CN110662898A

CN110662898A - 风力涡轮机叶片的加热垫的绝缘

Info

Publication number: CN110662898A
Application number: CN201880036039.5A
Authority: CN
Inventors: N.B.格里斯豪格; Y.C.范张
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2020-01-07
Anticipated expiration: 2038-03-13
Also published as: US11542920B2; WO2018219511A1; CN110662898B; EP3601784A1; US20200080545A1

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机的转子叶片（10），所述转子叶片（10）包括具有前缘（131）的前缘部段（13）和具有后缘（141）的后缘部段（14），其中，所述前缘（131）和所述后缘（141）将所述转子叶片（10）的表面分成吸力侧（15）和压力侧（16）。所述转子叶片（10）还包括用于限定所述转子叶片（10）的外形的叶片壳体（17），以及用于防冰和/或除冰目的的加热垫（20），所述加热垫（20）被布置在所述叶片壳体（17）上。在所述转子叶片（10）的外侧区域（183）中，所述加热垫（20）基本上或完全被由电绝缘的聚合物材料制成的保护罩（30）覆盖。本发明还涉及由电绝缘的聚合物材料制成的保护罩（30）的用于加热垫（20）的电绝缘、特别是防止雷击的用途。

Description

风力涡轮机叶片的加热垫的绝缘

技术领域

本发明涉及风力涡轮机的转子叶片。特别地，本发明涉及保护罩的用于使风力涡轮机的转子叶片的加热垫电绝缘的用途。

背景技术

取决于特定风力涡轮机地点处的天气状况，可能会发生风力涡轮机的转子叶片的结冰。由于各种原因，风力涡轮机操作者通常不期望转子叶片部分或全部地被冰覆盖。首先，由于结冰可能会降低转子叶片的气动效率，并且因此降低风力涡轮机的气动效率。这是由于以下事实，即：转子叶片的形状和几何构型经过仔细的优化，并且该形状的任何偏差，例如由于附加的冰层或由于表面的不规则性造成的偏差，通常会损害气动效率。其次，转子叶片表面上的冰层给转子叶片增加了重量，该重量如果不均匀地分布在风力涡轮机的转子上，则可能造成转子的失衡。第三，在风力涡轮机的操作期间，即在转子的旋转期间，可能从转子叶片抛出部分冰，这可能会对位于风力涡轮机范围内的人和物体造成损害。

总之，优选避免冰在风力涡轮机叶片上的积聚。在叶片已经部分或全部被冰覆盖的情况下，优选提供为叶片除冰的手段。

避免冰的积聚并消除风力涡轮机叶片表面上现有的冰的一种方法是设置电热系统。在该方法中，导电加热垫被用作电阻。通常，在转子叶片被铸造之后，并且在面漆和涂料被施加于叶片之前，加热垫被层压在转子叶片的外表面上。

在转子叶片的表面上使用加热垫的一个问题在于，该加热垫可能代表雷电引导器（或引流器，streamer）的优选的附接区域。换句话说，存在如下不可忽视的可能性，即：雷击击中加热垫而不是转子叶片的雷电接收器，并且对转子叶片造成损伤。

发明内容

本发明寻求该问题的解决方案。

其解决方案通过独立权利要求公开。从属权利要求中公开了有利的修改和实施例。

根据本发明，提供了一种风力涡轮机的转子叶片，所述转子叶片包括具有前缘的前缘部段和具有后缘的后缘部段，其中，所述前缘和所述后缘将所述转子叶片的表面分成吸力侧和压力侧。所述转子叶片还包括用于限定所述转子叶片的外形的叶片壳体，以及用于防冰和/或除冰目的的加热垫，所述加热垫被布置在所述叶片壳体上。此外，所述转子叶片的特征在于，在所述转子叶片的外侧区域中，所述加热垫基本上或完全被由非导电聚合物材料制成的保护罩覆盖。

特别地，所述转子叶片的所述外侧区域由所述转子叶片的沿翼展方向的最外部的百分之十五限定。所述转子叶片的翼展方向被限定为从所述转子叶片的根部延伸到末端的直线的方向。

所述保护罩由非导电聚合物材料制成。所述保护罩旨在用于保护所述前缘部段的至少一部分不受侵蚀。因此，所述保护罩也被称为“前缘保护”（LEP）罩。该LEP罩也被称为LEP壳体。根据保护罩的设计，该罩可被称为“硬壳”或“软壳”。软壳以一定的柔性为特征，并且可依附到转子叶片表面的轮廓。

本发明的一个关键方面在于，为了使转子叶片的加热垫绝缘以防雷击，采用并修改了主要已知用于保护风力涡轮机的转子叶片的前缘部段免受侵蚀的保护罩。

在本发明的一个实施例中，所述转子叶片的所述外侧区域中的所述加热垫的至少百分之九十、特别是至少百分之九十五、甚至更特别是至少百分之九十九被所述保护罩覆盖。

换句话说，所述加热垫暴露于雷击的主要部分或全部区域通过非导电罩绝缘。高度的覆盖是必要的，这是因为否则雷击可能正好在绝缘保护罩未覆盖的区域中击中加热垫，并且可能在那里对叶片壳体造成损伤。

作为示例，所述加热垫包含碳。碳已被证明是对于风力涡轮机的转子叶片的加热垫非常适合的材料。

通常，加热垫不延伸到转子叶片的最末端。因此，一个原因在于，转子叶片的弦长在转子叶片的末端部段处显著减小。由于生产和制造的原因，可能具有成本效益的是，当安装到转子叶片时，以一个不同的宽度、即以一个不同的弦向延伸来设置加热垫，沿翼展方向来看，加热垫可能仅施加到转子叶片的最后1-2米。

然而，优选地，所述加热垫在所述转子叶片的所述外侧区域中的翼展向延伸部大于所述转子叶片的长度的百分之五，特别是大于所述转子叶片的长度的百分之七。

由于转子叶片的所述外侧区域由转子叶片沿翼展方向的最外部的百分之十五限定，因此这意味着转子叶片的所述外侧区域的至少三分之一、优选为大约一半被加热垫覆盖。

加热垫在所述外侧区域中的这种翼展向延伸是适当的，这是因为转子叶片的结冰尤其是由于转子叶片在所述外侧区域中的高周向速度而特别是在转子叶片的该部段中发生。

优选地，所述转子叶片包括在所述转子叶片的所述外侧区域中具有至少一个雷电接收器的防雷系统。

在本发明的一个实施例中，所述加热垫与所述雷电接收器相邻放置。换句话说，如在转子叶片的表面的顶视图中看到的，所述加热垫“包围”或“围绕”所述雷电接收器。

有利地，所述加热垫的电绝缘足够好，以使雷击附在防雷系统的雷电接收器处而不是所述加热垫处。

在下文中，公开了保护罩的三个具体实施例。显然，这些实施例仅表示示例，并且不应被解释为限制本专利申请所要求的保护范围。

在本发明的第一实施例中，所述保护罩包括弯曲单元，所述弯曲单元至少部分地覆盖所述转子叶片的所述前缘。此外，所述保护罩包括：第一面板，其基本上平坦，并且与弯曲单元的第一边缘相邻布置在转子叶片的吸力侧处；以及第二面板，其基本上平坦，并且与弯曲单元的第二边缘相邻布置在转子叶片的压力侧处。所述弯曲单元、所述第一面板和所述第二面板被构造为分开的部件。

换句话说，例如前缘保护壳之类的已知的保护罩被补充以第一面板和第二面板。有利地，所述第一面板和所述第二面板由与所述保护罩相同或相似的材料制成。这里的优点在于制造面板的方法及其特性是已知的。

有利地，所述第一面板和所述第二面板至少在转子叶片的外侧区域中基本上或完全地覆盖所述加热垫。与单独设置保护罩相比，补充第一面板和第二面板是有利的，这是由于因此可减小加热垫被绝缘、即被非导电材料覆盖的区域。

在本发明的第二实施例中，所述弯曲单元在所述转子叶片的所述外侧区域中基本上或完全地覆盖所述加热垫。

换句话说，例如前缘保护壳之类的已知的保护罩在加热垫的相当大或完整的表面上延伸。因此，即使未完全避免，所述加热垫的绝缘材料未覆盖的区域也显著减小。

设置面积扩大的单一保护罩的一个优点在于，不需要罩和任何平坦面板之间的接合部。罩和相邻面板之间的任何接合部对于前缘侵蚀（如果接合部靠近前缘）和雷电（因为雷电将针对转子叶片的表面处的最弱点，即具有间断或厚度减小的区域）两者而言都可能是危险的。

在本发明的第三实施例中，所述转子叶片包括另一保护罩，并且其中，所述另一保护罩被布置在所述保护罩的至少一部分的顶部上。

处于转子叶片的表面与所述另一保护罩之间的所述保护罩有利地延伸成使得它在转子叶片的外侧区域中基本上或完全地覆盖所述加热垫。然而，它原则上也可相应地分成中央件以及第一和第二基本上平坦的面板。

在一种变体中，所述另一保护罩的厚度在所述另一保护罩与所述保护罩重叠的区域中减小。所述保护罩的厚度在该区域中也可减小。结果，与单独的所述保护罩的厚度相比，其中，在所述保护罩上没有放置另一保护罩，所述保护罩和所述另一保护罩的组合厚度可被设计成基本上恒定并且相等。

有利地，所述另一保护罩覆盖所述转子叶片的所述前缘的至少一部分。

本发明还涉及由电绝缘的聚合物材料制成的保护罩的用于加热垫的电绝缘、特别是防止雷击的用途，其中，所述保护罩旨在用于保护所述前缘部段的至少一部分不受侵蚀，所述加热垫被布置在风力涡轮机的转子叶片的叶片壳体上，并且旨在用于防冰和/或除冰的目的，并且在所述转子叶片的外侧区域中，所述加热垫基本上或完全被所述保护罩覆盖。

附图说明

现在借助于附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施例，附图中：

图1示出了风力涡轮机的现有技术的转子叶片的透视图；

图2示出了图1的现有技术的转子叶片的吸力侧的一部分的顶视图；

图3示出了图1的现有技术的转子叶片的前缘的一部分的顶视图；

图4示出了风力涡轮机的本发明的转子叶片的透视图；

图5示出了图4的本发明的转子叶片的吸力侧的一部分的顶视图；

图6示出了图4的本发明的转子叶片的前缘的一部分的顶视图；

图7示出了本发明的第一实施例的剖视图；

图8示出了本发明的第二实施例的剖视图；以及

图9示出了本发明的第三实施例的剖视图。

注意，附图采用示意性的形式。此外，相似或相同的元件可由相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机的现有技术的转子叶片10的透视图。转子叶片10包括具有根部111的根部部段11以及处于其相对端处的具有末端121的末端部段12。转子叶片10的翼展方向18被限定为从转子叶片10的根部111延伸到末端121的直线的方向。转子叶片10还包括具有前缘131的前缘部段13和具有后缘141的后缘部段14。前缘131和后缘141将转子叶片10的表面分成吸力侧15和压力侧16。图1示出了转子叶片10的吸力侧15的视图。

后缘部段14被限定为与后缘141相邻并且沿弦向方向延伸到百分之十的部段。同样，前缘部段13沿弦向延伸远离前缘131延伸到百分之十。

转子叶片10被构造成具有叶片壳体17，其围绕并在内部限定腔。可被理解为转子叶片10的中空内部区域的该腔具有使转子叶片的材料和重量最小化的功能。

转子叶片10被分成内侧区域181、中板区域和外侧区域183。内侧区域181被限定为叶片长度的最内部的百分之十五，中板区域182被限定为叶片长度的位于内侧区域181和外侧区域183之间的百分之七十。因此，外侧区域183被限定为叶片长度的最外部的百分之十五。措词“最内部”和“最外部”与转子叶片10安装和附接到风力涡轮机的轮毂的状况有关。于是，在风力涡轮机的转子的旋转期间，转子叶片行进穿过扫掠区域，在该扫掠区域中，末端并且通常外侧区域183的周向速度最高。

如图1中所示的转子叶片10还包括加热垫20，其用于防止冰在转子叶片10的表面上积聚。加热垫20的另一个目的在于融化、即消除转子叶片10上已存在的冰。加热垫20沿转子叶片10的外侧区域183的主要部分和中板区域182的主要部分延伸。注意，加热垫20沿弦向方向的延伸，即其宽度，沿其纵长延伸部是基本上恒定的。这导致如下状况，即：加热垫20未延伸到转子叶片10的最末端121，而是在几米之前终止。该加热垫没有在转子叶片10的内侧区域181中覆盖前缘部段13，这是因为与转子叶片10的外侧区域183中相比，冰在内侧区域181中积聚的可能性较小。

转子叶片10还包括保护罩30，其用于保护转子叶片10的前缘131不受侵蚀。侵蚀通常由于灰尘和污垢的小颗粒而发生，并且也可能由于昆虫而发生。经历多年并且在恶劣条件下，前缘131和前缘131周围的相邻区域通常受损。这通常会降低转子叶片10的气动效率。因此，建议设置保护罩30，例如前缘保护软壳或前缘保护硬壳。这样的保护罩30可被改装在已经运行的风力涡轮机上，或者可被设置在新制造的转子叶片上。注意，在图1的示例中，保护罩在整个外侧区域183上延伸，但是仅在前缘部段131的相对小的部分上延伸。这是由于以下事实，即：前缘侵蚀主要发生在前缘131处以及前缘131附近。

图2示出了如图1中所示的现有技术的转子叶片的吸力侧15的一部分的顶视图。在此可以看到，加热垫20未延伸到转子叶片10的末端121，而保护罩30覆盖并保护转子叶片10的末端121。

最后，图3示出了相同转子叶片的另一视图，即转子叶片10的前缘131的一部分的顶视图。在图3中，可以看到加热垫20和保护罩30两者都围绕前缘131对称地延伸。

图4示出了风力涡轮机的本发明的转子叶片10的透视图。如图4中所示的转子叶片10类似于如图1至图3中所示的转子叶片10。然而，这次，保护罩30的设计不同。如图4中所示的转子叶片的保护罩30与如图1至图3中所示的保护罩30相比的主要区别在于，现在，在设有防止前缘131的侵蚀的保护罩的区域中，保护罩30覆盖加热垫20的整个弦向延伸部。保护罩30的弦向延伸部在转子叶片10的末端部段12中仍然相对小，这是因为在转子叶片10的末端部段12中未设置任何加热垫。然而，在布置有加热垫20的点处，保护罩30确保其覆盖加热垫20的表面，使得加热垫20是电绝缘的并且不会吸引雷击。因此，雷电仅打击转子叶片的防雷系统的雷电接收器和相应元件并附在其中。

图5和图6示出了与图2和图3相比的转子叶片10的类似视图。在这里，再次可以看到保护罩30如何在转子叶片10的整个外侧区域183中和部分中板区域182中有效地覆盖加热垫20的表面。这有效地在转子叶片的最敏感且最可能受到未附到防雷系统的雷电接收器的雷击击中和损伤的部段中使损伤转子叶片的叶片壳体层压件的风险最小化。

图7示出了本发明的第一具体实施例。

示出了转子叶片的外侧区域中的转子叶片的剖视图。图7中仅示出了前缘部段13以及吸力侧15和压力侧16的相邻部分。首先，可识别出转子叶片10的叶片壳体17。该叶片壳体17被设计为层压件，其包括附接到轻木的纤维增强塑料材料。叶片壳体17的厚度有变化并且通常在前缘部段13中和前缘131处最薄。相比之下，它通常朝向叶片壳体17的主板或主弦向区域变得更厚。这是由于以下事实，即：转子叶片的翼梁帽和梁（或腹板）自然且通常被布置在主板部分中。在这里，结构载荷通常是最高的，并且因此，叶片壳体17被设计得更厚。

在叶片壳体17的顶部上设置有加热垫20，该加热垫20覆盖前缘131以及从前缘131朝向吸力侧15和朝向压力侧16的相当大的部分。因为加热垫20原则上是导电的，所以在图7的示例中，加热垫20被保护罩完全覆盖，该保护罩包括具有第一边缘311和第二边缘312的弯曲单元31以及第一面板32和第二面板33。第一面板32相对平坦，并且与弯曲单元31的第一边缘311相邻布置。同样，第二面板33也相对平坦，并且被布置在弯曲单元31的第二边缘312处。需要极其小心地设计和构造第一边缘311和第二边缘312处的接合部，以避免该接合部处的任何气动损失。

设置三个分开的部件、即弯曲单元31、第一面板32和第二面板33的一个优点在于，首先弯曲单元31可被设计为用于LEP（前缘保护）的常规硬壳或软壳。其次，分成三个分开的部件具有如下优点，即：可以更容易地处理这些部件，特别是在保护罩30的安装在现场进行而不拆卸转子叶片的情况下。这样的安装被称为转子叶片或整个风力涡轮机的改装。

图8示出了本发明的第二实施例。同样，图示了具有前缘131的前缘部段13的一部分以及转子叶片的吸力侧15和压力侧16的一部分的剖视图。同样，加热垫20被布置在叶片壳体17上。在该实施例中，由于加热垫20是导电的并且因此易于遭受雷击，因此它被一个单件、即弯曲单元31完全覆盖。该弯曲单元31不仅在前缘部段13上延伸，而且还基本上在压力侧16和吸力侧15上延伸，即在加热垫20的整个延伸部上延伸。

这具有没有接合部需要连接的优点。然而，挑战在于，取决于转子叶片的尺寸以及处于转子叶片的该部段处的加热垫的尺寸，部件可能变得相对大。还要注意的是，一般而言，加热垫，并且特别是保护罩，可被很好地分成分立的区段，每个区段包括例如一至十米的长度。

最后，图9示出了本发明的第三具体实施例。该第三实施例类似于第二实施例，但是其另外具有覆盖转子叶片的前缘部段13的另一保护罩34。这具有如下优点，即：进一步提供保护以防止导电，即防止雷击，并且还防止侵蚀。例如，该另一保护罩34可被设计成类似于常规的前缘保护壳（软壳或硬壳）。

有利地，在该另一保护罩34和弯曲单元31两者重叠的部段处，该另一保护罩34的厚度更薄并且弯曲单元31的厚度更薄。这具有如下效果，即：总厚度或组合厚度在被加热垫20覆盖的整个区域上相对恒定，即相等。因此，最小化或完全避免了负面的气动效应。

Claims

1.一种风力涡轮机的转子叶片（10），包括具有前缘（131）的前缘部段（13）和具有后缘（141）的后缘部段（14），其中，所述前缘（131）和所述后缘（141）将所述转子叶片（10）的表面分成吸力侧（15）和压力侧（16），其中，所述转子叶片（10）还包括用于限定所述转子叶片（10）的外形的叶片壳体（17），以及用于防冰和/或除冰目的的加热垫（20），所述加热垫（20）被布置在所述叶片壳体（17）上，

其特征在于，

在所述转子叶片（10）的外侧区域（183）中，所述加热垫（20）基本上或完全被由非导电聚合物材料制成的保护罩（30）覆盖。

2.根据权利要求1所述的转子叶片（10），

其特征在于，所述转子叶片（10）的所述外侧区域（183）由所述转子叶片的沿翼展方向（18）的最外部的百分之十五限定。

3.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（10），

其特征在于，所述转子叶片（10）的所述外侧区域（183）中的所述加热垫（20）的至少百分之九十、特别是至少百分之九十五、甚至更特别是至少百分之九十九被所述保护罩（30）覆盖。

4.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（10），

其特征在于，所述加热垫（20）包含碳。

5.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（10），

其特征在于，所述加热垫（20）在所述转子叶片（10）的所述外侧区域（183）中的翼展向延伸部大于所述转子叶片（10）的长度的百分之五，特别是大于所述转子叶片（10）的长度的百分之七。

6.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（10），

其特征在于，所述转子叶片（10）包括在所述转子叶片（10）的所述外侧区域（183）中具有至少一个雷电接收器的防雷系统。

7.根据权利要求6所述的转子叶片（10），

其特征在于，所述加热垫（20）与所述雷电接收器相邻。

8.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（10），

其特征在于，所述保护罩（30）包括弯曲单元（31），所述弯曲单元（31）至少部分地覆盖所述转子叶片（10）的所述前缘（131）。

9.根据权利要求8所述的转子叶片（10），

其特征在于，所述保护罩（30）还包括：

- 第一面板（32），其是基本上平坦的，并且与所述弯曲单元（31）的第一边缘（311）相邻布置在所述转子叶片（10）的所述吸力侧（15）处，以及

- 第二面板（33），其是基本上平坦的，并且与所述弯曲单元（31）的第二边缘（312）相邻布置在所述转子叶片（10）的所述压力侧（16）处，

其中，

- 所述弯曲单元（31）、所述第一面板（32）和所述第二面板（33）被构造为分开的部件。

10.根据权利要求8所述的转子叶片（10），

其特征在于，所述弯曲单元（31）在所述转子叶片（10）的所述外侧区域（183）中基本上或完全地覆盖所述加热垫（20）。

11.根据权利要求9或10中任一项所述的转子叶片（10），

其特征在于，所述转子叶片（10）包括另一保护罩（34），并且其中，所述另一保护罩（10）被布置在所述保护罩（30）的至少一部分的顶部上。

12.根据权利要求11所述的转子叶片，

其特征在于，所述另一保护罩（34）覆盖所述转子叶片（10）的所述前缘（131）的至少一部分。

13.由电绝缘的聚合物材料制成的保护罩（30）的用于加热垫（20）的电绝缘、特别是防止雷击的用途，

其中，

- 所述保护罩（30）旨在用于保护前缘部段（13）的至少一部分不受侵蚀，

- 所述加热垫（20）被布置在风力涡轮机的转子叶片（10）的叶片壳体（17）上，并且旨在用于防冰和/或除冰的目的，以及

- 在所述转子叶片（10）的外侧区域（183）中，所述加热垫（20）基本上或完全被所述保护罩（30）覆盖。