CN107076123A - 用于风力涡轮机叶片的防雷系统的全绝缘尖端单元和包含其的风力涡轮机叶片 - Google Patents

用于风力涡轮机叶片的防雷系统的全绝缘尖端单元和包含其的风力涡轮机叶片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于风力涡轮机叶片(2)的防雷系统的全绝缘尖端单元(1)，包括导电尖端(3)，其中尖端由外部部件(4)和内部部件(5)组成，至少一个侧接收器底座(6)、内部尖端单元导体(8)、形成引下线(10)的最外部的绝缘电缆(9)、以及在绝缘电缆与尖端单元的其它导电部件之间建立电连接的连接元件(12)，其中尖端的内部部件、侧接收器底座、内部尖端导体、连接元件和绝缘电缆的一端都铸造嵌入绝缘材料(13)中，仅留下尖端的外部部件以及绝缘电缆的另一端未被绝缘材料覆盖。此外，本发明还公开了一种包含这种尖端单元的风力涡轮机叶片。

Description

用于风力涡轮机叶片的防雷系统的全绝缘尖端单元和包含其 的风力涡轮机叶片
本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片的防雷系统的尖端单元，所述尖端单元包括共同嵌入到由电绝缘材料覆盖的同一单元中的尖端接收器和至少一个侧接收器。
背景技术
大多数已知的用于风力涡轮机叶片的防雷系统包括一个或多个内部安装的引下线和一些安装在叶片外表面上的雷电接收器。
这种系统的众所周知的问题是，雷击不仅在预定位置触接到风力涡轮机叶片，即在外部触接点上，就是所谓的雷电接收器，而且还可以直接通过叶片结构冲击防雷系统的内部导电部件。通常由于雷击释放的大量能量，这种事故可能对风力涡轮机叶片造成严重的结构性损坏。
另一个众所周知的问题是，防雷系统的外部雷电接收器可能被雷击所损坏，因此，这种接收器的寿命有限，取决于它们受到雷击的次数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于风力涡轮机叶片的防雷系统的尖端方案，其克服了本领域已知方案的至少部分上述缺点。
本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片的防雷系统的全绝缘尖端单元，所述尖端单元包括用于风力涡轮机叶片的导电尖端，所述尖端由外部部件和内部部件组成，外部部件形成尖端接收器，至少一个侧接收器底座由导电材料制成以用于设置在叶片的外表面上的一个或多个侧接收器的机械安装，使得电连接在各自的侧接收器和侧接收器底座之间形成；内部尖端单元导体，用于在尖端接收器的内部部件和侧接收器底座之间形成电连接；绝缘电缆，用于形成在风力涡轮机叶片内部纵向从所述至少一个侧接收器底座向叶片根端延伸的引下线的最外部分；以及连接元件，用于在绝缘电缆与尖端单元的其它导电部件之间建立电连接，其中尖端的内部部件、侧接收器底座、内部尖端导体、连接元件和绝缘电缆的一端都铸造嵌入绝缘材料中，仅留下尖端的外部部件以及绝缘电缆的另一端未被绝缘材料覆盖。
通过使用如上配置的尖端单元，使得直达防雷系统内部部件的雷击的影响的风险，即通过风力涡轮机叶片结构，在风力涡轮机叶片的尖端部件中被消除或至少被显著降低。
在本发明的一个实施例中，绝缘电缆是非屏蔽高压电缆。
使用高压电缆是有利的，因为这样的电缆提供足够的电缆绝缘，以承受如遭受雷击影响的情况下那样大的电位差。
在本发明的一个实施例中，连接元件集成在至少一个侧接收器底座中。
连接元件集成在侧接收器底座中使得尖端单元内存在较少的组件和更少的电连接点。
在本发明的一个实施例中，内部尖端单元导体由绝缘电缆的一部分形成。
使绝缘电缆的一部分形成内部尖端单元导体，使得尖端单元内存在较少的组件和更少的电连接点。
在本发明的一个实施例中，从形成内部尖端单元导体的绝缘电缆的一部分去除电缆绝缘。
从形成内部尖端单元导体的绝缘电缆的一部分去除电缆绝缘有助于尖端单元的更为简便的生产过程。
在本发明的一个实施例中，尖端的外部部件的最外端与最靠近尖端的侧接收器底座的中心之间的距离在0.3米和2米之间，优选地在0.8米到1.2米之间。
所描述的距离范围允许尖端接收器和风力涡轮机叶片的最靠近侧接收器之间的距离优化。
在本发明的一个实施例中，离尖端最远的侧接收器底座的中心与绝缘电缆和尖端单元的铸造部分的分离点的距离在0.1米和0.5米之间，优选在0.15米和0.3米之间。
所描述的距离范围已经证明能够确保对尖端单元内部部件的直接雷击的影响起到足够防护。
在本发明的一个实施例中，尖端的外部部件可移除地连接到尖端单元的其余部分。
使用可移除的连接的尖端的外部部件允许替换外部部件，即防雷系统的尖端接收器的外部部件，如果外部部件由于太多和/或太严重的雷击影响而造成损坏的话。
在本发明的一个实施例中，尖端的外部部件和内部部件集成到一个共同部分中。
将尖端单元的外部和内部部件集成到一个共同部分中使得尖端单元内存在较少的组件和更少的电连接点。
在本发明的一个实施例中，尖端单元通过粘合剂连接到风力涡轮机叶片上。
使用粘合剂将尖端单元连接到风力涡轮机叶片意味着对于进行连接风力涡轮机叶片的结构部分不需要被穿透，或者以其它方式被削弱。
在本发明的一个实施例中，用于铸造的绝缘材料包括所列的至少一种材料，包括：聚合材料、聚合物纳米复合材料、热塑性材料、热固性材料、绝缘泡沫或其任何组合。
所描述类型的材料已经证明包括具有为此目的所需的机械和电学特性的一些材料。
在本发明的一个实施例中，铸造绝缘材料的最小厚度在3mm到30mm之间，优选在5mm到15mm之间。
所描述的厚度范围已经证明能够确保用于避免对尖端单元的内部部件直接雷击影响的足够绝缘。
在本发明的一个实施例中，用于铸造的绝缘材料被设计成承受尖端单元的外表面和尖端单元内导电部件之间的至少20kV的电位差，优选地至少200kV。
对所描述范围内的电位差的防护已经证明足以获得对尖端单元内部部件的雷击的直接影响的期望防护。
在本发明的一个实施例中，尖端的外部部件至少部分地包含铜或铜合金。
使用铜确保了极高的导电性、高导热性，因此确保了处理电弧连接过程时的优良性能。此外，使用铜使得能够在尖端的外部部件上使用放热焊接工艺。
在本发明的一个实施例中，尖端的外部部件至少部分地包含碳化钨。
使用碳化钨确保了高导电性、高导热性和极高的熔化温度，因此确保了对雷击产生的电荷侵蚀的较低电纳。特别地，应用于其他材料的碳化钨涂层具有经证实的对长冲程组件的高性能。碳化物的化学稳定性高，意味着大大降低了腐蚀相关问题的风险。
在本发明的一个实施例中，尖端的外部部件至少部分地包含钢。
使用钢确保了极高的机械强度并以相对低的成本降低了腐蚀相关问题的风险。此外，使用钢使得能够使用放热焊接工艺。
在本发明的一个实施例中，尖端的外部部件至少部分地包含铝。
使用铝允许以相对低的成本进行简便的机械加工。
在本发明的一个实施例中，尖端的内部部件至少部分地包含铁。
使用铁确保了较高的机械强度并允许以相对低的成本进行简便的机械加工。此外，使用铁使得能够使用放热焊接工艺。
在本发明的一个实施例中，尖端的内部部件至少部分地包含铜。
使用铜确保了极高的导电性并降低了腐蚀相关问题的风险。此外，使用铜使得能够在尖端的外部部件上使用放热焊接工艺。
本发明的一个实施例中，尖端的内部部件至少部分地包含黄铜。
使用黄铜意味着可以以较低的成本和用较低延展性材料来获得铜的至少一些优良特性。使用耐腐蚀的黄铜确保了与恶劣环境的良好兼容。
在本发明的一个实施例中，内部尖端单元导体通过放热焊接方式机械和电连接到尖端的内部部件。
使用放热焊接可以实现很强的机械连接并确保良好的电连接。
在本发明的一个实施例中，尖端的内部部件至少部分地包含铝。
使用铝允许以相对低的成本进行简便的机械加工。
在本发明的一个实施例中，内部尖端单元导体通过压接方式，例如接触心轴压接，机械和电连接到尖端的内部部件。
使用接触心轴压接实现了高性价比的机械和电连接。
在本发明的一个实施例中，至少一个侧接收器底座至少部分包含铝。
使用铝允许以相对低的成本进行简便的机械加工。
在本发明的一个实施例中，内部尖端单元导体和/或绝缘电缆通过接触心轴压接方式机械和电连接到至少一个侧接收器底座。
使用接触心轴压接可以实现高成本效益的机械和电连接。
在本发明的一个实施例中，内部尖端单元导体和/或绝缘电缆通过放热焊接方式机械和电连接到至少一个侧接收器底座。
使用放热焊接实现了很强的机械连接并确保良好的电连接。
在本发明的一个实施例中，其中绝缘电缆端接在电缆接线头中，电缆接线头螺栓连接到侧接收器底座上。
使用螺栓连接的电缆接线头实现了低成本和安全的机械和电连接。
在本发明的一个实施例中，通过以向标准尖端单元的外表面添加额外的材料的方式定制具有特定预定几何形状和最小尺寸的标准尖端单元来获得用于特定类型的风力涡轮机叶片的尖端单元的期望的外部几何形状和尺寸。
使用定制的标准尖端单元允许实现更加标准化，以及更具成本效益的生产。
在本发明的一个实施例中，添加的额外材料是与铸造尖端单元所使用的相同的绝缘材料，并且铸造尖端单元与添加额外材料在一个单一过程中完成。
将添加额外材料作为铸造过程的一部分可以实现更简单和更具成本效益的生产。
在本发明的一个实施例中，添加的额外材料是一种泡沫材料，其被加入以填充风力涡轮机叶片的内壳和安装在其中的标准尖端单元之间的空腔。
在安装风力涡轮机叶片的尖端单元之后添加额外材料增加了在不同类型的风力涡轮机叶片中使用尖端单元的灵活性。
在本发明的另一方面，涉及一种包括如上所述的尖端单元的风力涡轮机叶片。
附图说明
在下文中，参考附图更详细地描述了本发明的数个示例性实施例，其中：
图1是根据本发明的实施例的具有尖端单元的风力涡轮机叶片的尖端部件的示意图；
图2a是根据本发明的实施例的尖端单元的透视图，从该尖端单元去除了绝缘材料；
图2b是包括绝缘材料的图2a所示的尖端单元的透视图；
图3a是图2b所示的尖端单元的侧视图；
图3b是图3a所示的尖端单元的横截面图；
图4a是根据本发明的第一实施例的尖端单元的尖端的内部部件的示意图；
图4b是根据本发明的第二实施例的尖端单元的尖端的内部部件的示意图；
图4c是根据本发明第三实施例的尖端单元的尖端的内部部件的示意图；
图5是根据本发明的实施例的侧接收器底座的示意图；
图6a-6b示意性地示出图5所示的侧接收器底座和根据本发明的实施例的尖端单元的其它导电部件之间的机械和电连接的形成；
图6c-6d是图5所示的侧接收器底座和根据本发明的两个不同实施例的尖端单元的其它导电部件之间的机械和电连接的示意横截面图；以及
图7a-7b是根据本发明的实施例的尖端单元的侧接收器底座部件与风力涡轮机叶片外壳之间的机械连接的示意横截面图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的尖端单元1可以如何安装在风力涡轮机叶片2的尖端处。优选地，尖端单元1通过合适的粘合剂，例如双组分环氧粘合剂、快速固化聚氨酯粘合剂、双组分聚氨酯粘合剂、双组分固化丙烯酸酯粘合剂或其他聚合物粘合剂，连接到风力涡轮机叶片2。
以下参照图2a和图2b更详细地描述尖端单元1，尖端单元1沿其纵轴安装，至少基本上平行于风力涡轮机叶片2的纵轴，使得尖端3的外部部件4形成风力涡轮机叶片2的尖端并且绝缘电缆9形成沿风力涡轮机叶片2的纵轴从其根端的方向延伸的引下线10的最外部分。
图2a是根据本发明的实施例的尖端单元1的透视图，从该尖端单元1去除了绝缘材料13。所示的尖端单元1包括四个导电元件，即尖端3的外部4和内部部件5，其通过内部尖端单元导体8电和机械连接到侧接收器底座6。内部尖端单元导体8通过集成在其中的连接元件12连接到侧接收器底座6。形成风力涡轮机叶片2的防雷系统的引下线10的最外部的绝缘电缆9通过相同的连接元件12连接到侧接收器底座6。因此，尖端单元1的所有导电部件5、6、8、9彼此电和机械连接在一起。
图2b示出了与图2a相同的尖端单元1，除了现在没有去除绝缘材料13。因此，除了形成从尖端单元1向内朝向风力涡轮机叶片2的根端和尖端3的内部部件5的端部的引下线10的绝缘电缆9的部分之外，尖端单元1的所有导电部件5、6、8、9被电绝缘材料13，例如聚合物纳米复合材料、热塑性材料、热固性材料绝缘泡沫或其任何组合，完全覆盖。这种绝缘材料13的厚度、几何形状和材料特性被设计成能承受在暴露于雷电中和风力涡轮机叶片的日常运行期间的环境条件(振动、温度、温度循环、湿度等)和电场。
因此，仅有两种方式，其中雷击可以到达尖端单元1的内部部件5、6、8、9，从而到达延伸穿过风力涡轮机叶片2的这一部分的引下线10的部分。一种方式是通过由尖端3的外部部件4形成的防雷系统的尖端接收器，其通过其端部机械和电连接到尖端3的内部部件5，其未被电绝缘材料13覆盖。另一方式是通过侧接收器7(图中未示出)，其安装在外壳的外表面上或与风力涡轮机叶片2的外壳表面齐平，并且不是尖端单元1本身的一部分。侧接收器7通过穿透风力涡轮机叶片2的外壳24(图中未示出)和覆盖在侧接收器底座6的电绝缘材料13机械和电连接到侧接收器底座6。雷击只能通过安装在风力涡轮机叶片2的外表面上的尖端接收器和侧接收器7到达内部防雷系统的事实，意味着没有雷击穿过风力涡轮机叶片2的该部分的结构部件。因此，可以消除或至少显著减少风力涡轮机叶片2的尖端的结构部件损坏或者甚至毁坏的风险。
在侧接收器底座6周围的尖端单元1的圆柱形部分的端部，绝缘材料13在其表面形成凹槽用于放置粘合剂材料23(在该图中未示出)，如下面参考图8a和8b所进一步详细描述的。
图3a和3b分别是图2b所示的尖端单元1的侧视图和横截面图。
图4a是根据本发明的第一实施例的尖端单元1的尖端3的内部部件5的示意图。取决于制造尖端3的内部部件5的导电材料，内部尖端单元导体8可以通过使用不同的方法，例如放热焊接或压接，例如接触心轴压接，机械和电连接到尖端3的内部部件5。
图4b是根据本发明的第二实施例的尖端单元1的尖端3的内部部件5的示意图。该实施例不同于图4所示的实施例之处在于，尖端3的内部部件5设置有用于促进尖端3的外部部件4(未示出)的连接的凸缘14。
图4c是根据本发明的第三实施例的尖端单元1的尖端3的内部部件5的示意图。在本实施例中，尖端3的内部部件5设置有用于尖端3的外部部件4(未示出)的连接的一对安装孔15。
图5是根据本发明的实施例的尖端单元1的侧接收器底座6的透视图。基本上，侧接收器底座6由导电材料，例如铜或铝，制成的圆柱组成。在所示的实施例中，连接元件12以通孔12的形式集成在侧接收器底座6中。将凹槽16设置在圆柱表面上，平行并靠近通孔12以便按压工具18(图中未示出)进入，如下面参考图6a和6b所进一步详细描述的。侧接收器7(图中未示出)通过穿透风力涡轮叶片2的外壳和覆盖尖端单元1的电绝缘材料13将其一部分打孔/拧入到侧接收器底座6的端面17来机械和电连接到侧接收器底座6。
图6a-6b示意性地示出图5所示的侧接收器底座6和根据本发明的实施例的尖端单元1的内部尖端单元导体8和绝缘电缆9之间的机械和电连接的形成。
导电部件8、9置于由侧接收器基座6中的通孔形成的连接元件12中，并且使用按压工具21将凹槽16和通孔12之间的相对薄壁按压在内部尖端单元导体8和绝缘电缆9处，从而在侧接收器底座6和这些导电部件8、9之间形成牢固和可靠的机械和电连接。按压工具21的工作由图6b中的压痕22示出。
图6a所示的实施例中形成侧接收器底座6的圆柱的两个端面略微倾斜以在将尖端单元1安装在其中时与风力涡轮机叶片2(该图中未示出)的内壳部件的表面对齐。
图6c-6d是图5所示的侧接收器底座6和根据本发明的两个不同实施例的尖端单元1的其它导电部件8、9之间的机械和电连接的示意横截面图。
在图6c所示的第一实施例中，内部尖端单元导体8和绝缘电缆9分别由从其两端形成连接元件12的通孔中放置的两个不同部件组成。在图6d所示的另一实施例中，另一方面，内部尖端单元导体8和绝缘电缆9由穿过形成连接元件12的通孔的同一物理电缆形成。
图7a-7b是根据本发明的实施例的尖端单元1的侧接收器底座6部件与风力涡轮机叶片外壳24之间的机械连接的示意横截面图。
如图7a所示，将粘合剂材料23放置在绝缘材料13形成的位于包含侧接收器底座6的尖端单元1的圆柱状部件的两端的凹槽20中。当尖端单元1如图7b所示安装在风力涡轮机叶片外壳24之间时，该粘合剂材料23确保尖端单元1和风力涡轮机叶片外壳24之间的气密连接。
这意味着没有空气或水可以接触到侧接收器7，侧接收器7通过穿透风力涡轮机叶片2的外壳24、粘合材料23和覆盖在侧接收器底座6的电绝缘材料13来机械和电连接到侧接收器底座6。因此，显著降低了侧接收器7安装相关的腐蚀问题的风险以及风力涡轮机叶片外壳24内侧接收器7的其它暴露部件的内部排放的风险。
附图标记列表
1、尖端单元
2、风力涡轮机叶片
3、风力涡轮机叶片的尖端
4、尖端的外部部件
5、尖端的内部部件
6、侧接收器底座
7、侧接收器
8、内部尖端单元导体
9、绝缘电缆
10、引下线
11、风力涡轮机叶片的根端
12、连接元件
13、绝缘材料
14、用于安装尖端外部部件的凸缘
15、用于尖端外部部件的安装孔
16、用于按压工具进入的凹槽
17、用于安装侧接收器的表面
18、按压工具
19、额外的绝缘材料
20、带有用于粘合剂的凹槽的表面
21、按压工具
22、压痕
23、粘合材料
24、风力涡轮机叶片外壳

Claims (31)

1.一种用于风力涡轮机叶片(2)的防雷系统的全绝缘尖端单元(1)，所述尖端单元包括：
用于风力涡轮机叶片的导电尖端(3)，尖端由外部部件(4)和内部部件(5)组成，所述外部部件形成尖端接收器，
至少一个侧接收器底座(6)，由导电材料制成以用于设置在叶片的外表面上的一个或多个侧接收器(7)的机械安装，使得电连接在各自的侧接收器和侧接收器底座之间形成，
内部尖端单元导体(8)，用于在尖端接收器的内部部件和侧接收器底座之间形成电连接，
绝缘电缆(9)，用于形成在风力涡轮机叶片内部纵向从所述至少一个侧接收器底座向叶片根端(11)延伸的引下线(10)的最外部分，以及
连接元件(12)，用于在绝缘电缆与尖端单元的其它导电部件之间建立电连接，
其中尖端的内部部件、侧接收器底座、内部尖端导体、连接元件和绝缘电缆的一端都铸造嵌入绝缘材料(13)中，仅留下尖端的外部部件以及绝缘电缆的另一端未被绝缘材料覆盖。
2.如权利要求1所述的尖端单元，其中所述绝缘电缆是非屏蔽高压电缆。
3.如权利要求1或2所述的尖端单元，其中所述连接元件集成在至少一个侧接收器底座中。
4.如权利要求3所述的尖端单元，其中所述内部尖端单元导体由绝缘电缆的一部分形成。
5.如权利要求4所述的尖端单元，其中从形成所述内部尖端单元导体的绝缘电缆的所述一部分去除电缆绝缘。
6.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中尖端的外部部件的最外端与最靠近尖端的侧接收器底座的中心之间的距离在0.3米和2米之间，优选地在0.8米到1.2米之间。
7.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中离尖端最远的侧接收器底座的中心与绝缘电缆和尖端单元的铸造部分的分离点的距离在0.1米和0.5米之间，优选在0.15米和0.3米之间。
8.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中所述尖端的外部部件可移除地连接到所述尖端单元的其余部分。
9.如权利要求1-7中任一项所述的尖端单元，其中所述尖端的外部部件和内部部件集成到一个共同部分中。
10.如述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中所述尖端单元通过粘合剂连接到风力涡轮机叶片上。
11.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中用于铸造的绝缘材料包括所列的至少一种材料，包括：聚合材料、聚合物纳米复合材料、热塑性材料、热固性材料、绝缘泡沫或其任何组合。
12.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中所述铸造绝缘材料的最小厚度在3mm到30mm之间，优选在5mm到15mm之间。
13.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中用于铸造的绝缘材料被设计成承受尖端单元的外表面和尖端单元内导电部件之间的至少20kV的电位差，优选地至少200kV。
14.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中所述尖端的外部部件至少部分地包含铜或铜合金。
15.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中尖端的外部部件至少部分地包含碳化钨。
16.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中尖端的外部部件至少部分地包含钢。
17.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中尖端的外部部件至少部分地包含铝。
18.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中尖端的内部部件至少部分地包含铁。
19.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中尖端的内部部件至少部分地包含铜。
20.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中尖端的内部部件至少部分地包含黄铜。
21.如权利要求18-20中任一项所述的尖端单元，其中所述内部尖端单元导体通过放热焊接方式机械和电连接到尖端的内部部件。
22.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中尖端的内部部件至少部分地包含铝。
23.如权利要求22所述的尖端单元，其中所述内部尖端单元导体通过压接方式，例如接触心轴压接，机械和电连接到尖端的内部部件。
24.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中所述至少一个侧接收器底座至少部分包含铝。
25.如权利要求24所述的尖端单元，其中所述内部尖端单元导体和/或绝缘电缆通过接触心轴压接方式机械和电连接到所述至少一个侧接收器底座。
26.如权利要求24所述的尖端单元，其中所述内部尖端单元导体和/或绝缘电缆通过放热焊接方式机械和电连接到所述至少一个侧接收器底座。
27.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中所述绝缘电缆一端是电缆凸片，其螺栓连接到侧接收器底座上。
28.如前述权利要求中任一项所述的尖端单元，其中通过以向标准尖端单元的外表面添加额外的材料的方式定制具有特定预定几何形状和最小尺寸的标准尖端单元来获得用于特定类型的风力涡轮机叶片的尖端单元的期望的外部几何形状和尺寸。
29.如权利要求28所述的尖端单元，其中所述添加的额外材料是与铸造所述尖端单元所使用的相同的绝缘材料，并且铸造所述尖端单元与添加额外材料在一个单一过程中完成。
30.如权利要求28所述的尖端单元，其中所述添加的额外材料是一种泡沫材料，其被加入以填充风力涡轮机叶片的内壳和安装在其中的标准尖端单元之间的空腔。
31.一种风力涡轮机叶片(2)，包括如前述权利要求中任一项所述的尖端单元(1)。
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