CN104791196B - 一种风力涡轮机叶片引雷防爆装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机叶片引雷防爆装置及其安装方法，包括主引雷系统与防爆系统，主引雷系统包括接闪器和主电缆系统，防爆系统包括爆破片和夹持器，所述风力涡轮机叶片引雷防爆装置构造成当叶片遭受雷击时，所述主引雷系统引导雷电流安全下泄，所述防爆系统辅助引导雷电流下泄,当所述主引雷系统中的主电缆系统出现异常无法正常引导雷电流且叶片内腔中的压力超过所述爆破片的爆破压力阈值时，所述爆破片不可再闭合地爆破，释放叶片内腔压力。本发明的风力涡轮机叶片引雷防爆装置，可以在加强引雷电流下泄的同时，有效地降低风力涡轮机叶片遭受雷击后破坏的风险，进而保证风力发电机组的安全。

Description

一种风力涡轮机叶片引雷防爆装置及其安装方法

技术领域

本发明公开的技术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的引雷防爆装置及其安装方法。

背景技术

随着风力发电机组的大型化发展，风力发电机组的整体高度高达130米以上，并且分散安装在旷野、山地等，风力发电机组极易遭受雷击。在风力发电机组运行过程中，风力涡轮机叶片的叶尖处于整个风力发电机的最高点，因此，风力涡轮机叶片是最易遭受雷击的部件。同时，风力涡轮机叶片的成本高昂，约占整个风力发电机组成本的三分之一，一旦发生雷击事故，不但会带来巨大的经济损失，同时也会引起风力发电机组其他零部件破坏的安全问题。

风力涡轮机叶片遭受雷击时，会在叶片内部形成电弧。当雷电流传递到复合材料层时，雷电释放出巨大的能量，使叶片结构的温度急剧升高，分解出复合材料层间的潮气，叶片内腔电弧加热潮气使其高温膨胀，所形成的压力冲击使叶片爆裂或者使叶片表面沿着前尾缘处撕裂损坏。

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。目前，风力涡轮机叶片的防雷装置，主要采取的方式是在叶尖安装接闪器捕捉雷电，再通过铺设在叶片内腔连接到叶片根部的引下线或者叶片内嵌的传导材料使雷电导入大地，约束雷电，保护叶片。被用来作为接闪器或引下线的金属导体或者叶片内嵌的传导材料，是由铝或铜制成金属线或者金属编织带。

例如，在一些已知的风力涡轮机叶片防雷装置中，在叶尖安装接闪器捕捉雷电，再通过铺设在叶片内腔连接到叶片根部的引下线或者叶片内嵌的传导材料使雷电导入大地，约束雷电，保护叶片。被用来作为接闪器或引下线的金属导体或者叶片内嵌的传导材料，是由铝或铜制成金属线或者金属编织带。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，直到该叶片被更换或修理。

发明内容

为克服现有技术的缺点和不足，本发明提出了一种风力涡轮机叶片引雷防爆装置及其安装方法，可以在加强引雷电流下泄的同时，有效地降低风力涡轮机叶片遭受雷击后破坏的风险，进而保证风力发电机组的安全。本发明提供的技术方案，不仅可以增强现有的防雷导电系统，而且可以从根本上避免叶片遭受雷击后的破坏，补充现有叶片防雷系统的不足。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案如下：一种风力涡轮机叶片引雷防爆装置，所述风力涡轮机叶片包括吸力面壳体和压力面壳体，所述吸力面壳体和压力面壳体之间限定叶片内腔，其特征在于，

所述风力涡轮机叶片引雷防爆装置包括主引雷系统与防爆系统，其中，

--所述主引雷系统包括接闪器和主电缆系统，所述接闪器设置在所述风力涡轮机叶片的叶尖部分，所述主电缆系统沿叶片长度延伸设置在叶片内腔中的，所述主电缆系统在叶尖部分与所述接闪器连接；

--所述防爆系统包括爆破片和夹持器，所述爆破片固定在所述夹持器上，所述爆破片由低电阻率的金属材料构成，所述夹持器安装在所述吸力面壳体和/或压力面壳体的内表面或外表面，所述夹持器与所述主电缆系统连接，

所述风力涡轮机叶片引雷防爆装置构造成当叶片遭受雷击时，所述主引雷系统引导雷电流安全下泄，所述防爆系统辅助引导雷电流下泄，当所述主引雷系统中的主电缆系统出现异常无法正常引导雷电流且叶片内腔中的压力超过所述爆破片的爆破压力阈值时，所述爆破片不可再闭合地爆破，释放叶片内腔压力。

优选地，所述夹持器通过接线端子、叶身引下线与所述主电缆系统连接。

优选地，所述爆破片为低电阻率铝或铜。

优选地，所述爆破片型式为平板型、正拱形或反拱形。

优选地，所述爆破片为两层以上结构的复合爆破片，其中一层爆破片通过孔或缝隙的构造来降低爆破片承受的压力从而起到控制爆破压力的作用。

优选地，所述防爆系统沿着叶片长度方向安装在叶尖部位、叶根部位或人孔盖板。

优选地，所述风力涡轮机叶片上安装多套防爆系统，且各爆破片装置的泄压等级、爆破片形式和安装形式相同或不同。

优选地，所述的夹持器包括随形法兰、定位法兰和连接件，其中，所述连接件由预埋吸注在叶片吸力面/或压力面壳体中的螺栓套、连接螺栓和螺母组成。

优选地，所述防爆系统采用结构胶粘结在叶片内腔或者外表面。

优选地，所述防爆系统安装在叶片壳体的内表面或外表面。当其布置于壳体内表面时，会在叶片表面形成凹槽，由于凹槽的出现延迟流过截面翼型的气流分离，推迟转捩，降低翼型的阻力，提高其升阻比，从而提高了叶片在较大攻角运行时的气动性能；当所述防爆系统位于叶片外表面时，会在叶片表面形成凸起，由于靠近叶根部位，翼型性能的变化对风力涡轮机叶片气动性能的影响很小。

优选地，对于安装在叶片壳体内表面的防爆系统，在风力涡轮机叶片制造过程中，首先在模具型腔内铺设外蒙皮；其次在需要安装爆破片装置的区域预埋螺栓套，并铺设螺栓套周边的芯材及叶片内蒙皮；再次，安装螺杆及随形法兰，固定螺栓套，最后铺设真空辅材，进行叶片真空吸注及固化；在完成叶片壳体的制作后，依次安装爆破片、定位法兰、螺母；通过其中一个连接螺栓，将该防爆系统与叶片主引雷系统相连接。

优选地，对于安装在叶片壳体外表面的防爆系统，在完成风力涡轮机叶片制作后，对需要安装防爆装置的部位打孔、切削，通过双头螺栓连接固定防爆系统，并通过其中一固定螺栓将该系统与叶片主引雷系统相连接。

本发明还提供了一种风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片包括上述任一项所限定的引雷防爆装置。

根据本发明的另一方面，还提供了一种风力涡轮机叶片引雷防爆装置的安装方法，其特征在于，所述风力涡轮机叶片引雷防爆装置包括主引雷系统与防爆系统，其中，

--所述主引雷系统包括接闪器和主电缆系统，所述接闪器设置在所述风力涡轮机叶片的叶尖部分，所述主电缆系统沿叶片长度延伸设置在叶片内腔中的，所述主电缆系统在叶尖部分与所述接闪器连接；

--所述防爆系统包括爆破片和夹持器，所述爆破片固定在所述夹持器上，所述爆破片由低电阻率的金属材料构成，所述夹持器安装在所述吸力面壳体和/或压力面壳体的内表面或外表面，所述夹持器与所述主电缆系统连接，

所述风力涡轮机叶片引雷防爆装置构造成当叶片遭受雷击时，所述主引雷系统引导雷电流安全下泄，所述防爆系统辅助引导雷电流下泄，当所述主引雷系统中的主电缆系统出现异常无法正常引导雷电流且叶片内腔中的压力超过所述爆破片的爆破压力阈值所述爆破片不可再闭合地爆破，释放叶片内腔压力。

本发明的风力涡轮机叶片引雷防爆装置，除了布置主引雷系统之外，在叶片壳体上安装防爆系统。当叶片遭受雷击时，主引雷系统引导雷电流安全下泄，所述防爆系统辅助引导雷电流下泄。当所述主引雷系统中的主电缆系统出现异常无法正常引导雷电流时，与风力涡轮机叶片主电缆系统相连的爆破片，在设定压力下爆破且不可再闭合从而在超过爆破压力时，泄放叶片内腔中的压力，保护整个叶片系统的安全。爆破片夹持器是爆破片装置中用来固定爆破片并确保其性能的部件。

本发明的风力涡轮机叶片引雷防爆装置及其安装方法与现有技术相比较有如下有益效果：在叶片运行过程中，遭受雷击后，防爆系统作为辅助接闪器，可以有效的引导电流下泄；当叶片主电缆系统出现异常，无法正常引导雷电流时，遭受雷击之后的叶片内腔压力会急剧增大，当叶片内腔压力达到设计的爆破压力时，爆破片瞬间爆破，释放叶片内腔压力，保证叶片其他部位不会受到破坏。该爆破片在遭受雷击破坏后，可替换修复，以备下次泄压使用。本发明的引雷防爆装置，可以在加强引雷电流下泄的同时，有效地降低风力涡轮机叶片遭受雷击后破坏的风险，进而保证风力发电机组的安全。本发明提供的技术方案，不仅可以增强现有的防雷导电系统，而且可以从根本上避免叶片遭受雷击后的破坏，补充现有叶片防雷系统的不足。

附图说明

图1为本发明的风力涡轮机叶片引雷防爆装置总体结构示意图；

图2为本发明的防爆系统的局部放大图；

图3为本发明的防爆系统在风力涡轮机叶片内表面安装的示意图；

图4为本发明的防爆系统在风力涡轮机叶片外表面安装的示意图；

图5为本发明的防爆片的结构示意图；

图6为本发明的防爆片的各种形式示意图，其中(a)为平板型爆破片，(b)为正拱型爆破片，(c)为反拱型爆破片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并列举实施例子，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明的风力涡轮机叶片引雷防爆装置，风力涡轮机叶片100包括吸力面壳体和压力面壳体，吸力面壳体和压力面壳体之间限定叶片内腔，风力涡轮机叶片引雷防爆装置包括主引雷系统与防爆系统1，其中，主引雷系统包括接闪器21和主电缆系统22，接闪器21设置在风力涡轮机叶片100的叶尖部分，主电缆系统22沿叶片长度延伸设置在叶片内腔中的，主电缆系统22在叶尖部分与接闪器21连接；防爆系统1包括爆破片11和夹持器12，爆破片11固定在夹持器12上，爆破片11由低电阻率的金属材料构成，夹持器12安装在吸力面壳体和/或压力面壳体的内表面或外表面，夹持器12与主电缆系22统连接。

风力涡轮机叶片引雷防爆装置构造成当叶片遭受雷击时，主引雷系统引导雷电流安全下泄，当主引雷系统中的主电缆系统出现异常无法正常引导雷电流且叶片内腔中的压力超过爆破片的爆破压力阈值时，爆破片不可再闭合地爆破，释放叶片内腔压力。

参见图2，本发明中，防爆系统中的夹持器12通过接线端子31、叶身引下线32、线卡子33与主电缆系统22连接。

爆破片11为低电阻率铝或铜。优选地，爆破片型式为平板型、正拱形或反拱形。爆破片11优选为两层以上结构的复合爆破片，其中一层爆破片通过孔或缝隙的构造来降低爆破片承受的压力从而起到控制爆破压力的作用。防爆系统1优选地沿着叶片长度方向安装在叶尖部位、叶根部位或人孔盖板。风力涡轮机叶片上优选地安装多套防爆系统1，且各爆破片11装置的泄压等级、爆破片形式和安装形式相同或不同。

如图5所示，夹持器12优选地包括随形法兰106、定位法兰107和连接件，其中，连接件由预埋吸注在叶片吸力面/或压力面壳体中的螺栓套105、连接螺栓104和螺母组成。

本发明的防爆系统可以采用结构胶粘结在叶片内腔或者外表面。

本发明的防爆系统也可以在安装在叶片壳体的内表面(如图3所示)或外表面(如图4所示)。如图3所示，当防爆系统布置于壳体内表面时，会在叶片表面形成凹槽，由于凹槽的出现延迟流过截面翼型的气流分离，推迟转捩，降低翼型的阻力，提高其升阻比，从而提高了叶片在较大攻角运行时的气动性能；当防爆系统位于叶片外表面时，会在叶片表面形成凸起，由于靠近叶根部位，翼型性能的变化对风力涡轮机叶片气动性能的影响很小。

如图4所示，对于安装在叶片壳体内表面的防爆系统，在风力涡轮机叶片制造过程中，如图5所示，首先在模具型腔内铺设外蒙皮101；其次在需要安装爆破片11装置的区域预埋螺栓套105，并铺设螺栓套105周边的芯材102及叶片内蒙皮103；再次，安装螺杆104及随形法兰106，固定螺栓套105，最后铺设真空辅材，进行叶片真空吸注及固化；在完成叶片壳体的制作后，依次安装爆破片11、定位法兰107、螺母；通过其中一个连接螺栓，将该防爆系统与叶片主引雷系统相连接。

对于安装在叶片壳体外表面的防爆系统，在完成风力涡轮机叶片制作后，对需要安装防爆装置的部位打孔、切削，通过双头螺栓连接固定防爆系统，并通过其中一固定螺栓将该系统与叶片主引雷系统相连接。

图6为本发明的防爆片的各种形式示意图，其中(a)为平板型爆破片，(b)为正拱型爆破片，(c)为反拱型爆破片。

以上详细地描述了风力涡轮机叶片引雷防爆装置及其安装方法的示例性实施例。这些方法和装置并不限于本文的具体实施例，相反，这些方法和装置的构件可独立于且与本文的其它构件分开使用。例如，此类引雷防爆装置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 (13)

1.一种风力涡轮机叶片引雷防爆装置，所述风力涡轮机叶片包括吸力面壳体和压力面壳体，所述吸力面壳体和压力面壳体之间限定叶片内腔，其特征在于，

所述风力涡轮机叶片引雷防爆装置包括主引雷系统与防爆系统，其中，

--所述主引雷系统包括接闪器和主电缆系统，所述接闪器设置在所述风力涡轮机叶片的叶尖部分，所述主电缆系统沿叶片长度方向延伸设置在叶片内腔中，所述主电缆系统在叶尖部分与所述接闪器连接；

--所述防爆系统包括爆破片和夹持器，所述爆破片固定在所述夹持器上，所述爆破片由低电阻率的金属材料构成，所述爆破片为两层以上结构的复合爆破片，其中一层爆破片通过孔或缝隙的构造来降低爆破片承受的压力从而起到控制爆破压力的作用；所述夹持器安装在所述吸力面壳体和/或压力面壳体的内表面或外表面，所述夹持器与所述主电缆系统连接，

所述风力涡轮机叶片引雷防爆装置构造成当叶片遭受雷击时，所述主引雷系统引导雷电流安全下泄，所述防爆系统辅助引导雷电流下泄，当所述主引雷系统中的主电缆系统出现异常无法正常引导雷电流且叶片内腔中的压力超过所述爆破片的爆破压力阈值时，所述爆破片不可再闭合地爆破，释放叶片内腔压力。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片引雷防爆装置，其特征在于，所述夹持器通过接线端子、叶身引下线与所述主电缆系统连接。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片引雷防爆装置，其特征在于，所述爆破片为低电阻率铝或铜。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片引雷防爆装置，其特征在于，所述爆破片型式为平板型、正拱形或反拱形。

5.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片引雷防爆装置，其特征在于，所述防爆系统沿着叶片长度方向安装在叶尖部位、叶根部位或人孔盖板。

6.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片引雷防爆装置，其特征在于，所述风力涡轮机叶片上安装多套防爆系统，且各爆破片的泄压等级、爆破片形式和安装形式相同或不同。

7.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片引雷防爆装置，其特征在于，所述的夹持器包括随形法兰、定位法兰和连接件，其中，所述连接件由预埋吸注在叶片吸力面壳体和/或压力面壳体中的螺栓套、连接螺栓和螺母组成。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片引雷防爆装置，其特征在于，所述防爆系统采用结构胶粘结在叶片内腔或者叶片外表面。

9.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片引雷防爆装置，其特征在于，所述防爆系统安装在叶片壳体的内表面或外表面。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机叶片引雷防爆装置，其特征在于，对于安装在叶片壳体内表面的防爆系统，在风力涡轮机叶片制造过程中，首先在模具型腔内铺设外蒙皮；其次在需要安装爆破片的区域预埋螺栓套，并铺设螺栓套周边的芯材及叶片内蒙皮；再次，安装螺杆及随形法兰，固定螺栓套，最后铺设真空辅材，进行叶片真空吸注及固化；在完成叶片壳体的制作后，依次安装爆破片、定位法兰、螺母，通过一个连接螺栓，将该防爆系统与叶片主引雷系统相连接。

11.根据权利要求9所述的风力涡轮机叶片引雷防爆装置，其特征在于，对于安装在叶片壳体外表面的防爆系统，在完成风力涡轮机叶片制作后，对需要安装防爆系统的部位打孔、切削，通过双头螺栓连接固定防爆系统，并通过其中一固定螺栓将该系统与叶片主引雷系统相连接。

12.一种风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片包括上述任一项权利要求所限定的引雷防爆装置。

13.一种风力涡轮机叶片引雷防爆装置的安装方法，其特征在于，所述风力涡轮机叶片引雷防爆装置包括主引雷系统与防爆系统，其中，

--所述主引雷系统包括接闪器和主电缆系统，所述接闪器设置在所述风力涡轮机叶片的叶尖部分，所述主电缆系统沿叶片长度方向延伸设置在叶片内腔中，所述主电缆系统在叶尖部分与所述接闪器连接；

--所述防爆系统包括爆破片和夹持器，所述爆破片固定在所述夹持器上，所述爆破片由低电阻率的金属材料构成，所述爆破片为两层以上结构的复合爆破片，其中一层爆破片通过孔或缝隙的构造来降低爆破片承受的压力从而起到控制爆破压力的作用；所述夹持器安装在所述吸力面壳体和/或压力面壳体的内表面或外表面，所述夹持器与所述主电缆系统连接，

所述风力涡轮机叶片引雷防爆装置构造成当叶片遭受雷击时，所述主引雷系统引导雷电流安全下泄，所述防爆系统辅助引导雷电流下泄，当所述主引雷系统中的主电缆系统出现异常无法正常引导雷电流且叶片内腔中的压力超过所述爆破片的爆破压力阈值所述爆破片不可再闭合地爆破，释放叶片内腔压力。