具有绝缘体层和保护层的风能设备的转子叶片

技术领域

本发明涉及一种风能设备的转子叶片，其具有：至少一个带；至少一个保护层，所述保护层布置在所述至少一个带上的转子叶片外侧，其中，所述至少一个保护层构成为导电的并且与避雷器连接。本发明还涉及一种用于制造风能设备的转子叶片的方法，其中，至少一个构成为导电的保护层布置在至少一个带上的转子叶片外侧并且与避雷器连接。

背景技术

具有带的转子叶片在现有技术中已经是众所周知的。原则上，转子叶片可以由转子叶片壳组成，该转子叶片壳又有利地由两个转子叶片半壳构成。带在转子叶片半壳中的每一个的纵向方向上伸展。两个带彼此相对，并且沿两个带子之间引导腹板。每个转子叶片半壳可以设置有多个带，并且同样可以设置有多个腹板。

转子叶片的问题是，雷电尤其是闪击到转子叶片的尖端区域中并且沿转子叶片后边缘闪击。为了排放雷电，设置有雷电接收器，这些雷电接收器因此尤其布置在尖端处并且沿转子叶片后边缘布置。雷电接收器与避雷器连接，该避雷器接地，从而雷电的闪击通过转子叶片并通过塔架被排放到大地中。

由于转子直径的增加，碳纤维越来越多地内置在转子叶片中。尤其地，带也可以具有含纤维的层，带甚至可以基本由含碳纤维的材料组成。CFK带是导电的并且吸引雷击。为了保护CFK带，CFK带可以在转子叶片外侧覆盖有导电保护层。

保护层可以是薄膜、织物、纱布或针织物或类似物，由导电材料，优选为铜、铝或碳纤维组成，并且保护层已知与避雷器导电连接。这种避雷系统例如在EP3330528A1中示出。

此处已经表明，在雷击时仍会发生带的损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种风能设备的转子叶片，与现有技术相比，该转子叶片提供了更好的雷击防护。

本发明的另一个目的是提供一种制造这种转子叶片的方法。

在转子叶片方面，该目的是通过开头提到的一种具有权利要求1的特征的转子叶片来实现的。

令人吃惊地已经表明，至少一个导电保护层可以优选地由铝、铜或由包含碳纤维的材料组成，该保护层保护至少一个带免受雷击，但是当雷击时会产生强电流而仍可能会损坏至少一个带。

因此，根据本发明规定将至少一个保护层与至少一个带导电脱耦。为此，根据本发明，在至少一个带和至少一个保护层之间设置有至少一个电绝缘的绝缘体层，该绝缘体层布置在至少一个保护层和至少一个带之间。有利地，将至少一个绝缘体层选择得如此大，使得其至少在其中设置有至少一个保护层的部段中完全覆盖至少一个带的基廓或轮廓并因此将至少一个保护层与至少一个带电绝缘。

因此，有利地，至少一个绝缘体层具有宽度，该宽度在沿纵向方向的每个横截面中大于至少一个带的宽度，并且至少一个保护层具有宽度，该宽度也在沿纵向方向的每个横截面中大于至少一个带的宽度。

至少一个绝缘体层可以比至少一个保护层宽，但是也可以比至少一个保护层窄。

在尖端部段中，至少一个保护层沿纵向方向突出于至少一个带，并且至少一个绝缘体层也沿纵向方向突出于至少一个带，从而至少一个带在其基廓中或在其轮廓中由至少一个绝缘体层在其中至少一个保护层也覆盖至少一个带的部段中完全覆盖。已经表明，至少一个带与至少一个保护层的电脱耦减少了至少一个带在雷击时的损坏。

CFK带是导电的。它碳纤维组成，这些碳纤维由在制造过程中硬化的基质包围。碳纤维可以以不同的方式被引入到带中，例如作为干燥层，作为预浸渍层，所谓的预浸料(Prepreg)，作为直接粗纱或作为预制的、已经硬化的半成品。该带可以直接以用于转子叶片壳的结构的形式构造，也可以以单独的形式构造，其中，预制带则在转子叶片壳的制造期间被整合。所谓的CFK带具有的优点是，其在强度和刚度方面特别轻。

特别优选的是，在至少一个带和至少一个保护层之间设置导电连接件；尽管至少一个带和至少一个保护层彼此电绝缘或脱耦，但是在当前情况下，这仅意味着在至少一个带和至少一个保护层的整个范围内，至少一个绝缘体层设置在两个层之间，该绝缘体层防止在雷击时发生火花击穿或电击穿。然而规定的是，将至少一个带在各个位置处与至少一个保护层导电连接，以便建立电势平衡。尤其地，至少一个保护层与避雷器导电连接，使得闪击到至少一个保护层中的雷电被排放到大地中。然而，通过摩擦或通过雷击会导致带本身带电。为了在此实现电势平衡，至少一个带与至少一个保护层导电连接，该保护层又与避雷器导电连接。

至少一个带可以具有大量的碳纤维增强的单层；实践已经表明，尽管单个碳纤维由本身不导电的塑料基质包围，但这种带可以看作是整体导电的构件。

根据本发明的转子叶片的特征在于，保护层与带或是根本不导电连接，或是与形成带的层的端面导电连接，更确切地说，或是仅在其尖侧端部处或是根侧端部处导电连接。在这里，保护层本身在其根侧端部处与导电式放电系统导电连接并由此接地。避雷器可以构成为单个导电电缆。

在方法方面，该目的是通过开头提到的一种具有权利要求8的特征的方法来实现的。

上述方法适合于制造上述转子叶片之一，而上述转子叶片中的每一个都可以通过上述方法之一来制造。

为了制造风能设备的转子叶片，至少一个构成为导电的保护层布置在至少一个带上的转子叶片外侧并且与避雷器连接。根据本发明，在至少一个保护层和至少一个带之间布置有至少一个电绝缘的绝缘体层。已经表明，电脱耦在雷击时导致对带的保护。首先，可以将保护层插入到转子叶片壳或转子叶片部分壳或转子叶片半壳的制造模具中，在其上方搁置绝缘体层，并在绝缘体层上搁置带。最后，可以将该结构进行层压。CFK带优选用作带。

优选地，至少一个带和至少一个保护层之间的导电连接件构成在带的尖侧端部处或仅在带的根侧端部处。该制造方法特别节省材料。

有利地，至少一个带具有大量的碳纤维增强的单层。

附图说明

在四个附图中使用三个实施例来描述本发明。在附图中：

图1示出了根据本发明的转子叶片沿腹板的纵向截面的截面图；

图2示出了具有CFK带和根据本发明的相对于CFK带完全绝缘的保护层的根据本发明的转子叶片的俯视图；

图3示出了第二实施方式中的具有保护层和绝缘体层的CFF带的纵向截面的基本结构的视图，其中，该保护层与CFK层的根侧端面导电连接；

图4示出了第三实施方式中的具有保护层和绝缘体层的CFK带的纵向截面的基本结构的视图，其中，该保护层与CFK层的尖侧端面导电连接。

具体实施方式

图1示出了转子叶片15沿腹板1、尤其是主腹板的纵向截面的一部分的示意图。腹板1布置在吸入侧和压力侧的转子叶片表面5之间。转子叶片表面5将相应的吸力侧或压力侧转子叶片半壳向外部限定。图1中的结构是镜面对称的，并且吸入侧和压力侧的层和特征由相同的附图标记表示。

转子叶片半壳由层压结构组成，该层压结构在转子叶片表面5的转子叶片内侧具有导电保护层4，该导电保护层4在根据图1的实施方式中包含碳纤维，或者甚至完全由碳纤维组成。保护层4可以构成转子叶片半壳的最外层，但是也可以设想的是，在保护层4的外侧设置玻璃纤维层，该玻璃纤维层对保护层4加以保护免受损坏。

原则上，根据图1，压力侧和吸入侧转子叶片半壳的层结构是相同的。在保护层4的转子叶片内侧设置有绝缘体层3，该绝缘体层3例如由玻璃纤维增强的塑料组成。绝缘体层3将保护层4与布置在绝缘体层3的转子叶片内侧的含碳纤维的带2电隔离。包含碳纤维的带2也是导电的并且通过绝缘体层3与导电保护层4电隔离。包含碳纤维的带2也称为CFK带2。

转子叶片如此构造，使得压力侧和吸入侧CFK带2在转子叶片的内部空间中彼此相对布置，并且腹板1在CFK带2之间伸展。CFK带2尤其提高了转子叶片的比强度和刚度。腹板1吸收当转子叶片在负载下变形时产生的推力和压力。

原则上，可以在保护层4和CFK带2之间布置另外的层，尤其是包含塑料纤维的层。尤其地，转子叶片半壳沿纵向方向L在吸力侧和压力侧CFK带2的侧部可能具有大量的织物层或纱布层，这些织物层或纱布层还可以包括夹芯材料。根据本发明，CFK带2在转子叶片壳的每一侧与所属的保护层4完全电隔离。

图2示出了例如来自图1的转子叶片15的示意性俯视图。图2示出，压力侧带2沿转子叶片15的纵向方向L几乎在整个纵向范围内延伸，并且在尖端部段17中和在中间转子叶片部段18和带2的中间部段中在转子叶片外侧由保护层4完全覆盖。这尤其意味着，保护层4覆盖分配给其的带2的轮廓12。带2的轮廓12在图2中透明示出。该结构适用于转子叶片15的吸入侧和压力侧。保护层4保护导电CFK带2免受雷击，根据经验，该雷击尤其在尖端部段17中并且沿转子叶片15的后边缘发生。然而，与非导电带相比，CFK带2也吸引雷击。

除了保护层4之外，还通常在转子叶片15处设置雷电接收器，这些雷电接收器优选地直接布置在尖端部段17中的尖端处并且沿转子叶片15的后边缘彼此间隔开一定距离。雷电接收器与避雷器导电连接。在图2中未示出雷电接收器。

然而，图2示出了避雷器16，该避雷器16在平行于带2的整个纵向范围内延伸，并且在转子叶片根部19的区域中与未示出的地线导电连接，该地线将闪击到转子叶片15中的雷电通过避雷器16排放到大地中。避雷器16的通过转子叶片连接件的旋转导通在现有技术中是已知的。

未示出的雷电接收器直接连接到避雷器16。图2示出，保护层4另外在连接位置14处导电连接到避雷器16。连接位置14可以是从保护层4引导到避雷器15的铜电缆。原则上，可以设置多个连接位置14。

图3以纵向截面示出了根据本发明的从CFK带2到保护层4的过渡结构。CFK带2包括多个碳纤维增强的单层25。图3示出了CFK带2由大量的碳纤维增强的单层25构成。

通常，在转子叶片壳的制造过程中，采用层压工艺在制造模具中单独制造CFK带2。为此，将大量的碳纤维增强的单层25相互叠置。

转子叶片半壳以可用于转子叶片半壳的特有的制造形式来制造。在转子叶片内侧，在可选设置的单个玻璃纤维层上搁置保护层4，该保护层4可以在根据图2所示的俯视图中构成为拉长的矩形。将保护层4沿制造模具在纵向方向L上直接搁置到制造模具上或者可选搁置到附加设置的玻璃纤维层上，然后将绝缘体层3在转子叶片内侧搁置到保护层4上，绝缘体层3具有宽度B，该宽度B至少对应于带2的宽度并且至少对应于带2在其中保护层4覆盖带2的部段中的长度。保护层4构成得如此宽，使得其覆盖带2的基廓，并且在尖端部段17中仅如此长，使得其突出超过带2的尖侧端部而进入尖端部段17中。将CFK带2搁置到绝缘体层3上。

绝缘体层3优选地单部分和单层构成。绝缘体层3将保护层4与CFK带2电隔离。

保护层4保护CFK带2免受雷击并尤其免受跟随主雷电脉冲电流的较小电流的闪击。保护层4通过根据图3的连接位置14与避雷器16导电连接。然而，由于导电CFK带2或CFK带2的碳纤维增强的单层25也可以带电，因而根据本发明规定的是，将CFK带2借助保护层4也与避雷器16导电连接。根据本发明规定的是，根据图3，在CFK带2的单个碳纤维增强的单层25的根侧端部处将碳纤维增强的单层25通过导电连接件26与保护层4连接，并且将保护层4在其根侧端部处与避雷器16通过连接位置14连接，从而整个CFK带2和CFK带2的每个单个碳纤维增强的单层25都与避雷器16导电连接并因此接地，因此在保护层4和CFK带2之间发生电势平衡。

在根据图4的第三实施方式中，该结构首先与图3中示出和描述的结构完全相同。关于图3的说明也适用于此。保护层4和避雷器16之间的导电连接位置14设置在保护层4的根侧端部处。然而，在根据图4的第三实施方式中，CFK带2的单个碳纤维增强的单层25不是在根侧端部处，而是反之在尖侧端部处通过导电连接件26与保护层4通过导电连接件26连接。

附图标记说明

1 腹板

2 带

3 绝缘体层

4 保护层

5 转子叶片表面

12 轮廓

14 连接位置

15 转子叶片

16 避雷器

17 尖端部段

18 转子叶片部段

19 转子叶片根部

25 碳纤维增强的单层

26 导电连接件

B 宽度

L 纵向方向