CN105829710B

CN105829710B - 具有火花隙的雷电电流传输系统及利用雷电电流传输系统的风轮机

Info

Publication number: CN105829710B
Application number: CN201480070136.8A
Authority: CN
Inventors: M·B·索加尔德; N·T·本特森; N·托尔斯特鲁普
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2019-01-01
Anticipated expiration: 2034-10-20
Also published as: CN105829710A; EP3060796A1; US20160281687A1; EP3060796B1; DK3060796T3; US10215163B2; WO2015058771A1

Abstract

本发明涉及一种适于在风轮机(W)中使用的雷电电流传输系统，所述风轮机具有能相对于机舱(50)旋转地被支撑的轮毂(40)以及与所述轮毂(20)连接的多个能变桨的叶片(20)。所述系统(100)包括：能安装至所述叶片(10)的根部的叶片箍(10)；以及能安装至所述机舱(50)的雷电环(30)。所述雷电环(30)与所述叶片箍(10)相对于彼此定位以在其间形成火花隙(SG)。

Description

具有火花隙的雷电电流传输系统及利用雷电电流传输系统的风轮机

技术领域

本发明涉及适于在风轮机中使用的雷电电流传输系统，所述风轮机具有相对于风轮机的机舱中的发电机被旋转地支撑的轮毂以及与轮毂连接的多个可变桨叶片。本发明还涉及这样一种风轮机，在该风轮机中实施所述雷电电流传输系统。

背景技术

风轮机因尺寸而易受雷击。风轮机的高度明显超过周围的树木及建筑物以便将风能有效地转换成电能。当雷击中风轮机的叶片的顶端时，电流经过引下线流向叶片轴承、轮毂、轮毂轴承、发电机轴、发电机以及塔架，到达地面。轴承与发电机因此高的电流值而受到高电压以及流经轴承与发电机的电流损害的风险高。因此，尽力通过在易受影响的区域周围提供具有较低阻抗的电流路径而避免叶片轴承、风轮发电机以及发电机轴轴承中的损害。

例如，JP05/060053A提出了一种避雷系统，该避雷系统借助集电环装置将雷闪能量从轮毂引导至机舱从而避开经过轴承与发电机的雷电放电路径。此集电环装置由盘组成，该盘安装在轮毂处并且与轮毂一起旋转。安装在机舱处的碳刷构建位于轮毂与机舱之间的导电路径。

然而，此解决方案的不利之处在于未考虑到在现代化的风轮机中，叶片可借助轴承变桨并且连接至轮毂以便允许叶片的桨距控制。这些轴承同样可能会被高电流损坏。

因此，已致力于提供叶片的根部与机舱之间的短的、低阻抗连接。

国际专利申请WO2005/050008A1中示出了对于此问题的解决方案，该国际专利申请公开了一种雷电电流传输单元，多种风轮机类型可共用此雷电电流传输单元。这些风轮机使用雷电电流传输单元(LCTU)，该雷电电流传输单元提供自叶片根部的叶片箍至机舱雷电环的雷电电流传输。图1与图2中示出了此解决方案。图1示出了具有机舱3的风轮机W，机舱3位于风轮机塔架4上，容纳发电机(未示出)。由轮毂2支撑的叶片1通过发电机轴与机舱3中的风轮机发电机连接。叶片1内设有呈粗电缆形式的叶片避雷系统5，该电缆将经过叶片的雷电功率引导至叶片1的根部。雷电电流从此处经过轮毂2、机舱3以及塔架4传输到地面G中。

图2示出了图1中的圈起部分I的更详细的视图。在图2中，附图标记1标示叶片，附图标记2标示轮毂，附图标记2A标示整流罩(轮毂的罩/壳)，附图标记3标示机舱，附图标记3A标示机舱的前板，并且附图标记6标示发电机轴，该发电机轴使轮毂2与机舱3中的发电机(未示出)连接。雷电电流传输单元包括叶片箍1A，该叶片箍安装在叶片1的根部并且与叶片避雷系统5的缆线连接。而且，LCTU包括雷电环3B，该雷电环安装在机舱前板3A处。与机舱3相比，轮毂2相对较小，从而叶片箍1A与雷电环3B定位成彼此面对。即，轮毂2的直径D1小于机舱3的直径D2，从而叶片箍1A能在机舱周界尺寸D2内旋转。此空间关系允许安置紧凑的连接装置7，该连接装置使叶片箍1A与雷电环3B电连接，叶片箍1A可绕叶片轴线9旋转并且雷电环3B相对于连接装置7绕轮毂轴线8旋转。轮毂2与连接装置7共同被称作整流罩2A的罩包绕。

图2中的连接装置7包括支架7D，两个玻璃纤维型材7B与7C的一端安装至该支架。在玻璃纤维型材7B与7C的另一端处分别安装接触元件7A与7F。缆线7E使接触元件7A与7F连接。必须注意的是，为了阐明之目的，图2A示出了接触元件7A/7F与叶片箍1A以及接触元件7A/7F与雷电环3B之间的小间隙。在操作中，这些接触件是滑动接触件。玻璃纤维型材7B与7C的弯曲力推动接触元件7A与7F抵靠叶片箍1A与雷电环3B，以致即便接触元件7F相对于雷电环3B绕轴线8旋转并且叶片箍1A相对于接触元件7A绕轴线9旋转也确保叶片1与机舱3之间的低阻抗连接。当雷击中叶片1时，雷电电流通过叶片避雷系统的缆线5被引导至叶片箍1A，经过接触元件7A、连接缆线7E、接触元件7F到达安装至机舱前板3A的雷电环3B，机舱前板3A借助缆线3D与地面G接触。

概括来说，WO2005/050008A1提出了一种雷电电流传输系统，该雷电电流传输系统利用滑动触点以便将来自变桨叶片的雷电电流通过旋转的轮毂传输到接地的机舱中。然而，滑动触点受到机械磨损。

因此，本发明的目的是提供这样一种雷电电流传输系统，该雷电电流传输系统避免由电气磨损与机械磨损引起的损害触点的问题并且同时确保从叶片到风轮机的机舱的限定的雷电电流路径。

发明内容

此目的由第一方面中主张的雷电电流传输系统实现。

更具体地说，此目的由适于这样的风轮机中使用的雷电电流传输系统实现，所述风轮机具有能相对于机舱旋转地被支撑的轮毂以及与轮毂连接的多个能变桨的叶片。所述系统包括：能安装至叶片的根部的叶片箍；以及能安装至机舱的雷电环。雷电环与叶片箍相对于彼此定位以在其间形成火花隙。

雷电电流传输系统的此构造使得在不利用触点的情况下得到从风轮机的可变桨叶片到机舱的限定的雷电电流路径，从而这些触点不会因机械磨损或者因高电流流动而受损。火花隙被设计成确保从叶片箍到雷电环的受控的飞弧。

设置在叶片箍处的边缘便于引发飞弧，该边缘借以形成在叶片箍处或者从叶片箍突出从而面对雷电环。借助此边缘，在雷电电流集中在该边缘处的情况下电场增强而激发该边缘处的空气的电离。

在一个实施方式中，叶片箍包括金属扁平箍，该金属扁平箍具有两个短边缘、弯曲的内边缘以及弯曲的外边缘，使得叶片箍的弯曲的外边缘能面对雷电环并且弯曲的内边缘能面对叶片。凭借此构造，叶片箍与雷电环之间的距离变小。而且，凭借叶片箍的此构造，叶片箍的小边缘面对雷电环以在雷电击中叶片的情况下增大叶片箍与雷电环之间的电场强度。这增大了下述的可能性：叶片箍与雷电环之间的飞弧在叶片箍与雷电环之间的距离最小处发生，使得更好地控制雷电电流传输路径。

在此发明的进一步实施方式中，叶片箍包括至少两个扁平箍片段，这些扁平箍片段在它们的其中一个短边缘处安装在一起。将叶片箍分成若干片段便于叶片箍的维护。例如，如果一部分叶片箍因从叶片箍到雷电环(机舱环)的飞弧而受损，那么仅需更换具有较低重量的部分叶片箍。

在一个实施方式中，叶片箍的弯曲的内边缘的轮廓适于遵从叶片的外圆周轮廓。因此，在叶片的根部具有圆形的截面形状的情况下，金属扁平箍可呈环形片段的形式。然而，用于叶片的其他截面形状是可行的，并且叶片箍的弯曲的内边缘的轮廓必须相应地调整。

在另一实施方式中，叶片箍的弯曲的外边缘的轮廓适于基本独立于叶片与轮毂相对于机舱的旋转位置而基本维持距雷电环的预定距离，从而形成火花隙。通常，弯曲的外边缘的轮廓具有反映叶片与轮毂的旋转特性的弧段的形状。然而，在叶片箍不与叶片旋转轴线共轴安装的情况下，叶片箍的外部轮廓可具有不同的形状并且可能不是圆形的。

在一个实施方式中，金属扁平箍可总共跨越90度至150度的角度范围。在两个或者更多个扁平箍片段的情况下，每个扁平箍片段可总共跨越45度至75度的角度范围。

在另一实施方式中，金属扁平箍的短边缘被弯折成从金属扁平箍的平面垂直突出，从而形成金属扁平箍的拐角的加强部。

在另一实施方式中，金属扁平箍的弯曲的内边缘设置有安装部，这些安装部从金属扁平箍的平面垂直突出，这些安装部适于将叶片箍固定至轮毂。叶片箍可包括至少三个安装部，其中每个外安装部均与相邻的加强部机械连接。这三个安装部确保叶片箍与叶片通过三点固定装置稳固连接。为了提高固定装置的稳定性，三个安装部中的每一者均设置有安装孔，其中外安装部中的安装孔与金属扁平箍的平面之间的距离不同于中间安装部中的安装孔与金属扁平箍的平面之间的距离。因此，可以实现呈三角形形式的三点固定装置，这进一步提高了从叶片表面突出的叶片箍的稳定性。而且，通过使金属扁平箍的拐角一起弯折并将它们栓接就位而使外安装部与相邻的加强部连接，这提高了叶片箍的稳定性并且使拐角更结实。

在一个实施方式中，加强部与安装部由金属扁平箍一体形成。在另一实施方式中，加强部元件、安装部以及金属扁平箍由一片金属形成。所述金属应当是导电的并且是机械稳定的。如果稳定性是优选的，那么钢或者不锈钢可用作金属板。在高导电性是优选的，可以使用铜、铝或者其合金。而且，这些金属的例如借助层压结构的组合能够实现高导电性与高稳定性的结合。为了实现高稳定性并且也为了确保雷电不使位于叶片箍的一部分的边缘中的大孔熔化，金属板可具有3mm至7mm的厚度，更优选4mm至5mm的厚度。

在本发明的另一方面中，提供一种风轮机，该风轮机包括能相对于机舱中的发电机旋转地被支撑的轮毂、与轮毂连接的多个能变桨的叶片以及如上所概述的用于将雷电电流从叶片传输至机舱的雷电电流传输系统。

附图说明

下文中，将借助附图更详细地解释本发明的实施方式、实施例、优势以及实施。注意：描述以及/或者示出的所有特征单独或者以任意组合实际上是本发明的主题。在附图中：

图1示意性示出了风轮机；

图2示出了根据本领域技术的状态的图1的区域I的放大图；

图3A示意性示出了根据本发明的雷电电流传输系统；

图3B示出了根据图3A的圈起区域A的雷电电流传输系统的放大图；以及

图4示出了根据本发明的叶片箍的示意性三维视图。

具体实施方式

本发明提供这样一种风轮机用的雷电电流传输系统，该雷电电流传输系统避免了会因飞弧以及机械磨损而使点电极受损的问题。

在下文中，附图中的相同的附图标记标示相同的技术特征，并且可在之前的附图说明中找到省略的特定的附图标记的说明。而且，附图中的尺寸与比例仅具有阐释性特征并不意图反映比例模型。

图3A示出了利用火花隙的雷电电流传输系统的概观。在图3A中，附图标记20标示叶片的根部，附图标记40标示轮毂，附图标记50标示机舱，附图标记30标示安装至机舱50的雷电环，并且附图标记10标示叶片箍。叶片箍10借助安装部11A与11C安装至叶片10。雷电环30经由缆线9接地。叶片箍10连接至缆线5，该缆线将雷电电流从叶片20的顶端引导至叶片箍10。轮毂40相对于机舱50以及雷电环30被旋转地支撑。包括轮毂40与叶片20的转子的旋转能例如直接(直接驱动)或者间接借助齿轮箱传输至机舱50内的发电机，齿轮箱可直接连接至轮毂40或者可介于轮毂40与发电机(未示出)之间的任一其它位置处。图3A示出了仅安装有一个叶片10的轮毂40。轮毂40处的大圆圈示出了在图3A中可见的叶片轴承，其上未安装有叶片。叶片箍10不直接接触雷电环30(机舱环)。叶片箍10与雷电环30布置成限定其间的间隙SG(火花隙)。火花隙SG具有这样的宽度，就进入叶片中的雷击以及叶片根部处关联的高电压(位于叶片避雷系统与轮毂处的电压电位之间的高电压)而言，该宽度使得叶片箍10与雷电环30之间限定的飞弧独立于轮毂40与叶片20的旋转位置。轮毂40相对于机舱50旋转。叶片20可绕叶片20的纵轴线相对于轮毂40旋转。然而，在大部分情况下，叶片20的旋转运动限于＜150度。就叶片20的该旋转运动而言，其被称为变桨。因此，叶片箍不完全围绕叶片20，而是适合于桨距范围。概括地说，本发明还涉及具有桨距控制的风轮机。

如果雷电击中叶片，那么雷电电流通过叶片20内的缆线5被引导至叶片箍10。雷电的高电压引起火花隙SG处的飞弧，从而形成叶片箍10与雷电环30之间的受控的低阻抗连接。因而，雷电电流被从叶片箍10引导至雷电环30，借助缆线9雷电电流从雷电环30被引导至地面。

图3B示出了图3A的圈起区域A的放大图。图3B示出了叶片20、机舱50、叶片箍10以及雷电环30的截面。雷电环30栓接至机舱50，并且叶片箍10借助安装部11A栓接至叶片20。图3B中雷电环30处的虚线表示截面中不可见的环结构。叶片箍10包括边缘10-1，该边缘在叶片箍10处形成或者从叶片箍10向外突出成面对雷电环30。该边缘可便于引发从叶片箍10至雷电环30的受控飞弧。叶片箍10可由具有安装部11A的金属扁平箍10-2实施，扁平箍10-1借助安装部11A安装至叶片20。金属扁平箍10-2的宽度L构造成桥接叶片20与雷电环30之间的距离从而形成在预定范围内(例如在10mm至50mm的范围内，或者更优选为20mm至30mm的范围内)具有确定间距的火花隙SG。通常，使用24mm的适中间距。在附图3B中，叶片箍10的安装元件被示成与金属扁平箍一体化形成以形成整合的支架以便提高机械稳定性。

图4示出了叶片箍10的更多细节。图4示出了呈两个片段10A与10B的形式的叶片箍。每段都由金属扁平箍实施，这些金属扁平箍具有弯曲的内边缘12、弯曲的外边缘13、短边缘14、安装部11A与11C以及加强部11B。弯曲的内边缘12应面对叶片并且适于遵从叶片的外轮廓。弯曲的外边缘13适于维持叶片箍10与雷电环30之间恒定的火花隙。通常，内边缘12的轮廓与外边缘13的轮廓是圆形形状，从而叶片箍10的每个片段10A与10B具有环形片段的形状。然而，取决于叶片的轮廓以及叶片箍与雷电环的几何布置的其他形状是可行的。例如，叶片的非圆形的截面或者叶片箍相对于叶片轴线的不共轴的布置可能需要叶片箍的弯曲边缘的非圆形的轮廓。而且，弯曲的外边缘13的轮廓也可以起皱或者带锯齿以便引入更锋利的边缘，使得如果雷电击中风轮机叶片那么允许局部增大面对雷电环的叶片箍边缘处的场强。从而，在限定位置处促成飞弧。

安装部11A与11C可由例如金属扁平箍处的突出部实施，这些突出部弯折而形成安装支架。每个安装部11A与11C均包括安装孔。优选的是，每个叶片箍片段包括三个安装部，即，两个外安装部11A以及一个中间安装部11C。在一些实施方式中，安装孔可以以两个相对于金属扁平箍的水平面的不同高度定位。金属扁平箍的短边缘14设置有加强部11B，该加强部可以通过弯折金属扁平箍的短边缘14而实施。如果外安装部11A与加强部11B如图4中所示一起弯折并且栓接就位，那么会实现进一步的加强。而且，加强部11B还可以用以例如借助螺栓将两个叶片箍片段10A与10B安装在一起。在一些实施方式中，叶片箍可以由4mm至5mm厚的钢板制成以确保雷电不使位于片段的边缘上的大孔熔化。而且，在一些实施方式中，叶片箍10由两个总共涵盖叶片上115度角的片段10A与10B制成。然而，取决于叶片的变桨范围的其他角度范围是可行的。通过使叶片箍分成两个或者更多个片段，叶片箍10的每部分/片段的重量可以减少至例如每个片段7.2kg重，从而便于维护。利用如上所述的叶片箍的另一优势在于安装至机舱的天沟以及前部的雷电环可用自现有风轮机的类型并且无需变动。

图3与图4中例示的叶片箍被构建成具有整合到其中的安装部的金属扁平箍。叶片箍也可以以包括弯曲边缘的L形轮廓或者包括弯曲边缘的U形轮廓的形式实施，L形轮廓与U形轮廓可安装至叶片使得弯曲边缘面对雷电环。

Claims

1.一种适于在风轮机(W)中使用的雷电电流传输系统，所述风轮机具有能相对于机舱(50)旋转地被支撑的轮毂(40)以及与所述轮毂(20)连接的多个能变桨的叶片(20)，所述雷电电流传输系统(100)包括：

能安装至所述叶片(10)的根部的叶片箍(10)；以及

能安装至所述机舱(50)的雷电环(30)；

其中所述雷电环(30)与所述叶片箍(10)相对于彼此定位以在其间形成火花隙(SG)，

其中，所述叶片箍(10)包括一边缘(10-1)，该边缘形成在所述叶片箍(10)处或者从所述叶片箍(10)突出并且面对所述雷电环(30)。

2.根据权利要求1所述的雷电电流传输系统，其中，所述边缘(10-1)构造成用于在发生雷击时在所述叶片箍(10)与所述雷电环(30)之间引发飞弧。

3.根据权利要求1或2所述的雷电电流传输系统，其中，所述叶片箍(10)包括金属扁平箍，该金属扁平箍具有两个短边缘(14)、弯曲的内边缘(12)以及弯曲的外边缘(13)，使得所述叶片箍(10)的所述弯曲的外边缘(13)能面对所述雷电环(30)并且所述弯曲的内边缘(12)能面对所述叶片(20)。

4.根据权利要求1所述的雷电电流传输系统，其中，所述叶片箍(10)包括至少两个扁平箍片段(10A、10B)，所述至少两个扁平箍片段(10A、10B)在它们的其中一个短边缘(14)处安装在一起。

5.根据权利要求3所述的雷电电流传输系统，其中，所述叶片箍(10)的所述弯曲的内边缘(12)的轮廓适于遵从所述叶片(20)的外圆周轮廓。

6.根据权利要求3所述的雷电电流传输系统，其中，所述叶片箍(10)的所述弯曲的外边缘(13)的轮廓适于基本独立于所述叶片(20)与所述轮毂(40)相对于所述机舱(50)的旋转位置而基本维持距所述雷电环(30)的预定距离，从而形成所述火花隙(SG)。

7.根据权利要求3所述的雷电电流传输系统，其中，所述金属扁平箍具有环段的形式。

8.根据权利要求3所述的雷电电流传输系统，其中，所述金属扁平箍总共跨越90度至150度的角度范围。

9.根据权利要求4所述的雷电电流传输系统，其中，每个扁平箍片段(10A、10B)总共跨越45度至75度的角度范围。

10.根据权利要求3所述的雷电电流传输系统，其中，所述金属扁平箍的所述短边缘(14)被弯折成从所述金属扁平箍的平面垂直突出，从而形成所述金属扁平箍的拐角处的加强元件(11B)。

11.根据权利要求3所述的雷电电流传输系统，其中，所述金属扁平箍的所述弯曲的内边缘(12)设置有安装部(11A、11C)，这些安装部从所述金属扁平箍的平面垂直突出，所述安装部(11A、11C)适于将所述叶片箍(10)固定至所述轮毂(20)。

12.根据权利要求11所述的雷电电流传输系统，其中，所述叶片箍(10)包括至少三个安装部(11A、11C)，其中每个外安装部(11A)均与相邻的加强部(11B)机械连接。

13.根据权利要求12所述的雷电电流传输系统，其中，所述至少三个安装部(11A、11C)中的每一者均设置有安装孔，其中外安装部(11A)中的安装孔与所述金属扁平箍的平面之间的距离不同于中间安装部(11C)中的安装孔与所述金属扁平箍的平面之间的距离。

14.根据权利要求12所述的雷电电流传输系统，其中，所述加强部(11B)与所述安装部(11A、11C)由所述金属扁平箍一体形成。

15.根据权利要求12所述的雷电电流传输系统，其中，所述加强部(11B)、安装部(11A)以及所述金属扁平箍由一片金属形成。

16.根据权利要求1所述的雷电电流传输系统，其中，所述叶片箍(10)由厚度为3mm至7mm的金属板制成。

17.根据权利要求1所述的雷电电流传输系统，其中，所述叶片箍(10)由厚度为4mm至5mm的金属板制成。

18.根据权利要求16或17所述的雷电电流传输系统，其中，所述金属是钢、铜、铝或者其合金。

19.根据权利要求16或17所述的雷电电流传输系统，其中，所述金属是不锈钢或者其合金。

20.一种风轮机(W)，该风轮机包括：

能相对于机舱(30)旋转地被支撑的轮毂(20)以及与所述轮毂连接的多个能变桨的叶片(10)；以及

根据前述权利要求中任一项所述的雷电电流传输系统，其中

所述叶片箍(10)安装至所述叶片(10)的根部；

所述雷电环(30)安装至所述机舱(50)；

其中所述雷电环(30)与所述叶片箍(10)相对于彼此定位以在其间形成火花隙(SG)。

21.根据权利要求20所述的风轮机(W)，其中，所述叶片箍(10)包括一边缘(10-1)，该边缘形成在所述叶片箍(10)处或者从所述叶片箍(10)突出并且面对所述雷电环(30)，所述边缘(10-1)构造成用于在发生雷击时在所述叶片箍(10)与所述雷电环(30)之间引发飞弧。

22.根据权利要求20所述的风轮机(W)，其中，所述叶片箍(10)包括金属扁平箍，该金属扁平箍具有两个短边缘(14)、弯曲的内边缘(12)以及弯曲的外边缘(13)，并且

所述叶片箍(10)安装在所述叶片(20)的根部处使得所述叶片箍(10)的所述弯曲的外边缘(13)面对所述雷电环(30)并且所述弯曲的内边缘(12)面对所述叶片(20)。