联接到第一侧壁上，使得在第一侧壁和第二侧壁之间限定空腔。释压系统联接到第一侧壁或第二侧壁中的至少一个上。该释压系统构造成当空腔内的压力超过预定的阈值时从该空腔排出流。
在另一个实施例中，提供了风力涡轮机。该风力涡轮机包括塔架，联接到塔架上的外罩，以及联接到外罩上的至少一个叶片。该叶片包括第一侧壁和第二侧壁。第二侧壁沿前缘且沿轴向地隔开的后缘联接到第一侧壁上，使得在第一侧壁和第二侧壁之间限定空腔。释压系统联接到第一侧壁或第二侧壁中的至少一个上。该释压系统构造成当空腔内的压力超过预定阈值时从该空腔排出流。
在又一个实施例中，提供了一种用于组装风力涡轮机的方法。该组装方法包括将外罩联接到塔架上；将至少一个叶片联接到外罩上。该叶片包括沿前缘且沿轴向地隔开的后缘联接到一起的第一侧壁和第二侧壁，使得在第一侧壁和第二侧壁之间限定空腔。该方法还包括将释压系统联接到第一或第二侧壁的至少一个上，并且将释压系统构造成当空腔内的压力超过预定阈值时从该空腔排出流。
附图说明
图1是示例性风力涡轮机的侧视图。
图2是可与在图1中显示的风力涡轮机一起使用的示例性风力涡轮机叶片的横截面图。
图3是包括释压系统的示例性风力涡轮机叶片的侧面透视图。
图4是可与在图3中显示的释压系统一起使用的示例性栓塞的放大透视图。
部件列表
10风力涡轮机
11塔架
12外罩
13叶片
14中心线轴线
15旋转轴线
20第一侧壁
21第二侧壁
22前缘
23后缘
24叶片空腔
25开口
26释压系统
27开口直径
28内表面
29内表面
30释压栓塞
31膜片
33头部分
34插入部分
35凸缘
37外表面
38径向内部末端
39外径
40外径
41凸缘直径
42外表面
50外表面
51外表面
具体实施方式
图1是示例性风力涡轮机10的侧视图。图2图示了示例性叶片13的一部分的横截面图。在该示例性实施例中，风力涡轮机10包括塔架11，联接到塔架11上的外罩12，以及联接到外罩12上的至少一个叶片13。塔架11为外罩12和叶片13提供支承。如在本领域中已知的，塔架11的高度和结构可改变。
外罩12联接到塔架11上。外罩12典型地容纳齿轮箱和用于将叶片13的转动能转换成电能的其它构件(未显示)。风力涡轮机10包括联接到外罩12上的至少一个叶片13。在该示例性实施例中，涡轮机10包括三个叶片13。
在该示例性实施例中，叶片13是同样的，并且每一个均包括第一侧壁20和相对的第二侧壁21。第二侧壁21沿前缘22且沿轴向地隔开的后缘23联接到第一侧壁20上。第一侧壁20和第二侧壁21分别以在第一侧壁20和第二侧壁21之间限定空腔24的方式联接在一起。具体地，空腔24至少部分地由各相应叶片的内表面28和29限定边界。
在运行期间，当风冲击叶片13时，叶片13构造成将风的动能转换成转动能。具体地，当风冲击叶片13时，叶片13围绕旋转轴线15旋转。叶片13的旋转轴线15通常平行于风的水平分量，并且通常垂直于塔架11的中心线轴线14。
叶片13的转动旋转在外罩12内的齿轮箱(未显示)。该齿轮箱联接到在外罩12内的发电机(未显示)上，该发电机产生电流，电流经由通过塔架11的电缆(未显示)传输到电网或其它目的地。
在该示例性实施例中，第一侧壁20和/或第二侧壁21中的任何一个均包括限定在其中的一个或多个开口25。各开口25从每一个侧壁20和21的各自的外表面穿过第一侧壁20和/或第二侧壁21延伸至各内表面28和29。同样地，每一个开口25均与空腔24联接成流动连通。在该示例性实施例中，每一个开口25是大体上圆形的。备选地，每一个开口25可具有使风力涡轮机10能够如本文所述而起作用的任何横截面形状。可变地选择相对于每一个叶片13的每一个开口25的位置，以促进如本文所述的风力涡轮机10的运转。更具体地，开口25可在第一侧壁20和/或第二侧壁21内以预定的图案布置，该图案使结构的完整性和/或叶片13的空气动力学性能最优化。
图3图示了包括释压系统26的示例性叶片13的侧面透视图。图4是与释压系统26一起使用的示例性释压栓塞30的放大透视图。在该示例性实施例中，释压系统26联接到第一侧壁20和/或第二侧壁21(在图2中显示)中的任一个之上，或与第一侧壁20和/或第二侧壁21中的任一个一体地形成。
在该示例性实施例中，释压系统26包括至少一个释压栓塞30，该释压栓塞30插入在第一侧壁20或第二侧壁21中的任一个中限定的开口25(在图2中显示)。如本文所述，释压系统26与开口25协作，且各释压栓塞30插入相应的开口25。在一个实施例中，各释压栓塞30的尺寸设置成且成形为使得当栓塞30插入开口25时，各栓塞30的外表面37与各相应的第一侧壁20或第二侧壁21的外表面50或51大体上平齐。同样地，在这样的实施例中，释压栓塞30不负面影响叶片13的空气动力学轮廓或空气动力学性能。此外，在该实施例中，当释压栓塞30完全地插入开口25时，栓塞30充分地密封各开口25。
在该示例性实施例中，释压栓塞30形成有插入部分34以及头部分33。插入部分34是中空的，并且与头部分33一体地形成，且从头部分33延伸。此外，在该示例性实施例中，插入部分34是大体上圆筒形的，并且具有由插入部分34的外表面42限定的外径39，该外径39小于各开口25的直径27(在图2中显示)。更具体地，插入部分34从释压栓塞30的径向内部末端38延伸到凸缘35，该凸缘35外接栓塞30且从栓塞30径向地向外延伸。在一个备选的实施例中，插入部分34不是大体上圆筒形的，并且释压栓塞30和/或凸缘35的至少一部分尺寸设置成且成形为与开口25大体上匹配，使得当栓塞30完全地插入开口25时充分地密封开口25。
头部分33从凸缘35延伸至栓塞外表面37。在该示例性实施例中，头部分33具有大体上圆形的横截面轮廓，并且形成有外径40，该外径40小于凸缘35的外径41。凸缘直径41大于开口直径27。同样地，在该示例性实施例中，当释压栓塞30插入开口25内时，凸缘35限制各开口25内的栓塞30的插入深度。更具体地，凸缘35尺寸设置成防止头部分33进入开口25，并且尺寸设置成使得在释压栓塞30完全地插入开口25内后，开口25被充分地密封。此外，在该示例性实施例中，头部分33在其中形成有膜片31。如在下文中更详细地描述，膜片31制造成当暴露于预定压力时破裂。
在另一个实施例中，开口25包括沉孔部分(未显示)。在此类实施例中，当释压栓塞30插入开口25内时，凸缘35座落在沉孔部分内，使得将开口25充分地密封。头部分33从沉孔部分径向地向外延伸到侧壁外表面50或51。
在运行期间，当叶片空腔24内的压力超过预定的阈值时，如可在叶片13遭受雷击时发生的那样，当压力波穿过叶片空腔24传播时，释压栓塞30从第一侧壁20或第二侧壁21射出，和/或膜片31破裂。备选地，释压栓塞30可构造成使得当叶片空腔24内的压力超过预定的阈值时，仅栓塞30的一部分弹出和/或破裂。在一个备选的实施例中，当在叶片空腔24内的压力超过预定的阈值时，膜片31在释压栓塞30射出前破裂。在另一个实施例中，当叶片空腔24内的压力超过预定的阈值时，释压栓塞30在膜片31破裂前射出。在又一个实施例中，当叶片空腔24内的压力超过预定的阈值时，在大体上相同的时刻膜片31破裂并且释压栓塞30射出。释压栓塞30的射出和/或破裂并不损害叶片13，相反，一旦栓塞30弹出和/或破裂，高压力流体从叶片空腔24排出，从而减少空腔24内的总压力。取决于空腔24内的压力，还可使额外的释压栓塞30射出和/或破裂。作为释压栓塞30排出和/或破裂的结果，促进了叶片空腔24内的压力降低，同时减少对叶片13的潜在损害。由于与叶片13相比释压栓塞30的相对小的尺寸，叶片13可继续运行而仅有微小的空气动力学性能损失。
在另一个实施例中，释压系统26不包括释压栓塞30，但释压系统26包括至少一个膜片、爆破盘(rupture disk)和/或任何联接到叶片13上的其它构件，并且构造成如本文所述从空腔24排出增压的流以降低空腔24内的运行压力。在另一个实施例中，释压栓塞30包括外周界(未显示)，该外周界具有当栓塞30完全插入开口25内时，与开口25的周界大体上平齐地匹配的形状。在此类实施例中，在与开口25相邻的区域，栓塞周界帮助增加叶片13的刚度。此外，在此类实施例中，栓塞30还可帮助降低在叶片13内引起的应力的效果和影响。
可翻新现有风力涡轮机和风力涡轮机叶片以使用在本文中所述的释压系统26。可在现有风力涡轮机叶片中形成例如开口25的一个或多个开口，以容纳一个或多个释压栓塞30或上述释压系统26的其它实施例的插入。无需从风力涡轮机移除现有叶片或另外组装风力涡轮机即可翻新现有叶片。
还描述了一种用于组装风力涡轮机10的方法。在该示例性实施例中，外罩12联接到塔架11上，至少一个叶片13联接到外罩12上。第二侧壁21沿叶片前缘22且沿轴向地隔开的后缘23联接到第一侧壁20上，使得在第一侧壁20和第二侧壁21之间限定空腔24。然后，释压系统26联接到第一侧壁20和/或第二侧壁21的任何一个上。如在本文中所述，释压系统26使得当空腔24内的运行压力超过预定阈值时能够从空腔24排出流。
如上所述的方法和装置帮助保护风力涡轮机和风力涡轮机叶片免受雷击导致的损害。通过提供当压力上升到预定阈值以上时可弹出和/或破裂的一个或多个栓塞，产生了一个或多个压力排出流途径，其使得能够排出包含在叶片内的高压力流体。无需更换叶片即可更换该栓塞。此外，栓塞在叶片中的插入可帮助增加叶片的结构强度。上述方法和装置帮助改善使风力涡轮机和风力涡轮机叶片免受雷击压力和/或温度损害的保护。
以上详细地描述了用于保护风力涡轮机叶片免受闪电损害的方法和装置的示例性实施例。这些方法和装置并不限于本文所述的具体实施例，相反，这些方法和装置的构件可独立于且与本文所述的其它构件分开使用。例如，此类释压栓塞还可结合其它闪电保护系统和方法使用，且并不限于以如本文所述的风力涡轮机来实践。相反，可结合使用翼型件的许多其它应用来实施和利用本发明。
本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明可被授予专利的范围通过权利要求书限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的文字语言并无不同的结构元件，或者它们包括与权利要求书的文字语言无本质区别的等价结构元件，则此类其它示例意图处在权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种与风力涡轮机一起使用的叶片，所述叶片包括：
第一侧壁；
第二侧壁，其沿前缘且沿轴向地隔开的后缘联接到所述第一侧壁上，使得在所述第一侧壁和第二侧壁之间限定空腔，其中在所述第一侧壁和第二侧壁的至少一个中限定开口；以及
释压系统，其联接到所述第一侧壁和第二侧壁中的至少一个上，所述释压系统构造成当所述空腔内的压力超过预定的阈值时，从所述空腔排出流，其中所述释压系统包括至少一个栓塞，所述至少一个栓塞包括凸缘和从所述凸缘延伸的头部分，使得当所述至少一个栓塞插入所述开口内时所述凸缘防止所述头部分进入所述开口。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，当所述空腔内的压力超过预定的阈值时，所述至少一个栓塞的至少一部分被从所述叶片射出和/或破裂。
3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述栓塞包括帮助增加所述叶片的刚度的外周界。
4.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述栓塞包括膜，该膜构造成当所述空腔内的压力超过预定的阈值时破裂，以从所述空腔排出流。
5.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述栓塞中的至少一个联接到所述第一侧壁上，并且所述栓塞中的至少一个联接到所述第二侧壁上。
6.一种风力涡轮机，包括：
塔架；
联接到所述塔架上的外罩；
联接到所述外罩上的至少一个叶片，且该叶片包括：
第一侧壁；
第二侧壁，其沿前缘且沿轴向地隔开的后缘联接到所述第一侧壁上，使得在所述第一侧壁和第二侧壁之间限定空腔，其中在所述第一侧壁和第二侧壁的至少一个中限定开口；以及
释压系统，其联接到所述第一侧壁和第二侧壁中的至少一个上，所述释压系统构造成当所述空腔内的压力超过预定的阈值时，从所述空腔排出流，其中所述释压系统包括至少一个栓塞，所述至少一个栓塞包括凸缘和从所述凸缘延伸的头部分，使得当所述至少一个栓塞插入所述开口内时所述凸缘防止所述头部分进入所述开口。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，当所述空腔内的压力超过预定的阈值时，所述至少一个栓塞的至少一部分被从所述叶片射出和/或破裂。
8.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述栓塞包括帮助增加所述叶片的刚度的外周界。
9.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述栓塞包括膜，该膜构造成当所述空腔内的压力超过预定的阈值时破裂，以从所述空腔排出流。
10.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述栓塞中的至少一个联接到所述第一侧壁上，并且所述栓塞中的至少一个联接到所述第二侧壁上。
11.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述栓塞中的每一个均可无需从所述风力涡轮机移除所述叶片而更换。
12.一种用于组装风力涡轮机的方法，所述方法包括：
将外罩联接到塔架上；
将至少一个叶片联接到所述外罩上，其中所述叶片包括第一侧壁以及第二侧壁，所述第一侧壁和第二侧壁沿前缘且沿轴向地隔开的后缘联接到一起，使得在所述第一侧壁和第二侧壁之间限定空腔，其中在所述第一侧壁和第二侧壁的至少一个中限定开口；以及
将释压系统联接到所述第一侧壁和第二侧壁中的至少一个上，其中所述释压系统构造成当所述空腔内的压力超过预定的阈值时，从所述空腔排出流，其中将所述释压系统联接到所述第一侧壁和第二侧壁中的至少一个上包括将至少一个栓塞插入所述开口内，所述至少一个栓塞包括凸缘和从所述凸缘延伸的头部分，使得当所述至少一个栓塞插入所述开口内时所述凸缘防止所述头部分进入所述开口。
13.根据权利要求12所述的用于组装风力涡轮机的方法，其特征在于，将所述释压系统联接到所述第一侧壁和第二侧壁中的至少一个上还包括将所述至少一个栓塞的至少一部分构造成当所述空腔内的压力超过预定的阈值时被从所述叶片射出和/或破裂。
14.根据权利要求12所述的用于组装风力涡轮机的方法，其特征在于，将所述释压系统联接到所述第一侧壁和第二侧壁中的至少一个上还包括将所述栓塞的外周界联接到所述叶片上以帮助增加所述叶片的刚度。
15.根据权利要求12所述的用于组装风力涡轮机的方法，其特征在于，将所述释压系统联接到所述第一侧壁和第二侧壁中的至少一个上还包括将膜联接到所述栓塞上，所述膜构造成当所述空腔内的操作压力超过预定的阈值时破裂，以使得能够从所述空腔排出流。
16.根据权利要求12所述的用于组装风力涡轮机的方法，其特征在于，将所述释压系统联接到所述第一侧壁和第二侧壁中的至少一个上还包括将栓塞联接到所述第一侧壁上，以及将栓塞联接到所述第二侧壁上。
17.根据权利要求12所述的用于组装风力涡轮机的方法，其特征在于，将所述释压系统联接到所述第一侧壁和第二侧壁中的至少一个上还包括将所述释压系统构造成使得所述释压系统能够无需从所述风力涡轮机移除所述叶片而更换。
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