CN111226036B

CN111226036B - 风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置

Info

Publication number: CN111226036B
Application number: CN201880067403.4A
Authority: CN
Inventors: N·布莱安特; C·萨顿
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2038-08-21
Also published as: EP3673174B1; EP3673174A1; US20200200151A1; WO2019037826A1; CN111226036A; US11346328B2

Abstract

风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置(12)设置有导电块(123)和屏蔽部件(122)。在使用中，该导电块(123)形成雷电保护系统的接收器元件(121)与雷电保护系统的引下线(15)之间的电桥。该导电块(123)包括用于在使用中接收接收器元件(121)的第一接合表面(124)。该屏蔽部件(122)覆盖导电块(123)的第一接合表面(124)的一部分，同时留出用于接收接收器元件(121)的开口面积。

Description

风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置

技术领域

本发明涉及用于在风力涡轮机转子叶片中使用的雷电保护系统的接收器装置，涉及结合有雷电保护系统的风力涡轮机转子叶片，并且涉及具有这种转子叶片的风力涡轮机。该接收器装置包括导电块和屏蔽部件，其中，屏蔽部件覆盖导电块的一部分。

背景技术

风力涡轮机容易遭受雷击；有时在塔架、机舱和转子轮毂上，但最常见的是在涡轮机的转子叶片上。雷击事件有可能对涡轮机叶片造成物理损坏，并且还对风力涡轮机的内部控制系统造成电气损坏。风力涡轮机通常安装在宽阔的开放空间中，这使雷击普遍发生。因此，近年来，风力涡轮机制造商付出了很多努力来设计能够有效管理雷击期间施加到它们的能量的风力涡轮机，以便避免对叶片的损坏以及与涡轮在更换叶片期间机停机相关联的成本。

通常，已知用于风力涡轮机转子叶片的雷电保护系统。在一个示例中，将导电的雷电接收器元件布置在叶片的外表面上以接收雷击。由于接收器元件是导电的，所以雷电更有可能优先于叶片的相对不导电的材料而附着到接收器元件。接收器元件连接到在叶片内部延伸至根部的电缆或“引下线”，并从根部经由电枢装置连接到在轮毂、机舱和塔架中或经过轮毂、机舱和塔架朝向接地电位的电荷转移路线。因此，这种雷电保护系统允许雷电从叶片安全地引导到接地电位，从而减少损坏的风险。然而，离散的接收器在叶片的制造期间安装起来相对复杂，并且它们使叶片面积的很大一部分暴露于雷击的风险。在一些雷电保护系统中，可以向转子叶片的外表面供应导电材料的箔或网，以增加雷电击中转子叶片表面的可能面积。如上所述的相同或相似的接收器元件在转子叶片表面处电联接至导电材料并且使得能够放电至地面。

在WO 2015/055214 A1中，描述了具有末端接收器装置的风力涡轮机转子叶片。该接收器装置包括单独的接收器基座，该接收器基座连接到风力涡轮机转子叶片内的引下线，并通过延伸穿过风力涡轮机转子叶片壳的接收器元件连接到叶片的外表面。当雷电击中转子叶片表面时，电荷经由接收器元件和接收器基座转移到引下线。

根据WO 2015/055214 A1，必须在已经制造具有接收器装置就位的叶片之后安装接收器元件。与这种制作叶片的方法关联的问题之一是各个接收器基座相对于接收器元件的精确定位是非常关键的。为了促进接收器元件的安装，穿过各个叶片壳和接收器底座上钻了多个孔。然后将接收器元件插入到各个孔中，以在叶片的表面与接收器基座中的一个之间形成电连接。如果这些孔不能与接收器基座正确对齐，则在接收器元件与接收器基座之间将不会建立或不能建立令人满意的电连接。此外，如果引下线在钻孔期间损坏，则可能会产生电弧或火花，或者可能无法正确传导雷击。

本发明的目的是提供用于风力涡轮机转子叶片的改进的雷电接收器装置，该雷电接收器装置促进了接收器元件与基座之间的期望的连接。

发明内容

根据本发明，该目的通过提供风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置来实现，该接收器装置包括导电块和屏蔽部件。在使用中，该导电块形成雷电保护系统的接收器元件与雷电保护系统的引下线之间的电桥。该导电块包括用于在使用中接收接收器元件的第一接合表面。该屏蔽部件覆盖导电块的第一接合表面的一部分，同时留出用于接收接收器元件的开口面积。

屏蔽部件在将接收器元件安装到叶片中时尤其是有益的。接收器元件需要在导电块处穿过叶片的壳和导电块钻孔。然而，如果要在接收器元件与导电块之间形成令人满意的连接，则导电块的一个或更多个面积不应被钻孔。因此，通过使用屏蔽部件覆盖导电块的接合表面，钻孔不能在这些不期望的区域中穿透导电块。

在本发明的上下文中，术语“屏蔽”是指机械屏蔽，使得屏蔽部件用作铠装板。铠装板防止钻头穿透放置有铠装板的导电块。应当注意，在本发明的上下文中，术语“屏蔽”不指电磁屏蔽。

有利地，屏蔽部件不仅保护导电块，而且在尝试钻孔期间，在钻孔操作员员碰到屏蔽部件时也向钻孔操作员提供指导。然后，操作员可以稍微调整钻孔位置，以确保钻孔穿过导电块的正确区域。

雷电放电路径中的关键链接是导电块与引下线之间的连接。为了避免在钻孔期间对该连接的任何损坏，屏蔽部件可以进一步布置成至少部分地覆盖导电块和引下线之间的连接。例如，导电块可以包括用于在其中接收引下线的内孔，并且屏蔽部件与该孔对齐。以这种方式，确保钻孔将不损坏引下线(如果在钻孔时已经连接)并且接收器元件将不进入孔和/或损坏引下线。而且，为了在接收器元件与导电块之间进行适当的电连接并在两者之间提供尽可能大的接触表面，优选的是，整个孔仅在导电块中。

可选地，导电块包括与第一接合表面相对的第二接合表面，并且其中屏蔽部件还被布置成覆盖第二接合表面的一部分。这将允许另外的接收器元件从另一转子叶片表面适当地连接到导电块。

同样为了促使钻出的整个孔在导电块内部，屏蔽部件可以被配置成覆盖至少第一接合表面的边缘区域。如前所述，通过在两者之间提供尽可能大的接触表面，这将帮助进一步确保可以在接收器元件与导电块之间建立适当的电连接。在第一接合表面的边缘被屏蔽部件覆盖的情况下，第一接合表面可以包括用于接收接收器元件的中心区域。多个边缘区域可以围绕中心区域，而屏蔽部件仅设置在边缘区域中。

屏蔽部件可以与或可以不与导电块直接接触。可选地，将导电块和屏蔽部件一起封装在电绝缘材料中，诸如，在WO 2015/055214 A1中也为此目的使用的聚氨酯。绝缘材料不仅可以用于防止与转子叶片的其它部件的不期望的电联接，而且可以另外地用于改进与转子叶片的附接和转子叶片内侧的对齐。

屏蔽部件优选地由非导电材料制成，以确保仅导电块电联接至接收器元件。屏蔽部件优选地由具有至少1200kgf/mm²和/或至多2000kgf/mm²的硬度的材料制成。这些上限和下限确保了屏蔽足够硬，以不允许上述孔钻透屏蔽组件，同时又没有太硬以至于当撞击在屏蔽件上时会损坏孔。例如，可以使用陶瓷、钢或硬化钢来制造屏蔽部件。

当然，以上(和下文)关于第一接合表面描述的所有特征同样适合第二接合表面并且对第二接合表面有用。

根据本发明的另一方面，包括上述雷电接收器装置的转子叶片和包括至少一个这种转子叶片的风力涡轮机。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将参照以下附图描述本发明的一些实施方式，其中：

图1示意性地示出了转子叶片的背风壳和迎风壳。

图2示意性地示出了通过图1的转子叶片的背风壳的横截面。

图3示出了根据本发明的示例性接收器装置的立体图。

图4示意性地示出了图3的接收器装置的一部分的俯视图。

图5示意性地示出了根据本发明的第二示例性接收器装置的一部分的俯视图。

图6示意性地示出了根据本发明的第三示例性接收器装置的一部分的俯视图。

具体实施方式

图1示意性地示出了转子叶片的背风壳10和迎风壳20。通常使用用于叶片的两个壳10、20的独立的模具来制造用于风力涡轮机的转子叶片。在这些模具中，转子叶片是逐层构造的，并且可以将附加项或单元添加到壳表面。当两个壳10、20都完成时，它们被接合在一起以形成完整的转子叶片。

用于风力涡轮机的转子叶片的一个重要方面是雷电保护系统，该雷电保护系统被添加到或集成在转子叶片表面中。图1示意性地示出了雷电保护系统的一个示例，其中，可以有利地使用根据本发明的接收器装置。该雷电保护系统包括在转子叶片的远端处的实心金属末端11。该实心金属末端11充当雷电接收器，该雷电接收器接收雷电，并经由导体15将其释放到接地电位，导体15在风力涡轮机的叶片、机舱和塔架内部延伸。因此，实心金属末端11允许安全地释放雷电，并降低雷击对风力涡轮机的损坏的风险。除了(或代替)实心金属末端11，提供了多个雷电接收器单元12，该雷电接收器单元12包括呈雷电螺栓(lightning bolt)形式的接收器元件和导电块，该导电块在下文中称为连接器块。雷电螺栓插入到壳10、20中，并提供附加的导电表面积，用于接收闪电并经由雷电螺栓轴放电到连接器块，该连接器块与导体15电联接，以将放电引导至风轮机塔架，并且从塔架到地面。优选地，在背风转子叶片表面和迎风转子叶片表面处均设置有雷电螺栓，但是当仅将雷电螺栓安装在壳10、20中的一者中时，该系统也可以工作。

如在WO 2015/055216 A1中的，可以提供表面保护层14(例如，采取网或延展的金属箔形式)，用于将雷电螺栓导电地互连，从而进一步增加了能够接收并传导雷击的表面积。像雷电螺栓一样，金属箔组件14也可以安装在叶片壳10、20中的一者或两者处。在该示例实施方式中，连接器块安装到背风壳10的内表面上。当两个壳10、20最终组装在一起时，连接器块优选地也固定到迎风壳20的内表面。另选地，连接器块可以首先或仅附接到迎风壳20。在保护性表面层14是导电的情况下，导体15不直接需要将已经经由它们相应的雷电螺栓和表面保护层14彼此电联接的所有连接器块互连。例如，在图1的实施方式中，在图中所示的第四连接器块与第五连接器块(从叶片末端算起)之间没有设置导体。

图2示意性地示出了通过图1的转子叶片的背风半壳10的横截面。横截面在如图1所示的线A-A处截取。要注意的是，提供该横截面仅用于信息目的，并且未根据比例绘制。该横截面示出了雷电螺栓121中的一个。雷电螺栓121具有优选与转子叶片表面齐平的雷电螺栓头和雷电螺栓轴。雷电螺栓头用于经由雷电螺栓轴将雷电从转子叶片表面传导到连接器块123。电缆形式的导体15连接到连接器块123，以将连接器块123联接到雷电保护系统的其它部分，诸如，实心金属末端11、另一连接器块123或用于放电到地面的引下线。

转子叶片表面本身由多个不同的层14、16构成。对于转子叶片表面的该部分，最外层是金属箔部件14。在该示例中，金属箔部件14被夹在两层玻璃纤维之间。为了实现其作为用于互连多个雷电接收器单元12的导电层的功能，重要的是金属箔部件14与雷电螺栓121电接触。优选地，雷电螺栓头的较大的表面积，而不仅仅是雷电螺栓轴的周向面积，与金属箔部件14电接触，以便提供可靠且坚固的电连接。

在金属箔部件14上设置雷电螺栓接收器141，用于接收雷电螺栓121。在该示例实施方式中，雷电螺栓接收器141包括两个导电环形盘。这些盘的中心的孔为雷电螺栓121提供了通道，以使其朝向连接器块123延伸穿过金属箔部件14。在图2中，导电盘中的外部导电盘被示出成与雷电螺栓头接触，这提供金属箔部件14与连接器块123之间的所期望的电连接。另一盘的功能主要是提供附加的结构支持。因此，在该示例中，如果第二盘由非导电材料制成将不是问题。

在金属箔部件14的顶部上，设置了一组结构叶片部件16，在树脂注入和固化处理期间，金属箔部件14可以与该结构叶片部件集成。如在风力涡轮机转子叶片设计领域的技术人员所知，结构叶片部件16可以包括另外的织物层、泡沫芯部分等。连接器块123被附接(例如，粘着地结合)至固化的壳的顶部上。优选地，粘合剂还用作绝缘构件，以便防止雷电直接击中连接器块123而不是经由金属箔部件14或雷电螺栓121。导电块123和电缆15一起被封装在电绝缘材料32(诸如，聚氨酯)中。

在安装了连接器块123之后，操作员从叶片外侧钻孔到叶片表面中并穿过雷电螺栓接收器141。该孔直接延伸到连接器块123中，然后设置有螺纹。然后，该孔用于接收雷电螺栓121并将其拧入螺纹中。操作员的实际问题是转子叶片表面不透明。在将连接器块123附接到转子叶片表面时，操作员无法看到雷电螺栓接收器141的确切位置。当穿过雷电螺栓接收器141钻孔时，操作员无法看到连接器块123的确切位置。即使当连接器块123与雷电螺栓接收器141完美对齐时，以错误的角度钻孔仍可能致使钻头部分地或完全错过连接器块123的接合表面124上的预期着落点。

图3示出了根据本发明的示例性接收器装置12的立体图。接收器装置12的核心元件是由导电材料(诸如，黄铜、铜或其它金属或金属合金)制成的连接器块123。电缆15(也称为引下线15)连接到连接器块123，用于将连接器块电联接到其它连接器块123、实心金属末端11或雷电保护系统的最终将允许将雷电释放到地面其它导电元件。可以提供电缆连接器31以将电缆15牢固地连接到连接器块123。如图1所示，大多数连接器块123具有上游电缆连接部和下游电缆连接部。因为连接器块123本身是导电的，所以独立的电缆段可以仅连接到连接器块123的上游侧或下游侧。然而，为了获得最佳的电连接，优选地，电缆15更深地进入到连接器块123中。在该示例中，提供了一个内孔125(参见图4至图6)，用于接收上游电缆端和下游电缆端，这些电缆端端在孔125的中间位置汇合。另选地，一根较长的电缆15可以完全延伸穿过连接器块123中的内孔，但是这需要将连接器块123构造成两个独立的工件，该两个独立的工件接合在一起以围绕电缆15。至少在内孔内，电缆15从其电绝缘层剥离，以允许电缆15与连接器块123的导电材料之间的直接电接触。电缆15在孔125内的紧密配合可以进一步有助于获得可靠的电连接。当单独的电缆15从各个位置进入连接器块123时，可以通过将电缆15拧入孔125中来获得紧密配合。

在连接器块123(在该图中)的上表面的顶部上，设置了铠装板(armour plate)122。铠装板122用作屏蔽部件，当为雷电螺栓121钻孔时，保护内孔125和设置在其中的电缆15不被损坏。铠装板由硬质材料制成，优选具有使用ASTM C1327-15(先进陶瓷的维氏压痕硬度标准测试方法)测量的在1200kgf/mm²至2000kgf/mm²(11.8GPa至19.6GPa)之间的硬度。例如，可以使用维氏硬度为1650kgf/mm²(16.2GPa)的陶瓷。为了有效地屏蔽连接器块123及其相关的相关功能组件，需要使铠装板122比用于钻孔的钻头更硬。对于上述维氏硬度值，预计对于大多数常用钻头来说，是这种情况。铠装板122可以具有大约0.5mm的厚度，但是也可以使用更厚的铠装板。铠装板122优选地是不导电的，以便避免电弧问题和电腐蚀。适用于在铠装板122中使用的示例性陶瓷材料是硅酸铝。在其它示例中，铠装板可以由硬化钢形成。

导电块123、屏蔽部件122和电缆连接器31一起被封装在电绝缘材料32(诸如，聚氨酯)中。绝缘材料32不仅可以用于防止与转子叶片的其它部件的不期望的电联接，而且可以另外地用于改进与转子叶片的附接和转子叶片内侧的对齐。

图4示意性地示出了图3的接收器装置12的一部分的俯视图。在该图中，为简单起见未示出绝缘材料32。除了已经在图3中示出和参照图3描述的特征之外，在此还(以虚线)指示了内孔125。连接器块123的顶表面是将面向转子叶片内表面的表面，并且因此是当穿过转子叶片到连接器块123中钻孔时钻头将与之接合的表面。在接合表面124上利用虚线指示用于钻孔进入的优选区域41。当钻头撞击铠装板122时，操作员将注意到他正在错误的位置钻孔，并且可以重新定位钻头以进行新的尝试。如果雷电螺栓121也将从相对的转子叶片表面连接到该连接器块123，则相似或相同的铠装板122可以附接在连接器块123的底面上的对应位置处。

图5示意性地示出了根据本发明的第二示例性接收器装置12的一部分的俯视图。与图3和图4所示的实施方式相比，该实施方式中的铠装板152还覆盖并由此保护电缆连接器和连接器块123的边缘。尽管铠装板152被示出成由一个工件制成，但是当然可以使用多个屏蔽部件来获得相似的屏蔽。屏蔽连接器块边缘的一个重要优点是，其确保钻出的孔完全落在连接器块123内，并允许雷电螺栓121的牢固附接。屏蔽电缆连接器具有相同的优点，并另外保护电缆连接器不受钻孔损坏。

如果雷电螺栓121也将从相对的转子叶片表面连接到该连接器块123，则相似或相同的铠装板152可以附接在连接器块123的底面上的对应位置处。

图6示意性地示出了根据本发明的第三示例性接收器装置12的一部分的俯视图。在该示例中，主铠装板122与图3的铠装板122相似或相同。除此之外，与主铠装板122相同或相似材料的前铠装板163和两个侧铠装板164附接到连接器块123的前表面和侧表面。前铠装板163和侧铠装板164可以是例如仅覆盖连接器块123的前表面和侧表面的简单平板，或者它们可以具有L形或U形轮廓以也覆盖连接器块123的上表面和/或底表面的一部分。类似前面，如果雷电螺栓121也从相对的转子叶片表面连接到该连接器块123，则相似或相同的铠装板122可以附接在连接器块123的底面上的对应位置处。

Claims

1. 一种风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置（12），所述接收器装置（12）包括：

导电块（123），所述导电块（123）在使用中形成雷电保护系统的接收器元件（121）与所述雷电保护系统的引下线（15）之间的电桥，所述导电块（123）包括第一接合表面（124），所述第一接合表面（124）在使用中接收所述接收器元件（121），以及

成铠装板形式的屏蔽部件（122），所述屏蔽部件（122）覆盖所述导电块（123）的所述第一接合表面（124）的一部分，同时留出用于接收所述接收器元件（121）的开放面积，

其中，所述屏蔽部件（122）还被布置成至少部分地覆盖所述导电块（123）与所述引下线（15）之间的连接部，并且

其中，所述导电块（123）包括用于在其中接收所述引下线（15）的内孔（125），并且，所述屏蔽部件（122、152）与所述内孔（125）对齐。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置（12），其中，所述导电块（123）包括与所述第一接合表面（124）相对的第二接合表面（124），并且其中，所述屏蔽部件（122、152）进一步被布置成覆盖所述第二接合表面（124）的一部分。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置（12），其中，所述屏蔽部件（122、152）被配置成覆盖至少所述第一接合表面（124）的边缘区域。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置（12），其中，所述第一接合表面（124）包括用于接收所述接收器元件的中心区域（41）和围绕所述中心区域（41）的多个边缘区域，并且其中，所述屏蔽部件（122、152）仅设置在所述边缘区域中。

5.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置（12），其中，所述屏蔽部件（122、152）与所述导电块（123）接触。

6.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置（12），其中，所述导电块（123）和所述屏蔽部件（122、152）一起被封装在电绝缘材料中。

7.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置（12），其中，所述屏蔽部件（122、152）由非导电材料制成。

8.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置（12），其中，所述屏蔽部件（122、152）由具有至少1200 kgf/mm²的硬度的材料制成。

9.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置（12），其中，所述屏蔽部件（122、152）由具有至多2000 kgf/mm²的硬度的材料制成。

10.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置（12），其中，所述屏蔽部件（122、152）由陶瓷制成。

11.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片雷电接收器装置（12），其中，所述屏蔽部件（122、152）由硅酸铝制成。

12.一种风力涡轮机转子叶片，所述风力涡轮机转子叶片包括雷电保护系统，所述雷电保护系统包括引下线（15）和至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的接收器装置（12）。

13.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括根据权利要求1至11中的任一项所述的接收器装置（12）或根据权利要求12所述的风力涡轮机转子叶片。