CN102486156A - 具有增强的雷电保护系统的风力涡轮机转子叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有增强的雷电保护系统的风力涡轮机转子叶片。一种风力涡轮机转子叶片包括沿着所述叶片的压力侧或吸力侧中的任一个或两者构造的多个雷电接受器。提供了至少一个环状雷电传导电路，其中雷电接受器被构造成与相应的雷电传导电路连通。雷电传导电路具有端子端部，该端子端部延伸穿过根部，用于将各个端子端部与风力涡轮机内的接地系统相连。环状雷电传导电路为每个雷电接受器提供了用于将雷击传导至大地的冗余路径。
Description
技术领域
本主题大体上涉及风力涡轮机，且更具体地讲，涉及具有与其一起构造的雷电保护系统的风力涡轮机转子叶片。
背景技术
大型商用风力涡轮机易于受雷击，并且在这一点上，习惯作法是为涡轮机叶片提供沿叶片纵向长度隔开的雷电接受器，以便将雷击捕获和传导至大地。然而，这些接受器的常规构造导致困难、昂贵和耗时的维护和诊断程序，这典型地需要起重机从外部接近每个接受器。常规构造不能提供在不单独地接近和测试每个接受器的情况下验证叶片内的接受器的导通性(continuity)的方法。此外，接受器的有效性依赖于沿叶片的单个传导路径的完整性和可靠性。该路径的失效(即断裂)使得任何上游接受器都基本上没用。
已经尝试设计用于风力涡轮机叶片的备选的雷电保护系统。例如，美国专利公开No.2009/0129927描述了一种系统，该系统通过将沿径向延伸的雷电接受器安装到转子轮毂、使得接受器在叶片之间延伸，而完全避免了安装在叶片上的接受器。然而，该构造可导致涡轮机的重量、阻力和噪音的增加以及能力的总体下降。
因此，本行业将受益于一种改进的雷电保护系统，该系统采用安装在叶片上的接受器，还避免了常规接受器构造的缺点。
发明内容
本发明的方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，或者可由该描述显而易见，或者可通过实施本发明来了解。
根据本发明的方面，一种风力涡轮机转子叶片具有根部、顶端，以及在顶端和根部之间延伸并限定叶片的内部腔体的压力侧和吸力侧。沿着压力侧或吸力侧中的任一个或两者构造了多个雷电接受器。提供了至少一个环状雷电传导电路，该电路可位于叶片的内部腔体中或叶片外部。雷电接受器被构造成与相应的雷电传导电路连通。雷电传导电路包括延伸穿过根部的端子端部，该端子端部用于将每个端子端部与风力涡轮机内(例如风力涡轮机的轮毂内)的接地系统相连。这样，环状传导电路为每个雷电接受器提供了用于将雷击传导至大地的冗余路径。
叶片可包括单个雷电传导电路，使得所有雷电接受器与单个电路连通。在一个备选实施例中，叶片可包括多个雷电传导电路，其中每个电路包括与其连通的多个雷电接受器。该多个雷电传导电路可共用公共支路。
在一个尤其独特的实施例中，雷电接受器被构造成在其相应的环状雷电传导电路内串联。在该实施例中，环状雷电传导电路也可限定用于在所述环状雷电传导电路内串联连接的雷电接受器的导通性电路。
本发明还包括这样的风力涡轮机：其具有被构造为带有如本文所述的雷电传导电路的一个或多个涡轮机叶片。
在其它实施例中，一种风力涡轮机转子叶片具有根部、顶端，以及在顶端和根部之间延伸并限定叶片的内部腔体的压力侧和吸力侧。沿着压力侧或吸力侧中的任一个或两者构造有多个雷电接受器。提供了至少一个导通性电路。该导通性电路可被构造在叶片的内部腔体中或叶片的外部。雷电接受器被串联地设置在相应的导通性电路内，使得由该电路限定的电气导通路径通过导通性电路内的各个雷电接受器。导通性电路还包括端子端部，端子端部延伸穿过根部并可接近，以用于对在导通性电路内的雷电接受器进行远程导通性检查(例如在上面安装了叶片的转子轮毂内)。
叶片可包括单个导通性电路，使得所有雷电接受器串联在该电路内。在一个备选实施例中，叶片可包括多个导通性电路，其中每个电路包括多个雷电接受器。该多个导通性电路可共用公共返回支路，或者可具有单独的相应返回支路。
雷电接受器可以不同的方式来构造。在一个特定实施例中，接受器包括间隔开的接线柱，且导通性电路包括多个导线，这些导线将相邻雷电接受器的接线柱互连，使得传导路径从接线柱中的一个流过雷电接受器，并从另一个接线柱流出。在另外的另一实施例中，雷电接受器具有单个接线柱，且导通性电路包括多个导线，这些导线将多个接受器的单个接线柱互连，使得导线中的第一导线和第二导线安装在各个单个接线柱上，且在两者间具有介电绝缘材料。
在独特实施例中，导通性电路的全部或一部分也可限定串联地连接雷电接受器的雷电传导路径的全部或一部分。例如，在一个实施例中，整个导通性电路限定雷电传导路径，且这样，在导通性电路在任一位置处中断的情况下为每个雷电接受器提供了冗余的雷电传导路径。
本发明还包括具有带有如本文所述的导通性电路的一个或多个叶片的风力涡轮机的任何构造。
本发明还包括多种方法实施例，它们用于通过限定一个或多个导通性电路来验证风力涡轮机叶片内的雷电接受器的功能，其中构造在风力涡轮机叶片上的各个雷电接受器被包括在至少一个导通性电路内。该方法包括在相应的导通性电路内串联地构造雷电接受器，使得电路内的电气导通路径通过导通性电路内的各个雷电接受器。在导通性电路的端子端部处进行导通性检查。该检查可以定期方式进行或以连续方式进行。
在一个特定的方法实施例中，为单独的相应的涡轮机叶片限定了多个导通性电路，其中各个导通性电路包括多个雷电接受器。可为该多个电路提供公共返回支路，或者各个电路可具有其自己的相应返回支路。
另一个方法实施例可包括将导通性电路的至少一个支路构造为雷电传导路径。
参考下面的描述和所附的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。被包括到该说明书中并组成其一部分的附图展示了本发明的实施例，并且与该描述一起用来说明本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了本发明的对于本领域普通技术人员而言完整和能够实现的公开，包括其最佳模式，在附图中：
图1示出常规风力涡轮机的透视图；
图2示出带有在导通性电路内串联连接的多个雷电接受器的转子叶片的截面图；
图3示出其中导通性电路的支路也构造为雷电传导路径的图2的实施例；
图4示出雷电接受器的一个实施例的截面图；
图5示出雷电接受器的一个备选实施例的截面图；
图6是带有图4的雷电接受器的风力涡轮机转子叶片内的环状雷电传导路径的一个实施例的截面图；
图7是带有图5的雷电接受器的风力涡轮机转子叶片内的环状雷电传导路径的另外的另一个备选实施例的截面图；
图8是关于风力涡轮机转子叶片内的多个环状雷电传导路径的一个实施例的截面图；
图9是风力涡轮机叶片内的多个导通性电路的一个实施例的截面图，其中各个电路的一个支路也充当雷电传导路径；
图10是具有共用返回支路的多个导通性电路的一个实施例的截面图；且
图11是具有连续环状导体的一个实施例的截面图；以及
图12是带有根据本发明的方面的转子叶片的风力涡轮机的图示。
项目清单
| 参考符号 | 部件 |
| 10 | 风力涡轮机 |
| 12 | 塔架 |
| 14 | 机舱 |
| 16 | 叶片 |
| 18 | 转子轮毂 |
| 30 | 根部 |
| 32 | 顶端 |
| 34 | 压力侧 |
| 36 | 吸力侧 |
| 38 | 内部腔体 |
| 40 | 雷电接受器 |
| 41 | 导线/导电构件 |
| 42 | 导通性电路 |
| 44 | 端子端部 |
| 45 | 端子端部 |
| 46 | 返回支路 |
| 48 | 导电支路 |
| 50 | 板 |
| 52 | 柱 |
| 54 | 螺母 |
| 55 | 第一导线/电缆 |
| 56 | 单个柱 |
| 57 | 第二导线/电缆 |
| 58 | 绝缘体 |
| 60 | 雷电传导电路 |
| 62 | 端子端部 |
| 63 | 分支连接器 |
| 64 | 返回支路 |
| 66 | 中继/开关站 |
| 68 | 接地导电路径 |
| 70 | 接地杆 |
| 72 | 接地电缆 |
| 80 | 线路断路/开路 |
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细参考，在附图中显示了实施例的一个或多个示例。每个示例通过对本发明进行说明而不是对本发明进行限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言，将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出许多修改与变型。例如，作为一个实施例的部分而显示或描述的特征可与另一实施例一起使用，以产生另外的另一个实施例。因此，本发明意图包括处于所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改与变型。
参照附图，图1示出了水平轴风力涡轮机10的透视图。应当理解，风力涡轮机10可以是竖直轴风力涡轮机。在图示实施例中，风力涡轮机10包括塔架12、安装到塔架12上的机舱14以及联接到机舱14的转子轮毂18。塔架12可由管状钢或其它合适材料制成。转子轮毂18包括转子叶片16，转子叶片16联接到轮毂18并从其沿径向向外延伸。如图所示，转子轮毂18包括三个转子叶片16。然而，在一个备选实施例中，转子轮毂18可包括不止三个或不到三个转子叶片16。
转子叶片16可大体具有使风力涡轮机10能够按照设计标准工作的任何合适的长度。例如，转子叶片16可具有从大约15米(m)至大约91m的范围中的长度。然而，叶片长度的其它非限制性示例可包括10m或更小、20m、37m或大于91m的长度。转子叶片16旋转转子轮毂18，以使得动能能够从风转化为可用的机械能，并随后转化为电能。特别地，轮毂18可以可旋转地联接到发电机(未示出)，发电机设置在机舱14内以用于产生电能。
总体上参照图2至图5，提供了风力涡轮机转子叶片16，其具有根部30、顶端32、压力侧34和吸力侧36。压力侧34和吸力侧36在根部30和顶端32之间延伸，并为叶片16限定内部腔体38。沿着压力侧34或吸力侧36中的任一个或两者构造有多个雷电接受器40。例如，在图中示出的实施例中，在压力侧34和吸力侧36中的各个上提供了多个雷电接受器40。在一个备选实施例中，雷电接受器40可仅提供于侧34，36之一上。在其中雷电接受器40被构造成在导通性电路内串联的实施例中，如图2和图3中所示，各个接受器40被独特地构造成用限定导通性电路的线或其它导电构件串联，如下文更详细地描述。
雷电接受器40可在本发明的范围内以不同的方式构造，并且包括任何金属或金属化部件(即金属筛网、金属杆或顶端等)，这些部件安装在叶片的压力侧34或吸力侧36上，以用于将雷击传导至大地的目的。
参照图2，提供了至少一个导通性电路42。该电路在图中显示为在叶片16的内部腔体38内。在其它实施例中，电路可由嵌入叶片内或在叶片16外部(例如沿着叶片16的外表面)的部件限定。
雷电接受器40被串联地设置在相应的导通性电路42内，使得由电路42限定的电气导通路径通过包含在导通性电路42内的各个雷电接受器40。例如，参照图2，雷电接受器40全部构造在单个导通性电路42内。接受器40用具有合适的尺寸和规格的多个导线(或其它导电构件)41通过菊花链方式连接在一起，以便从电路的端子端部44对电路42内的所有接受器40进行导通性检查。应当理解，导电构件41也可将叶片结构的任何构造包括在电路内，例如碳梁帽、后锯齿(trailing serration)、前缘保护件、整流罩等。众所周知，通路表(或其它导通性检查装置)连接到端子44，并且电路42被供以电流。对返回电流的测量表明电路42内的元件的导通性。从而验证了电路42内的各个雷电接受器40的导通性。如果雷电接受器40中的任一个被损坏或存在故障，从而在电路42内限定了断路(“开路”)，则导通性电路检查将失败(表明开路)，这向维护技师表明特定的叶片16内的雷电接受器40中的至少一个有故障，并且需要修理或更换。
图3的实施例类似于图2的实施例，不同的是，串联连接雷电接受器40的导电构件41具有适于限定导电支路48的规格，该导电支路用于将接受器40中的任一个上的雷击通过导电端子45与风力涡轮机接地系统的连接传输至大地，如下文进一步描述的。导电支路48在图3中用将雷电接受器40互连的较重的线来强调。导通性电路42的返回支路46用较轻的虚线来强调，并且通常不适合作为雷电导体。然而，如上文讨论的，导电支路48也适于对串联地构造的雷电接受器40进行导通性检查。
在本发明的范围和精神内，串联连接的雷电接受器40可以不同的方式构造。在图2和图3的实施例中，各个接受器40具有双柱构造，如图5的实施例那样。参照图5，接受器40包括安装在压力侧34或吸力侧36的裸露表面上的接受器板50。构造在板50的下侧上的导线柱52延伸穿过压力侧34或吸力侧36内的孔(未示出)，并进入叶片16的内部腔体38。第一导体55(导线或电缆，取决于导体55是否也为雷电传导支路的一部分)附连到柱52中的第一个上。第二导线/电缆57附连到另一个柱52。柱52可为带螺纹构件，并且螺母54可便利地用来将导线/电缆55、57的端子端部牢固地附连到其相应的柱52，如图5中所示。
从图5可以知道，为了对雷电接受器40进行导通性检查，电流从第一导线/电缆55经接受器40(具体为板50)流至相对的柱和相连的导线/电缆57。电流从电缆/导线57流至串联的下一个雷电接受器40。在电路42内产生开路的雷电接受器40的断路或其它故障将导致电路检查失败。图2和图3的实施例将各个雷电接受器40描绘为图5的双柱构造。
图4示出了雷电接受器40的一个备选实施例，其中单个柱56从接受器板50的下侧延伸。第一55和第二57导线/电缆用螺母54固定到柱56。绝缘介电材料58(例如介电垫圈)将导线/电缆55、57的端子端部隔开，以防止导线/电缆短路和将接受器40从导通性电路中排除。在一个备选实施例中，端子端部仅仅在柱56上例如通过螺母间隔开，并且无需介电材料。在这种单柱56构造中，导线柱56用来将电流从导线/电缆中的一个传输至另一个导线/电缆55、57。
如图2和图3的实施例中所描绘，各个叶片16可包括单个导通性电路42，其中各个雷电接受器40被构造成串联在单个电路42内。在例如图9中所描绘的备选实施例中，叶片16包括多个导通性电路42，其中各个雷电接受器40被构造在相应的电路42其中之一内。例如，参照图9，安装在叶片16的压力侧34上的雷电接受器40被包含在第一导通性电路42内，而安装在吸力侧36上的雷电接受器40被构造成串联在第二导通性电路42内。在各个电路42内串联连接接受器40的那部分电路42也被构造为导电支路48。各个电路42包括端子44和45，其中端子45连接到风力涡轮机的接地系统，如上文所讨论。
在如图10中描绘的另外的另一个实施例中，叶片16可具有共用公共返回支路46的多个导通性电路42。仅通过在进行相应的检查时在端子45之间切换，就可用公共返回支路46进行导通性检查。
参照作为示例的图6和图7，本发明还包括这样的叶片16：其中整个导通性电路42由也适于将雷击传导至涡轮机的接地系统的导电构件限定。例如，参照图6，串联地互连接受器40的单个导通性电路42也限定具有端子端部62的环状雷电传导电路60。各个端子端部62可连接到风力涡轮机的接地系统，并且也可用于进行导通性检查，如上文所讨论。换句话讲，导通性电路42和环状雷电传导电路60由包括接受器40的相同的导电构件限定。
图7类似于以上讨论的图10的实施例，其中多个导通性电路42共用公共返回支路46。在图7的实施例中，公共返回支路由雷电传导支路64限定。因此，各个导通性电路42也限定具有多个端子端部62的雷电传导电路60。端部62也充当导通性电路42的端子端部。
如多个图中示出的，端子端部44、45、62(不论是意图用于导通性电路42或雷电传导电路60，还是用于两者)延伸穿过叶片根部部分30，用于进入安装有单独的相应的涡轮机叶片16的转子轮毂18内。这样，维护技师可达到对转子轮毂18内的相应的端子端部的接近，以用于从转子轮毂内部对相应的电路42进行导通性检查。
应当理解，本发明还包括这样的风力涡轮机叶片，其包括被构造在叶片16的内部腔体38内的至少一个环状雷电传导电路60，其中雷电接受器40被构造成与相应的雷电传导电路60连通(且未必在电路60内串联)。参照图6至图8，各个雷电传导电路60包括连接到风力涡轮机的雷电接地系统的端子端部62，如下文关于图12更详细讨论的。因此，环状雷电传导电路60为各个单独的接受器40提供了用于将雷击传导至大地的冗余的接地路径。参照作为示例的图6，可容易地理解，在相应的雷电接受器40之间的雷电传导电路60的任一个区段中的断路或“开路”不会导致接受器40中的任一个被隔离。通过电路60的备选环路部分为接受器40建立备选的接地路径。例如，参照图6，在图中所示的电路60的一部分中的断路80不会使任一个雷电接受器40无效。断路80左侧的压力侧34上的接受器40仍然通过上端子端部62与涡轮机的接地系统连通。断路80右侧的接受器40与下端子端部62电气导通，沿叶片的吸力侧36的所有接受器40也都如此。
应当理解，雷电传导电路60的任何部分可将已有的叶片结构包括在电路内，例如碳梁帽、后锯齿、前缘保护件、整流罩等。
参照图11，应当理解，在尤其针对叶片16内的雷电传导电路60的环状构造提出的本发明的实施例中，不要求接受器40被构造成串联在环路60内(如图6至图8的实施例中那样)。在图11的实施例中，雷电传导电路60由具有端子端部62的连续的环状导体限定在内部腔体38内。单独的雷电接受器40用分支连接器63连接成T-连接器构造，且因此不串联在电路60内。然而，应当理解，图11中描绘的电路60的构造不能用来独立地进行对接受器40的导通性检查，而如上文讨论的，这对于图6至图8的实施例而言则是可以的。
各个叶片16可包括单个雷电传导电路60(如图6中所示)或多个电路60(如图7和图8中所示)。在图7的实施例中，单独的电路60共用公共返回支路64，而在图8的实施例中，各个电路60具有单独的相应返回支路64。各个端子端部62(在图6至图8的所有实施例中)在转子轮毂18中单独地连接到风力涡轮机的接地系统。因此，各个环状雷电传导电路60在相应的环路60内为接受器40提供冗余的接地路径。
应当理解，本发明还包括具有采用本文所述任一个方面的叶片16的任何形式或构造的风力涡轮机10。例如，参照图12，风力涡轮机10包括至少一个涡轮机叶片16，该叶片具有沿着叶片16的任一侧或两侧构造的多个雷电接受器40。在图示实施例中，各个叶片16以类似的方式被构造。各个叶片16包括被构造在叶片的内部腔体内的至少一个环状雷电传导电路60，其中各个叶片的雷电接受器40被构造成与相应的雷电传导电路60连通。如上文讨论的，叶片16可包括多个电路60。相应的雷电传导电路60包括端子端部，该端子端部延伸穿过叶片16的根部部分，并且单独地连接到转子轮毂18内的接地系统。如本领域所熟知的，接地系统可以不同的方式构造。例如，接地系统可包括任何形式的风力涡轮机的机械或支撑结构(包括叶片轴承、机械台板、塔架结构等)，该结构限定经由接地电缆72从叶片16通过塔架12到达接地杆70的任何合适的接地导电路径68，或者其它合适的电气接地路径。
在如上文讨论的合乎需要的实施例中，单独的雷电接受器40被构造成串联在雷电传导电路60内，使得电路60也可充当用于验证单独的接受器40的导通性的导通性电路42。就这一点而言，可以在转子轮毂18内提供限定对端子引线62的任何形式的适当接近或开关能力的中继站66，由此，维护技师可接近相应的站以进行如上所述的导通性电路检查。在其它实施例中，一个或多个中继站66可在定期或连续监测或诊断程序中在多个电路42之间提供自动的电子开关。
该书面描述用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可获得专利保护的范围由权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。
Claims (12)
1.一种风力涡轮机转子叶片，包括：
根部、顶端以及在所述顶端和所述根部之间延伸的压力侧和吸力侧，所述压力侧和所述吸力侧限定内部腔体；
沿着所述压力侧或所述吸力侧中的任一个或两者而构造的多个雷电接受器；
至少一个环状雷电传导电路，所述雷电接受器被构造成与相应的所述雷电传导电路连通；并且，
所述雷电传导电路包括端子端部，所述端子端部延伸穿过所述根部，以便使各个所述端子端部与风力涡轮机内的接地系统相连；
其中，所述环状雷电传导电路为各个所述雷电接受器提供用于将雷击传导至大地的冗余路径。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，包括多个所述环状雷电传导电路，各个所述雷电传导电路包括多个所述雷电接受器。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述环状雷电传导电路共用公共返回支路。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述端子端部被构造成用于连接到风力涡轮机的轮毂内的风力涡轮机接地系统。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述雷电接受器被构造成串联在所述环状雷电传导电路内。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述环状雷电传导电路为在所述环状雷电传导电路内的串联的所述雷电接受器限定导通性电路。
7.一种风力涡轮机，包括：
安装到转子轮毂上的多个涡轮机叶片，所述涡轮机叶片中的各个包括根部、顶端以及在所述顶端和所述根部之间延伸的压力侧和吸力侧；
所述涡轮机叶片中的至少一个还包括：
沿着所述压力侧或所述吸力侧中的任一个或两者而构造的多个雷电接受器；
至少一个环状雷电传导电路，所述雷电接受器被构造成与相应的所述雷电传导电路连通；并且，
所述雷电传导电路包括端子端部，所述端子端部延伸穿过所述根部并且各自分别连接到所述轮毂内的接地系统；
其中，所述环状雷电传导电路为各个所述雷电接受器提供用于将雷击传导至大地的冗余路径。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，包括多个在所述涡轮机叶片内的所述环状雷电传导电路，各个所述雷电传导电路包括多个所述雷电接受器。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其特征在于，所述环状雷电传导电路共用公共返回支路。
10.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，所述雷电接受器被构造成串联在所述环状雷电传导电路内。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其特征在于，所述环状雷电传导电路为在所述环状雷电传导电路内的串联的所述雷电接受器限定导通性电路。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其特征在于，各个所述涡轮机叶片根据权利要求11来构造，并且该风力涡轮机还包括在所述转子轮毂内的中继站，以用于对各个所述叶片内的所述雷电接受器进行定期或连续导通性检查。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120606 |