CN115516202A - 风力涡轮机叶片和风力涡轮机 - Google Patents

风力涡轮机叶片和风力涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机（1）的风力涡轮机叶片（10），所述风力涡轮机叶片（10）具有末梢部分（14）和根部部分（15），并且所述风力涡轮机叶片（10）包括壳体（11）和翼梁，所述翼梁包括两个翼梁帽（12.1、12.2），所述两个翼梁帽（12.1、12.2）借助于所述翼梁的至少一个翼梁腹板（13）连接到彼此并且沿所述风力涡轮机叶片（10）的纵向方向（L）延伸，由此，所述两个翼梁帽（12.1、12.2）中的至少一个被构造为所述风力涡轮机叶片（10）的防雷系统的主引下线（24.1、24.2），至少一个主引下线（24.1、24.2）包括导电纤维增强塑料，所述导电纤维增强塑料导电地连接到所述防雷系统的至少一个电气接口（22、23）。本发明还涉及一种包括这样的风力涡轮机叶片（10）的风力涡轮机（1）。

Description

风力涡轮机叶片和风力涡轮机
技术领域
本发明涉及具有改进的防雷系统的风力涡轮机叶片和具有改进的防雷系统的风力涡轮机。
背景技术
由于风力涡轮机的暴露位置和高度，闪电很可能会击中它们。由于雷击可能对风力涡轮机造成相当大的损伤，因此风力涡轮机通常借助于防雷系统来保护。防雷系统的目的在于当风力涡轮机叶片截获雷击时防止闪电损伤风力涡轮机叶片、轴承和风力涡轮机的电气系统。
特别地，风力涡轮机的风力涡轮机叶片在它们处于12点钟或接近12点钟的指针位置时、即暴露于天空时易于截获雷击，并且受到来自雷击的严重损伤。为此目的，风力涡轮机叶片设置有金属引下线作为它们的主引下线和它们的防雷系统的一部分。金属引下线被附接到沿风力涡轮机叶片的纵向方向延伸的风力涡轮机叶片的翼梁的翼梁腹板。由此，风力涡轮机叶片中的金属引下线从其末梢延伸到其根部，在该根部处，风力涡轮机叶片被附接到风力涡轮机的轮毂。风力涡轮机的防雷系统还包括从轮毂经由机舱向下延伸到塔架的引下线，从而用作接地的另一引下线，或者具有处于塔架的内部或外部并接地的引下线。
当具有金属引下线的风力涡轮机叶片的翼梁的翼梁帽包括导电纤维增强聚合物或由导电纤维增强聚合物制成时，需要提供翼梁帽和金属引下线之间的等电位联结（equipotential bond）。例如，碳纤维增强塑料由于其高刚度质量比而越来越多地用于翼梁帽中，从而提高了风力涡轮机叶片的性能。采用导电纤维增强塑料的翼梁帽中的等电位联结是必要的，以确保由于来自雷击的电流通过翼梁帽或金属引下线而引起的相对于金属引下线的电压差在一定阈值以下以用于防止闪络，该闪络可能导致风力涡轮机叶片的结构损伤。
此外，这种等电位联结通常通过风力涡轮机叶片的高应变区域，并且因此，翼梁帽不能以径直方式导电地连接到金属引下线。由此，等电位联结降低了风力涡轮机叶片的设计灵活性。
此外，导电纤维增强塑料和金属引下线之间的金属-导电纤维界面可形成电偶，从而可能导致腐蚀。而且，诸如碳的塑料与诸如铜的金属引下线的金属之间的阻抗差异还会导致由于雷击导致的高电流流动引起的翼梁帽的分层的高风险。
此外，等电位联结通常是手动制造的，并且因此它们的制造质量也可能会不同。然而，制造缺陷难以检测，并且在已安装的风力涡轮机中接近和修复它们是非常复杂的。
最后，所有等电位联结和金属引下线都增加了风力涡轮机叶片的制造过程的重量和材料成本以及制造成本和时间。此外，在风力涡轮机叶片中、通常在翼梁的翼梁腹板处附接金属引下线造成另外的制造步骤、附加的材料和缺陷的风险。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种风力涡轮机叶片，其具有没有来自现有技术的缺点的改进的防雷系统，由此，特别是风力涡轮机叶片可用更少的制造步骤、材料和成本来制造，并且仍然提供必要的防雷能力，以避免由于雷击造成的损伤。
该目的通过权利要求的主题来解决。特别地，该目的通过根据权利要求1的风力涡轮机叶片和根据权利要求15的风力涡轮机来解决。本发明的其他细节由其他权利要求以及说明书和附图展现。由此，结合本发明的风力涡轮机叶片描述的特征和细节结合本发明的风力涡轮机适用，使得关于本发明的各个方面的公开，其彼此参考或者可彼此参考。
根据本发明的第一方面，该目的通过一种用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片来解决，该风力涡轮机叶片具有末梢部分和根部部分，并且该风力涡轮机叶片包括壳体和翼梁，该翼梁包括两个翼梁帽，这两个翼梁帽借助于该翼梁的至少一个翼梁腹板连接到彼此并且该风力涡轮机叶片的纵向方向延伸，由此，这两个翼梁帽中的至少一个被构造为风力涡轮机叶片的防雷系统的主引下线，该至少一个主引下线包括导电纤维增强塑料，该导电纤维增强塑料导电地连接到该防雷系统的至少一个电气接口。
根据本发明的第一方面的风力涡轮机叶片放弃了如现有技术中已知的将金属引下线作为其防雷系统的主引下线的解决方案。替代的是，包括导电纤维增强塑料的翼梁的两个翼梁帽中的至少一个被构造为主引下线。由此，翼梁帽的材料的导电特性及其大的表面积被有利地用于传导来自截获的雷击的电流。与现有技术中在翼梁帽中使用非导电纤维增强塑料相比，在翼梁帽中使用导电纤维增强塑料被视作一个缺点，即导致必须与金属引下线等电位联结，这可能导致腐蚀、缺陷以及高制造成本和时间，由此，该缺点被变成一个优点。不再存在金属导电纤维类型与金属引下线的等电位联结，并且由此，消除了腐蚀的风险，并且显著降低了缺陷的风险和制造的成本。
可能优选的是，该至少一个主引下线被构造成主要将来自雷击的电从风力涡轮机叶片的末梢部分传导到根部部分。根据该特征，当两个翼梁帽被构造为主引下线时，两个主引下线被构造成主要将来自雷击的电从风力涡轮机叶片的末梢部分传导到根部部分。这主要意味着所截获的雷击的电流的超过一半经由作为该至少一个翼梁帽的该至少一个主引下线来传导。当在风力涡轮机叶片的长度上设置金属引下线时，这通常可能无法实现，因为金属引下线的电导率在大多数情况下（如果不是所有情况）将大于翼梁帽的导电纤维增强塑料的电导率。特别地，该至少一个主引下线可被构造成完全地或基本上完全地将来自雷击的电从风力涡轮机叶片的末梢部分传导到根部部分。
还可能优选的是，该至少一个主引下线的导电纤维增强塑料在末梢部分处导电地连接到第一电气接口，并且在根部部分处导电地连接到第二电气接口。该第一电气接口和第二电气接口是防雷系统的该至少一个电气接口。由此，该至少一个主引下线从末梢部分延伸到根部部分，并且完全整合到防雷系统中。
其中，可能优选的是，第一电气接口是电气接闪器装置（air-terminationarrangement），和/或第二电气接口是电气根部端子。该接闪器装置特别是可包括接闪器基部和安装在该接闪器基部上的至少一个或多个接闪器。根部端子可以是处于风力涡轮机叶片的根部处的电气端子，以用于导电地连接到风力涡轮机的轮毂。该电气接闪器装置可被布置在风力涡轮机叶片的末梢处或末梢部分中。此外，还可存在至少一个另外的或多个第一电气接口，其导电地连接到主引下线的导电纤维增强塑料。该至少一个另外的或多个第一电气接口可以是另外的电气接闪器装置。该电气接闪器装置可在风力涡轮机叶片的末梢部分处截获雷击。该电气根部端子可导电地连接到风力涡轮机的防雷系统，特别是在其轮毂处。
还可能优选的是，该两个翼梁帽中的每一个被构造为包括导电纤维增强塑料的主引下线，该导电纤维增强塑料导电地连接到防雷系统的该至少一个电气接口。由此，两个翼梁帽的导电特性被有利地用于传导来自雷击的电流的目的。
此外，可能优选的是，该至少一个主引下线主要包括导电纤维增强塑料或由其制成。由此，其导电特性得到增强。
此外，还可能优选的是，该至少一个主引下线的导电纤维增强塑料是碳纤维增强塑料。碳纤维增强塑料提供了特别好的电导率，并且具有有利的刚度质量比，以用于在翼梁帽中采用。导电纤维增强塑料可用至少一种其他材料进一步增强，所述其他材料可呈或可不呈纤维的形式。该材料可具有高导电特性和/或高机械强度和/或刚度，以改善翼梁帽并且由此改善风力涡轮机叶片的电气和/或机械特性。
此外，可能优选的是，该两个翼梁帽通过布置在末梢部分和根部部分之间的至少一个等电位联结连接件来连接。该等电位联结连接件降低了从一个翼梁帽到另一个翼梁帽的闪络风险，并且由此，降低了由于雷击对翼梁帽造成结构损伤的风险。
其中，可能优选的是，多个等电位联结连接件在末梢部分和根部部分之间连接该两个翼梁帽，由此该多个等电位联结连接件沿风力涡轮机叶片的纵向方向彼此相距一定距离布置。由此，进一步降低了闪络的风险。这可通过具有比现有技术中的等电位联结更少的等电位联结连接件而成为可能，因为与如现有技术中已知的翼梁帽和金属引下线之间的距离相比，翼梁帽之间的距离更大。
其中，可能进一步优选的是，该至少一个等电位联结连接件主要包括导电纤维增强塑料或由其制成。特别地，等电位联结连接件的导电纤维增强塑料可与该至少一个主引下线的导电纤维增强塑料相同。由此，提供了导电纤维增强塑料-导电纤维增强塑料界面。这样的界面比如现有技术中已知的用于等电位联结的金属-导电纤维界面更易于制造，并且没有缺点，例如与此相关联的腐蚀和/或阻抗失配的风险。
此外，还可能优选的是，该至少一个电气接口主要包括金属或由金属制成。例如，铜或具有铜的金属合金可被用作所述金属。由此，在该至少一个电气接口处，提供了特别高的电导率，以传导来自雷击的电流。
此外，可能优选的是，该至少一个电气接口借助于主要包括金属或由金属制成的金属导体连接件来导电地连接到该至少一个主引下线的导电纤维增强塑料。例如，铜或具有铜的金属合金可被用作所述金属。由此，在该至少一个主引下线和该至少一个电气接口之间的连接处，提供了特别高的电导率以传导来自雷击的电流。
特别地，可能优选的是，风力涡轮机叶片的处于末梢部分和根部部分之间以及处于两个翼梁帽之间的纵向部分不包括主要包括金属或由金属制成的金属引下线。由此，避免了与在风力涡轮机叶片的防雷系统中整合金属引下线相关联的缺点。
此外，还可能优选的是，翼梁腹板或风力涡轮机叶片不包括主要包括金属或由金属制成的金属引下线。特别地，除了被构造为主引下线的两个翼梁帽中的一个或两个之外，翼梁腹板或风力涡轮机叶片可不包括另一引下线。换言之，被构造为主引下线的两个翼梁帽中的一个或两个可以是风力涡轮机叶片的仅有的引下线。由此，避免了与在风力涡轮机叶片的防雷系统中整合金属引下线相关联的缺点。
根据本发明的第二方面，所述目的通过包括至少一个根据本发明的第一方面的风力涡轮机叶片的风力涡轮机来解决，由此，该至少一个风力涡轮机叶片的防雷系统被导电地连接到该风力涡轮机的防雷系统。
附图说明
本发明的其他优点、特征和细节从以下描述中展现，其中通过参考附图，详细描述了现有技术的实施例和本发明的实施例。由此，来自权利要求的特征以及说明书中提到的特征单独采用或按任意组合采用对于本发明而言可能是必不可少的。
在附图中，示出了：
图1：风力涡轮机的实施例的侧向透视图；
图2：剖切图1的风力涡轮机的风力涡轮机叶片并且根据现有技术的实施例的剖面剖切图；
图3：图2的风力涡轮机叶片的防雷系统的示意图；
图4：图3的风力涡轮机叶片中的闪络；
图5：根据本发明的实施例的风力涡轮机叶片的防雷系统的示意图；以及
图6：图5的风力涡轮机叶片中没有闪络。
具体实施方式
图1至图6中的相同对象标有相同的附图标记。如果在一个图中存在多于一个相同种类的对象，则这些对象以升序编号，其中对象的升序号以点与其附图标记分开。附图中的特征和部分的具体尺寸是示例性的，并且可被放大以仅便于参考。
如图1中所示的风力涡轮机1包括塔架2、机舱3和轮毂4。机舱3被支撑在塔架2上，并且轮毂4被附接到机舱3。在该示例性情况下，三个风力涡轮机叶片10.1、10.2、10.3附接到轮毂4。然而，风力涡轮机叶片10的数量可替代地少于或多于三个。如针对风力涡轮机叶片10.1示例性所示的，风力涡轮机叶片10.1沿纵向方向L从其根部部分15延伸到末梢部分14。如上面提到的风力涡轮机1的特征可用在根据本发明的风力涡轮机1中。
沿线II-II剖切图1的风力涡轮机1的风力涡轮机叶片10.1。图2中图示了根据现有技术的实施例的风力涡轮机叶片10的沿线II-II的剖面剖切图。
风力涡轮机叶片10包括壳体11和翼梁。该翼梁包括两个翼梁帽12.1、12.2，它们彼此相对定位并且借助于翼梁腹板13连接到彼此。对于上面提到的特征，图2中所示的风力涡轮机叶片10可与根据本发明的实施例的风力涡轮机叶片相同。然而，与本发明的这种实施例不同，如图2中所示的风力涡轮机叶片10包括金属引下线20作为主引下线。金属引下线20被附接到翼梁腹板13，并且沿风力涡轮机叶片10的纵向方向L从其末梢部分14延伸到其根部部分15。
图3示出了图2的风力涡轮机叶片10的防雷系统的示意图。翼梁帽12.1、12.2由导电纤维增强塑料制成。金属引下线20沿叶片的纵向方向L延伸，并且被连接到风力涡轮机叶片10的末梢部分14处的第一电气接口22以及风力涡轮机叶片10的根部部分15处的第二电气接口23。当来自雷击的电流流过翼梁帽12.1、12.2和金属引下线20时，其中一个被示例性地命名的等电位联结连接件21设置成沿风力涡轮机叶片10彼此具有一定距离，以防止闪络F。等电位联结连接件21由多个金属连接器形成，这些金属连接器横向于、特别是基本上垂直于金属引下线20延伸。
来自图3的剪切图III在图4中详细示出，其中在翼梁帽12.1和金属引下线20之间发生闪络F。这可能在等电位联结连接件21的数量少并且来自雷击的电流非常强时发生。这可能导致风力涡轮机叶片10的结构损伤，并且必须通过提供足够的大数量的等电位联结连接件21来防止。然而，这些等电位联结连接件21具有金属-导电纤维类型，并且由此，导致若干缺点，例如风力涡轮机叶片的设计灵活性降低、金属-导电纤维界面处的可能腐蚀、在翼梁帽中或周围的分层以及如本说明书的介绍部分中详细解释的制造缺陷。
如图5中根据本发明的实施例的风力涡轮机叶片10的防雷系统中所示，省略了金属引下线20。替代的是，翼梁帽12.1、12.2被用作主引下线24.1、24.2。该主引下线24.1、24.2是风力涡轮机叶片10的仅有的引下线。在风力涡轮机叶片10的末梢部分14处，主引下线24.1、24.2经由第一金属导体连接件31.1来连接到至少一个第一电气接口，在该特定情况下为两个第一电气接口22.1、22.2。在这种情况下，第一电气接口22.1、22.2被设置为风力涡轮机叶片10的末梢部分14中的电气接闪器装置22的电气接闪器22.1、22.2。在风力涡轮机叶片10的根部部分15处，主引下线24.1、24.2经由第二金属导体连接件31.2连接到第二电气接口23。在这种情况下，第二电气接口23被设置为电气根部端子23。因此，风力涡轮机叶片10的防雷系统包括：作为第一金属导体连接件31.1的第一段；作为翼梁帽12.1、12.2的第二段，其构造为主引下线24.1、24.2；以及构造为第二金属导体连接件31.2的第三段。该第一段借助于第一金属导体连接件31.1与第一翼梁帽12.1和第二翼梁帽12.2之间的导电纤维连接32.1的连接而连接到第二段。该第二段借助于第二金属导体连接件31.2与第一翼梁帽12.1和第二翼梁帽12.2之间的导电纤维连接32.2的连接而连接到第三段。代替导电纤维连接32.1、32.2，该第一段和第二段可被直接连接到第一翼梁帽12.1和第二翼梁帽12.2中的每一个。导电纤维连接32.1、32.2与翼梁帽12.1、12.2形成塑料-塑料连接。用于导电纤维连接32.1、32.2的材料可以是纤维增强塑料，特别是与用于翼梁帽12.1、12.2的相同的纤维增强塑料，例如碳纤维增强塑料。在处于风力涡轮机叶片10的末梢部分14处的第一段处以及处于风力涡轮机叶片10的根部部分15处的第三段处，提供了特别高的电导率，以便有利地将来自雷击的电流传送到翼梁帽12.1、12.2以及远离翼梁帽12.1、12.2传送。
为了防止在雷击被电气接闪器22.1、22.2中的一个截获时发生闪络F，可在翼梁帽12.1、12.2之间设置等电位联结连接件30。在图5中，示出了一个等电位联结连接件30，然而，可根据需要调整等电位联结连接件30的数量。与图3的风力涡轮机叶片10的等电位联结连接件21不同，图5的风力涡轮机叶片10中采用的等电位联结连接件30确实具有塑料-塑料或导电纤维-导电纤维界面，并且因此，没有显示出与图3的风力涡轮机叶片10中存在的金属-导电纤维界面相关联的缺点。用于等电位联结连接件30的材料可以是纤维增强塑料，特别是与用于翼梁帽12.1、12.2的相同的纤维增强塑料，例如碳纤维增强塑料。可替代地，等电位联结连接件30可采用金属连同导电纤维增强塑料，例如，该导电纤维增强塑料可被设置为将翼梁帽12.1、12.2与金属连接的襟翼或延伸部。
此外，图5的风力涡轮机叶片10中采用的等电位联结连接件30的数量可少于图3和图4的风力涡轮机叶片10中的数量。这参考图5的剪切图（cut-out）IV来解释，图6中详细示出了该剪切图IV。图6示出了可能发生在图5的风力涡轮机叶片10中的闪络F，该闪络F来自与图4中相同强度的雷击。然而，与图4不同，在图5中没有金属引下线20，而是翼梁帽12.2作为另一主引下线24.2。与图3和图4的风力涡轮机叶片10相比，两个主引下线24.1、24.2彼此分开更远的距离D，其中金属引下线20更靠近翼梁帽12.1。由此，闪络F将必须更大，即在导电物体之间桥接更大的距离，以便自身放电并可能损伤风力涡轮机叶片10。由于增加的距离D，降低了闪络F和结构损伤的可能性，并且因此，等电位联结连接件30的数量可更少，从而有效地导致更少的材料、重量、制造成本和时间。
当风力涡轮机叶片10在末梢部分14中具有渐缩的几何形状时，可提供的是，翼梁帽12.1和12.2延伸为彼此接合，从而避免对等电位连接32.1的需要。因此，具有在其末梢部分14处接合的翼梁帽12.1、12.2的这种渐缩的风力涡轮机叶片10可省略在末梢部分14处的等电位连接32.2。
此外，当省略第一段时，可省略第一金属导体连接件31.1。可替代地，第一金属导体连接件31.1可横向于纵向方向L，即沿风力涡轮机叶片10的弦向方向。
此外，在叶片10的根部部分15中，第三段也可包括连接到根部端子23的多于一个金属引下线31.2，特别是两个或更多个金属引下线31.2。类似地，第一段可包括多于一个金属引下线连接31.1。

Claims (15)

1.一种用于风力涡轮机（1）的风力涡轮机叶片（10），所述风力涡轮机叶片（10）具有末梢部分（14）和根部部分（15），并且所述风力涡轮机叶片（10）包括壳体（11）和翼梁，所述翼梁包括两个翼梁帽（12.1、12.2），所述两个翼梁帽（12.1、12.2）借助于所述翼梁的至少一个翼梁腹板（13）连接到彼此并且沿所述风力涡轮机叶片（10）的纵向方向（L）延伸，
其特征在于，
所述两个翼梁帽（12.1、12.2）中的至少一个被构造为所述风力涡轮机叶片（10）的防雷系统的主引下线（24.1、24.2），至少一个主引下线（24.1、24.2）包括导电纤维增强塑料，所述导电纤维增强塑料导电地连接到所述防雷系统的至少一个电气接口（22、23）。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片（10），
其特征在于，
所述至少一个主引下线（24.1、24.2）被构造成主要将来自雷击的电从所述风力涡轮机叶片（10）的所述末梢部分（14）传导到所述根部部分（15）。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片（10），
其特征在于，
所述至少一个主引下线（24.1、24.2）的所述导电纤维增强塑料在所述末梢部分（14）处导电地连接到第一电气接口（22），并且在所述根部部分（15）处导电地连接到第二电气接口（23）。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片（10），
其特征在于，
所述第一电气接口（22）为电气接闪器装置（22），和/或所述第二电气接口（23）为电气根部端子（23）。
5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），
其特征在于，
所述两个翼梁帽（12.1、12.2）中的每一个被构造为包括导电纤维增强塑料的主引下线（24.1、24.2），所述导电纤维增强塑料导电地连接到所述防雷系统的所述至少一个电气接口（22、23）。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），
其特征在于，
所述至少一个主引下线（24.1、24.2）主要包括导电纤维增强塑料或由其制成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），
其特征在于，
所述至少一个主引下线（24.1、24.2）的所述导电纤维增强塑料为碳纤维增强塑料。
8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），
其特征在于，
所述两个翼梁帽（12.1、12.2）通过布置在所述末梢部分（14）和所述根部部分（15）之间的至少一个等电位联结连接件（30）来连接。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片（10），
其特征在于，
多个等电位联结连接件（30）在所述末梢部分（14）和所述根部部分（15）之间连接所述两个翼梁帽（12.1、12.2），由此，所述多个等电位联结连接件（30）沿所述风力涡轮机叶片（10）的所述纵向方向（L）彼此相距一定距离布置。
10.根据权利要求8或9所述的风力涡轮机叶片（10），
其特征在于，
所述至少一个等电位联结连接件（30）主要包括导电纤维增强塑料或由其制成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），
其特征在于，
所述至少一个电气接口（22、23）主要包括金属或由金属制成。
12.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），
其特征在于，
所述至少一个电气接口（22、23）借助于主要包括金属或由金属制成的金属导体连接件（31.1、31.2）导电地连接到所述至少一个主引下线（24.1、24.2）的所述导电纤维增强塑料。
13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），
其特征在于，
所述风力涡轮机叶片（10）的处于所述末梢部分（14）和所述根部部分（15）之间以及处于所述两个翼梁帽（12.1、12.2）之间的纵向部分不包括主要包括金属或由金属制成的金属引下线（20）。
14.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），
其特征在于，
所述翼梁腹板（20）或所述风力涡轮机叶片（10）不包括主要包括金属或由金属制成的金属引下线（20）。
15.一种风力涡轮机（1），包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片（10），其中，至少一个风力涡轮机叶片（10）的防雷系统导电地连接到所述风力涡轮机（1）的防雷系统。
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