用于风轮机转子叶片的雷电保护系统及制造该叶片的方法 |
|||||||
| 申请号 | CN200780016518.2 | 申请日 | 2007-05-08 | 公开(公告)号 | CN101438055B | 公开(公告)日 | 2012-07-25 |
| 申请人 | 维斯塔斯风力系统有限公司; | 发明人 | K·贝特尔森; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种包括 叶片 末端(10)和雷电保护系统的 风 轮机 转子 叶片(5)。该 转子叶片 包括在叶片表面上与叶片末端(10)的远端相距一外部距离(Lex)的至少一个接闪器(7)，以及与叶片末端(10)的远端相距第一内部距离(Li1)布置在转子叶片(5)内部的接闪器底座(11)。为避免在雷电不击中接收器(7)的情况下从叶片表面(18)到接闪器底座(11)起 电弧 ，该转子叶片还包括，与周围空气的电特性相比较，用于在接闪器底座(11)处改变转子叶片(5)的至少一个电特性的装置(22a)。所述装置通过例如聚 氨 酯填充叶片的一部分。本发明还涉及一种用于制造风轮机转子叶片(5)的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种风轮机转子叶片(5)，包括叶片末端(10)和雷电保护系统，所述叶片包括叶片表面处的至少一个接闪器(7)，该接闪器与该叶片末端(10)的远端相距一外部距离(Lex)，以及 |
||||||
| 说明书全文 | 用于风轮机转子叶片的雷电保护系统及制造该叶片的方法技术领域背景技术[0002] 雷电击中风轮机总是需要注意的问题，因为对风轮机组件的破坏减少了风轮机的运行时间并且增加了运行风轮机的成本。 [0003] 现代风轮机技术的趋势已经是建造更大的风轮机，这增加了风轮机遭遇雷电击中的可能性。风轮机转子叶片是风轮机的最容易受到雷电击中危险的组件。已经研制了多种系统来保护风轮机转子叶片免受雷电击中。 [0004] 这些系统中的一些在风轮机叶片末端表面上使用导电金属层或者甚至使用金属制造叶片末端。金属层或金属末端连接到内部叶片引下线上，随后连接到地电位上，即该地电位用作放大的接闪器。 [0006] 其它的系统通常具有一个或多个安放在与内部叶片引下线相连的转子[0007] 叶片表面中的接闪器，该引下线提供使雷电行进的到地面的低阻抗路径。 [0008] 国际专利申请WO02/48546中公开了这种系统的实例。 [0009] 然而，雷电当击中风轮机转子叶片时并不总是击中接闪器。有时雷电将碰到并进入叶片末端，并且通过在叶片表面和引下线之间形成电弧而形成到地面的路径，即使该到地面的路径的阻抗高于雷电直接击中接闪器的情况也会如此。在转子叶片末端内部电弧的存在会导致对转子叶片末端的严重损害，这是因为例如在转子叶片末端的有限空间中温度的显著增加。 [0010] 因此本发明的目的在于提供一种不具有公知的雷电保护系统的缺点的风轮机转子叶片，尤其是提供一种与内部起电弧相关的、具有改进的雷电保护系统的风轮机转子叶片。 [0011] 本发明的进一步目的在于提供一种制造根据本发明的风轮机转子叶片的有利方法。 发明内容[0014] 当增加在接闪器底座和转子叶片的内表面之间的支承的电场时，需要更大的电场，以激发转子叶片内部的电介质击穿。通过将被支承的电场的大小增加到远大于由大气支承的电场，当用作内部绝缘材料时，能够排除在转子叶片末端(叶片尖端，叶梢)内的电弧的激发并从而排除对转子叶片末端的损害。 [0016] 术语“接闪器底座”是指用于将一个或多个接闪器电连接到雷电引下线上的任何装置。 [0018] 术语“周围空气”是指风轮机叶片处和雷电拦截点附近的大气。周围空气的电特性会根据在风轮机叶片外部的温度、湿度、压强等而改变。 [0019] 在本发明的一方面中，以距离转子叶片的远端第二内部距离放置内部阻挡层，从所述内部阻挡层到转子叶片的远端建立限定的腔。 [0020] 由此通过限定且闭合腔中的转子叶片的剩余部分，在转子叶片的末端限定接闪器底座。因此，在转子叶片的末端能实现增加在转子叶片的内表面和雷电引下线之间的绝缘层的介电强度的几种可能的方式。 [0021] 术语“远端”是指风轮机转子叶片末端的最远离该转子叶片的根部的端部。 [0022] 在本发明的另一方面中，所述用于改变转子叶片的至少一个电特性的装置增加在接闪器底座和转子叶片的内表面之间支承的电场。因此，能够增加在转子叶片的内表面和接闪器底座之间支承的电场的强度，并从而排除在雷电击中情况下的内部起弧。 [0023] 在本发明的一方面中，以距离转子叶片的远端第二内部距离Li2放置内部阻挡层，从而从所述内部阻挡层到叶片末端的远端建立限定的腔。 [0026] 在本发明的一方面中，所述植入物与所述接闪器底座和用于连接到一个或多个接闪器上的装置以及雷电引下线一起预先制造。由此容易在转子叶片的末端建立雷电保护系统。 [0027] 在本发明的一方面中，所述植入物包括基本上相应于叶片末端的内部的形状，例如鱼鳍形，并且具有用于所述接闪器底座和所述接收器之间的接触的侧部开口，以及具有适合于叶片的内表面的突起。由此，能够正确定位植入物并且同时填充叶片末端的大部分内部体积。 [0028] 在本发明的一方面中，所述植入物的下部阻挡部分是所述内部阻挡层的一部分。由此，能够相对于接收器正确定位植入物，同时建立将要填充腔材料的闭合腔空间。 [0029] 在本发明的一方面中，所述第二内部距离为与风轮机转子叶片的远端相距0.2米到2.0米，优选0.2米-0.6米。由此能够相距转子叶片的远端以充分的距离在叶片表面中安放接闪器，而不增加在转子叶片的远端中在雷电击中的情况下产生内部起弧的可能性。 [0030] 在本发明的进一步方面中，所述用于增加被支承的电场的装置具有远大于周围空7 7 7 气的介电强度，并且具有大于1×10V/m优选从2×10V/m到8×10V/m的介电强度。由此，确保在接闪器底座和转子叶片的内表面之间充分的电绝缘。 [0031] 在本发明的再一方面，限定的腔中的大气的体积低于闭合腔的体积的10％，优选低于闭合腔的体积的3％。如果填充入闭合腔内的材料被高含量的大气气泡污染，则材料的介电强度将显著降低，由此极大恶化抵抗内部起弧的保护，因为起弧能够在腔之间产生。 [0032] 在本发明的另一方面中，限定的腔内的剩余大气部分基本上均匀分布。优选沿在填充入腔内的材料和转子叶片的内表面之间的过渡部分，在闭合腔内部的大气气泡的剩余含量的均匀分布确保剩余的气泡仅使对风轮机转子叶片的保护出现最小且可预期的减少。 [0033] 在本发明的一方面中，所述用于增加被支承的电场的装置是聚氨酯材料，例如两组分的不膨胀的聚氨酯材料。该材料具有高的介电强度并因此特别适合于防止限定的腔内部的内部起弧。 [0034] 在本发明的再一方面中，叶片末端在被安装到风轮机转子叶片上之前作为单独的部分预先制造，例如作为运行中的叶片的补充安装单元。由此提供另一种有利的方式来生产根据本发明的叶片末端。 [0035] 在本发明的一方面中，所述接闪器底座连接到地电位。因此，为雷电提供行进到地面的低阻抗路径，并从而提供所述雷电的有效偏转。 [0036] 在本发明的另一方面中，转子叶片内部的至少一些雷电引下线通过由电绝缘材料制成的覆盖物与周围绝缘，该覆盖物例如为在雷电引下线的部分或者整个长度上延伸的热缩材。在风轮机转子叶片内部的雷电引下线部件的绝缘排除在雷电引下线和在风轮机转子叶片内部的其它导电部件之间的内部起弧，并且从而排除对于所述导电部件以及任何可能与之连接的电路的损害。 [0037] 在本发明的另一方面中，所述接闪器底座容纳在预先制造的植入物中，所述植入物包括用于将所述接闪器底座连接到一个或多个接闪器和接地电连接器上的装置。预先制造的植入物在闭合腔内部提供用于接闪器底座的基座，由此使得能够实现接闪器底座的精确放置。 [0038] 本发明还提供一种用于制造风轮机转子叶片的方法，其中所述方法包括如下步骤： [0039] 建立至少两个叶片壳， [0040] 将与雷电引下线连接的接闪器底座放置在一个叶片壳上， [0041] 在至少一个接闪器和接闪器底座之间以及在所述至少两个叶片壳之间建立接触，所述至少一个接闪器在叶片表面处相距叶片末端的远端以外部距离Lex设置，以及[0042] 通过增加在接闪器底座和转子叶片的内表面之间被支承的电场，与周围空气的电特性相比，改变接闪器底座处的转子叶片的至少一个电特性。附图说明 [0043] 下面将参照附图说明本发明，在附图中： [0044] 图1示出大型现代风轮机； [0045] 图2示出风轮机转子叶片的标准的雷电保护系统； [0046] 图3示出装备有雷电保护系统的风轮机转子叶片的内部以及内部起弧的问题； [0047] 图4a示意性示出根据本发明的用于风轮机转子叶片的雷电保护系统第一实施例； [0048] 图4b示意性示出根据本发明的用于风轮机转子叶片的雷电保护系统另一实施例； [0049] 图5a和5b示出雷电保护系统的优选实施例，该雷电保护系统包括嵌入在植入物中的接闪器底座； [0050] 图6示出植入物相对于风轮机转子叶片的内表面的定位； [0051] 图7示出两个风轮机转子叶片壳和根据本发明优选实施例的风轮机转子叶片的雷电保护系统的构造；以及 [0052] 图8示出用液态腔填充材料填充风轮机转子叶片远端中的腔的方法。 具体实施方式[0054] 低速轴从引擎舱的前部伸出并且通过风轮机轮毂4与风轮机转子相连。风轮机转子包括至少一个转子叶片，例如如所示的三个转子叶片5。转子叶片5可以通过使用俯仰装置(pitch mechanism)而能相对于轮毂4俯仰，或者作为失速转子叶片固定安装到轮毂4上。 [0055] 转子叶片5是空心的，并从而具有外表面和内表面。 [0056] 图2示出用于转子叶片5的公知雷电保护系统，该系统包括由导电材料制成的一个或多个接闪器7。该接闪器布置在转子叶片外表面并且连接到雷电引下线8，该雷电引下线8提供到接地连接9的低阻抗路径。 [0057] 雷暴中存在大的电位差，并且由于云中电荷的积累而在云和地表面之间形成大的电场。当电场大小超过空气的介电强度时，出现雷击形式的放电条件。大的电位将空气分子电离，并且发生电介质击穿，由此电离的空气分子变成携带走电场的剩余电荷的导体。在6 标准温度和压强下的大气中，对于电场来说这在约3×10V/m时发生。 [0058] 当雷电6a击中接闪器7时，雷电6a经由雷电引下线8偏转到接地连接9。 [0059] 图3示出图2的雷电保护系统，尤其示出当雷电击中叶片末端10而不是接闪器7时会发生的情况。 [0060] 雷电6a首先击中转子叶片5的叶片末端10。在转子叶片5的内表面18和与接地连接9相连的引下线8之间在内部建立电场。当该内部电场的大小超过转子叶片5的内表面18和引下线8之间的用作绝缘介质的空气的介电强度时，在转子叶片5的内表面18和引下线8之间将导电路径电离，并且激发电弧6a。特别是在转子叶片末端10的有限空间内，电弧6a的激发能够导致对转子叶片5的严重损害。 [0061] 图4a示出根据本发明第一实施例的设计成避免内部起电弧的风轮机转子叶片5的末端。 [0062] 风轮机转子叶片5包括一个或多个接闪器7，所述接闪器布置成在外部与转子叶片5的远端相距Lex。接闪器7连接到由导电材料制成的接闪器底座11上。该底座11连接到雷电引下线8，该雷电引下线8形成用于雷电电流的到接地连接9的低阻抗路径。 [0063] 在与转子叶片5的远端相距第二内部距离Li2处放置有内部阻挡层12，由此形成如阴影线所示的限定的闭合腔13，接闪器底座11放置在该腔内。为避免在转子叶片5的内表面18和接闪器底座11并由此和引下线8之间起内部电弧，闭合腔13填充有高介电强度的材料22a。高介电强度的腔填充材料22a确保为雷电6a建立直至接闪器7的外部路径。与从叶片末端10上的击中点起通过腔填充材料22a到接闪器底座11的内部路径相比，该外部路径相对于地电位的阻抗更低。 [0064] 材料22a在优选实施例中可以是两组分的非膨胀聚氨酯。聚氨酯材料的重要特性是其介电强度按照需求能够支持在接闪器底座11b并从而在引下线8和转子叶片5的内表面18之间的大的电场，而不发生电介质击穿。 [0065] 为了确保在转子叶片5的内表面18和接闪器底座11之间的充分的电分离，优选填充在腔内的聚氨酯材料或者其它介电材料的介电强度在标准温度、湿度和压强下远大于7 7 7 空气的介电强度。有利地，该介电强度为至少1×10V/m，优选在2×10V/m到8×10V/m的范围内。 [0067] 优选的聚氨酯材料或者其它合适的材料的另一重要特性为其基本上不膨胀的特性，因为优选理想情况下所有大气均从闭合腔13中排出。腔填充材料22a中较高含量的空气—例如形式为材料中的气泡或者小腔—将会破坏材料的介电特性，并从而破坏转子叶片5的叶片末端10的雷电保护。 [0068] 因此，优选闭合腔13中的大气气泡的体积不大于腔体积的10％，优选小于腔体积的3％。进一步优选闭合腔13中的大气的任何剩余气泡在腔填充材料22a和转子叶片5的内表面18之间均匀分布。 [0070] 图4b示出根据本发明另一实施例的设计成避免内部起电弧的风轮机转子叶片5的末端。 [0071] 对于该实施例，接闪器7连接到设计为直线或杆或者在所述接收器7之间的任何类似的电连接的接闪器底座11上。接闪器底座11还连接到雷电引下线8上，从而形成用于雷电电流的到接地连接9的低阻抗路径。 [0072] 图5a和5b示出包括接闪器底座11和植入物14的雷电保护系统的优选实施例。该植入物14用于将接闪器底座11正确地放置在叶片末端的限定的腔13的内部。 [0073] 图5a示出在导体的端部处连接到接闪器底座11上的雷电引下线8。该接闪器底座11在该优选实施例中示出为包括具有位于底座的两侧的两个接触表面的圆形。 [0074] 该连接和雷电引下线8的第一部分设有覆盖物17，例如由电绝缘材料制成的外部管或者外部层，以避免在引下线和风轮机转子叶片5的其它导电部分之间起电弧。通过具7 7 有至少1×10V/m且优选至少2×10V/m的介电强度的材料，将会获得在引下线8和内部导电部分之间的充分的电绝缘。 [0075] 图5b示出嵌入接闪器底座11并且从下面看时的植入物。 [0076] 图中点划线示出引下线和接闪器底座11进入植入物内的部分。 [0077] 该植入物优选围绕接闪器底座11和雷电引下线8的设有覆盖物17的第一部分模制而成。该植入物可以由塑料或复合材料制成，所述材料在标准温度、湿度和压强下，例如在T＝20℃、RH＝50％、P＝1atm下，的介电强度远大于周围空气的介电强度。植入物材料的介电强度可以例如已经通过使用ASTM149或者IEC80243标准测试。 [0078] 该植入物包括下部阻挡部分16，该下部阻挡部分16相应于叶片末端的内部并且沿叶片末端的方向具有楔形。该植入物的上部成形为鱼鳍形，以便装配入并且整体填充由下部阻挡部分16闭合的限定腔。 [0079] 鱼鳍形的植入物的两侧都包括开口26，接闪器底座11可以从该开口26伸出，以便与一体形成在转子叶片表面中的接闪器7进行接触。 [0080] 植入物侧部之一也包括多个突起15，以便相对于内部叶片表面18正确定位植入物(进一步如图6所示)。 [0081] 图6示意性示出相对于转子叶片5的内表面18如何首先固定图5b的植入物14。 [0082] 内表面由虚线18示出，植入物14借助于突起15稳定地定位在该内表面上。此外，突起确保植入物14和表面18之间的正确距离以使接闪器底座11的接触表面与接闪器7相接触。 [0083] 在植入物14已经安放并固定到转子叶片5的内表面18上之后，腔内空间将会由腔填充材料22a进行填充(进一步解释如下)。 [0084] 图7示意性示出根据本发明的优选实施例制造转子叶片5的第一步。 [0085] 该转子叶片5包括第一叶片壳19和第二叶片壳20，它们粘接在一起形成转子叶片5的外部。 [0086] 优选制造方法的第一步是沿第一叶片壳19和第二叶片壳20的前缘和后缘施加粘性材料。 [0087] 通过与转子叶片5的远端相距第二内部距离Li2处，沿第一叶片壳19和第二叶片壳20的横向施加肠形条带，粘性材料的一部分将参与建立内部阻挡层12。 [0088] 在第二步中，在内部阻挡层12和第一叶片壳19的远端之间，在该第一叶片壳19中安放与接闪器底座11和雷电引下线8一起预制的植入物14。植入物14通过植入物的突起以及粘性材料而被固定到内表面上。 [0089] 该预先制造的植入物14用于在进一步的制造工艺过程中稳定接闪器底座11。 [0090] 制造工艺的第三步为将第一叶片壳19和第二叶片壳20放在一起，在这两个壳之间留出限定且闭合的腔13，其中预先制造的植入物14位于并固定在该腔13中。 [0091] 下一步是在叶片5的下部连接用于液态腔填充材料22b的入口21。进而，在限定并闭合的腔13的上部连接用于液态腔填充材料22b的出口23。 [0092] 此后，如图8示意性示出的，利用液态腔填充材料22b填充该闭合腔13，例如填充不膨胀的聚氨酯材料。 [0093] 图8示意性示出根据本发明优选实施例的风轮机转子叶片5的叶片末端10的横截面视图。 [0094] 为填充闭合腔13，用于液态腔填充材料22b的入口21设置在闭合腔13的底部，而用于液态腔填充材料22b的出口23设置在闭合腔13的顶部。 [0095] 使用泵24或类似装置通过下部入口21从容器25注射液态腔填充材料22b，由此通过上部出口23将空气从闭合腔13排出，直到该腔13完全由液态腔填充材料22b填充，并且基本上所有空气都被从限定的腔13中排出。 [0096] 在限定的腔13被填充液态腔填充材料22b之后，可以施加热量到叶片末端10的外表面，直到限定的腔13内的液态腔填充材料22b硬化为止。最后去除入口21和出口23，并且对末端10的表面进行精整。 [0097] 可以使用其它腔材料，例如加压的惰性气体，如六氟化硫(SF6)。此外，可通过排出闭合腔13中的空气并从而在该闭合腔中产生真空而增加支承在接闪器底座11和转子叶片5的内表面18之间的电场。有利地，通过将空气从闭合腔排出的气泵或类似装置而将闭合-3 腔13中的真空维持到低于2×10 Pa的压强。 [0098] 或者，可通过包括接闪器底座的独立叶片末端和布置在叶片末端的表面处的至少一个接闪器来以两部分制造根据本发明的风轮机转子叶片。 [0099] 可以例如通过植入物和填充有如上所述材料的闭合腔，以各种不同方式制造单独的叶片末端。 [0100] 上面已经参照用于风轮机的雷电保护系统的具体实例说明了本发明。然而，应当理解，本发明不限于上述的特定实例，而是可以在权利要求书所限定的本发明的范围内进行多种改变和变型。 [0101] 附图标记列表 [0102] 在附图中下列附图标记指示如下： [0103] 1、 风轮机 [0104] 2、 风轮机塔架 [0105] 3、 风轮机引擎舱 [0106] 4、 风轮机转子轮毂 [0107] 5、 风轮机转子叶片 [0108] 6a、 雷电 [0109] 6b、 风轮机转子叶片内的内电弧 [0110] 7、 风轮机叶片的接闪器 [0111] 8、 雷电引下线 [0112] 9、 接地连接 [0113] 10、 叶片末端 [0114] 11、 接闪器底座 [0115] 12、 限定叶片末端内部腔的内部阻挡层 [0116] 13、 叶片末端内的限定的闭合腔 [0117] 14、 用于定位接闪器底座的植入物 [0118] 15、 用于将植入物定位在叶片末端中的突起 [0119] 16、 植入物的阻挡层部分 [0120] 17、 由电绝缘材料制成的覆盖物 [0121] 18、 风轮机叶片的内表面 [0122] 19、 第一叶片壳 [0123] 20、 第二叶片壳 [0124] 21、 用于液态腔填充材料的入口 [0125] 22a、 腔填充材料 [0126] 22b、 液态腔填充材料 [0127] 23、 用于空气和液态腔填充材料的出口 [0128] 24、 用于将液态腔填充材料泵送入闭合腔内的泵 [0129] 25、 用于液态腔填充材料的泵 [0130] 26、 植入物中的侧部开口 [0131] Li1、 引下线或接闪器底座与叶片末端的远端的内部之间的第一内部距离[0132] Li2、 内部阻挡层和叶片末端的远端的内部之间的第二内部距离[0133] Lex、 接闪器和叶片末端的远端之间的外部距离 |
||||||
