CN114837879A - 用于风力涡轮机的叶片 - Google Patents

Abstract

一种用于风力涡轮机的叶片，包括：从叶片末梢纵向延伸到叶片根部的后缘和前缘；防雷系统，其具有处于叶片末梢上用于接收闪电的至少一个闪电接收器及用于将闪电接收器接收到的闪电流传导至叶片根部的至少一个闪电引下线；以及防结冰系统，其具有沿前缘布置的导电层，该导电层具有定向到叶片末梢的第一端和定向到叶片根部的第二端，以及该第一端上的第一连接端子和该第二端上的第二连接端子，以用于将所述层与供电单元连接，第一连接端子与闪电引下线连接，其中，第一连接端子部分地接触所述层，并且具有连接到所述层的后部段和朝向叶片末梢纵向延伸的前部段。

Description

用于风力涡轮机的叶片

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的叶片，具体而言，涉及包括防结冰系统和防雷系统的叶片。

背景技术

具有防结冰系统和防雷系统的用于风力涡轮机的叶片在本领域中是已知的。考虑到风力涡轮机并且特别是这些涡轮机的叶片具有很高的概率被闪电击中，因此有必要为叶片配备防雷系统，以便最小化闪电在叶片中、特别是在叶片中和/或风力涡轮机中包含的电气元件中的影响。

另一方面，已知包括导电层的叶片，该导电层整合到叶片的壳体结构中、特别是叶片的前缘中，以用于防止不利地影响风力涡轮机的效率的冰的形成。

叶片中的防结冰系统的存在也可能会影响防雷系统的效率。此外，导电层可能会吸引闪电并且因此损伤叶片，特别是在包括叶片的大约最后五米的叶片末梢区域上，并且主要是在导电层的更靠近叶片末梢的端部上。导电层的损伤可能导致防结冰系统的性能受限或完全失效。减少由于雷击导致的导电层的损伤的解决方案在本领域中是已知的，例如WO2018/095649A1。

WO2018/095649A1描述了一种用于风力涡轮机的叶片，该叶片包括：从叶片末梢纵向延伸到叶片根部的后缘和前缘；防雷系统，其具有布置在叶片末梢上的用于接收闪电的闪电接收器和用于将闪电接收器接收到的闪电流传导至叶片根部的闪电引下线；以及防结冰系统，其具有沿前缘布置的导电层，该导电层具有定向到叶片末梢的第一端和定向到叶片根部的第二端，以及放置在导电层的第一端上的第一连接端子和放置在导电层的第二端上的第二连接端子，以用于将导电层与供电单元电连接，并且因此加热导电层以便防止结冰。导电层的第一连接端子与闪电引下线电连接，使得其电位均衡，从而最大限度地减少了雷击的损伤。该叶片具有布置在叶片末梢区域上的若干个闪电接收器，以用于吸引闪电并保护防结冰系统的导电层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种如权利要求中限定的用于风力涡轮机的叶片。

本发明的一个方面涉及一种用于风力涡轮机的叶片，所述叶片包括：从叶片末梢纵向延伸到叶片根部的后缘和前缘；防雷系统，其具有布置在叶片末梢上用于接收闪电的至少一个闪电接收器以及用于将闪电接收器接收到的闪电流传导至叶片根部的至少一个闪电引下线；以及防结冰系统，其具有沿前缘布置的导电层，所述导电层具有定向到叶片末梢的第一端和定向到叶片根部的第二端，以及放置在导电层的第一端上的第一连接端子和放置在导电层的第二端上的第二连接端子，以用于将导电层与供电单元电连接，导电层的第一连接端子与闪电引下线电连接，其中，所述第一连接端子部分地接触所述导电层，并且具有连接到所述导电层的后部段和朝向叶片末梢纵向延伸的前部段。

因此，导电层的第一连接端子朝向叶片末梢加大尺寸，以吸引闪电，并且因此防止其直接雷击到导电层上，从而避免导电层损伤。此外，加大尺寸的第一连接端子被布置在叶片末梢区域上，并且允许减少需要布置在叶片末梢区域上以用于吸引闪电并保护防结冰系统的导电层的闪电接收器的数量。与在叶片末梢区域上放置闪电接收器相比，该加大尺寸的第一连接端子更便宜并且需要不那么复杂的制造过程。

鉴于本发明的附图和详细描述，本发明的此一和其他优点和特征将变得显而易见。

附图说明

图1示出了根据现有技术的包括防雷系统和防结冰系统的用于风力涡轮机的叶片。

图2示出了根据本发明的包括防雷系统和防结冰系统的用于风力涡轮机的叶片。

图3示出了图2的叶片的叶片末梢区域的放大视图。

图4至图7示出了叶片的其他实施例的放大视图。

图8示出了部分地接触导电层的第一连接端子的示意图，并且图示了两种元件之间的比较尺度。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的用于风力涡轮机的叶片1，该叶片1包括防雷系统10和防结冰系统20。叶片1具有从叶片末梢4纵向延伸到叶片根部5的后缘2和前缘3。虚线表示叶片1的轮廓。

防雷系统10包括布置在叶片末梢4上用于接收闪电的闪电接收器11和用于将闪电接收器11接收到的闪电流传导至叶片根部5的闪电引下线12。闪电流从叶片根部5通过轮毂（未示出）传导至接地端子。

防结冰系统20包括导电层21，该导电层21沿前缘3布置，并且具有定向到叶片末梢4的第一端22和定向到叶片根部5的第二端23。防结冰系统20还包括放置在导电层21的第一端22上的第一连接端子24和放置在导电层21的第二端23上的第二连接端子25，以用于将导电层21与供电单元（图1中未示出）电连接，并用于加热导电层21。

导电层21是包含导电材料（例如，碳纤维）的加热垫，以用于对形成到叶片1上的冰进行除冰。所述导电层21吸引可能损伤叶片1的闪电，因此导电层21的第一连接端子24与闪电引下线12电连接，从而确保了防结冰系统20和防雷系统10的等电位。叶片1还包括布置在叶片1的后缘2上的其他闪电接收器13，以防止闪电击中导电层21。然而，大部分雷击发生在导电层21的更靠近叶片末梢4的第一端22处，这是由于该点处的电场增强，并且叶片末梢4的闪电接收器11和后缘2的其他闪电接收器13没有适当地防止在所述点发生闪电。为了保护导电层21，需要在叶片末梢区域上放置若干个闪电接收器，这增加了叶片的成本和复杂的制造工艺。

图2示出了根据本发明的用于风力涡轮机的叶片1。叶片1与上面在图1中描述的叶片1相同，但是具有第一连接端子24，该第一连接端子24朝向叶片末梢4加大尺寸（oversized），以吸引闪电，并且因此防止其直接雷击到导电层21的第一端22上。

如图3中详细地示出的，第一连接端子24部分地接触导电层21，并且具有连接到导电层21的后部段241和朝向叶片末梢4纵向延伸的前部段242。前部段242靠近闪电可能直接击中的叶片末梢4形成导电区块，从而防止其雷击到导电层21的第一端22上。如上所述，第一连接端子24与闪电引下线12电连接，因此第一连接端子24作为闪电接收器。第一连接端子24通过导体28与闪电引下线12电连接。

图4示出了图2和图3中所示的叶片的另一个实施例。优选地，叶片1还包括在叶片1的后缘2上的与第一连接端子24平行布置的另一个闪电接收器14。如上面所解释的，第一连接端子24作为前缘3上的闪电接收器，从而防止雷击到导电层21上，但是闪电可能会在后缘2上在与放置导电层21的第一端22的位置相对的部分上击中，因此另一个闪电接收器14被放置在后缘2的所述区域上。

图5至图7示出了第一连接端子24、导电层21以及与闪电引下线12的电连接的其他实施例。所述实施例示出了布置在叶片的后缘2上的其他闪电接收器14；然而，所述闪电接收器14对于防止雷击到前缘3的导电层21上并不是必要的，如图3中所述。

如图3和图4的实施例中所示，第一连接端子24与闪电引下线12电连接，并且第二连接端子25与供电线27电连接，闪电引下线12和供电线27被连接到供电单元。在所述情况下，闪电引下线12作为供电线，以用于加热导电层21。

可替代地，如图5的实施例中所示，第一连接端子24与第一供电线26电连接，并且第二连接端子25与第二供电线27电连接，供电线26和27被连接到供电单元，并且第一供电线26通过浪涌保护装置15连接到闪电引下线12。在这种情况下，闪电引下线12不作为用于加热导电层21的供电线，并且导电层21具有用于加热层21的独立的供电线。浪涌保护装置15在由于雷击而发生浪涌时保护防结冰系统20，从而减少通过电源线26和27的电流。

浪涌保护装置15作为在浪涌的短时间期间闭合的开关，即当不超过特定电压时，其作为断开的开关，从而阻止电流通过，并且当超过特定电压时，其作为闭合的开关。当超过指定电压时，过电压电流可经由闪电引下线12或经由供电线26和27流到地面。该电路仅持续浪涌的持续时间，通常为几微秒多达几毫秒。浪涌保护装置15可基于火花隙技术或压敏电阻技术（MOV）或者用于限制导体之间的电压差的任何其他已知的合适装置。

图6和图7的实施例等同于上述图5，但示出了导电层21，该导电层21包括与第二件212平行布置的第一件211，每一件211和212被布置在前缘3的一侧处。

通常，用于风力涡轮机的叶片1被制造成两件。该叶片包括上壳体和下壳体，它们在真空灌注过程中独立构建，并且其后它们被组装以获得叶片1。因此，为了简化制造过程，第一件211被布置在叶片1的上壳体上，并且第二件212被设置在叶片1的下壳体上。

图6和图7的实施例进一步示出了第一连接端子24，其包括：第一部分243，其布置在前缘3的一侧处，并且部分地接触导电层21的第一件211；以及第二部分244，其布置在前缘3的另一侧处，并且部分地接触导电层21的第二件212。第一连接端子24的第一部分243通过第一导体281与闪电引下线12电连接，并且第一连接端子24的第二部分244通过第二导体282与闪电引下线12电连接。每个部分243和244都具有连接到导电层21的后部段241和朝向叶片末梢4纵向延伸的前部段242。

第一导体281和第二导体282与第一供电线26电连接，并且闪电引下线12通过浪涌保护装置15与第一供电线26电连接。第一导体281和第二导体282可以是供电线26的延伸。

具有带有两件211和212的导电层21可将雷击改变到连接端子24上，并且因此，第一导体281和第二导体282允许闪电引下线12上的平衡电流注入，从而避免电弧。

图6的实施例示出了一第一连接端子24，其是具有第一部分243和第二部分244的单件式端子，而图7的实施例示出了一第一连接端子24，其是具有第一部分243和第二部分244的两件式端子。该后一种解决方案简化了叶片1的制造，该叶片1制造成两部分，通常为上壳体和下壳体。

导电层21是包含双轴碳纤维织物的加热垫，并且被整合到叶片1的壳体中或者被放置到壳体上（在被前缘3分隔的上壳体和下壳体的两侧处）。例如，导电层21为具有碳双轴纤维的复合板，该碳双轴纤维具有100-600 g/m²的密度。导电层21可在壳体的制造期间获得，并且因此是壳体的一部分，或者可在获得壳体后被放置到壳体的表面上。

如图中所呈现的，导电层21是沿叶片1的前缘3从叶片末梢4延伸到叶片根部5的单加热垫，并且例如占据前缘3的大约2/3部分（2/3 parts）。可替代地，导电层21具有沿叶片1的前缘3延伸的两个或更多个加热垫；在所述情况下，每个加热垫在其端部处具有用于接收供电的连接端子，但是根据本发明，仅需要布置在叶片末梢区域上的第一加热垫的第一连接端子24加大尺寸。

如图中所示，端子24和25被放置在导电层21的端部22和23处，但是它们也可靠近端部22和23放置。例如，虽然根据本发明，第一端子24需要布置在第一端22上尽可能靠近叶片末梢4，但第二端子25不需要正好放置在第二端23上，并且可靠近所述第二端23放置。

如图中所示，连接端子24和25具有与导电层21的形状相似的形状。连接端子24和25以及导电层21具有矩形形状。优选地，连接端子24和25是扁平连接端子。更优选地，连接端子24和25是扁平金属片。

供电线26和27是用于将供电从叶片根部5传输到连接端子24和25的标准低压线。代替线材，可使用其他扁平或网状金属导体。连接器28以及第一导体281和第二导体282优选地是标准低压线。

附图示出了单个闪电引下线12，然而，也可使用多个闪电引下线，在所述情况下，每个闪电引下线被电连接到如上所述的导电层21。

供电线26和27以及闪电引下线12被布置在叶片1的壳体内。线26和27以及导体（引下线）12被布置到壳体的内表面上，或者被布置在壳体内，例如布置到抗剪腹板上。另一方面，导电层21的端子24和25被放置在壳体内或放置到壳体的外表面上，因此导电元件29被布置在第一连接端子24的后部段241上，以将电流从端子24传输到闪电引下线12或者传输到第一供电线26和闪电引下线12。第二连接端子25还具有另一个导电元件29，以将电流从端子25传输到第二供电线27（参见图8）。所述导电元件优选地由铜、黄铜或铝制成。

技术人员将注意到，第一连接端子24的前部段242越长，离叶片末梢4就将越近，并且其将越好地吸引闪电，但是为了降低成本，申请人通过实验验证了，当使用第一连接端子24的特定尺度（measure）时，第一连接端子24适当地吸引闪电。参见图8。

第一连接端子24的前部段242从导电层21的第一端22纵向延伸介于200-1.500 mm之间的长度“a”。该长度允许闪电雷击到远离导电层21的第一端22的连接端子24上。将导电层21与第一连接端子24连接的第一连接端子24的后部段241具有至少30 mm的长度“d”。层21与端子24重叠的该最小长度“d”保证了第一连接端子24与导电层21之间的适当电传输。

更优选地，第一连接端子24具有的宽度“b”等于或大于导电层21的宽度“c”。使第一连接端子24的宽度“b”大于导电层21的宽度“c”允许第一连接端子24从导电层21横向突出，因此导电元件29被放置在第一连接端子24的后部段241上，以用于通过导体28将导电层21的第一端22与闪电引下线12或第一供电线26电连接。关系b/c>1还允许连接端子24吸附雷击（attach lightning strikes）的更好的性能。

不期望使第一连接端子24的宽度“b”小于导电层21的宽度“c”，因为在端子24和导电层21之间可能发生电流注入问题。在任何情况下，第一连接端子24的宽度“b”可通过增大第一连接端子24的前部段242的长度“a”来减小。

第一连接端子24的长度“a”和“d”平行于叶片1的纵向轴线，该纵向轴线从叶片末梢4纵向延伸至叶片根部5。长度“a”从导电层21的第一端22朝向叶片末梢4延伸至连接端子24的前端。长度“d”从导电层21的第一端22朝向叶片根部5延伸至连接端子24的后端，因此导电层21与第一连接端子24的后部段241重叠。

第一连接端子24的宽度“b”和导电层21的宽度“c”横向于叶片1的纵向轴线。

连接端子24具有介于100 µm至1000 µm之间的厚度。

根据一个优选实施例，第一连接端子24是具有500mm的长度“a”、700mm的宽度“b”、50 mm的长度“d”和0.15mm的厚度的矩形金属片。导电层21是具有600mm的宽度“c”和0.3 mm的厚度的矩形加热垫。

Claims (13)

1.一种用于风力涡轮机的叶片，包括：从叶片末梢（4）纵向延伸到叶片根部（5）的后缘（2）和前缘（3）；防雷系统（10），其具有布置在所述叶片末梢（4）上用于接收闪电的至少一个闪电接收器（11）以及用于将所述闪电接收器（11）接收到的闪电流传导至所述叶片根部（5）的至少一个闪电引下线（12）；以及防结冰系统（20），其具有沿所述前缘（3）布置的导电层（21），所述导电层（21）具有定向到所述叶片末梢（4）的第一端（22）和定向到所述叶片根部（5）的第二端（23），以及放置在所述导电层（21）的所述第一端（22）上的第一连接端子（24）和放置在所述导电层（21）的所述第二端（23）上的第二连接端子（25），以用于将所述导电层（21）与供电单元电连接，所述导电层（21）的所述第一连接端子（24）与所述闪电引下线（12）电连接，其特征在于，所述第一连接端子（24）部分地接触所述导电层（21），并且具有连接到所述导电层（21）的后部段（241）和朝向所述叶片末梢（4）纵向延伸的前部段（242）。

2. 根据权利要求1所述的叶片，其中，所述第一连接端子（24）的所述前部段（242）从所述导电层（21）的所述第一端（22）纵向延伸介于200-1.500 mm之间的长度（a）。

3. 根据权利要求2所述的叶片，其中，将所述导电层（21）与所述第一连接端子（24）连接的所述第一连接端子（24）的所述后部段（241）具有至少30 mm的长度（d）。

4.根据任一前述权利要求所述的叶片，其中，所述第一连接端子（24）具有的宽度（b）等于或大于所述导电层（21）的宽度（c）。

5.根据任一前述权利要求所述的叶片，还包括在所述叶片（1）的所述后缘（2）上的与所述第一连接端子（24）平行布置的另一个闪电接收器（14）。

6.根据任一前述权利要求所述的叶片，其中，所示第一连接端子（24）与所述闪电引下线（12）电连接，并且所述第二连接端子（25）与供电线（27）电连接，所述闪电引下线（12）和所述供电线（27）被连接到所述供电单元。

7.根据任一前述权利要求1至5所述的叶片，其中，所述第一连接端子（24）与第一供电线（26）电连接，并且所述第二连接端子（25）与第二供电线（27）电连接，所述供电线（26、27）被连接到所述供电单元，并且所述第一供电线（26）通过浪涌保护装置（15）连接到所述闪电引下线（12）。

8.根据任一前述权利要求所述的叶片，其中，所述导电层（21）包括与第二件（212）平行布置的第一件（211），每一件（211、212）被布置在所述前缘（3）的一侧处。

9.根据权利要求8所述的叶片，其中，所述第一连接端子（24）包括布置在所述前缘（3）的一侧处并部分地接触所述第一件（211）的第一部分（243），以及布置在所述前缘（3）的另一侧处并部分地接触所述第二件（212）的第二部分（244），所述第一部分（243）通过第一导体（281）与所述闪电引下线（12）电连接，并且所述第二部分（244）通过第二导体（282）与所述闪电引下线（12）电连接。

10.根据权利要求9所述的叶片，其中，所述第一导体（281）和所述第二导体（282）与所述第一供电线（26）电连接，并且所述闪电引下线（12）通过所述浪涌保护装置（15）与所述第一供电线（26）电连接。

11.根据权利要求9或10所述的叶片，其中，所述第一连接端子（24）是具有所述第一部分（243）和所述第二部分（244）的单件式端子。

12.根据权利要求9或10所述的叶片，其中，所述第一连接端子（24）是具有所述第一部分（243）和所述第二部分（244）的两件式端子。

13.根据任一前述权利要求所述的叶片，还包括导电元件（29），所述导电元件（29）被布置在所述第一连接端子（24）的所述后部段（241）上，以将电流从所述第一连接端子（24）传输到所述闪电引下线（12）。

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