CN1359450A - 具有除冰与避雷保护的风力涡轮机桨叶 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮机桨叶,其包含沿桨叶(25)纵向伸展的第一(1)与第二(2)导电体,以及一个或一个以上用于加热桨叶表面的电加热元件(4),该加热元件(4)同第一与第二导电体连接,在风力涡轮机桨叶(25)的叶尖上备有一个用于接受闪电的闪电接收器(5),而闪电接收器(5)和接地的第三导电体(3)实现电连接,因而能将雷击电流传入地,该第一与第二导电体通过靠近所述闪电接收器的火花隙同闪电接收器连接,并且通过靠近叶根的火花隙接地。

Description

具有除冰与避雷保护的风力涡轮机桨叶
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机桨叶，该桨叶包含沿所述桨叶纵向伸展的第一与第二导电体，以及一个或一个以上同第一与第二导电体连接并且用于加热所述桨叶表面的电加热元件。
背景技术
风力涡轮机经常受到由天气条件与自然力引起的破坏作用。一般讲，本发明涉及风力涡轮机的保护，但更精确地讲，则涉及保护风力涡轮机桨叶，使其不致由于桨叶表面结冰与雷击而遭受破坏或不希望的后果。
飞机机翼结冰为人熟知，并且由于一些原因而成为严重问题。结冰能改变机翼的空气动力翼型，从而破坏机翼的升力性能。此外，冰块在飞行时可能碎裂，从而损坏螺旋桨或涡轮机叶片。在多数地方，飞机机翼结冰问题通过飞机起飞前接受特种化学药剂的喷洒而已得到解决。
风力涡轮机桨叶的结冰也有一些负面的效果。结冰也会因为改变翼型而改变所述机翼的空气动力性能，这对效率产生负面效果。此外，风力涡轮机桨叶上的不均匀结冰会在风力涡轮机结构上形成剧烈的不对称载荷，从而造成故障。最后，从翼上甩出去的冰块对例如靠近风力涡轮机的建筑物和人员构成严重的危险。近年来，由于有越来越多的风力涡轮机设置在有高度结冰危险的地区，此问题经增加了。
风力涡轮机浆叶上的冰可以通过加热桨叶表面而被除去。加热可以通过数条途径实现。DE 19621 485公开了一种利用热空气内部加热除冰的风力涡轮机桨叶。WO 98/53200公开了一种利用含有导电纤维的加热元件除冰的风力涡轮机桨叶。该加热元件可以安排在风力涡轮机桨叶外面或埋入其内。表面加热的结果使风力涡轮机桨叶表面和冰层之间的界面联结溶解，并使冰层像雪片似地“剥落飞离”。
近代的风力涡轮机通常是耸立在地面上的庞大结构，因而每年都有许多风力涡轮机遭受雷击。每次雷击能在一段极短时间内形成大小达10～200KA的极强电流。由雷击引起的破坏是不同的：从例如保险丝烧断而造成的生产暂时中断直至一片或一片以上桨叶损坏引起的整个结构损坏。近年来，保护风力涡轮机免遭雷击的系统相应地有了发展。
WO 96/07825公开了一种风力涡轮机桨叶的雷击保护系统。在该系统中，叶尖上备有一个用导电材料制成的所谓闪电接收器。此闪电接收器可以“逮住”雷击，并引导闪电电流向下通过一根沿着桨叶纵向伸展并通过风力涡轮机桨毂接地的避雷针。此系统证明具有特别有效的保护作用。
发明简介
本发明的目标是提出一种以简单、经济并且可靠的方式保护风力涡轮机桨叶从而避免结冰和雷击的装置。
本发明的风力涡轮机桨叶的特征在于所述风力涡轮机桨叶本身备有一个避雷针系统。该系统包含一个在风力涡轮机桨叶叶尖上的闪电接收器与一个同所述闪电接收器实现电连接并且在叶根接地的第三导电体，同时还有第一与第二导电体通过靠近闪电接收器的火花隙同所述闪电接收器连接，并通过叶根处的火花隙接地。结果获得能够除冰的风力涡轮机桨叶，而且该桨叶和该加热元件受到防止雷击的有效保护，因为此时闪电电流主要地通过第三导电体入地，次要地由于在火花隙中形成电弧而通过第一与第二导电体入地。跨越加热元件的电位差当雷击时常为零，因而无破坏性强的电流流过所述加热元件。
按照本发明的优先实施例，靠近叶根的第一导电体通过一个过压断路器和第一电流相位连接，而靠近叶根的第二导电体通过一个过压断路器和第二电流相位连接。结果，由于在雷击情况下过压断路器分别切断电源同第一与第二导电体的电连接，因而有效地保护了电源。
按照本发明的一个优先实施例，加热元件位于桨叶的外部表面上。结果由于所述桨叶强度不因此种配置而减小，故无需改变桨叶的结构。
按照本发明的另一个实施例，由于加热元件成片状嵌入桨叶材料内，因而风力涡轮机桨叶的表面性能以及所述桨叶的空气动力性能得以保持不变。
加热元件最好用金属箔制造，从而使风力涡轮机桨叶的表面可以得到均匀加热。此种金属箔亦可粘在风力涡轮机桨叶的表面上，因而不致显著改变桨叶的空气动力性能。
按照一个实施例，第一与第二导电体可以安排在风力涡轮机桨叶的壁内，而第三导电体塞入所述桨叶的内腔。其结果保证了加热元件分别和第一与第二导电体之间的间隔小。
加热元件最好安排在桨叶前缘，因为当风力涡轮机工作时，结冰常从此处开始。
本发明的风力涡轮机桨叶可以包含一个回转叶尖，至少有一部分第一与第二导电体伸入所述回转叶尖内，并且通过弹性接触件和在桨叶其余部分中伸展的相同导电体部分连接，同时在相同导电体的两部分之间，还备有和每个接触件平行的火花隙。结果，在叶尖内伸展的部分第一与第二导电体分别和其余桨叶之间便实现电连接的同时，因为所述闪电电流通过火花隙间的电弧，从而使接触件避免闪电电流从而被焊住的危险。这样便获得一种能对结冰和雷击实现简单有效保护的带有回转叶尖的风力涡轮机桨叶。
附图简介
通过用图表示的优先实施例对本发明进行较详细的说明。其中：
图1为风力涡轮机的前视图；
图2为一风力涡轮机桨叶和一风力涡轮机桨毂的前视图；
图3为通过本发明一个优先实施例的风力涡轮机桨叶的横截面视图；
图4为本发明一个优先实施例的风力涡轮机桨叶简图；
图5用大比例更详细地表示图4所示桨叶的一部分；
图6表示本发明一个风力涡轮机桨叶的叶尖。
图7表示本发明风力涡轮机带回转叶尖桨叶的一部分。
实施本发明的最佳模式
图1所示风力涡轮机基本上包含一个立柱31、一个风力涡轮机桨毂30和三个桨叶25，该桨叶在图示实施例中备有一个回转叶尖26。该叶尖26可以相对于桨叶的其余部分转动90°，起着空气制动器的作用。图2用大比例表示一个风力涡轮机桨叶25。桨叶25靠近桨毂30的部分称为叶根35。在风力涡轮机工作时，桨叶按箭头方向32旋转。位于旋转方向前面的边缘称为前缘33，而位于所述旋转方向后面的边缘称为后缘34。
图3为按III-III线通过图2风力涡轮机桨叶取的横截面视图。该桨叶系一拥有一个内腔的单壳结构。下文将详细介绍图3。
图4为本发明一项优先实施例的风力涡轮机桨叶的一部分简图。所示部分的几何尺寸和风力涡轮机桨叶的几何尺寸相应，而且包括了风力涡轮机桨叶叶尖上的闪电接收器5，一个第一导电体1，一个第二导电体2和一个第三导电体3，一些电加热元件4，四个火花隙7a、7b、9a、9b、以及两个过压断路器6a、6b。该闪电接收器5，即避雷针由一暴露在叶尖上且能接受雷击的金属零件构成。该闪电接收器5通过导电体3接地20。该接地当然是通过风力涡轮机的桨毂30和立柱31实现的。在图4所示实施例中，该装置包含三个分别和第一与第二导电体(1，2)连接的电加热元件4。该第一与第二导电体(1，2)在风力涡轮机桨叶的叶根35处通过过压断路器6a、6b分别同三相AC电源的第一电流相位37a与第二电流相位37b连接，并且通过火花隙9a、9b接地。当电压馈给相位端子37a、37b时，电流通过电加热元件4进而加热风力涡轮机桨叶表面并溶解表面和可能的冰层的界面联结。结果冰层剥落飞离。在风力涡轮机桨叶叶尖上，在第一导电体1与第二导电体2分别和闪电接收器5之间存在火花隙7a、7b。当雷击时，闪电电流立即从闪电接收器5通过第三导电体3入地。但是，在闪电接收器5分别和第一导电体1与第二导电体2之间，以及在第一导电体1与第二导电体2分别和地之间的火花隙7a、7b、9a、9b间迅速产生电弧，结果所述闪电电流也通过第一与第二导电体入地。但是，通过主要的第三导电体3传走的闪电电流比通过第一与第二导电体的闪电电流强大得多。该通过第一导电体1与第二导电体2的较强闪电电流起作用使过压断路器6a、6b断绝电源37a、37b同两个导电体1，2之间的连接。正确而均匀地设计火花隙和第一导电体1与第二导电体2保证向下通过第一导电体1与第二导电体2的电位降均匀，因而没有破坏性强的电流通过加热元件。易言之，总的闪电电流在三个导电体1、2和3之间进行分配，因而避免由于雷击而破坏对桨叶材料的加热和对加热元件的破坏。
图5用较大比例表示图4所示桨叶的一部分。加热元件4由金属薄膜构成，它能通过电流并有适当的电阻。另一个方案是加热元件可以包括导电碳纤维。在加热元件4和第一导电体1与第二导电体2之间的端接此处用小片导电元件9和铆钉10实现。另一个方案是片状元件9可以焊在导电体1，2和加热元件4的边缘上。这两种固定方法由于可以仅在一侧-例如从桨叶的外侧实施，故甚有利。
图6表示叶尖以及闪电接收器5同第二导电体2之间的火花隙7b。此处该火花隙由导电体2端部的圆凹面形成，所述凹面部分地围绕着闪电接收器5上的杆状件40。
图7为一带回转叶尖26的桨叶截面图。叶尖26可以围绕其纵轴线相对于其余桨叶27转动。叶尖26和其余桨叶27之间的回转连接通过轴14实现，该轴本身为一根典型的碳纤维轴，因此无需于此赘述。位于叶尖26上的导电体1，2部分同所述导电体1，2在桨叶其余部分27中的部分之间的电连接系通过弹性接触件15实现。图7仅表示第二导电体2。出于看得清楚的原因，图中将叶尖26从而和接触件15同桨叶的其余部分27脱离开。虽然图中未示出，但在导电体1，2的两个部分之间配置一个火花隙。在雷击情况下，有一电弧在此火花隙间产生，结果将闪电电流从叶尖围绕接触件传入地，于是该接触件便不致由于过度加热而焊合。图7上并未出现第三导电体3，但其在轴14内部伸展。该第三导电体3可以用一根控制叶尖26的电线本身构成。
加热元件4要么成片状嵌入风力涡轮机桨叶的壁内，要么装在外表面上(参看图3)。在后一情况下，有可能按照希望加热的桨叶表面区域确定安装加热元件的尺寸和数量。桨叶前缘33经常特别容易结冰，而在图3中此前缘33上备有加热元件4，但是表面上的任何一个部分或任何一些部分均可装备加热元件4。图3中这些加热元件出于看得清楚的原因而画得不正确。它们可以薄到实际不会改变表面的翼型。不管是加热元件4成片状嵌入风力涡轮机桨叶的壁13内，还是所述加热元件装在所述风力涡轮机桨叶的外面，此种模块化结构保证风力涡轮机可以适应实际的天气条件。
该第一导电体1和第二导电体2可以安排在桨叶外表面，或被埋入叶壁13内。在图3所示实施例中，它们被安排在表面的凹槽内。该第一导电体1与第二导电体2最好用金属制造，但亦可用碳纤维材料制造，或者选用带有金属镀层碳纤维的碳纤维材料制造。
如果结构正确，即电感相同和跨越部分距离的电位相同，则跨越不管是安排在风力涡轮机桨叶内部的导电体3(参看图3)，还是跨越两个安排在外表面上的导电体1，2均将存在电位降。结果便可忽略电位均衡，同时保证雷击时跨越加热元件4的电位差经常为零，因此便无破坏力强的电流通过所述加热元件4。
在相位端子37a，37b和电源之间可以加入一个开关继电器(未示出)，此继电器可以和风力涡轮机桨叶表面中的结冰传感器连接，从而当结冰传感器测出冰时便能在电源和导电体1，2之间建立起电接触。
电源和相位端子37a，37b连接(见图4)，交、直流电源均可。电源既可为风力涡轮机的初级电源，亦可为安排在涡轮顶部或底部的次级电源，亦可在所述桨叶内部或桨毂内部和所述桨叶一同旋转。
此外，导电体可以将电能供给二极用途，例如用于加热带叶尖桨叶内部的轴管，或用于任何种需要处理信号的能量的温度传感器和发送器，来自传感器和发送器的信号利用例如无线电波、激光或光导纤维的其他技术向下传入涡轮机。
本发明不受上述实施例的限制。

Claims (8)

1.一种风力涡轮机桨叶，其包含沿桨叶(25)纵向伸展的一个第一和第二导电体(1；2)，一个或一个以上同第一与第二导电体(1；2)连接并用于加热桨叶表面的电加热元件(4)，其特征在于桨叶本身备有一个避雷针系统，该系统包括一个在风力涡轮机桨叶叶尖上的雷电接收器(5)和一个同所述雷电接收器(5)实现电连接且在叶根处接地的第三导电体(3)，同时该第一与第二导电体(1；2)通过靠近雷电接收器(5)的火花隙(7a，7b)同所述闪电接收器连接，并通过火花隙(9a，9b)在叶根处接地。
2.按照权利要求1所述的风力涡轮机桨叶，其特征在于靠近叶根的第一导电体(1)通过一个超压断路器(6a)和第一电流相位(37a)连接，而靠近叶根的第二导电体(2)通过一个超压断路器(6b)和第二电流相位(37b)连接。
3.按照前述一项或一项以上权利要求所述的风力涡轮机桨叶，其特征在于该加热元件(4)从外部配置在风力涡轮机桨叶(25)的表面上。
4.按照前述一项或一项以上权利要求所述的风力涡轮机桨叶，其特征在于该加热元件(4)被层压在桨叶壁(13)内。
5.按照前述一项或一项以上权利要求所述的风力涡轮桨叶，其特征在于该加热元件(4)用金属箔制成。
6.按照前述一项或一项以上权利要求所述的风力涡轮机桨叶，其特征在于该第一和第二导电体(1；2)被配置在风力涡轮机桨叶壁(13)内，而第三导电体(3)则被插入桨叶内腔。
7.按照前述一项或一项以上权利要求所述的风力涡轮机桨叶，其特征在于该加热元件(4)被配置在桨叶(25)的前缘。
8.按照前述一项或一项以上权利要求所述的风力涡轮机桨叶，其特征在于该桨叶本身包含一个已知的摆动叶尖(26)，同时至少有一部分第一与第二导电体(1；2)伸入该摆动叶尖(26)，并且通过弹性接触件(15)和同一导电体(1，2)在其余桨叶部分(27)内伸展的部分连接，此外在同一导电体(1，2)的两个部分之间，还备有和每个此种接触件(15)平行的火花隙。
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