CN107035628A - 包括装配有雷达吸收材料的防雷系统的风力涡轮机叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供具有RAM和防雷系统的风力涡轮机叶片(10)，其设置为确保防雷系统的性能和RAM的完整性。该防雷保护系统包括位于尖端区域(12)的雷电接收器(21、21’、21”)和位于风力涡轮机叶片(10)内侧的用于将雷电电流驱逐到地面的一个或两个下导体(23、23’)。RAM覆盖除了该尖端区域(12)之外的整个风力涡轮机叶片(10)，并且包括至少功能层和通过辅助电缆(29、29’)连接至一个或两个下导体(23、23’)的反射层(33)。
Description
技术领域
将雷达吸收材料(Radar Absorbing Material，RAM)包含在风力涡轮机的复合叶片中可以减小其雷达反射率，使得它们不会干扰雷达系统，诸如已知的空中交通管制系统、气象雷达系统或航海雷达系统。
背景技术
WO2010/122350 A1描述了一种合成浸渍(prepreg)材料，其包括第一层和第二层，浸渍有基体材料(matrix material)(诸如，主要用于风力涡轮机叶片的树脂)。第一层是RAM的功能层，第二层是包括用于促进合成浸渍材料结合到凝胶层的主要(keying)媒介的主要层(keying layer)。
US 2012/0207612 A1公开了一种包括多层复合结构的风力涡轮机叶片，该多层复合结构包括第一反射层和具有多个阻性电路模拟(circuit analogue，CA)元件的第二层。CA元件被调谐，以与第一层相互作用，从而在所需频率范围上吸收电磁(electromagnetic，EM)能量。可以改变CA元件的参数，以提供频率调谐并且不管层间隔的变化，都在特定频率范围保持吸收，同时确保CA层的机械特性适合集成到涡轮机叶片中。
WO 2015/061670 A1公开了一种合适的用于风力涡轮机的复合叠层材料，用于将S波段或X波段中的电磁辐射反射衰减至高达-20dB。该复合叠层材料尤其包括具有印刷电路的一个或多个功能层，用于吸收入射到复合叠层和导电层上的电磁辐射。
以上所述专利申请都没有提及RAM和防雷之间的关系。
US 2014/0118177 A1公开了一种风力涡轮机叶片，其中RAM包括接地平面，该接地平面在具有频率为1GHz及以上的电场中比在具有频率为10Ghz及以下的电场中的导电率和/或介电常数高。该接地平面可被调谐为在雷达频率上具有高反射率，并且在雷电放电频率上性能良好。
发明内容
本发明提供具有RAM和防雷系统的风力涡轮机叶片，它们被设置为确保防雷系统的性能和RAM的完整性。该防雷保护系统包括位于尖端区域(该尖端区域位于叶片末端和长度范围在叶片长度的80-90％之间的半径R处的截面之间)的雷电接收器(lightningreceptors)和位于风力涡轮机叶片内部的用于将雷电电流驱逐到地面的一个或两个下导体截面。RAM覆盖除了该尖端区域之外的整个风力涡轮机叶片，并且包括位于风力涡轮机叶片的每个外壳的叠层中的至少功能层和反射层。该反射层通过辅助电缆连接至在半径R1、R2处的截面中的上述一个或两个下导体，该半径R1、R2的长度范围分别在所述叶片长度的0-20％和80-90％之间。
在实施例中，移除了两对辅助电缆之间的下导体的部分。
在实施例中，风力涡轮机叶片还包括由碳纤维复合材料制成的罩，不论罩位于外壳内部区域还是叶片横梁中，罩都连接至辅助电缆。如果风力涡轮机叶片包括由玻璃纤维复合材料制成的罩，则罩不连接至辅助电缆。
有利地，反射层是由以下材料中的一种制成的金属网，该材料包括：铜、黄铜、铝、钢、不锈钢。
有利地，反射层和由碳纤维复合材料制成的罩包括嵌入在风力涡轮机叶片的外壳的复合叠层中的第一端子和第二端子(诸如，金属托架)，以便将其连接至辅助电缆。
在第一实施例中，外壳的叠层的外层是功能层。
在第二实施例中，外壳的叠层包括嵌入玻璃纤维复合材料层中的至少功能层和反射层。
在第三实施例中，外壳的叠层包括嵌入玻璃纤维复合材料层中的两个功能层和反射层。
从结合附图对绘示的实施例的目的进行的以下详细描述中，本发明的其他特征和优点将变得清楚。
附图说明
图1a、图1b和图1c是具有雷达吸收材料的风力涡轮机叶片外壳的复合叠层的三个实施例的示意截面图。
图2a和图2b是具有包括雷达吸收材料的复合材料的外壳和根据本发明的防雷系统的风力涡轮机叶片的示意平面图和截面图。
图3a、图3b、图3c和图3d是绘示了本发明的四个实施例中的风力涡轮机叶片的雷达吸波材料的防雷系统的示意图。
图4a-4b和图5a-5b是风力涡轮机叶片的示意图和截面图，其绘示了雷达吸收材料的雷电保护系统的实施例，该风力涡轮机叶片包括由碳纤维复合材料制成的罩。
具体实施方式
如在背景技术中提到的，由复合材料层形成的风力涡轮机叶片的外壳的叠层可以并入具有特定电阻率特性的一个或多个功能层以及导电反射层作为雷达吸收材料(RAM)，以避免它们反射从雷达系统入射的电磁辐射。
复合层由具有高机械属性的树脂材料和纤维制成，它们在固化之后形成相互附接的硬薄板，从而提供所需的机械强度(硬度、抗张强度等)。该复合层可以包括玻璃纤维或碳纤维布和环氧树脂或聚合树脂。它们还可以包括其他纤维，诸如，芳纶纤维、玄武岩纤维或硼纤维以及聚合树脂，诸如，聚酯或乙烯基酯。
在背景技术中提及的专利文件描述了针对功能层和反射层的各个替换。例如，WO2015/061670公开了由玻璃纤维以及导电墨(基于碳素的)制成的功能层和可以是由铝、铜或碳纤维制成的薄板、网状物或薄片的反射层。
关于在根据本发明的风力涡轮机叶片外壳的叠层中提及的层的设置，尤其包括如下，该叠层具有作为该叠层的外层的功能层31，以及嵌在复合材料层30(优选地，玻璃纤维)之间的反射层33(参见图1a)；该叠层具有嵌在复合材料层30(优选地，玻璃纤维)之间的功能层31和反射层33(参见图1b)；该叠层具有嵌在复合材料层30(优选地，玻璃纤维之间的两个功能层31、31’和反射层33(参见图1c)。
风力涡轮机外壳的叠层还可以包括由合适材料制成的涂层(图中没有示出)，以保护其不受由诸如风和雨等大气制剂引起的腐蚀以及其他损坏。
为了使RAM免受可能由雷电引起的损坏，本发明提出，首先，将并入RAM的风力涡轮机叶片10的第一部分11与在尖端区域包括雷电接收器21、21’、21”的第二部分12清楚地分隔开，该尖端区域从半径R延伸直到叶片的末端，该半径R的长度在风力涡轮机叶片长度的80％-90％的之间。其次，将反射层33(嵌入在外壳13、15的复合叠层中)连接至风力涡轮机叶片10的防雷系统的下导体23(或者接合到叶片的翼梁14、16的两个下导体23、23’)，下导体通过使外壳13、15的反射层33与下导体23等电势的辅助电缆29、29’将雷电接收器21、21’、21”接收的电流驱赶到地面(参见图2a、2b)。
不将外壳13、15的功能层31、31’连接至下导体23或者下导体23、23’，这是由于它们具有由金属材料的非常低的部分，因此其受到任何雷电电流损坏的风险很小。在很多实施例中，功能层31、31’包括没有在它们之间连接的金属元件，因此它们不是导电层。
本发明适于具有由任何导电材料制成的反射层33的风力涡轮机叶片10，尤其适用于具有由铜、黄铜、铝、钢或不锈钢制成的金属网作为反射层33的风力涡轮机叶片10。反射层33和功能层31或31’之间的距离可以在0.3-40mm之间。
在图3a绘示的实施例中，外壳13和15的反射层33通过在半径R1、R2处的截面中的两对辅助电缆29、29’连接到尖端区域中的下导体23的第一区域24’，以及通过第二对辅助电缆29、29’连接至第二区域24”从而连接至其接地连接，其中该半径R1、R2的长度分别在叶片的长度的0-20％和80-90％之间。
在图3b绘示的实施例中，外壳13和15的反射层33通过在半径R1、R2处的截面中的两对辅助电缆29、29’与下导体23等电势，该半径R1、R2的长度分别在叶片的长度的0-20％和80-90％之间。
在图3c绘示的实施例中，外壳13和15的反射层33通过在半径R1、R2处的截面中的两对辅助电缆29、29’以及在半径R1和R2之间的中间半径处的截面中的两对附加辅助电缆29、29’与下导体23等电势，该半径R1、R2的长度分别在叶片的长度的0-20％和80-90％之间。
在图3d绘示的实施例中，外壳13和15的反射层33通过在半径R1、R2处的截面中的两对辅助电缆29、29’与两个下导体23、23’等电势，该半径R1、R2的长度分别在叶片的长度的0-20％和80-90％之间。
在图4a和图4b绘示的实施例中，外壳13和15在它们的内部区域还包括由碳纤维复合材料制成的罩19，如同反射层33，它们通过在半径R1、R2处的截面中的两对辅助电缆29、29’与下导体23等电势，该半径R1、R2的长度分别在叶片的长度的0-20％和80-90％之间。
在图5a-5b绘示的实施例中，外壳13和15在它们的内部区域还包括由碳纤维复合材料制成的罩19，如同反射层33，它们通过在半径R1、R2处的截面中的两对辅助电缆29、29’与下导体23、23’等电势，该半径R1、R2的长度分别在叶片的长度的0-20％和80-90％之间。
如在图3a-3c、图4a和图5a中绘示的，配置有端子37(通常为金属托架)的反射层33嵌入在外壳13、15的复合叠层中，以便于其与辅助电缆29、29’的连接。类似地，图4a、图5a中绘示的罩19配置有合适的端子39。
本发明的主要优点是确保风力涡轮机叶片10的防雷系统的性能，以及确保雷达吸收材料在遭受雷击之后的完整性，因此允许将风力涡轮机安装在靠近机场、气象雷达的位置和其他发射雷达的位置。
尽管已经结合不同实施例描述了本发明，但是将理解可以对说明书中的元件、变形和改进进行各种组合，并且它们在本发明的范围之内。
Claims (16)
1.一种风力涡轮机叶片(10)，包括防雷系统和由包括雷达吸收材料的复合材料制成的外壳(13、15)；所述防雷系统包括一个或多个雷电接收器(21、21’、21”)和位于所述风力涡轮机叶片(10)内部的用于将雷电电流驱逐到地面的一个或两个下导体(23、23’)；所述雷达吸收材料包括至少一功能层(31)和所述外壳(13、15)的叠层中的反射层(33)；其特征在于：
所述雷达吸收材料覆盖除了位于所述叶片的末端和半径R处的截面之间的尖端区域(12)之外的整个风力涡轮机叶片(10)，所述半径R的长度在所述叶片的长度的80-90％之间；
所述雷电接收器(21、21’、21”)位于所述尖端区域(12)；
每个外壳(12、15)的所述反射层(33)通过辅助电缆(29、29’)连接至位于半径R1、R2处的至少两个截面中的所述一个或两个下导体(23、23’)，所述半径R1、R2的长度范围分别在所述叶片的长度的0-20％和80-90％之间。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，每个外壳(13、15)的所述反射层(33)通过两对辅助电缆(29、29’)连接至一下导体(23)的两个区域(24’、24”)，第一区域(24’)位于所述叶片的尖端区域中直到它与第一对辅助电缆(29、29’)连接的位置，并且第二区域(24”)位于从它与第二对电缆(29、29’)连接的位置到接地连接的位置。
3.根据权利要求1-2任一项所述的风力涡轮机叶片(10)，还包括由碳纤维复合材料制成的也连接至所述辅助电缆(29、29’)的罩(19)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，所述罩(19)位于外壳(13、15)内部区域。
5.根据权利要求1-3任一项所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，所述罩(19)位于所述叶片横梁中。
6.根据权利要求1-5任一项所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，所述反射层(33)是由以下材料中的一种制成的金属网，所述材料包括：铜、黄铜、铝、钢、不锈钢。
7.根据权利要求1-5任一项所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，所述反射层(33)是碳纤维复合材料层。
8.根据权利要求1-7任一项所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，所述反射层(33)包括用于将其连接至所述辅助电缆(29、29’)的第一端子(37)。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，所述第一端子(37)是金属托架。
10.根据权利要求3-9任一项所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，所述罩(19)包括用于将其连接至所述辅助电缆(29、29’)的第二端子(39)。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，所述第二端子(39)是金属托架。
12.根据权利要求1-11任一项所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，所述外壳(13、15)的所述叠层的外层是功能层(31)。
13.根据权利要求1-11任一项所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，外壳(13、15)的所述叠层包括嵌入玻璃纤维复合材料层(30)中的至少一功能层(31)和反射层(33)。
14.根据权利要求1-11任一项所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，所述外壳(13、15)的所述叠层包括嵌入玻璃纤维复合材料层(30)中两个功能层(31、31’)和的反射层(33)。
15.根据权利要求12-14任一项所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，所述功能层(31、31’)和反射层(33)之间的距离在0.3-40mm之间。
16.根据前述任一项权利要求所述的风力涡轮机叶片(10)，其中，所述外壳(13、15)的所述叠层还包括保护涂层。
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