专利名称：用于风力涡轮机叶片的避雷系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片的避雷系统，其中所述叶片是由复合 材料制成的壳体并且包括根部区域和末梢，且其中所itit雷系统包括至少一个 布置成在叶片尖端处或在叶片尖端紧接的邻区内的壳体表面内/上可以自由使 用的接闪器以及由导电材^"^成的在壳体内沿着叶片的W整个纵向进行延伸 的避雷导体，且其中所述接闪器和所iiit雷"^经由连接区域电连接在一^。
背景技术：
已公知的是采用带有避雷系统的叶片来保护叶片不受雷击。例如，W0 96/07825中M了一种避雷系统，其中叶片的尖端装设有由导电材#^成的所 谓的接闪器。此接闪器可以"捕获"雷击，并经由避雷导体传导电流，所述导 体在叶片的纵向内延伸、并通itX力涡i^才;L的转子毂接地。此系统已经常被视 作对抗雷击提^4^人满意的保护。然而，因为水是导电的，因^在着从接闪器或避雷#到蓄积有水的叶 片内的一些区j^生闪络(flashover)或火;f^:电(sparkover)的危险。在 此情况下，雷电电流对水加热，这可能会导致"蒸汽喷发"。这可能会导ftS 力增加到足够高而损坏叶片。由于例如在叶片表面上的来自空气的 、盐分 和昆虫的沉积，也可能会j^jt闪络。闪络引起的损坏会导致必须对叶片加以修 理，或在最坏的情况下要更换叶片，i^l费时费钱的逸艮，M因为修理或更 换叶片十分复杂，尤其是对于离岸的K^7发电厂而言。》ut，存在着雷击避雷# (或闪络)穿过叶片表面的危险，n多会产生仅一个穿过叶片表面的小孔，但经常导致对叶片itj^的更大损坏。为了更好 地控制经过叶片的雷电电流而不4吏叶片受到损坏，避雷系统上面可以装设有若 干接闪器(多个接受体)或沿叶片纵向的避雷#。 ^i^地，接闪器以5米的 最大间隔进行布置以确保没有雷击(或闪络)通过叶片表面。然而，这是相对 昂贵且复杂的解决方案。发明内容>^发明的目的在于为风力^^bL^^-种新的 i^的避雷系统。才緣本发明，通过使得避雷科在其整个纵向内、与介于避雷科与接闪 H^J'司的连接区域电a,以便防止积聚闪流(streamer )和/或先导(leader )， 从而i^f)J目的。这样的闪^4先导是雷击的前奏，因此防止了闪i沐/或先导的 积聚也就防止了雷击。这产生了与iW避雷系M^目比有所改进的效率，i^的 避雷系统最常应用不錄的避雷科。而且，絲了多个接受体的必要汰。^t雷" ^f艮部端，^^地经由毂接M而使得来自雷击的电流从接闪 器安全地传导到避雷导体并最终传导到地。然而，只要^it雷导体与毂之间具 有火花隙放电器(spark gap) ^X以满足要求了。才娥本发明的一^#定实施例，避雷*和/或接闪器至少电^至叶片壳 体，并絲为至少部分穿过壳体电绝缘。因此，在叶片JM^bli损毁性雷击 或闪络的风IM^小化。才W^本发明的避雷系统的一^N^实施例，避雷#包括由导电材#^如 铜或铝制成的内夺本、和由优选为高密度聚乙烯(HDPE)的聚乙烯制成的基层 绝缘体(bedding insulation)。令人惊讶地，jlb^成物已被认为特别負^抗 雷击或闪络穿过叶片表面。^J也，内导4Mr有在3到30毫米、5到15毫米或7. 5到12毫米范围内 的直径，JL^绝缘"M^ 2到15毫米、3到10毫^Ml 4到7毫米范围内的厚 度。已发现这些尺寸足以防止雷击通过叶片表面、并传导雷击电流经itt雷导 体。才W-个适当的实施例，在内*和基层^^^间装设一层半"!^#料。 ^i^，此^H^4t料具有0. 5到1毫米的厚度。此半"^##*^1过使*中 的电场密度最小化而提供了抗闪络的额夕卜，。才娥一*定实施例，接闪器和介于接闪器与避雷"!MMU'司的连接区域借 助于同J^材料分离的绝^"料而绝缘。此绝^1#料可以例如是收缩套筒或硅树脂。附加的绝^bN吏得在接闪器与避雷"!^间的连接区域中发生雷击或 闪络的危险最小化。才娥本发明的一个^#实施例，叶片尖端净皮形成为由绝^N"^I^J成的;^t 实心本体。舰地，此^#料是塑'14#料，诸如聚氯乙烯(PVC)、纤维增强 聚合物或聚氨酯(PUR)，例如发泡聚氨酯。这提供了一种特别简单的实施例， 其中使得在接闪器与避雷^t间的连接区域中的雷击的危险最小化。才娥本发明的一个适当的实施例，避雷^^在其外端装设有例如螺玟的连 接机构，以将所述#连接到接闪器上的相应机构。接闪器可以是例如适于包 括内螺紋，从而使得接闪器和避雷*可以螺4式柠到"-^。才緣另一适当实 施例，接闪器装设有^^外螺紋的连接片，而同时避雷#包括了例>^入由高密vO:乙烯(HDPE)制成的绝缘套的内螺紋。才娥本发明的一个实施例，接闪器定M叶片的后缘。因而，可以减少来 自叶片的噪声发射。给叶片的表面装设避雷针(diverter)从而将叶片前缘处的雷击传导到接闪器可f^A有利的。才娥本发明的一个特别适当的实施例，在叶片尖端处或在叶片尖端紧接的 邻区内布置额外的至少一个排 ML，且可g，将大致在排^ML位置与接闪器 位置之间延伸的避雷针定^J，J叶片表面。排7ML^保了在叶片内不形成积水， 积^Jt加了从接闪器到所述积水的闪络的危险。避雷针确保了对排^ML的雷击 经由避雷针传导到接闪器、并最终经由接闪器传导到地。另外，用于收集 的逸虑H^i^Mf置在叶片内#从而使得所述微险不阻塞排水4。才娥一^N^选实施例，接闪器具有富兰克g雷针(Franklin rod)的形 式或;^^L^蛋状。此形式确保了接闪器不具有被雷击以及例:M^炼损坏的"尖 锐"边缘。圆形的接闪器表面延长了接闪器使用寿命，因为其A^T形状在雷击 下M最小的改变。##本发明的一个4#实施例，叶片的-"^分尖端适于作为由例如鴒、铜 或黄铜制成的接闪器。这提供了叶片尖端的一个特别适当的实施例。^i^， 接闪器为^^型的从而使得其匹酉巳叶片的尖端。
下面借助于附图中所示的实施例，对本发明进行更^^地说明，其中 图la是朝向叶片的后^ii行，Jl^的^H本发明的第一实施例的叶片的示意图，图lb是同一叶片的顶视图，图lc示出了图lb中所示的叶片的放大细节，图2a是根据本发明的另一实施例的一部分叶片沿着图2b中的线llb-llb ^的示意性剖视图，图2b是同一叶片沿着图2a中的线11a-lla;^L的局部剖视图，图3是根据本发明的第三实施例的一部分叶片的示意图性局部顶剖视图，和图4 Af过才娥本发明的避雷"!^的剖视图。
具体实施方式
M地，本发明涉及在工业中以根悟"丹麦理念，，的风力涡轮机闻名的那 些类型的风力涡轮机。通常，这样的风力涡轮机包括塔架、带齿#发电机的短抢、以及包^:和三个叶片的#^，其中^轴是;Ut水平的。用于才Nt "丹麦理念"的风力涡轮机上的叶片的sepr避雷系统经常^^i一 种在叶片尖端装设由导电材料制成的所谓"接闪器"的构造。此接闪器可以"捕获"雷击并传导电流经it^雷导本，所述"^^在叶片的纵向延伸并经由毂接地。 通常，接闪器与锚定块(anchoring block)的一俩W目连，而同时避雷"H^与同 -4^定块的另一侧相连，已发舰构造提供有效的抗雷击保护，然而，也已发 ^k^I造易受到穿过叶片表面的雷击的损害-尤其是在转子旋转期间当雷击发 生的同时叶片处于近似水平位置的情况下。而且，锚定块,是矩形的且具有 尖^fii缘，这增加了在所述尖^ii缘处积聚闪流的可能性，并因而增加了雷击 或闪络的可能性。为了更好#制穿过叶片的雷电电流而不损坏叶片，叶片的避雷系统可以 装设有若干接闪器或沿着叶片纵向的避雷科。絲地，接闪器以5米的最大 间隔布置以确保没有雷击穿过叶片表面。然而，这是相对昂贵且复杂的解决方 案。图1示出了根据本发明的叶片1的笫一实施例。根据此实施例，接闪器3 布置在叶片1的^^，所述接闪m^i要是蛋M形成为所述的"富兰克 ,雷针"，斜总是如此。接闪器3连接到;Ut在叶片1的整个纵向Ji^叶 片1尖端处的接闪器3延伸到4H"M的叶片1的相L部区域的避雷导体2。 m 地，避雷^^部分被电连接到毂，且来自雷击接闪器3的雷电电流因而可以经 由避雷科2和毂引导JJ^，所ii^由借助于例如塔姊短dtfe^接到地的第 二避雷导沐(未示出)而接地。jH》卜，可以M雷导^ 2与毂之间、或^ig/t 科2与塔架之间iU—个或多个火花隙放电器。避雷科^^iik^可以是铜 #或可以由任何其它导电材料制成。避雷# 2 ;^t在^^个纵向方向从叶片1的根部区域到介于避雷导沐2 g闪器3之间的连接区^U&缘的。叶片1是由^i^纤维增强聚^的制成 的壳储成，从而使得叶片l分别包括层压壳6和叶片1内的空腔9。避雷# 2和接闪器3例如借助于螺紋而连接，其中避雷导体2和接闪器3 M地设置有内螺故。然而，也可以想到，提^-"个实施例，其中接闪器3装设有^^外螺 玟的连接片，所iii^接片与避雷导沐2的内螺紋螺旋iW 到-^。接闪器3以这样的一种方式定位于叶片1的层压壳6内，即-"#分接闪器 3在叶片1的后缘处从叶片表面突伸出，在该 雷*2穿过-^p分层压壳6。 M示出的避雷导体2包括^^绝缘体或;tA层绝缘体形式的第一绝缘体。另 外，接闪器3与避雷科2之间的连接区域借助于收缩套筒形式的又一^_体5 而电绝缘。自套筒5延伸一^MJf巨离iiAi^雷"！^ 2的J^绝^^体，并延伸 一Wif巨离ii/v接闪器3。因此，避雷"^2完4^缘至接闪器3。jH^卜，叶片1 iM有同样穿ii^压壳6的、并定絲叶片1后缘处的排水 孔4。排拟l4连接到空腔9，后者(即空腔9)因而与5^;i^t。这样，无论 何时均^了叶片1内部的积水，因为在^^旋转期间通过离心力经由排7ML4 从叶片l排空了水。同时，叶片l可以装设it^,器7，以收集可能出5t^叶片l 内从而不負^t抛向排7ML 4并将排 ML阻塞的尘埃和其它污紫。舰地，it^！ 器7定位^^空腔9的整个滅面。通过将接闪器3和排tML 4定錄叶片1 后^处，减少了^"^t转产生的噪声。另外，叶片1的表面装设有;^叶片1后缘处邻近接闪器3的区域《^伸到叶 片1前缘处的区域的避雷针8。舰雷针确保了在叶片1 ;tlUch于水平位置JL其 中接闪器朝下的同时，对叶片1前缘的雷击传导到接闪器3、并经由后者(即接 闪器3)传导到避雷科2。避雷针8可以是导电材料的錢絲，但也可以是 分段的，其中离子化空气的先导在雷击时在各独立时间段之间形成，雷电电流 由此沿着避雷针8在其纵向传导。如图lc中所示，接闪器3可以,紛为两部分从而使#—^P分接闪器模塑到 叶片1的层压壳6内，而同时第二部^^助于例如螺^^接而附接到第"^分。 因此，如絲雷击后从叶片1的表面突伸出的""^分接闪器3 ^4员或损坏，则 所述部分易于更换。图2示出了才MI本发明的叶片101的第二实施例。根椐此实施例的叶片101 具有形成为例如聚氨酯、PVC或纤维增强聚合物的固体的尖端105。叶片101的 其^MP分是由具有层压壳106的壳体制成。如图1中所示的实施例，叶片的避 雷系统包括过在叶片101的整个纵向Ji^转子缺的根部端延伸到^^f的避 雷科102。避雷科102被引导出叶片IOI的空腔、且被引导入尖端105内产 生的孔穴、并匹酉遞雷导体102。避雷#可以被引导到^匕穴。避雷^与大 致蛋状的接闪器103相连。接闪器103被定位在尖端105的表面处，从而使得它的一小部分突伸出该表面。接闪器103的位置^式均适于匹配叶片101的 尖端104的所需空气动力特性，而同时具有大的金属表面，这确保了良好的耐 久'脉长的寿命，因为它包含大量可以在雷击时熔化的材料。如图1所示的实施例，避雷导沐102和接闪器103 ^^^助于螺经J^接 相连，其中M避雷导沐102 g闪器103之间的连接区域可以是借助于例如 ，套筒或>^#脂形式的另外的^物而电绝缘的。然而，固体尖端105可以 狄以提供所需的电錄的。固体尖端105设置有连接到两个排拟L 104的空腔109从而使得空腔可以 经由孔穴与环境连通。当转子旋转时，由于离心力，因而使有可能积恭在叶片 101内的 l^皮引导到尖端105的空腔109、并从该处经排 ML104流出。^i^t， 尖端105另外在尖端105的表面上i5^有在邻近排 ML 104的区域与邻ii接闪 器103的区域之间延伸的避雷针。任啊对排 ML 104的雷击因而经由避雷针传 导到接闪器103，再经由后者(接闪器103)传导到避雷导体102, M终经由 毂、塔架或类似物传导到地。尖端105借助于胶接108紧固到叶片101的其余 部分。图3示出了相魂本发明的叶片201的第三实施例。根提此实施例的叶片201 具有如图2所示的实施例中的形成为例如聚氨酯、PVC或纤维增强聚合物的;kJt 实心本体的尖端205。叶片201的其絲分是由具有层压壳206的壳体制成。如 图1和图2中所示的实施例，叶片201的避雷系统包括;^t在叶片201的整个 纵向Ji^转子緣的根部端延伸到^N(的避雷科202。避雷# 202被引导出 叶片201的空腔、且被引导入尖端205内产生的孔穴、并匹酉遞雷#202。避雷导体202被连接至具有圆形并定^尖端205的顶点处的接闪器203。 接闪器203 ^tJtit，从而使得在尖端205械闪器203之间存在^Ut滑的过 渡、^H吏得接闪器具有尖端201所需的空气动力特征。换句i^兌，才娥此实施 例的接闪器203是叶片201的尖端的"""lp分。如图1和图2所示的实施例，避雷导本202 g闪器203借助于夹持连接 或螺故连接211连接。而且，避雷"fH^借助于两个带外螺紋的塑'l!iW 210和 接闪器203中的两个螺紋孔而锚定到尖端205。介于避雷# 202械闪器203 之间的连接区域借助于例如收缩材料或硅树脂形式的又一种绝缘物而电绝缘。 然而，固体尖端205可以AA以提供所需的电绝缘的。因为雷电"试图"找出到地的最MJ^圣，雷电经常对雷击时在空中突伸出 最高的转子叶片进行雷击。然而，在转子旋转期间，当转子叶片处于;Ut水平位置时仍有雷击叶片的危险。雷击穿过叶片的层压壳、或雷击两半叶片壳之间 的^^bl具有最大雷击可能性的情形。发明人已进行了大量^^M^查用于这种最坏情况的情形中的叶片的避雷 系统。在试验期间，通过将叶片暂停在试验室地面或表面上方的水平位置，实 施所谓的高压切换和雷电脉冲仿真，来仿真等电势面。在雷击之前，正当叶片接1^^平位置时所述等电势面出#叶片上。在 室表面与叶片的避雷系统 之间建立电势差，以在叶片的避雷系统与#室地面之间激发闪络。正极性和负极性的试ciHl^皮执行，其中在1050kV实现带正极性的闪络，而在1400kV实 现带负极性的闪络。用具有不同的避雷系统的、艾尔姆玻璃纤维制品公司(LM Glasfiber)生 产的糾LM28.8P叶片进^ff^。很快即证明了，接闪器和避雷科均连接到 锚定块的传,雷系统不足以防止雷击穿过叶片层压壳、或雷击两半叶片壳的 齡处。当测试用于与图2所示避雷系,应的避雷系统的不同避雷#时，令人 惊讶M现，具有铜芯和由高密;lfL乙烯(HDPE)制成的绝缘层的电缆形式的 避雷"^^在防止雷击穿过叶片表面方面尤为有效。在22次仿真雷击后，12次为 jL^l性和10次为负极性，叶片未示出可JU员坏或其它负面^。在所有仿真的 雷击期间，只》Jt^到叶片的接闪器处形成闪流。如图4所示，检查的电缆是由铜丝制成的500血2的芯21和HDPE制成的大约 4、 5咖厚的绝缘套22构成。在芯21和绝缘物22之间，设置有半"f^4t料23， 目的是使得在M独立的铜丝处的电场密度最小化。然而，要&'J避雷系统所 需效果，半"^##料并不是^必要的。已经发现^^I相对薄的HDPE ^的就 足够了。这A^有利的，因为jH^t电缆不会导致叶片重量非必要的大量增加。而 且，这样的电缆非常便宜。因而，这种新颖的避雷系统不仅有M防止了雷击 穿过叶片表面，也提供了更简单的构造、且并不比带有或不带有多个接闪器的 传,雷系统的制造更昂贵。上面已经结合多^Ni选实施例对本发明进行了描述。可以想到许多变型而 不会由此偏离本发明的范畴。对^域的技^A员显而易见的变型和修改被认为;l^于;^发明的范畴内的。附图才示i己列表1， 101， 201叶片2， 102， 202避雷科3， 103， 203接闪器4,104,204排枉歸套筒或麟材料105, 205尖端6， 106， 206层压壳78避雷针108， 208胶接9, 109,209空腔21内科2223210塑,缺211螺組接212螺紋孔
权利要求
1、一种用于风力涡轮机叶片的避雷系统(1，101，201)，其中所述叶片(1，101，201)是由复合材料制成的壳体且包括根部区域和末梢，且其中所述避雷系统包括-至少一个接闪器(3，103，203)，所述至少一个接闪器被布置成在叶片(1，101，201)尖端处或在叶片(1，101，201)尖端紧接的邻区内的壳体单元表面内/上可以自由使用，和-避雷导体(2，102，202)，所述避雷导体由导电材料制成、在壳体内沿着叶片(1，101，201)的大致整个纵向进行延伸，且其中-所述接闪器(3，103，203)和所述避雷导体(2，102，202)借助于连接区域而电连接在一起，其特征在于，避雷导体(2，102，202)在其整个纵向上以及在介于避雷导体(2，102，202)与接闪器(3，103，203)之间的连接区域内是电绝缘的，以防止积聚闪流和/或先导。
2、 ^M'要求1所述的避雷系统，^#絲于，避雷*(2， 102， 202 ) 和/或接闪器(3， 103， 203 )至少电狄至叶片(1， 101， 201)壳体，并且优 选为至少部分穿过壳体电g。
3、 如权矛j^求l或2所述的避雷系统，^4HiE^于，避雷#(2， 102， 202 )包括由导电材^H^如铜或铝制成的内早沐(21)、和由优选为高密;OL乙 烯(HDPE)的聚乙烯制成的M绝缘体(22)。
4、 如权矛溪求3所述的避雷系统，其特M于，内# (21)具有在3到 30毫米、5到15毫iMl 7. 5到12毫米范围内的直径，JL^层绝缘体(22 )具 有2到15毫米、3到10毫米或4到7毫米范围内的厚度。
5、 械利要求3或4所述的避雷系统，其特絲于，在内科(21 )和基 层绝缘体(22 )之间装设^^##料(23 )层。
6、 械矛决求3到5中—项所述的避雷系统，^#絲于，接闪器(3， 103， 203 )和介于接闪器(3， 103， 203 )与避雷夺沐(2， 102, 202 )之间的 连接区域借助于同基层材料分离的绝^N"料而绝缘。
7、 械矛溪求3到5中l项所述的避雷系统，^#站于，叶片(1， 101， 201)的尖端(105， 205 )形成为由绝^H"料制成的;Ut实心本体。
8、 如权利要求7所述的避雷系统，^征在于，所述^#料是塑'^#料，#聚氯乙烯(PVC)、纤维增强聚合物或聚氨酯(PUR)，例如发泡聚氨酯。
9、 如前狄矛漆求中^"项所述的避雷系统，^#絲于，避雷*(2， 102， 202 )在其外端装设有例如螺紋的连接机构，以将所述*连接至接闪器 上的相应机构。
10、 如前i^5U'J要求中^r"-项所述的避雷系统，^#絲于，在叶片(1， 101， 201)尖端处或在叶片尖端紧接的邻区内布置至少一个名M^L (4， 104， 204 )，且可选地，将过在排拟L(4, 104， 204 )位置与接闪器(3， 103， 203 )位置之间延伸的避雷针定位到叶片(1， 101， 201)表面上。
11、 如前i^3l利要求中^-项所述的避雷系统，^#絲于，接闪器(3, 103， 203 )具有富兰克M雷针(Franklin rod)的形式或;UtX蛋状。
12、 如前i^5L利要求中^-项所述的避雷系统，脉絲于，叶片(201) 的""^分尖端(205 )适于作为由例如鴒、铜或黄铜制成的接闪器(203 )。
全文摘要
本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片的避雷系统，其中所述叶片是由复合材料制成的壳体并且包括根部区域和末梢。所述避雷系统包括至少一个布置成在叶片尖端处或在叶片尖端紧接的邻区内的壳体表面内/上可以自由使用的接闪器以及由导电材料制成的在壳体内沿着叶片的大致整个纵向进行延伸的避雷导体。所述接闪器和所述避雷导体经由连接区域电连接在一起。所述避雷导体在其整个纵向上以及在介于避雷导体与接闪器之间的连接区域内是电绝缘的，以防止雷击穿过叶片表面。
文档编号F03D11/00GK101336342SQ200680052102
公开日2008年12月31日 申请日期2006年12月1日 优先权日2005年12月2日
发明者L·B·汉森 申请人:Lm玻璃纤维制品有限公司