CN114930015A - 风力涡轮机转子叶片的等电位联结 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有叶片外壳的风力涡轮机转子叶片，该叶片外壳具有大体翼弦方向铺设的纤维层片以及大体翼展方向的翼梁帽。避雷器在所述翼梁帽上延伸，并且该翼梁帽包括导电材料。等电位联结部件将避雷器电联结至翼梁帽。等电位联结部件在一个纤维层片叠层的外侧边缘与相邻纤维层片叠层的内侧边缘之间延伸，这些边缘重叠以限定重叠边缘区域。

Description

风力涡轮机转子叶片的等电位联结

技术领域

本发明涉及风力涡轮机转子叶片(wind turbine rotor blade)，并且特别地，涉及风力涡轮机转子叶片内的等电位联结(equipotential bonding)，并且涉及制造风力涡轮机转子叶片的方法。

背景技术

风力涡轮机将风的动能转换成电能。发电机将由具有一个或更多个转子叶片的转子捕获的风能转换成通常被供应给公用电网的电能。发电机与为操作和优化风力涡轮机性能所需的各种组件一起被容纳在机舱中。塔支承由机舱和转子提供的载荷。在水平轴线风力涡轮机(HAWT)中，转子叶片从中心轴毂径向向外延伸，该中心轴毂绕大体水平对准的纵向轴线旋转。在运行中，叶片被配置成与经过的空气流相互作用从而产生升力，该升力使转子在基本上垂直于风的方向的平面内旋转。

常规的转子叶片是由外壳和翼梁结构制成的。翼梁结构用于将载荷从旋转叶片传递至风力涡轮机的轴毂。这种载荷包括由叶片的圆周运动引起的沿着叶片的长度定向的拉伸载荷和压缩载荷、以及由风引起的沿着叶片的厚度(即，从叶片的迎风侧到背风侧)定向的载荷。翼梁结构包括在翼梁帽(spar cap)之间延伸的一个或更多个抗剪腹板。翼梁帽可以被结合到外壳中或者可以被附接至外壳。

翼梁帽可以包括拉挤型纤维材料条。拉挤成型是类似于挤压(extrusion)的连续工艺，其中，将纤维拉过液态树脂源，然后在树脂被固化的开放室中进行加热。最终所得的固化纤维材料具有恒定的横截面，但由于该工艺是连续的，因此材料一旦形成就可以切割成任意长度。

WO 2013/087078描述了一种具有延长增强结构的风力涡轮机叶片，该延长增强结构包括拉挤型纤维复合条的叠层。拉挤型纤维是碳纤维，并且从根部到末端几乎延伸叶片的整个长度。

在过去几年中，风力涡轮机行业的总体趋势是将风力涡轮机叶片制造得更长。叶片越长，转子越大，可以捕获的风能就越多，从而提高单独风力涡轮机的效率。

风力涡轮机容易受到雷击。风力涡轮机通常包括将风力涡轮机组件电联接至地的防雷系统。叶片并且特别是叶片末端特别容易受到雷击。叶片可以包括靠近叶片的外表面被结合到外壳中的金属箔或表面保护层(SPL)。金属箔可以仅覆盖一部分或基本上全部的叶片外表面。另外地或者另选地，防雷系统可以包括一个或更多个分立的接闪器。叶片上的金属箔和/或接闪器都通过塔和机舱电连接至地。

尽管雷击因其高频率而具有沿着结构(诸如转子叶片)的外表面前进的自然趋势，但是当雷击发生时，叶片外壳中的导电纤维的存在可能导致不希望的放电，这可能导致叶片外壳的损坏。在导电纤维是连续的并且沿着转子叶片的实质长度延伸的情况下，尤其是对于长叶片而言，这个问题可能加剧。

发明内容

提供了一种具有叶片外壳的风力涡轮机转子叶片，该叶片外壳具有大体翼弦方向铺设的纤维层片(fibre pile)以及大体翼展方向的翼梁帽。避雷器在所述翼梁帽上延伸，并且该翼梁帽包括导电材料。等电位联结部件将避雷器电联结至翼梁帽。等电位联结部件在一个纤维层片叠层的外侧边缘与相邻纤维层片叠层的内侧边缘之间延伸，这些边缘重叠以限定重叠边缘区域。

特别地，本发明的第一方面提供了一种具有根端和末端的风力涡轮机转子叶片，该风力涡轮机转子叶片包括：风力涡轮机叶片外壳，该风力涡轮机叶片外壳限定叶片的吸入侧、压力侧、前缘、以及后缘；至少一个翼梁帽，所述至少一个翼梁帽与叶片外壳相关联并且包括导电材料；避雷器；以及等电位联结部件，该等电位联结部件将避雷器电联结至翼梁帽，其中，叶片外壳包括多个纤维层片叠层，各个纤维层片叠层皆具有朝向叶片的根端的内侧边缘、朝向叶片的末端的外侧边缘、朝向叶片的前缘的前侧边缘、以及朝向叶片的后缘的后侧边缘；其中，等电位联结部件在一个叠层的外侧边缘与相邻叠层的内侧边缘之间延伸，这些边缘重叠以限定跨翼梁帽延伸的重叠边缘区域。

本发明可以利用纤维层片叠层的翼弦方向铺设来为等电位联结部件提供从避雷器到翼梁帽的路线。

等电位联结部件可以具有第一端，该第一端被附接至避雷器并且与该避雷器电接触；以及第二端，该第二端被附接至翼梁帽并且与该翼梁帽电接触。

翼梁帽可以具有外侧、以及最靠近叶片的内部的内侧，并且可以将等电位联结部件附接至翼梁帽的外侧，并且与该翼梁帽的外侧电接触。

等电位联结部件可以是条或带，优选地包括被编织成织物的导电线或者纱。

等电位联结部件可以被附接至避雷器以及翼梁帽，等电位联结部件限定和避雷器的附接点与翼梁帽之间的路径，该路径沿仅远离附接点而且也不朝向该附接点返回的方向从避雷器延伸至翼梁帽。

翼梁帽可以包括导电材料层的叠层，优选为碳纤维材料、优选为拉挤型碳纤维复合材料。

翼梁帽可以具有用于显露导电材料的磨蚀部分，其中，该等电位联结部件被附接至翼梁帽并且与该翼梁帽电接触。

可以将翼梁帽的所述层中的至少一个层在其至少一端处进行斜切，使得所述层的厚度朝向至少一端渐缩。

翼梁帽的最靠近避雷器的层在所述层的面朝避雷器的同一侧上可以具有斜切端和磨蚀部分。

叶片外壳的纤维层片叠层可以包括玻璃纤维材料。

叶片外壳的纤维层片叠层的前侧边缘可以处于叶片的前缘处或与叶片的前缘相邻，并且该纤维层片叠层的后侧边缘可以处于叶片的后缘处或与叶片的后缘相邻。

叶片外壳的各个纤维层片叠层皆可以作为预成型件来设置。

相邻纤维层片叠层的重叠边缘可以通过连续地终止所述叠层中的单独层以形成阶梯或斜坡来形成。

避雷器可以是防雷系统的金属箔。

避雷器可以是叶片的外表面。

风力涡轮机转子叶片还可以包括多个等电位联结部件。

多个等电位联结部件可以在一个叠层的外侧边缘与相邻叠层的内侧边缘之间延伸。

多对相邻叠层可以沿着叶片在翼展方向上间隔开，并且可以具有在所述对相邻叠层中的一个叠层的外侧边缘与相邻叠层的内侧边缘之间延伸的等电位联结部件中的至少一个等电位联结部件。

避雷器和等电位联结部件可以一体地形成。

本发明的另一方面提供了一种制造具有根端和末端的风力涡轮机转子叶片的方法，所述方法包括以下步骤：铺设风力涡轮机叶片的外壳，该外壳限定叶片的吸入侧、压力侧、前缘、以及后缘，该外壳包括多个纤维层片叠层以及避雷器，各个纤维层片叠层皆具有朝向叶片的根端的内侧边缘、朝向叶片的末端的外侧边缘、朝向叶片的前缘的前侧边缘、以及朝向叶片的后缘的后侧边缘；铺设翼梁帽，使得避雷器在翼梁帽上方延伸，其中，翼梁帽包括导电材料；以及设置等电位联结部件，以将避雷器电联结至翼梁帽，该等电位联结部件在一个叠层的外侧边缘与相邻叠层的内侧边缘之间延伸，这些边缘重叠以限定跨翼梁帽延伸的重叠边缘区域。

叶片外壳的各个纤维层片叠层皆可以作为预成型件铺设在模具中，并且所述方法还可以包括以下步骤：利用树脂灌注预成型件并进行固化。

等电位联结部件可以在被铺设之前附接至叶片外壳的所述纤维层片叠层中的一个纤维层片叠层。

避雷器和等电位联结部件可以一体地形成，并且避雷器和等电位联结部件可以在被铺设之前附接至叶片外壳的所述纤维层片叠层中的一个纤维层片叠层。

附图说明

现在将参照附图对本发明的实施方式进行描述，其中：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了风力涡轮机叶片；

图3示出了具有防雷特征的风力涡轮机叶片的示意性平面图；

图4a示出了图3中的沿着A-A截取的中空叶片的截面图；并且图4b示出了图4a中的B处的外壳、翼梁帽以及抗剪腹板的细节图；

图5示出了外壳在模具中的翼弦方向铺设的示意图；

图6示出了外壳的层片叠层的示意性翼展方向截面，示出了这些层片叠层的重叠边缘；

图7示出了外壳的一对相邻的层片叠层的示意性翼展方向截面，其中，等位联结部件通过这些层片叠层的重叠边缘从表面保护层延伸至翼梁帽；

图8示出了第一示例，其中，等电位联结部件被铺设在层片叠层之间，并且在一端直接接触表面保护层，而在另一端直接接触翼梁帽；

图9示出了第二示例，其中，等电位联结部件与表面保护层的相应部分一体地形成，并且与外壳的相应层片叠层一起铺设；

图10示出了第三示例，其中，等电位联结部件被铺设在层片叠层之间，并且经由导电垫接触表面保护层；

图11示出了翼梁帽的导电材料层的示意性翼展方向截面，其中，每一端处皆有斜面，并且最下侧层被倒置；

图12示出了外壳的一对相邻的层片叠层的另一示意性翼展方向截面，其中，等位联结部件通过这些层片叠层的重叠边缘从表面保护层延伸至翼梁帽；

图13示出了图12的细节A；以及

图14至图16示出了等电位联结部件的另选布置。

具体实施方式

在本说明书中，使用诸如前缘、后缘、压力面、吸入面、厚度、翼弦(chord)以及平台的术语。虽然这些术语是本领域技术人员所熟知和理解的，但是为了避免疑问，下面给出定义。

术语前缘被用于指叶片的当叶片沿风力涡轮机转子的正常旋转方向旋转时将处于叶片的前部的边缘。

术语后缘被用于指风力涡轮机叶片的当叶片沿风力涡轮机转子的正常旋转方向旋转时将处于叶片的后部的边缘。

叶片的翼弦是在垂直于叶片翼展方向的给定横截面中从前缘到后缘的直线距离。

风力涡轮机叶片的压力面(或迎风面)是前缘与后缘之间的表面，该表面在使用时具有比叶片的吸入面更高的压力。

风力涡轮机叶片的吸入面(或背风面)是前缘与后缘之间的表面，在使用时作用于该表面上的压力将低于压力面的压力。

风力涡轮机叶片的厚度是垂直于叶片的翼弦测得的，并且是在垂直于叶片翼展方向的给定横截面中压力面与吸入面之间的最大距离。

术语翼展方向被用于指从风力涡轮机叶片的根端到叶片的末端的方向，反之亦然。在将风力涡轮机叶片安装在风力涡轮机轴毂上时，翼展方向和径向方向将基本上相同。

垂直于翼展方向和翼弦方向的视图被称为平台视图。该视图是沿着叶片的厚度尺寸来看的。

术语翼梁帽被用于指叶片的纵向的、大体沿翼展方向延伸的增强构件。翼梁帽可以被嵌入叶片外壳中，或者可以被附接至叶片外壳。叶片的迎风侧和背风侧的翼梁帽可以由延伸贯穿叶片的内部中空空间的一个或更多个抗剪腹板来连接。叶片可以在该叶片的迎风侧和背风侧中的每一侧上具有多于一个翼梁帽。翼梁帽可以形成叶片的纵向增强翼梁或支承构件的部分。特别地，第一翼梁帽和第二翼梁帽可以形成沿纵向方向延伸的承载结构的、承载叶片的在拍打方向上弯曲的载荷的部分。

术语抗剪腹板被用于指叶片的纵向的、大体沿翼展方向延伸的增强构件，该增强构件可以将载荷从叶片的迎风侧和背风侧中的一侧传递至叶片的迎风侧和背风侧中的另一侧。

图1示出了风力涡轮机10，该风力涡轮机包括被安装在底座上的塔12以及被设置在塔12的顶端处的机舱14。这里所描绘的风力涡轮机10是陆地风力涡轮机，使得底座被嵌入地面中，但是风力涡轮机10可以是海上发电设备，在该情况下，底座将由合适的海上平台来提供。

转子16经由齿轮箱可操作地联接至被容纳在机舱14内部的发电机(未示出)。转子16包括中心轴毂18以及从中心轴毂18向外突出的多个转子叶片20。应注意，风力涡轮机10是普通类型的水平轴线风力涡轮机(HAWT)，使得转子16被安装在机舱12处，以绕被限定在轴毂18的中心处的基本上水平的轴线旋转。虽然图1所示的示例具有三个叶片，但是本领域技术人员将认识到，其它数量的叶片也是可能的。

当风对着风力涡轮机10吹时，叶片20产生升力，该升力使转子16旋转，这进而使机舱14内的发电机产生电能。

图2例示了供在这种风力涡轮机中使用的风力涡轮机叶片20中的一个风力涡轮机叶片。所述叶片20中的各个叶片皆具有接近轴毂18的根端22以及远离轴毂18的末端24。前缘26和后缘28在根端22与末端24之间延伸，并且所述叶片20中的各个叶片皆具有在叶片20的前缘与后缘之间延伸的相应的空气动力学高压面(即，压力面)和空气动力学低压面(即，吸入面)。

各个叶片皆在根端22附近具有基本上圆形的横截面，这是因为根部附近的叶片必须具有足够的结构性强度，以支承该区段外侧的叶片并且将载荷传递到轴毂18中。叶片20从圆形轮廓过渡至翼型(aerofoil)轮廓，该翼型轮廓从叶片的根端28朝向叶片的“肩部”30移动，该肩部是叶片的、叶片具有最大翼弦的最宽部分。在叶片20的从肩部30延伸至末端24的外侧部分中，该叶片20具有厚度逐渐减小的翼型轮廓。

如图3示意性地示出，叶片20包括一个或更多个接闪器以及一个或更多个雷电“引下线(down conductor)”，它们形成风力涡轮机的防雷系统的部分。接闪器吸引雷击，而引下线将雷击的能量顺着叶片20经由机舱14和塔12传导至地电位。避雷器可以采取多种形式，诸如处于叶片的外表面上的表面金属箔32或者诸如穿过中空叶片内部的电缆38。接闪器可以包括被安装在叶片的外表面上的金属箔32和/或分立的接闪器34，或者例如可以设置与最靠近末端24的叶片形状共形的实心金属末端36或金属涂覆层压件(例如，铜帽)。可以将分立的接闪器34和金属末端36电连接至避雷器。

叶片20的大部分外表面可以覆盖有金属箔32。金属箔32可以充当接闪器、引下线或者两者。引下线可以基本上延伸叶片的整个长度。在叶片20的大部分外表面覆盖有金属箔32的情况下，电缆38可以连接至与叶片的末端24相邻并且与叶片的根端22相邻的金属箔32，而沿着叶片的覆盖有金属箔32的大部分长度没有电缆38。金属箔32可以从根部延伸到末端，在该情况下，不需要电缆38。金属箔32可以沿着叶片的长度分段延伸，并且在金属箔区段之间具有电缆区段。另选地，电缆38可以在金属箔32下方(在叶片内部)延伸，以使电缆38和金属箔32进行并联电连接。另选地，叶片可以在叶片表面上具有更多数量的分立的接闪器，这些接闪器经由基本上沿着叶片的整个长度延伸的引下线电缆进行电连接，而不是具有金属箔。

在叶片20的根端22处，引下线38可以经由电枢布置(armature arrangement)电连接至电荷传递路线，该电荷传递路线经由机舱14或轴毂18以及塔12连接至地电位。因此，这种防雷系统允许将雷电从叶片安全地引导至地电位，从而最小化损坏风力涡轮机10的风险。

如图4a所示，风力涡轮机叶片20包括叶片外壳40。叶片外壳限定了吸入侧(包括吸入面)、压力侧(包括压力面)、前缘、以及后缘。叶片外壳还限定了中空的内部空间42，其中，剪切腹板44在叶片外壳40的上部与下部之间向内延伸。叶片外壳40可以包括两个半壳40a、40b，这两个半壳在被连接在一起(在前缘26和后缘28处)之前被模制以形成叶片20。应意识到，叶片外壳40不需要被形成为随后被连接在一起的两个半壳，而是可以在“一次注射”单壳工艺中与抗剪腹板42共同形成为一体外壳结构。

图4b示出了抗剪腹板44与叶片外壳40相接的区域的细节图。翼梁帽46可以被结合到外壳40中(如图4b所示)，或者可以被附接至外壳40。翼梁帽46是基本上沿着叶片20的整个长度从根端22延伸至末端24的延长增强结构。翼梁帽46包括导电材料，诸如碳纤维。特别地，翼梁帽46包括导电材料层80(如图8所示)。例如，翼梁帽可以包括诸如拉挤型碳纤维复合材料或其它碳纤维增强聚合物材料的材料的拉挤型纤维条。

返回至图3，叶片20可以具有多于一个翼梁帽46，该翼梁帽被结合到叶片外壳40的上部和下部中或者被附接至叶片外壳的上部和下部。在所示示例中，叶片20具有主翼梁帽46a和后翼梁帽46b(也被称为纵梁)，主翼梁帽具有在其之间延伸的抗剪腹板44，后翼梁帽可以具有或者可以不具有在其之间延伸的抗剪腹板。

各个翼梁帽46皆可以包括导电材料层的叠层。可以将抗剪腹板44以粘附方式联结至翼梁帽46的内表面48。翼梁帽46的外表面50可以与叶片外壳40的外表面中的避雷器相邻地放置。如图4b所示，避雷器可以采用金属箔32的形式，该金属箔是通过一个或更多个绝缘材料(诸如玻璃纤维增强聚合物)层52来与翼梁帽46的外表面50分隔开的。可以将玻璃纤维增强聚合物的一个或更多个进一步层52设置在金属箔32的外侧上。所述层52共同形成叶片外壳40的外蒙皮。玻璃纤维增强聚合物的一个或更多个进一步层提供了叶片外壳40的内蒙皮54，并且在外蒙皮52与内蒙皮54之间具有芯材料56。芯材料可以是轻结构性泡沫，但是另选地，可以将其它的芯材料(诸如木材(特别是轻木)和蜂窝状物)用于提供轻质芯材料。应意识到，在抗剪腹板44与叶片外壳40的另一侧之间进行了几乎相同的连接。

现在，将详细描述叶片外壳40(特别是外蒙皮)的结构及其制造方法。如图5所示，将玻璃纤维增强织物层52作为纤维层片叠层70铺设在模具60中。纤维层片叠层70可以包括被缝合或者以其它方式附接在一起作为套件的多个纤维层片。可以将纤维层片叠层70进行预切割，以适合模具60的形状，使得纤维层片叠层70容易地符合模具60的形状，并且可以将许多层片容易地且在短时间内铺设在模具60中，优选地一旦处于模具60中就不需要层片的任何切割或详细成形。另选地，可以在模具60中切割所述层片。纤维层片叠层70可以包括随后要利用树脂灌注的干纤维，或者另选地，纤维层片可以是湿的或半干的纤维层片，在模具60内进行固结和固化之前不需要或者仅部分灌注树脂。另选地，可以在模具60中逐层地铺设纤维层片叠层70。可以在模具60外部的平坦或接近平坦的表面上在模具外制备纤维层片叠层70，使得纤维层片叠层70呈现它们在被放置在模具60中时的形式或形状。另选地，纤维层片叠层70可以被铺设在模具外侧的合适成形表面上，使得纤维层片叠层70呈现它们在被铺设在模具60中之前在模具外侧的(接近最终)形式或形状。在下文中，被铺设在模具外部的任何表面上的纤维层片叠层被称为“预成型件”。

特别是对于本发明，纤维层片叠层70各自具有朝向叶片的根端22的内侧边缘71、朝向叶片的末端24的外侧边缘72、朝向叶片的前缘26的前侧边缘73、以及朝向叶片的后缘28的后侧边缘74。

纤维层片叠层70被设置成使得所述叠层70中的一个叠层的外侧边缘71和相邻叠层70的内侧边缘72重叠，以限定跨翼梁帽延伸的重叠区域75。重叠区域75跨翼梁帽46的位置大体横向地延伸。这通常被称为预成型件或纤维层片叠层70的“翼弦方向铺设”。纤维层片叠层70中的各个叠层皆可以跨模具60的整个翼弦方向宽度延伸，使得各个纤维层片叠层70的前边缘73处于叶片的前缘26处，并且各个纤维层片叠层70的后边缘74处于叶片的后缘28处。通常，前边缘73与后边缘74之间的各个纤维层片叠层70的长度大于内侧边缘71与外侧边缘72之间的叠层的宽度。注意，该“沿翼弦方向铺设”不涉及构成纤维层片叠层70的任何层片的任何纤维方向，并且任何单独的层均可以具有纤维方向。

为了避免翼梁帽46的导电材料与金属箔32或其它避雷器之间产生电弧的风险，使用等电位联结部件58将避雷器以等电位方式联结至翼梁帽46的导电材料，如图7所示。通过将避雷器32电联结至翼梁帽46，可以使翼梁帽46保持在与避雷器相同的电位，使得在雷击的情况下，可以避免避雷器32与翼梁帽46之间的不希望的放电或电弧。

相邻纤维层片叠层70的重叠边缘是通过连续地终止所述叠层中的单独层片以形成阶梯或斜坡来形成的。有利地，所述叠层中的各个层片在重叠区域75处的这种连续终止在一个叠层70的外侧边缘72与相邻叠层70的内侧边缘71之间形成了台阶式路径，并且等电位联结部件58延伸贯穿该路径，以便将金属箔32或其它避雷器电联结至翼梁帽46。

等电位联结部件58具有：第一端58a，该第一端在附接点59处被附接至金属箔32并且与该金属箔电接触；以及第二端58b，该第二端被附接至翼梁帽46并且与该翼梁帽电接触。翼梁帽46具有最靠近叶片20的外表面29的外侧46a、以及最靠近叶片20的中空内部42的内侧46b。可以将等电位联结部件58附接至翼梁帽46的外侧46a，并且与该翼梁帽的外侧电接触。等电位联结部件58所遵循的台阶式路径从避雷器(金属箔32)沿仅远离与避雷器的附接点59且不朝向附接点59返回的方向延伸至翼梁帽46。即，等电位联结部件58本身并不以U形折回。这可以防止从等电位联结部件的一个部分到该等电位联结部件的另一部分产生电弧。

等电位联结部件58可以包括：包含导电材料的条或带、或者被结合到层片叠层中的导电层片、或者电缆或一系列电缆或导电线。例如，等电位联结部件58可以包括被编织到织物材料(诸如玻璃纤维织物)中的导电材料(诸如金属线)线束。在示例中，等电位联结部件58的导电材料可以是涂覆有锡的铜。该材料可以被选择成避免与避雷器32或者翼梁帽46的导电材料的任何电链应(galvanic reaction)。在示例中，等电位联结部件可以包括作为导电网(例如金属网或箔)的导电层。

金属箔32通常是金属网或膨胀(expanded)金属箔、或者编织或针织或穿孔网(例如由铝或铜制成的)。等电位联结部件58的涂覆有锡材料的铜避免了与铝箔避雷器32或者翼梁帽46的碳材料的电链应。

在翼梁帽46与避雷器32之间的纤维层片叠层70的玻璃纤维材料主要分配机械载荷，但是玻璃纤维也有助于避免翼梁帽的碳与金属箔32的铝之间的电流响应。当然，应意识到，避雷器32可以由其它合适的材料(诸如铜)形成，并且可以根据其它的材料选择来选择等电位联结部件58的导电材料的选择。

可以将金属线编织到织物材料(特别是玻璃纤维织物)中，以使可以在不使用附加组件的情况下，将该金属线结合到叠层70中的玻璃纤维织物层片中，并且在叶片外壳40的制造期间灌注树脂而不会有空隙。

通过在相邻的纤维层片叠层70的边缘之间“台阶化(stepping)”平坦带，来使带保持尽可能平坦。

该翼梁帽可以被布置为在翼梁帽46中的导电材料层之间以等电位方式进行联结。翼梁帽46可以包括包含多个导电材料层的叠层。导电材料可以包括拉挤型纤维复合材料，例如，碳纤维增强聚合物。拉挤型纤维可以沿翼梁帽46的纵向方向定向，该纵向方向与叶片20的纵向或翼展方向对准。通过以等电位方式联结相邻的导电材料层80，在雷击叶片20的情况下，可以避免来自翼梁帽46的不希望的放电或电弧。

翼梁帽46可以基本上在叶片20的整个长度上延伸，并且具有最靠近叶片20的根端22的第一端82以及与叶片的末端24相邻的第二端84。翼梁帽46在导电材料层80的堆叠方向上具有可以沿着翼梁帽46的长度变化的厚度。翼梁帽46的所述端部中的至少一端可以在厚度方向上渐缩。

在图8至图10所示的示例中，翼梁帽46的两端都是锥形的。通过将所述导电材料层80中的各个导电材料层切割成不同的长度来形成所述锥形。第一端82处的锥形可以比第二端84处的锥形更陡。较浅的锥形可以通过以台阶式方式顺序地终止层80来形成。所述层80中的各个层皆可以具有相同的厚度，但是另选地，层80可以具有不同的厚度。翼梁帽46沿着叶片20的长度的变化厚度从最靠近根端22的零增加并且通过肩部30增加至最大值，然后朝向叶片20的末端24减小。所述导电材料层80中的至少一个导电材料层在所述层的每一端具有斜切端。斜面可以有助于载荷传递至翼梁帽46的多个层80以及从翼梁帽46的多个层80传递到叶片40的其它材料中。

返回至图3，可以看到，金属箔32避雷器可以基本上在整个叶片表面上延伸。多个等电位联结部件58可以在沿着叶片长度的多个位置处连接至翼梁帽46。特别地，等电位联结部件58中的第一等电位联结部件可以在翼梁帽46的末端84处连接至翼梁帽46，并且等电位联结部件58中的第二等电位联结部件可以将金属箔32连接至翼梁帽46的第一(根)端82。进一步的中间等电位联结部件58将金属箔32避雷器分别连接至翼梁帽46的中跨区域。

在由处于叶片的根端和末端两者处的等电位联结部件58提供的电连接的情况下，在翼梁帽46的第一端82和第二端84之间将存在电压降。根据叶片20的长度，特别是根据翼梁帽46中的最长导电材料层80的长度，翼梁帽46的第一端82与第二端84之间的电压降的值将发生改变。如果该电压降低于可能发生从避雷器到导电材料层80中的一个或更多个导电材料层的闪络的阈值，则仅在翼梁帽46的端部82、84处提供等电位联结部件58就足够了。然而，如果翼梁帽46的端部82、84之间的电压降高于所述阈值，则可能需要一个或更多个进一步等电位联结部件58来将金属箔32电联结至翼梁帽46的处于第一端部82与第二端部84之间的中间点。

图8例示了第一示例，其中，等电位联结部件58在其第一端部处提供与金属箔32的直接附接和电接触，并且提供与翼梁帽46的最下侧导电材料层80的外表面46a的直接附接和电接触。在该第一示例中，等电位联结部件58可以包括铜编织物，并且金属箔32可以包括铝。

图9例示了第二示例，其中，等电位联结部件58与避雷器32一体地形成。在该示例中，避雷器32包括金属箔的分立部分，该金属箔的分立部分跨叶片的外表面延伸，然后前进穿过相邻纤维层片叠层70的内侧边缘71与外侧边缘72之间。金属箔32的分立部分可以与纤维层片叠层70结合，使得金属箔32与叠层70一起铺设在模具60中。另选地，金属箔32的各个部分以及所整合的等电位联结部件58可以在模具中紧挨着先前铺设的纤维层片叠层70并且在铺设下一个相邻的纤维层片叠层70之前进行铺设。再次地，金属箔32可以包括铝，因此可以在金属箔32的端部与翼梁帽46的外表面46a之间设置例如包括铜材料的导电垫86。对垫86中的铜材料的选择可以是为了避免翼梁帽46的碳材料与铝箔避雷器32之间的电链应。垫86可以包括多种其它导电材料(诸如锡、铅、碳等)中的一种或更多种。

图10例示了类似于图8的第三示例，但是其中，等电位联结部件58包括导电碳材料，例如，碳织物。可以将例如包括铜材料的导电垫86设置在导电碳等电位联结部件58与铝金属箔32之间，以便中断电位序。

根据金属箔32的材料以及等电位联结部件58的材料，可以选择导电垫86的材料以避免电链应。

如上所述，可以将翼梁帽46中的导电材料层80的端部进行斜切，以便于翼梁帽46的层80与叶片外壳40的其余部分之间的载荷传递。可以将拉挤型碳纤维复合材料层切割成希望的长度，然后在将所述层80进行堆叠以形成翼梁帽46之前，将所述层80的端部82、84进行研磨以实现希望的斜面轮廓。

为了确保等电位联结部件58与翼梁帽46的导电材料之间的良好电接触，层80中的导电材料可能需要被暴露，即，使得它不被(绝缘)树脂所覆盖。被用于在层80的端部82、84处形成斜面的相同研磨工艺也可以被用于暴露导电材料，以提供合适的附接表面，以供用于在翼梁帽46的导电材料与等电位联结部件58之间提供良好的电连接。另选地，翼梁帽46的导电材料与等电位联结部件58之间的电连接可以通过接触压力来充分地实现，而无需处理或者以其它方式暴露层80中的导电材料。

图11示出了多个导电材料层80中的各个导电材料层的相应端部82、84被斜切的示例。叠层中的最下侧层80还具有连接点57，在该连接点处，等电位联结部件58将被附接至翼梁帽46并与该翼梁帽46电接触。接触点57可以包括用于显露导电材料的磨蚀部分。

有利地，端部82、84处的斜面以及接触部分57处的磨蚀部分皆可以被设置在层80的同一侧上。可以将接触点57设置在翼梁帽46的最下(外)侧46a上的叠层中的、面朝避雷器32的最下侧层80上。在图11中例示的示例中，所述层80中的各个层皆可以经受研磨工艺或其它已知工艺，以在所述层80中的各个层的仅一侧上的接触点57处形成斜切端和磨蚀部分。

应意识到，图11所示的最下侧层80在完成斜切工艺之后被倒置，以使最下侧层80的斜切端82、84面向与形成翼梁帽46的叠层中的上面的层80的斜切端相反的方向。一旦完成叶片外壳40的铺设，固结将使叠层中的最下侧层80的斜切端82、84向下偏转成虚线所示的形状。

应意识到，在该另选例中，叠层中的最下侧层80可以经受用于在层80的上侧上形成斜切端82、84的第一工艺、以及用于在层80的最下侧上的接触点57处形成磨蚀部分的第二工艺。虽然这需要从层80的两个不同侧进行加工操作，但是在避免需要在铺设其它层80以形成翼梁帽46的层80的叠层之前倒置叠层的最下侧层80方面是有利的。作为上述用于去除材料以暴露层80的导电材料的研磨工艺的另选例，可以另选地使用多种其它已知工艺，诸如蚀刻、或者激光或化学活化。

图12和图13示出了等电位联结部件58可以如何附接至翼梁帽46并与该翼梁帽电接触的进一步细节。图13示出了图12的细节C，其中，多个沿翼弦方向延伸的等电位联结部件58延伸穿过所述叠层70中的一个叠层的外侧边缘71与相邻叠层70的内侧边缘72之间的相同重叠区域75。在该重叠区域75处的所述多个翼展方向延伸的等电位联结部件58中的各个等电位联结部件皆可以与沿翼弦方向延伸的等电位联结部件90电接触，该沿翼弦方向延伸的等电位联结部件90连接该重叠区域75处的相邻的翼展方向等电位联结部件58的相应端部58b。

第一导电垫92被设置在纤维层片叠层70的最内侧表面与沿翼展方向延伸的等电位联结部件58的端部58b之间。第二导电接触垫94被设置在沿翼弦方向延伸的等电位联结部件90与翼梁帽46的最外侧表面46a上的接触点57之间。第一接触垫92可以包括钢绒(steel fleece)。第二接触垫94可以包括碳绒。沿翼弦方向延伸的等电位联结部件90可以具有与沿翼展方向延伸的等电位联结部件58相同或相似的结构和材料。

翼梁帽46的导电材料与等电位联结部件58之间的电连接可以采取多种形式。例如，接触垫可以提供翼梁帽46的导电材料与等电位联结部件58之间的电连接。接触垫可以是金属性接口，诸如镍接口或条。

类似地，金属箔32或其它避雷器与等电位联结部件58之间的电连接可以采取多形式。例如，接触垫可以提供金属箔32与等电位联结部件58之间的电连接。

图14至图16详细例示了图12和图13所示的等电位联结部件58的组装件91的示例。等电位联结部件组装件91可以包括多个(例如，五个)沿翼展方向延伸的等电位联结部件58。可以将等电位联结部件58形成为玻璃纤维织物的带或条，其中，将涂覆锡的铜编织物编织到玻璃纤维织物或者任何其它合适的材料中，如前所述。

非结构性纤维织物的横向条96可以跨等电位联结部件58延伸。横向条96可以与端部58a相邻但远离该端部延伸，并且可以起作用以使组装件91稳定。例如，横向条96可以包括双轴玻璃纤维织物。第二导电接触垫94可以在沿翼展方向延伸的等电位联结部件58的端部58a处横向地延伸，从而形成组装件91与翼梁帽46的表面46a的接触表面。第二导电接触垫94例如可以包括碳绒。另选地，横向条96可以省略，并且多个等电位联结部件58可以贯穿层片叠层之间的间隙进行分立铺设，即，所述多个等电位联结部件58在铺设之前没有被横向地联结在一起。

在等电位联结部件58的针对第二导电接触点94的另一侧上，例如可以包括钢绒的第一导电接触垫92跨该组等电位联结部件58延伸。第一导电垫92和第二导电垫94可以例如通过包头(tag)98固定至等电位联结部件58，该包头可以包括尼龙或其它合适的材料。横向的沿翼弦方向延伸的等电位联结部件90在第一导电接触垫92与第二导电接触垫94之间延伸，如图16中阴影虚线所示。沿翼展方向延伸的等电位联结部件58具有在第一接触垫92与第二接触垫94之间延伸的端部58b，再次地，如图16中的阴影虚线所示。

在另一示例中，等电位联结部件58可以是导电材料片(参见图3)，而不是等电位联结部件的条的组装件91。被形成为片的等电位联结部件58可以具有沿叶片翼弦方向的宽度以及沿叶片翼展方向的长度。所述片的宽度可以大于其长度。所述片可以包括类似于上述等电位联结部件的条的材料。所述片与翼梁帽46的导电材料和/或与金属箔32的电连接可以如上所述。

在叶片20的制造期间，叶片外壳40如上所述铺设。在例如由玻璃纤维材料制成的纤维层片70是干纤维织物的情况下，铺设经历树脂灌注、固结以及固化工艺，以利用树脂完全灌注织物，然后使树脂固化以将叶片外壳40的结构(机械地)联结在一起。在该工艺期间，等电位联结部件58、90的纤维织物和/或第一导电接触垫92和/或第二导电接触垫94的毛绒(在这些是干纤维织物材料的情况下)也将利用树脂进行灌注，该树脂在同一工艺中进行固结和固化。

另选地，叶片外壳40可以包括预浸渍材料的纤维层片叠层70。在这种情况下，铺设将不需要经历树脂灌注工艺，而是将经历固结和固化工艺，以将叶片外壳40的结构(机械地)联结在一起。在该工艺期间，等电位联结部件58、90的纤维织物以及第一接触垫92和第二接触垫94的材料(在这些也包括预浸渍材料或干织物材料的情况下)可以在同一工艺中进行固结和固化。在干织物的情况下，这些织物可以在树脂流动时段期间从周围材料吸收树脂，然后变得完全整合到叶片层压件中。

通过任一工艺，固结可以确保翼梁帽46的导电材料被电联接至等电位联结部件58，并且固化使翼梁帽46、等电位联结部件58以及纤维层片叠层70机械地联结。

风力涡轮机叶片20被示出为单个完整的叶片，但是在其它示例中，叶片可以是“分裂”或“分段”叶片，其包括被连接在一起以用于形成完整叶片的多个叶片部分。例如，风力涡轮机叶片可以包括第一风力涡轮机叶片部分和第二风力涡轮机叶片部分，它们可以在接头处进行连接以形成完整的叶片。应理解，叶片可以具有三个或更多个叶片部分，并且相邻的叶片部分之间具有接头。

风力涡轮机转子叶片还可以包括采用后边缘纵梁的形式的纵梁或者与叶片的后边缘相邻的副翼梁。可以将纵梁结合到叶片外壳40中。纵梁可以沿着叶片的长度从根部到末端纵向地延伸，或者沿着该长度的至少一部分纵向地延伸。可以在叶片外壳40a、40b的每一半中设置纵梁。通常，抗剪腹板不在纵梁之间延伸。如果存在抗剪腹板，则抗剪腹板和“纵梁”将形成副翼梁结构，其中“纵梁”形成翼梁帽。纵梁或副翼梁可以包括导电材料，例如，碳纤维材料。碳纤维材料可以是单向的，与叶片的纵向方向对准。碳纤维材料可以包括类似于前述翼梁帽的拉挤型碳纤维材料。在副翼梁的纵梁或翼梁帽包括导电材料的情况下，该纵梁或翼梁帽可以被电联结至避雷器。该电联结可以类似于前述翼梁帽来进行设置。

尽管上面已经参照一个或更多个优选实施方式描述了本发明，但是应意识到，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变或修改。

Claims (23)

1.一种风力涡轮机转子叶片(20)，所述风力涡轮机转子叶片具有根端(22)和末端(24)，所述风力涡轮机转子叶片包括：

风力涡轮机叶片外壳(40)，所述风力涡轮机叶片外壳限定所述叶片的吸入侧、压力侧、前缘(26)以及后缘(28)；

至少一个翼梁帽(46)，所述至少一个翼梁帽与所述叶片外壳相关联并且包括导电材料；

避雷器(32)；以及

等电位联结部件(58)，所述等电位联结部件将所述避雷器电联结至所述翼梁帽，

其中，所述叶片外壳包括多个纤维层片叠层(70)，各个纤维层片叠层皆具有朝向所述叶片的所述根端的内侧边缘(71)、朝向所述叶片的所述末端的外侧边缘(72)、朝向所述叶片的所述前缘的前侧边缘(73)以及朝向所述叶片的所述后缘的后侧边缘(74)，

其中，所述等电位联结部件(58)在一个叠层的外侧边缘与相邻叠层的内侧边缘之间延伸，所述外侧边缘和所述内侧边缘重叠以限定跨所述翼梁帽延伸的重叠区域(75)。

2.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述等电位联结部件(58)具有：第一端(58a)，所述第一端被附接至所述避雷器(32)并且与所述避雷器电接触；以及第二端(58b)，所述第二端被附接至所述翼梁帽(46)并且与所述翼梁帽电接触。

3.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述翼梁帽(46)具有外侧(46a)以及最靠近所述叶片的内部的内侧(46b)，并且其中，所述等电位联结部件(58)被附接至所述翼梁帽的所述外侧，并且与所述翼梁帽的所述外侧电接触。

4.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述等电位联结部件(58)是条或带，优选地包括被编织成织物的导电线或者导电纱。

5.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述等电位联结部件(58)被附接至所述避雷器(32)以及所述翼梁帽(46)，所述等电位联结部件限定与所述避雷器的附接点(59)和所述翼梁帽之间的路径，所述路径沿仅远离所述附接点且还不朝向所述附接点返回的方向，从所述避雷器延伸至所述翼梁帽。

6.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述翼梁帽(46)包括多个导电材料层(80)的叠层，所述导电材料优选为碳纤维材料、优选为拉挤型碳纤维复合材料。

7.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述翼梁帽(46)具有用于显露所述导电材料的磨蚀部分，在所述磨蚀部分处，所述等电位联结部件(58)被附接至所述翼梁帽并且与所述翼梁帽电接触。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述翼梁帽的所述层(80)中的至少一层在所述至少一层的至少一端(82、84)被斜切，使得所述层的厚度朝向至少一端渐缩。

9.根据权利要求7和权利要求8所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述翼梁帽(46)的最靠近所述避雷器(32)的所述层在所述层的面朝所述避雷器的同一侧上具有斜切端(82、84)和磨蚀部分。

10.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述叶片外壳的所述纤维层片叠层包括玻璃纤维材料。

11.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机叶片，其中，所述叶片外壳的所述纤维层片叠层(70)的前侧边缘(72)处于所述叶片的前缘(26)处或与所述叶片的前缘(26)相邻，并且所述纤维层片叠层的后侧边缘(74)处于所述叶片的后缘(28)处或与所述叶片的后缘(28)相邻。

12.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机叶片，其中，所述叶片外壳的各个纤维层片叠层(70)皆被设置为预成型件。

13.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，其中，相邻纤维层片叠层(70)的重叠边缘是通过连续地终止所述叠层中的单独层以形成阶梯或斜坡来形成的。

14.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述避雷器(32)是防雷系统的金属箔。

15.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述避雷器(32)在所述叶片的外表面处。

16.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，所述风力涡轮机转子叶片还包括多个所述等电位联结部件(58)。

17.根据权利要求16所述的风力涡轮机转子叶片，其中，多个所述等电位联结部件(58)在一个叠层的外侧边缘(72)与所述相邻叠层的内侧边缘(71)之间延伸。

18.根据权利要求16或权利要求17所述的风力涡轮机转子叶片，其中，沿着所述叶片在翼展方向上间隔开的多对相邻叠层(70)具有至少一个所述等电位联结部件(58)，所述等电位联结部件在所述对相邻叠层中的一个叠层的所述外侧边缘(72)与所述相邻叠层的所述内侧边缘(71)之间延伸。

19.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述避雷器(32)和所述等电位联结部件(58)是一体形成的。

20.一种制造风力涡轮机转子叶片(20)的方法，所述风力涡轮机转子叶片具有根端(22)和末端(24)，所述方法包括以下步骤：

铺设风力涡轮机叶片的外壳(40)，所述外壳限定所述叶片的吸入侧、压力侧、前缘(26)以及后缘(28)，所述外壳包括多个纤维层片叠层(70)以及避雷器(32)，各个纤维层片叠层皆具有朝向所述叶片的所述根端的内侧边缘(71)、朝向所述叶片的所述末端的外侧边缘(72)、朝向所述叶片的所述前缘的前侧边缘(73)以及朝向所述叶片的所述后缘的后侧边缘(74)；

铺设翼梁帽(46)，使得所述避雷器在所述翼梁帽上方延伸，其中，所述翼梁帽包括导电材料；以及

设置等电位联结部件(58)以将所述避雷器电联结至所述翼梁帽，所述等电位联结部件在一个叠层的外侧边缘与相邻叠层的内侧边缘之间延伸，所述外侧边缘和所述内侧边缘重叠以限定跨所述翼梁帽延伸的重叠区域(75)。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述叶片外壳的各个纤维层片叠层皆作为预成型件铺设在模具中，并且所述方法还包括以下步骤：利用树脂灌注所述预成型件并且进行固化。

22.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中，所述等电位联结部件在被铺设之前被附接至所述叶片外壳的所述纤维层片叠层中的一个纤维层片叠层。

23.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中，所述避雷器和所述等电位联结部件是一体形成的，并且所述避雷器和所述等电位联结部件在被铺设之前被附接至所述叶片外壳的所述纤维层片叠层中的一个纤维层片叠层。

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