KR20180008496A - 낙뢰 보호 시스템용 수용체 - Google Patents

Abstract

전기 전도성 전류 캐리어들(6;19) 및 장착 볼트들(9) 및/또는 나사형 로드들(20)을 포함하는, 풍력 터빈 블레이드(2)에 대한 낙뢰 보호 시스템용 수용체 어셈블리(1;5)가 개시되며, 상기 전류 캐리어들 각각은, 장착 볼트 또는 나사형 로드와의 전기적 접촉 없이 장착 볼트 또는 나사형 로드의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고 치수가 정해진 금속 부분이며, 각 전류 캐리어의 일 단부에, 외측 표면의 적어도 일부는, 수용체 베이스(3;16)에 대한 기계적 및 전기적 접촉을 위한 접촉 표면(10)이 되도록 배치되며, 이러한 식으로, 상시 수용체 상에 낙뢰 충격의 경우, 낙뢰 전류는, 수용체를 통과하는 중에, 하나 이상의 장착 볼트들 및/또는 나사형 로드들을 통과하는 대신, 하나 이상의 전류 캐리어들을 통과한다.

Description

낙뢰 보호 시스템용 수용체

본 발명은 풍력 터빈 블레이드에 대한 낙뢰 보호 시스템용 표면 장착된 수용체에 관한 것이다.

풍력 터빈 블레이드들에 대한 대부분의 알려진 낙뢰 보호 시스템들은 하나 이상의 내측에 배치된 인하 도선들 및 블레이드의 외측 표면 상에 배치된 다수의 낙뢰 수용체들을 포함한다. 일반적으로, 풍력 터빈 블레이드의 팁에 배치된 팁 수용체 및 그 길이의 적어도 일부를 따라 풍력 터빈 블레이드의 표면에 분포된 다수의 측면 수용체들이 있다.

이러한 외측 낙뢰 수용체들이 낙뢰 충격에 의해 손상될 수 있으며, 따라서, 이러한 수용체들의 수명은 이들이 받는 낙뢰 충격의 횟수에 따라 제한된다는 것이 잘 알려진 문제다.

본 기술 분야에 알려진 바와 같은 일반적인 측면 수용체는 단순히, 금속 볼트, 풍력 터빈 블레이드의 외측 표면에 의해 정렬된 헤드, 및 풍력 터빈 블레이드 내에 배치된 측면 수용체 베이스 내로 나사 결합된 나사부로 이루어진다. 전기 전도성 측면 수용체 베이스는 전기적으로 접지되어, 측면 수용체의 헤드에 충돌하는 낙뢰 타격으로부터의 전류가 나사부를 통과하여 측면 수용체 베이스로 가고, 추가로 풍력 터빈 블레이드 및 풍력 터빈 타워를 통과하여 지상으로 간다.

다수의 문제들은 이러한 일반적인 측면 수용체들의 사용에 관련되어 있다. 예를 들어, 측면 수용체의 헤드는 낙뢰 타격의 충격에 의해 종종 손상된다. 이는, 툴에 의한 결합을 나타내는, 헤드 내의 임의의 리세스들(슬롯들) 또는 다른 구조적 요소들이 다수의 낙뢰 충격 후 적어도 부분적으로 사라질 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 예를 들어 교체하기 위해, 측면 수용체를 나사 결합을 해제하는 것이 종종 거의 불가능하다. 아이러니하게도, 측면 수용체의 교체가 더 필요해질수록 이를 제거하는 것이 더 어려울 수 있다.

또 다른 문제는, 낙뢰 전류가 측면 수용체의 나사를 통과해야 하기 때문에, 측면 수용체와 측면 수용체 베이스 사이의 전도도를 감소시킬 수 있어, 제조자들이종종 측면 수용체를 고정시키기 위한 나사 락커들 또는 다른 접착제들을 사용하는 것을 종종 꺼린다는 것이다.

특히 팁 수용체들이 낙뢰 타격의 충격에 의해 손상될 때, 본 기술 분야에 알려진 팁 수용체들의 교체에 관한 유사한 문제들이 존재한다.

본 발명의 목적은 본 기술 분야에 알려진 수용체들의 상기 언급된 단점들을 적어도 부분적으로 극복하는 낙뢰 보호 시스템용 수용체를 제공하는 것이다.

본 발명은 풍력 터빈 블레이드에 대한 낙뢰 보호 시스템용 수용체 어셈블리에 관한 것으로, 상기 수용체 어셈블리는 하나 이상의 전기 전도성 전류 캐리어들 및 하나 이상의 장착 볼트들 및/또는 나사형 로드들을 포함하며, 상기 전류 캐리어들 각각은, 장착 볼트 또는 나사형 로드의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고 치수가 정해진 금속 부분이며, 각 전류 캐리어들의 일 단부에 외측 표면의 적어도 일부는, 수용체가 풍력 터빈 블레이드 내에 장착될 때, 수용체 베이스에 대한 기계적 및 전기적 접촉을 위한 접촉 표면이 되도록 배치되고, 이러한 식으로, 상기 수용체 상의 낙뢰 충격의 경우, 다수의 낙뢰 전류는, 수용체를 통과하는 중에, 하나 이상의 장착 볼트들 및/또는 나사형 로드들을 통과하는 대신, 하나 이상의 전류 캐리어들을 통과한다.

본 발명은, 전류가 보다 중심 부분들을 통과하는 대신 도체들의 표면들을 따라 통과하는 경향이 있다는 사실을 이용한다. 이는, 수용체 어셈블리가 낙뢰 충격을 받을 때 낙뢰 전류의 무시해도 될 정도의 부분만이 장착 볼트들 또는 나사형 로드들을 통과하므로 손상되지 않는다는 것을 의미한다. 이는, 결과적으로 볼트들 또는 나사형 로드들이 손상되지 않게 유지되며, 수용체 어셈블리 또는 부품들의 교체가 필요한 경우 정상적으로 사용될 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 어셈블리는, 중심 홀에 의해 관통된 하나의 부분적으로 폐쇄된 단부를 갖는 관형 수용체 실린더 형태의 전류 캐리어를 포함하는 측면 수용체 형태에 있어서, 측면 수용체가 풍력 터빈 블레이드 내에 장착될 때, 부분적으로 폐쇄된 단부의 외측 표면의 적어도 일부가, 측면 수용체 베이스에 대한 기계적 및 전기적 접촉을 위한 접촉 표면이 되도록 배치되고, 중심 홀의 직경이 장착 볼트의 나사부의 직경보다 약간 크며, 장착 볼트에는 수용체 실린더 내에 은폐된 헤드 및 부분적으로 폐쇄된 단부 내의 중심 홀을 돌출시키는 나사부가 배치될 수 있도록, 상기 수용체 실린더의 내부 직경은 장착 볼트의 헤드의 직경보다 크고, 수용체 실린더의 내측 길이는 볼트의 헤드의 높이보다 크며, 수용체 플러그는, 그 내부에 은폐된 장착 볼트의 헤드를 커버하기 위해, 부분적으로 폐쇄된 단부에 대향하는 수용체 실린더의 단부에 끼워맞춰지도록 치수가 정해진다.

이러한 방식으로 구성된 측면 수용체는, 예를 들어, 장착 볼트의 헤드가 낙뢰 타격에 의해 손상되는 것으로부터 보호되며, 따라서, 손상되지 않게 유지되어 필요할 때마다 교체를 위해 측면 수용체가 제거될 수 있다는 점에서 유리하다.

또 다른 장점은, 낙뢰 전류가, 장착 볼트의 나사를 통과하는 대신, 접촉 표면을 통과하며, 따라서, 장착 볼트 및 측면 수용체를 고정시키기 위해 나사 라커들 또는 다른 접착제들을 사용하는 것에 관련된 문제들이 없다는 것이다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 플러그는 실리콘과 같은 내열성 페이스트로 이루어진다.

본 발명의 실시예에서, 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌(high-density polyethylene; HDPE)에 의해 제조된 스크류 캡은 장착 볼트의 슬롯 내에 배치된다.

장착 볼트의 슬롯 내에 스크류 캡을 배치하는 것은 슬롯을 보호하고, 수용체 플러그가 형성될 수 있는, 페이스트에 의해 충전되지 않는다는 것을 보장하며, 이는 장착 볼트의 풀림 및 제거를 위해 툴이 이러한 슬롯과 결합해야 할 때 문제가 될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 플러그는 금속, 플라스틱 재료, 고무, 또는 섬유 유리와 같은 고체 재료로 제조된다.

이러한 경우, 고체 플러그는, 측면 수용체가 교체되어야 하고 장착 볼트에 대한 접근이 필요할 때 천공될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 측면 수용체는 예를 들어, 장착 볼트의 헤드와 수용체 실린더의 부분적으로 폐쇄된 단부의 내측 표면 사이에 배치된 유리 섬유 강화 고분자(Glass Fibre Reinforced Polymer; GFRP)로 제조된 전기 절연성 심을 추가로 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 측면 수용체는 수용체 실린더로부터 장착 볼트를 전기적으로 절연시키기 위해, 장착 볼트의 헤드 주위에, 예를 들어, 고무, 고분자 또는 절연 복합 재료들(섬유 유리 또는 베이클라이트(Bakelite))로 제조된 볼트 절연체를 추가로 포함한다.

이러한 볼트 절연체의 사용은, 낙뢰 전류가 장착 볼트를 통과하지 않는다는 것을 보장한다.

본 발명의 실시예에서, 볼트 절연체는 수용체 플러그 내에 물리적으로 일체화된다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 실린더의 라운드 표면은 약간 원뿔형이며, 수용체 실린더가 풍력 터빈 블레이드 내의 측면 수용체의 장착 동안 고무 가스켓 내로 가압될 때, 측면 수용체는, 수용체 실린더를 둘러싸고, 수용체 실린더를 수용하고 끼워맞추도록 배치된 약간 원뿔형의 내부 표면을 갖는 고무 가스켓을 추가로 포함한다.

원뿔형 수용체 실린더를 고무 가스켓 내로 가압하는 것은, 측면 수용체와, 풍력 터빈 블레이드 표면의 둘러싸는 부분들 사이의 밀폐 연결을 보장하며, 따라서, 원뿔형 수용체 실린더와 블레이드 스킨 라미네이트 사이의 물 침투를 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 장착 볼트의 나사 직경은 8 mm와 15 mm 사이, 바람직하게는 10 mm와 12 mm 사이이다.

본 발명의 실시예에서, 접촉 표면의 적어도 일부가 경사지도록, 부분적으로 폐쇄된 단부에서 수용체 실린더의 외부 에지는 비스듬해진다.

본 발명의 실시예에서, 접촉 표면의 비스듬한 부분과 수용체 실린더의 종축 사이의 각도는 30°와 70° 사이, 바람직하게는 55°와 65° 사이, 가장 바람직하게는 59°이다.

적어도 부분적으로 경사진 접촉 표면의 사용은 양호한 기계적 접촉을 보장하고, 측면 수용체로부터 측면 수용체 베이스로의 낙뢰 전류의 통로에 대한 더 큰 접촉 표면을 야기한다. 59°의 각도는 표준 드릴의 단부의 형상에 대응한다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 실린더는, 부분적으로 폐쇄된 단부의 대향하는 단부에, 수용체 실린더의 종축에 바깥쪽으로, 실질적으로 수직으로 돌출된 수용체 러프를 추가로 포함한다.

수용체 러프는 측면 수용체와 풍력 터빈 블레이드의 둘러싸는 표면 사이의 밀폐 연결을 보장하는 것을 돕고, 낙뢰 충격으로 인한 아크 루트 침식에 대한 더 많은 재료를 보장한다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 실린더는 적어도 부분적으로 구리 또는 구리 합금으로 이루어진다.

구리의 사용은 수용체 실린더의 매우 높은 전기 전도도 및 높은 열전도도를 보장한다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 실린더는 적어도 부분적으로 스틸로 이루어진다.

스틸의 사용은 매우 높은 기계적 강도를 보장하고, 비교적 적은 비용으로 부식 관련 문제들의 위험을 감소시킨다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 실린더는 적어도 부분적으로 알루미늄으로 이루어진다.

알루미늄의 사용은 비교적 적은 비용으로 용이한 기계적 처리를 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에서, 부분적으로 폐쇄된 단부에 대향하는 단부에 수용체 실린더는, 텅스텐 카바이드와 같은 내온도성 재료의 보호층으로 커버된다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 실린더는 적어도 부분적으로 텅스텐 카바이드로 이루어진다.

텅스텐 카바이드의 사용은, 높은 전기 전도도, 높은 열 전도도, 및 수용체 실린더의 표면의 매우 높은 용융 온도, 및 낙뢰 타격으로부터 침식을 차아징(charging)하는 낮은 서셉턴스(susceptance)를 보장한다. 특히, 다른 재료들에 도포된 텅스텐 카바이드의 코팅은 낙뢰 타격의 소위 긴 타격 컴포넌트들에 대한 증명된 높은 성능을 갖는다. 텅스텐 카바이드의 화학적 안정성이 높으며, 부식 관련 문제들의 위험이 크게 감소된다는 것을 의미한다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 실린더의 내부 직경은 10 mm와 40 mm 사이, 바람직하게는 15 mm와 30 mm 사이이다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 실린더의 벽 두께는 2 mm와 10 mm 사이, 바람직하게는 4 mm와 8 mm 사이이다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 실린더의 길이는 15 mm와 150 mm 사이, 바람직하게는 20 mm와 50 mm 사이이다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 어셈블리는 수용체 실린더를 둘러싸고 블레이드 스킨에 평행한 평면에서 그로부터 바깥쪽으로 연장되어 있으며, 부분적으로 폐쇄된 단부에 대향하는 수용체 실린더의 단부, 및 존재하는 경우 수용체 러프가 실질적으로 정렬된, 블레이드 표면 보호부를 추가로 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 블레이드 표면 보호부는 접착제에 의해 풍력 터빈 블레이드의 표면에 고정된, 폴리에스테르 또는 폴리아미드 필름, 섬유 유리 복합 재료 또는 고온 세라믹 화합물과 같은 내열성 플라스틱 재료의 원형 시트로 제조된다.

본 발명의 실시예에서, 팁 수용체가 풍력 터빈 블레이드 내에 장착될 때, 팁 수용체는 전도성 부싱의 일 단부와 기계적 및 전기적 접촉을 하고, 팁 수용체 베이스가 전도성 부싱의 타 단부와 기계적 및 전기적 접촉을 하도록, 수용체 어셈블리는 (바람직하게는 관형) 전도성 부싱 형태의 하나 이상의 전류 캐리어들 및 팁 수용체를 포함하며, 부싱의 내부 직경은, 팁 수용체 베이스에 팁 수용체를 장착시키기 위해 부싱을 통해 연장되는, 볼트들 또는 나사형 로드들의 직경보다 크다.

본 발명의 실시예에서, 팁 수용체는, 팁 수용체가 풍력 터빈 블레이드 내에 장착될 때 팁 수용체 베이스를 향하는 표면에서, 나사형 로드들을 수용하기 위한 홀들, 및 하나 이상의 다른 표면들에서, 너트들이 팁 수용체 내의 나사형 로드들의 단부에 대해 장착되고 조여질 수 있는 하나 이상의 개구들을 포함한다.

이러한 방식으로 구성된 팁 수용체 어셈블리는, 예를 들어, 장착 볼트들의 너트들 또는 헤드들이 낙뢰 타격에 의해 손상되는 것으로부터 보호되며, 따라서, 손상되지 않게 유지되어, 필요할 때마다 교체를 위해 팁 수용체가 제거될 수 있다는 점에서 유리하다.

다른 장점은, 낙뢰 전류가 장착 볼트들 또는 나사형 로드들의 나사를 통과하는 것 대신 접촉 표면을 통과하며, 따라서, 장착 볼트들 또는 나사형 로드들, 및 팁 수용체를 고정시키기 위한 나사 라커들 및 다른 접착제들을 사용하는 것에 관련된 문제가 없다는 것이다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 어셈블리는, 그 내부에 은폐된 너트들을 커버하기 위해 개구들 내로 끼워맞춰도록 치수가 정해진 수용체 플러그들을 추가로 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 플러그는 실리콘과 같은 내열성 페이스트로 이루어진다.

본 발명의 실시예에서, 수용체 플러그는 금속, 플라스틱 재료, 고무, 또는 섬유 유리와 같은 고체 재료로 제조된다.

본 발명의 실시예에서, 장착 볼트들 또는 나사형 로드들의 나사 직경은 6 mm와 15 mm 사이, 바람직하게는 8 mm와 12 mm 사이이다.

본 발명의 실시예에서, 부싱은 적어도 부분적으로 구리 또는 구리 합금으로 이루어진다.

본 발명의 실시예에서, 부싱은 적어도 부분적으로 스틸로 이루어진다.

본 발명의 실시예에서, 부싱은 적어도 부분적으로 알루미늄으로 이루어진다.

본 발명의 실시예에서, 부싱은 적어도 부분적으로 텅스텐 카바이드로 이루어진다.

본 발명의 실시예에서, 부싱의 벽 두께는 2 mm와 10 mm 사이, 바람직하게는 4 mm와 8 mm 사이이다.

본 발명의 실시예에서, 부싱의 길이는 15 mm와 150 mm 사이, 바람직하게는 20 mm와 50 mm 사이이다.

본 발명의 실시예에서, 부싱의 총 단면적은 40 cm²보다 크고, 바람직하게는 70 cm²보다 크다.

본 발명의 양태에서, 이는, 상술한 바와 같은 하나 이상의 수용체 어셈블리들을 포함하는 풍력 터빈 블레이드에 대한 낙뢰 보호 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 양태에서, 이는, 상술한 바와 같은 낙뢰 보호 시스템을 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다.

이하에서, 본 발명의 일부 실시예들이 도면을 참조하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 본 기술 분야에 알려진 바와 같이, 팁 수용체와 측면 수용체를 포함하는 낙뢰 보호 시스템을 갖는 풍력 터빈 블레이드를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a는 풍력 터빈 블레이드의 표면 내에 장착된, 본 발명의 실시예에 따른 수용체 어셈블리의 사시도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 수용체 어셈블리의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 수용체 어셈블리의 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수용체 어셈블리의 단면도이다.
도 4는 풍력 터빈 블레이드의 표면 내에 장착된, 본 발명의 제3 실시예에 따른 수용체 어셈블리의 분해도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 수용체 어셈블리의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 수용체 어셈블리의 분해도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수용체 어셈블리의 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 수용체 어셈블리의 분해도이다.

도 1은 본 기술 분야에 알려진 바와 같이 측면 수용체(1)를 포함하는 낙뢰 보호 시스템을 갖는 풍력 터빈 블레이드(2)를 개략적으로 도시한 것이다. 측면 수용체(1)는 풍력 터빈 블레이드(2)의 표면 내에 장착되고, 바람직하게는 그와 함께 정렬되며, 풍력 터빈 블레이드(2) 내에 배치되고 절연부(8)에 의해 커버된, 측면 수용체 베이스(3)와 기계적으로 및 전기적으로 연결되어 있다. 측면 수용체(1)는 일반적으로 볼트로서 형성되고, 측면 수용체 베이스(3)에 대한 연결은 단순히 나사형 연결로 이루어진다.

풍력 터빈 블레이드(2)의 종축을 따라 연장되는 인하 도선(4)은, 풍력 터빈 블레이드(2)의 측면 수용체 베이스(3)(및 측면 수용체(1)) 및 팁 수용체(5)가 풍력 터빈 나셀 및 타워(미도시)를 통해 어스(earth)에 전기적으로 연결되어 있다는 것을 보장한다.

도 2a 및 2b는 풍력 터빈 블레이드(2)의 표면 내에 장착된, 본 발명의 실시예에 따른 측면 수용체(1) 형태의, 수용체 어셈블리의 각각 사시도 및 단면도이다. 수용체 실린더(6)는 측면 수용체(1)의 전기 전도성 부분을 구성한다. 측면 수용체(1)가 그 내부에 장착될 때, 상부 원형 단부는, 풍력 터빈 블레이드(2)의 표면이 실질적으로 정렬된 측면 수용체(1)의 외측부를 형성한다. 이는 낙뢰 타격에 의해 충격을 받는 부분이다.

수용체 실린더(6)의 대향 단부는, 낙뢰 전류가 측면 수용체(1)로부터, 측면 수용체(1)가 연결되어 있는 측면 수용체 베이스(3)로 통과하는, 접촉 표면(10)을 형성한다. 수용체 실린더(6)는 장착 볼트(9)에 의해 측면 수용체 베이스(3)에 기계적으로 연결되어 있고, 헤드는 수용체 실린더(6) 내에 은폐되어 있으며, 나사부는 수용체 실린더(6)의 접촉 표면(10) 내의 중심홀을 통해 돌출된다.

이들 도면들에 도시된 실시예에서, 접촉 표면(10)은 평면이며, 수용체 실린더(6)의 종축에 수직이다. 다른 실시예에서, 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 접촉 표면(10) 또는 그 적어도 일부는 경사질 수 있다.

도 2b는 절연부(8)가 측면 수용체 베이스(3) 뿐만 아니라 그에 연결된 측면 수용체(1)를 커버하는 방법을 도시한 것이다. 이는, 풍력 터빈 블레이드(2) 내의 인하 도선 및 측면 수용체 베이스(3)에 대한 경로 상에서, 측면 수용체(1) 옆에 풍력 터빈(2)의 쉘을 관통함으로써 바이패스하는 대신, 낙뢰 타격이 실제로 측면 수용체(1)를 통과한다는 것을 보장하는데 매우 중요하다.

와셔는 장착 볼트(9)를 고정시키기 위해 장착 볼트(9)의 헤드와 수용체 실린더(6)의 내측 표면 사이에 배치될 수 있다.

도시된 실시예에서, 측면 수용체(2)는 측면 수용체(1)에 충돌하는 낙뢰 타격 이후의 과도한 열에너지로부터 손상되는 것에 대해, 풍력 터빈 블레이드(2)의 표면을 보호하기 위한 수용체 실런더(6)에 대해 배치된 내열성 재료의 원형 시트 형태의 선택적인 블레이드 표면 보호부(12)를 포함한다. 유리하게는, 이러한 블레이드 표면 보호부(12)는 그 내부에 측면 수용체(1)의 장착 동안 풍력 터빈 블레이드(2)의 표면에 접착된다.

실런트(13)는, 측면 수용체(1)와 풍력 터빈 블레이드(2)의 둘러싸는 표면 사이의 밀폐 연결을 보장한다.

수용체 실린더(6)의 개방 단부는 수용체 플러그(7)에 의해 폐쇄되며, 고체 전기 전도성 또는 절연 재료로 제조되거나, 내열성 페이스트로 이루어질 수 있다. 이러한 수용체 플러그(7)는, 장착 볼트(9)의 헤드가 충돌하는 낙뢰 타격으로부터 손상되는 것을 보호한다. 스크류 캡(14)은, 수용체 플러그(7)가 페이스트로 이루어지는 경우, 예를 들어, 페이스트의 입구에 대해 장착 볼프(9)의 슬롯을 보호한다.

또한, 측면 수용체(1)의 이러한 실시예는 장착 볼트(9)와 수용체 실린더(6) 사이의 전기 절연을 보장하기 위해, 장착 볼트(9)의 헤드에 배치된 볼트 절연체(15)를 포함하여, 낙뢰 전류가, 측면 수용체(1)로부터 측면 수용체 베이스(3)로의 경로 상에서 장착 볼트(9)의 나사를 통과하는 것 대신, 접촉 표면(10)을 통과하도록 가압될 수 있다.

도 3a는 2개의 이전 도면들의 측면 수용체(1)의 확대 단면도인 한편, 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 측면 수용체(1) 형태의 수용체 어셈블리의 단면도이다.

도 3a에 도시된 실시예와의 하나의 차이점은, 도 3b에 도시된 실시예에서는, 수용체 실린더(6)에, 수용체 실린더(6)의 상부 원형 단부로부터 바깥쪽으로 연장되는 수용체 러프(11)가 구비된다는 것이다. 이러한 수용체 러프(11)는 측면 수용체(1)와 풍력 터빈 블레이드(2)의 둘러싸는 표면 사이의 밀폐 및 내후성 연결을 보장하는데 유용하며, 아크 루트 침식을 위한 추가적인 재료, 및 측면 수용체(1)의 자연적인 마모를 제공한다.

또한, 수용체 실린더(6)의 에지는, 접촉 표면(10)의 적어도 일부가 경사지는 방식으로 비스듬해진다. 이는, 접촉 표면(10)의 면적을 증가시키며, 이에 의해 측면 수용체 베이스(3)에 대한 전기적 연결을 향상시킨다. 또한, 이는, 측면 수용체(1)와 측면 수용체 베이스(3) 사이의 연결의 양호한 기계적 안정성을 보장한다.

도 4는 (측면 수용체 베이스의 절연부(8)가 없음) 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이 풍력 터빈 블레이드(2) 내에 장착된 측면 수용체(1)의 분해도이다. 다시, 수용체 플러그(7)는 고체 재료로 제조되거나 내열성 페이스트로 이루어질 수 있다.

도 5 및 도 6은 다수의 양태들에서 이전에 설명된 실시예와 다른 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 측면 수용체(1) 형태의 수용체 어셈블리의, 각각 단면도 및 분해도이다.

먼저, 수용체 실린더(6)는 측면 수용체(1)와 풍력 터빈 블레이드(2)의 표면의 둘러싸는 부분들 사이의 밀폐 연결을 보장하기 위해, 고무 가스켓(17)에 의해 둘러싸여진다. 이러한 밀폐는 수용체 실린더(6)의 라운드 표면들 뿐만 아니라 고무 가스켓(18)의 내부 표면을 약간 원뿔형으로 만듬으로써 얻어져, 수용체 실린더(6)가, 풍력 터빈 블레이드(2) 내의 측면 수용체(1)의 장착 동안, 고무 가스켓(17) 내로 가압될 때, 수용체 실린더(6)는 고무 가스켓(17) 내로 밀폐식으로 끼워맞춰질 수 있다.

두번째로, 수용체 어셈블리의 이러한 실시예는, 예를 들어, 장착 볼트(9)의 헤드와 수용체 실린더(6)의 부분적으로 폐쇄된 단부의 내측 표면 사이에 배치된, 유리 섬유 강화 고분자(GFRP)로 제조된 전기 절연성 심(23)을 포함한다. 장착 볼트(9)의 헤드와 수용체 실린더(6) 사이의 전기 절연부를 제공하는 것을 제외하고, 이러한 심(23)은 또한 장착 볼트(9)의 위치를 제어하는 목적을 제공한다. 심(23)은, 장착 볼트(9)의 나사부가 수용체 실린더(6) 내의 홀 내의 중심에 있어, 장착 볼트(9)와 수용체 실린더(6) 사이의 전기적 접촉이 회피될 수 있으며, 수용체 실린더(6) 내의 장착 볼트(9)의 헤드의 높이를 조절한다.

세번째로, 장착 볼트(9)의 헤드를 둘러싸는 볼트 절연체(15)뿐만 아니라 스크류 캡(14)은 수용체 플러그(7) 내에 물리적으로 일체화된다. 도시된 실시예에서, 이러한 수용체 플러그(7)는 고무와 같은 탄성 재료로 제조되며, 수용체 실린더(6)의 내부 표면에서 대응하는 그루브 내로 끼워맞추는 주변 텅(tongue)이 구비된다. 이는, 수용체 플러그(7)가 수용체 실린더(6) 내로 파운딩(pounded)되는 경우, 그루브 내의 텅에 의해 제 위치에 유지된다는 것을 의미한다.

도 7 및 도 8은, 본 발명의 실시예에 따른 팁 수용체 어셈블리 형태의 수용체 어셈블리의, 각각 단면도 및 분해도이다.

본 발명의 이러한 실시예에서, 팁 수용체(5)는 2개의 나사형 로드들(20)에 의해 팁 수용체 베이스(16)에 장착된다. 이들 나사형 로드들(20)은 팁 수용체 베이스(16) 내의 나사형 홀들(18) 내로 나사 결합되고, 전기 전도성 부싱(19)은 나사형 로드들(20)의 각각에 대해 배치된다. 나사형 로드들(20)의 자유 단부들은 팁 수용체 베이스(16)를 향하는 팁 수용체(5)의 표면 내의 홀들에 놓여지고, 너트들(21)은 팁 수용체(5)의 측면에서 개구(22)를 통해 팁 수용체(5) 내에 나사형 로드들(20)의 이들 단부들에 대해 장착되며 조여진다.

이는, 팁 수용체(5)가 전도성 부싱(19)의 일 단부와 기계적 및 전기적 접촉을 하며, 팁 수용체 베이스(16)가 전도성 부싱(19)의 타 단부와 기계적 및 전기적 접촉을 한다는 것을 의미한다. 도면들은, 팁 수용체 베이스(16)가 전기 절연성 재료(24)의 층에 의해 커버되는 방법을 도시하며, 2개의 개구들은 나사형 로드들(20) 및 둘러싸는 부싱(19)에 대한 접근을 제공하여, 팁 수용체 베이스(16)와 전기적 및 기계적 접촉을 할 수 있다.

낙뢰 전류가 보다 중심 부분을 통과하는 대신, 도체들의 표면들을 따라 통과하는 경향이 있다는 사실은, 다수의 낙뢰 전류가 전도성 부싱(19)을 통과하고, 수용체 어셈블리가 낙뢰 충격을 받을 때, 무시해도 될 정도의 부분만이 나사형 로드들(20)을 통과하여, 따라서 손상되지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, 나사형 로드들(20) 및 너트들(21)은 손상되지 않게 유지되며, 팁 수용체 어셈블리 또는 그 부품들의 교체가 필요한 경우 정상적으로 사용될 수 있다.

너트들(21)이 장착되는 개구(22)는, 예를 들어, 실리콘과 같은 내열성 페이스트로 이루어지거나, 금속, 플라스틱 재료, 고무 또는 섬유 유리와 같은 고체 재료로 제조된 수용체 플러그(미도시)에 의해 폐쇄될 수 있다.

1. 측면 수용체
2. 풍력 터빈 블레이드
3. 측면 수용체 베이스
4. 인하 도선
5. 팁 수용체
6. 수용체 실린더
7. 수용체 플러그
8. 측면 수용체 베이스의 절연부
9. 장착 볼트
10. 접촉 표면
11. 수용체 러프
12. 블레이드 표면 보호부
13. 실런트
14. 스크류 캡
15. 볼트 절연체
16. 팁 수용체 베이스
17. 고무 가스켓
18. 나사형 홀
19. 전도성 부싱
20. 나사형 로드
21. 너트
22. 팁 수용체 내의 개구
23. 절연 심
24. 팁 수용체 베이스의 절연부

Claims (38)

1. 풍력 터빈 블레이드(2)에 대한 낙뢰 보호 시스템용 수용체 어셈블리(1;5)로서,
   상기 수용체 어셈블리는, 하나 이상의 전기 전도성 전류 캐리어들(6;19) 및 하나 이상의 장착 볼트들(9) 및/또는 나사형 로드들(20)을 포함하고,
   싱기 전류 캐리어들 각각은, 장착 볼트 및 나사형 로드와의 전기적 접촉 없이 장착 볼트 또는 나사형 로드의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고 치수가 정해진 금속 부분이며,
   상기 각 전류 캐리어의 일 단부에, 외측 표면의 적어도 일부는, 상기 수용체가 풍력 터빈 블레이드 내에 장착될 때 수용체 베이스(3;16)에 대한 기계적 및 전기적 접촉을 위한 접촉 표면(10)이 되도록 배치되고,
   이러한 식으로, 상기 수용체 상의 낙뢰 충격의 경우, 다수의 낙뢰 전류는 수용체를 통과하는 중에, 하나 이상의 장착 볼트들 및/또는 나사형 로드들을 통과하는 대신, 하나 이상의 전류 캐리어들을 통과하는, 수용체 어셈블리(1;5).
2. 제1항에 있어서,
   중심 홀에 의해 관통된 하나의 부분적으로 폐쇄된 단부를 갖는 관형 수용체 실린더(6)의 형태의 전류 캐리어를 포함하는 측면 수용체(1) 형태에 있어서, 측면 수용체가 풍력 터빈 블레이드 내에 장착될 때, 부분적으로 폐쇄된 단부의 외측 표면의 적어도 일부가, 측면 수용체 베이스(3)에 대한 기계적 및 전기적 접촉을 위한 접촉 표면(10)이 되도록 배치되고, 그리고 중심 홀의 직경이 장착 볼트(9)의 나사부의 직경보다 약간 크고,
   상기 장착 볼트에는, 수용체 실린더 내에 은폐된 헤드 및 부분적으로 폐쇄된 단부 내의 중심 홀을 통해 돌출되는 나사부가 배치될 수 있도록, 상기 수용체 실린더의 내부 직경이 장착 볼트의 헤드의 직경보다 크고, 상기 수용체 실린더의 내측 길이는 볼트의 헤드의 높이보다 크고,
   수용체 플러그(7)는, 그 내부에 은폐된 장착 볼트의 헤드를 커버하기 위해, 부분적으로 폐쇄된 단부에 대향하는 수용체 실린더의 단부 내로 끼워맞춰지도록 치수가 정해진, 수용체 어셈블리.
3. 제2항에 있어서,
   상기 수용체 플러그는 실리콘과 같은 내열성 페이스트로 이루어지는, 수용체어셈블리.
4. 제3항에 있어서,
   예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)에 의해 제조된 스크류 캡(14)이 장착 볼트의 슬롯 내에 배치되어 있는, 수용체 어셈블리.
5. 제2항에 있어서,
   상기 수용체 플러그는 금속, 플라스틱 재료, 고무 또는 섬유 유리와 같은 고체 재료로 제조되는, 수용체 어셈블리.
6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 장착 볼트의 헤드와, 수용체 실린더의 부분적으로 폐쇄된 단부의 내측 표면 사이에 배치된, 예를 들어, 유리 섬유 강화 고분자(GFRP)로 제조된 전기 절연성 심(23)을 추가로 포함하는, 수용체 어셈블리.
7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   장착 볼트의 헤드 주위에, 상기 장착 볼트를 수용체 실린더로부터 전기적으로 절연시키기 위해, 예를 들어, 고무, 고분자 또는 절연성 복합 재료(섬유 유리 또는 베이클라이트)로 제조된, 볼트 절연체(15)를 추가로 포함하는, 수용체 어셈블리.
8. 제7항에 있어서,
   상기 볼트 절연체는 수용체 플러그 내에 물리적으로 일체화된, 수용체 어셈블리.
9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 수용체 실린더의 라운드형 표면은 약간 원뿔형이고, 상기 수용체 실린더가 풍력 터빈 블레이드 내의 측면 수용체의 장착 동안 고무 가스켓 내로 가압될 때, 상기 측면 수용체는, 수용체 실린더를 둘러싸고, 수용체 실린더를 수용하고 끼워맞추도록 배치된 약간 원뿔형의 내부 표면을 갖는 고무 가스켓(17)을 추가로 포함하는, 수용체 어셈블리.
10. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장착 볼트의 나사 직경은 8 mm와 15 mm 사이, 바람직하게는 10 mm와 12 mm 사이인, 수용체 어셈블리.
11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분적으로 폐쇄된 단부에서 수용체 실린더의 외부 에지는, 접촉 표면의 적어도 일부가 경사지도록 비스듬해지는, 수용체 어셈블리.
12. 제11항에 있어서,
    접촉 표면의 비스듬한 부분과 수용체 실린더의 종축 사이의 각도는 30°와 70°사이, 바람직하게는 55°와 65° 사이, 가장 바람직하게는 59°인, 수용체 어셈블리.
13. 제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    부분적으로 폐쇄된 단부에 대향하는 단부에, 상기 수용체 실린더의 종축에 바깥쪽으로, 실질적으로 수직으로 돌출되는 수용체 러프(11)를 추가로 포함하는, 수용체 어셈블리.
14. 제2항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수용체 실린더는 적어도 부분적으로 구리 또는 구리 합금으로 이루어진, 수용체 어셈블리.
15. 제2항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수용체 실린더는 적어도 부분적으로 스틸로 이루어진, 수용체 어셈블리.
16. 제2항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수용체 실린더는 적어도 부분적으로 알루미늄으로 이루어진, 수용체 어셈블리.
17. 제2항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분적으로 폐쇄된 단부에 대향하는 단부에, 상기 수용체 실린더는, 텅스텐 카바이드와 같은 내온도성 재료의 보호층으로 커버되는, 수용체 어셈블리.
18. 제2항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수용체 실린더는 적어도 부분적으로 텅스텐 카바이드로 이루어진, 수용체 어셈블리.
19. 제2항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수용체 실린더의 내부 직경은 10 mm와 40 mm 사이, 바람직하게는 15 mm와 30 mm 사이인, 수용체 어셈블리.
20. 제2항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수용체 실린더의 벽 두께는 2 mm와 10 mm 사이, 바람직하게는 4 mm와 8 mm 사이인, 수용체 어셈블리.
21. 제2항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수용체 실린더의 길이는 15 mm와 150 mm 사이, 바람직하게는 20 mm와 50 mm 사이인, 수용체 어셈블리.
22. 제2항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수용체 실린더를 둘러싸고, 블레이드 스킨에 평행한 면에서 그로부터 바깥쪽으로 연장되며, 블레이드 스킨 상에 도포되고, 부분적으로 폐쇄된 단부에 대향하는 수용체 실린더의 단부, 및 존재하는 경우, 수용체 러프가 실질적으로 정렬된, 블레이드 표면 보호부(12)를 추가로 포함하는, 수용체 어셈블리.
23. 제22항에 있어서,
    상기 블레이드 표면 보호부는, 접착제에 의해 풍력 터빈 블레이드의 표면에 고정된, 폴리에스테르 또는 폴리아미드 필름, 섬유 유리 복합 재료 또는 고온 세라믹 화합물과 같은, 내열성 플라스틱 재료의 원형 시트로 제조되는, 수용체 어셈블리.
24. 제1항에 있어서,
    팁 수용체(5) 및 (바람직하게는 관형) 전도성 부싱(19) 형태의 하나 이상의 전류 캐리어들을 포함하되,
    상기 팁 수용체가 풍력 터빈 블레이드 내에 장착될 때, 상기 팁 수용체가 전도성 부싱의 일 단부와 기계적 및 전기적 접촉을 하며, 팁 수용체 베이스가 전도성 부싱들의 타 단부와 기계적 및 전기적 접촉을 하도록,
    부싱들의 내부 직경은, 수용체 베이스(16)에 팁 수용체를 장착시키기 위해 부싱을 통해 연장되는, 볼트들 또는 나사형 로드들(20)의 직경보다 큰, 수용체 어셈블리.
25. 제24항에 있어서,
    상기 팁 수용체는, 팁 수용체가 풍력 터빈 블레이드 내에 장착될 때 팁 수용체 베이스를 향하는 표면 내에, 나사형 로드들을 수용하기 위한 홀들, 및 하나 이상의 다른 표면들 내에서, 너트들(21)이 팁 수용체 내의 나사형 로드들의 단부들 주위에 장착되고 조여질 수 있는, 하나 이상의 개구들(22)을 포함하는, 수용체 어셈블리.
26. 제25항에 있어서,
    그 내부에 은폐된 너트들을 커버하기 위해, 개구들(22) 내에 끼워맞춰지도록 치수가 정해진 수용체 플러그들을 추가로 포함하는, 수용체 어셈블리.
27. 제26항에 있어서,
    상기 수용체 플러그는 실리콘과 같은 내열성 페이스트로 이루어진, 수용체 어셈블리.
28. 제26항에 있어서,
    상기 수용체 플러그는 금속, 플라스틱 재료, 고무, 또는 섬유 유리와 같은 고체 재료로 제조되는, 수용체 어셈블리.
29. 제24항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장착 볼트들 또는 나사형 로드들의 나사 직경은 6 mm와 15 mm 사이, 바람직하게는 8 mm와 12 mm 사이인, 수용체 어셈블리.
30. 제24항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부싱은 적어도 부분적으로 구리 또는 구리 합금으로 이루어진, 수용체 어셈블리.
31. 제24항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부싱은 적어도 부분적으로 스틸로 이루어진, 수용체 어셈블리.
32. 제24항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부싱은 적어도 부분적으로 알루미늄으로 이루어진, 수용체 어셈블리.
33. 제24항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부싱은 적어도 부분적으로 텅스텐 카바이드로 이루어진, 수용체 어셈블리.
34. 제24항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부싱의 벽 두께는 2 mm와 10 mm 사이, 바람직하게는 4 mm와 8 mm 사이인, 수용체 어셈블리.
35. 제24항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부싱의 길이는 15 mm와 150 mm 사이, 바람직하게는 20 mm와 50 mm 사이인, 수용체 어셈블리.
36. 제24항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부싱의 총 단면적은 40 cm²보다 크고, 바람직하게는 70 cm²보다 큰, 수용체 어셈블리.
37. 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 수용체 어셈블리들(1)을 포함하는 풍력 터빈 블레이드(2)용 낙뢰 보호 시스템.
38. 제37항에 따른 낙뢰 보호 시스템을 포함하는 풍력 터빈.

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