具有用于雷电保护系统的集成的下导体元件的翼梁结构

技术领域

此发明提供了具有集成的下导体元件的翼梁帽和翼梁结构，所述集成的下导体元件用于风力涡轮机叶片的雷电保护系统。本发明还提供具有相应的翼梁帽和翼梁结构的风力涡轮机叶片以及制造这些元件的方法。

背景技术

随着涡轮机变得更大以及他们的结构元件变得更高（例如更长的叶片），雷电袭击对于风力涡轮机是增加的操作风险。更长的叶片设计推进了碳作为原材料的选择，这增加了雷电保护系统（LPS）的复杂性，因为用于碳纤维增强风力涡轮机叶片的雷电保护系统比用于玻璃纤维风力涡轮机叶片的雷电保护系统更复杂。碳纤维作为结构材料具有优良的单位强度和杨氏模量，但还是电传导性的。因此，用这样的材料设计的用于叶片的雷电保护系统需要确保（1）雷电袭击不直接附接到碳翼梁帽（例如击穿叶片壳体）导致广泛损坏以及（2）电流以受控的方式安全地沿导体向下流到地面，而不导致内部闪络和对在结构内的碳翼梁帽的进一步损坏（这是已知的问题）。这通过确保雷电导体在限定位置处等势地结合到碳翼梁帽（这确保在导致闪络的材料（叶片结构）/导体之间不产生大的电压差）而实现。

EP 1 830 063 A1关注于沿着空气表面（即面向叶片壳体的翼梁帽的侧部）嵌入在翼梁盒内的两个下导体，所述两个下导体随后连接到侧部接收器。WO2013/007267 A1描述了被放置在翼梁盒的空气动力学侧部之上并且连接到下导体线缆的网。它包括根据分区概念在尖端处提升袭击的特征。

出现了提供一种雷电保护系统的问题，所述雷电保护系统对于碳纤维增强风力涡轮机叶片特别有用并且降低经过碳纤维的电流的量。此外，期望的是具有能够例如与模块化风力涡轮机叶片一起使用的雷电保护系统，其中叶片部分（例如翼梁区段）能够被制造有集成的下导体元件并且被运送到第二位置以用于组装。

发明内容

本发明由独立的权利要求书限定。以下概述了与原始要求保护的发明的范围相符的某些实施例。这些实施例不旨在限制要求保护的发明的范围，而是这些实施例旨在仅提供本发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可以包含可以类似于或不同于以下阐述的实施例的各种形式。

根据第一方面，翼梁帽被提供以用于在风力涡轮机叶片内部的翼梁结构。下导体元件被集成在翼梁帽的侧部上，使得在翼梁帽组装到翼梁结构中之后，下导体元件沿着翼梁结构的外角部延伸。

根据第二方面，提供要被布置在风力涡轮机叶片内部的翼梁结构。集成的下导体元件沿着翼梁结构的外角部延伸。

根据第三方面，提供制造用于在风力涡轮机叶片内部的翼梁结构的翼梁帽的方法。该方法包括将下导体元件结合到翼梁帽的侧部，使得在翼梁帽组装到翼梁结构中之后，下导体元件沿着翼梁结构的外角部延伸。

附图说明

图1示出了风力涡轮机叶片的横截面，所述风力涡轮机叶片在内部具有翼梁结构，所述翼梁结构在其外角部中包括下导体元件；

图2示出了风力涡轮机叶片的横截面，所述风力涡轮机叶片在内部具有双重盒翼梁结构，所述双重盒翼梁结构在其外角部中包括下导体元件；

图3a示出了下导体元件的布置，所述下导体元件具有与膨胀的箔片组合的铜编织物（braid）；

图3b示出了翼梁帽，所述翼梁帽在其竖直侧部上具有集成的下导体元件；

图3c示出了翼梁帽，其中下导体元件围绕翼梁帽的角部包裹；

图4a示出了风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片在其壳体内部具有两个不同的翼梁结构；

图4b示出了用在风力涡轮机叶片的内侧区段中的双重盒翼梁结构；

图4c示出了用在风力涡轮机叶片的尖端端部区段中的翼梁；

图5示出了制造用于在风力涡轮机叶片内部的翼梁结构的翼梁帽的方法；以及

图6示出了组装要被布置在风力涡轮机叶片内部的翼梁结构的方法。

具体实施方式

本文公开了详细的示例的实施例。然而，本文公开的具体结构和功能的细节仅仅是代表性的，以用于描述示例的实施例的目的。然而，示例的实施例可以以许多替代的形式实施，并且不应当被解释为限制于仅本文阐述的实施例。

因此，虽然示例的实施例能够具有各种修改和可替代的形式，但是其实施例以在附图中的示例的方式被图示并且将在本文详细描述。然而，应当理解的是，不存在将示例的实施例限制于所公开的特别的形式的意旨，而是相反，示例的实施例要覆盖落入示例的实施例的范围内的所有的修改、等效和替代。

本文使用的术语仅用于描述特别的实施例并且不旨在成为示例的实施例的限制。如本文使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包含复数形式，除非上下文以其他方式清楚地指出。将进一步理解的是，术语“包括”、“包括有”、“包含”和/或“包含有”，当在本文使用时，其指明陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或附加。

现在将对各种实施例做出详细参考，所述各种实施例的一个或更多示例在附图中图示。每个示例均以解释的方式被提供并且不意在作为限制。例如，作为一个实施例的部分图示或描述的特征。

图1示出了风力涡轮机叶片100的横截面，所述风力涡轮机叶片100在风力涡轮机叶片100的壳体内部具有翼梁结构110。然而，在继续进行图1的描述之前，将描述本发明的一些事项。

在实施例中的一些中，用于在风力涡轮机叶片内部的翼梁结构的翼梁帽被提供。下导体元件被集成在翼梁帽的侧部上，使得在翼梁帽组装到翼梁结构中之后，下导体元件沿着翼梁结构的外角部（可选地纵向地）延伸。发明人通过模拟和测试已经发现，翼梁结构的外角部是对于电流的传导最有效的位置。定位在这些角部中的下导体元件（在下导体和碳之间）传导主要比例的电流。下导体元件的此布置形成法拉第笼并且迫使大部分的电流到下导体元件中，留下较小量的电流经过碳纤维。承载大部分的电能的下导体元件与翼梁帽集成。此集成确保了存在降低不受控的闪络的风险的好的电结合，但是还被几何地定位以承担电/磁场的影响，所述电/磁场的影响“推动”电流在翼梁帽的角部中流动。在翼梁的外角部中的下导体元件的定位致使电流的改进的传导。应当提及的是，下导体元件在翼梁结构的角部中的定位不影响到风力涡轮机叶片的上（壳体）表面的结合的品质。在一些实施例中，下导体元件形成翼梁帽的部分。在一些实施例中，下导体元件被定位在翼梁帽的外角部和/或外侧部和/或外表面上，优选地使得下导体元件被布置在翼梁帽的外部，以及优选地使得下导体元件沿着翼梁帽的外角部和/或外侧部和/或外表面延伸。在实施例中的一些中，下导体元件被结合和集成在（模块化）翼梁帽内，所述翼梁帽然后能够被运送到用于翼梁的组装的进一步的制造位置。取决于总风力涡轮机叶片长度，（模块化）翼梁帽通常具有在12到30 m之间的长度。

本文使用的术语“翼梁结构”表示提供用于将空气动力学负载转移到毂部的结构刚性的风力涡轮机叶片内部的结构。在实施例中的一些中，翼梁结构可以是单独的翼梁（图1、图4c），而在其他实施例中，翼梁结构具有邻近彼此的两个或更多翼梁（图2、图4b）。在实施例中的一些中，翼梁结构包括一个或更多翼梁盒（图1、图2、图4b），所述一个或更多翼梁盒包括两个水平翼梁帽和两个竖直抗剪腹板。

本发明借助于示出风力涡轮机叶片的2D横截面的附图而被图示。然而，本文使用的术语“角部”指翼梁结构的两个表面会合的地方的线。这意指下导体元件沿着线（的部分）从叶片的内侧区段延伸到叶片的尖端区段或从此处的一部分。

在实施例中的一些中，翼梁帽被用碳纤维或玻璃纤维增强或由碳纤维或玻璃纤维制成。已经认识到，本发明对于碳纤维翼梁帽特别有用，但是此概念也能够对于玻璃纤维叶片使用。由于碳纤维的传导性（低电阻抗），碳纤维就雷电保护而言需要更多关注。

在实施例中的一些中，下导体元件包括箔片、网、线、编织物或线缆或其组合。在实施例中的一些中，下导体元件包括与膨胀的箔片组合的编织物。这允许翼梁到风力涡轮机叶片的壳体的叠加（overtapping），其中箔片在编织物和碳翼梁帽的主体之间提供电结合。集成的下导体的形式在风力涡轮机叶片的不同部分中能够被改变以适应位置和制造方法。取决于集成的下导体在风力涡轮机叶片内部的位置，下导体元件的多个形式能够被用来优化集成的下导体的性能。在一些实施例中，下导体元件包括下导体线，诸如编织物或线缆。下导体线可以被集成在翼梁帽的侧部上并且可以被定位在翼梁结构的外角部处。

在实施例中的一些中，下导体元件不仅在翼梁帽的一个侧部上而且围绕翼梁帽的角部包裹。

在实施例中的一些中，下导体元件包括金属和/或由金属制成。在这些实施例中的一些中，下导体元件包括铜、铜合金或铝和/或由铜、铜合金或铝制成。下导体元件的材料的选择能够考虑其他需求（诸如电偶腐蚀，当考虑具有碳纤维翼梁帽的叶片时这是特别重要的）而做出。

在实施例中的一些中，下导体元件可以沿着翼梁帽和/或翼梁结构的至少大部分的纵向长度、优选地整个长度延伸。

实施例中的一些涉及要被布置在风力涡轮机叶片内部的翼梁结构。集成的下导体元件沿着翼梁结构的外角部延伸。在实施例中的一些中，集成的下导体元件不延伸跨过翼梁的整个表面/区域而是仅沿着翼梁的一个或更多外角部延伸。

附加地或可替代地，翼梁结构可以包括如前述公开的翼梁帽和沿着翼梁帽的外角部（优选地纵向地）延伸的集成的下导体元件。下导体元件可以被集成在翼梁帽的外角部和/或外侧部和/或外表面上。

在实施例中的一些中，集成的导体元件沿着翼梁结构的每个外角部延伸。多个导体元件致使在雷电保护系统中的冗余。

在实施例中的一些中，翼梁结构可以包括多个下导体元件，诸如多个下导体线缆，并且其中多个下导体元件的横截面（优选地横截于下导体元件的广度）可选地在沿着多个下导体元件的纵向广度的一些位置处可以不电连接到彼此。

在实施例中的一些中，翼梁结构是翼梁盒，所述翼梁盒包括两个水平翼梁帽和结合到水平翼梁帽的两个竖直抗剪腹板。在实施例中的一些中，翼梁帽包括集成的通道，在组装期间抗剪腹板被结合到所述通道中。

在其他实施例中，翼梁具有两个水平翼梁帽和结合到水平翼梁帽的一个竖直抗剪腹板。这样的翼梁结构通常用在风力涡轮机叶片的尖端区段中。

在实施例中的一些中，翼梁结构具有四个外角部并且下导体元件沿着翼梁结构的四个外角部中的每个延伸。

在实施例中的一些中，下导体元件延伸跨过在水平翼梁帽和邻近抗剪腹板之间的结合接缝。

实施例中的一些涉及风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片包括在内部的根据以上描述的翼梁结构中的任何一个的翼梁结构。

在实施例中的一些中，当从风力涡轮机叶片的内侧区段进行到风力涡轮机叶片的尖端区段时，在风力涡轮机叶片内部的翼梁结构能够改变。在实施例中的一些中，风力涡轮机在风力涡轮机叶片的内侧区段中包括翼梁盒，所述翼梁盒包括两个水平翼梁帽和结合到水平翼梁帽的两个竖直抗剪腹板。在风力涡轮机叶片的尖端区段中，翼梁结构包括两个水平翼梁帽和结合到水平翼梁帽的一个抗剪腹板。在两个区段中，下导体元件都沿着对应的翼梁结构的外角部延伸。在组装期间，这些区段和下导体元件然后被连接在一起，使得它们是连续的。

在实施例中的一些中，风力涡轮机叶片包括在风力涡轮机叶片的内侧区段中的两个邻近翼梁盒和沿着两个邻近翼梁盒的四个外角部中的每个延伸的下导体元件。

在实施例中的一些中，两个邻近翼梁盒偏离于彼此。

实施例中的一些涉及制造用于在风力涡轮机叶片内部的翼梁的翼梁帽的方法。该方法包括将下导体元件集成和/或通过结合而集成和/或结合到翼梁帽的侧部或在翼梁帽的侧部上，使得在翼梁帽组装到翼梁结构中之后，下导体元件沿着翼梁结构的外角部延伸。

在实施例中的一些中，在翼梁帽的制造期间下导体元件被结合到翼梁帽。在此阶段的集成确保了在翼梁帽（碳纤维）和下导体元件之间存在好的电连接，如果所述电连接作为第二步骤被完成，则该电连接不能被实现。此集成确保了下导体元件总是与翼梁帽在相同的电势处。等势结合的此解决方案在没有使用机械紧固的情况下实现。

在实施例中的一些中，下导体元件和翼梁帽同时地被固化。例如，铜编织物（下导体元件）被嵌入在碳纤维翼梁内，这确保了存在两种材料（好的传导性/低电阻抗）的好的连接。由于这是复合结构，当聚合物基质系统固化时（预浸料或液态树脂系统），下导体元件变成集成的。聚合物的示例是环氧树脂、聚酯、乙烯酯等。由此，在下导体元件和翼梁帽的碳纤维之间实现优良的电连接。

实施例中的一些涉及组装要被布置在风力涡轮机叶片内部的翼梁结构的方法。该方法包括根据如以上描述的方法制造两个翼梁帽以及将具有至少一个抗剪腹板的翼梁帽组装到翼梁结构中使得翼梁帽的下导体元件沿着翼梁结构的外角部延伸。

现在回到图1，其示出了风力涡轮机叶片100的横截面，所述风力涡轮机叶片100具有在风力涡轮机叶片的壳体内部作为翼梁结构的单独的翼梁110。翼梁110由碳纤维制成并且具有两个水平翼梁帽130和结合到两个翼梁帽130的两个竖直抗剪腹板150。雷电保护系统的集成的下导体元件120沿着翼梁110的四个角部中的每个延伸。下导体元件120到翼梁110中的集成通过与碳纤维同时地固化下导体元件120而执行。下导体元件120被结合到翼梁帽130的竖直的侧部，使得下导体元件120被定位在翼梁110的四个外角部中的每个中。翼梁110的外角部已经被确定是对于电流的传导有效的位置。在图1中示出的实施例中，下导体元件120是铜编织物。

图2示出了具有双重盒翼梁结构210的风力涡轮机叶片200的横截面，所述双重盒翼梁结构210具有两个翼梁盒，所述两个翼梁盒中的每个具有两个水平翼梁帽230和两个竖直抗剪腹板250。两个翼梁盒偏离于彼此，使得两个矩形翼梁盒与风力涡轮机叶片200的横截面适配。下导体元件220被定位在双重盒翼梁结构210的每个外角部处。下导体元件220是铜编织物260和膨胀的箔片270的组合。

图3a更详细地示出了下导体元件220的结构，所述下导体元件220是铜编织物260和膨胀的箔片270的组合。下导体元件220不仅在翼梁帽240的竖直的侧部上延伸而且延伸跨过在翼梁帽240和抗剪腹板250之间的结合接缝。

图3b示出了对图3a的实施例的可替代的布置，其中翼梁帽240在每个竖直的侧部上具有集成的下导体元件280，使得当翼梁帽240被组装到翼梁结构中时，集成的下导体元件沿着翼梁结构的每个外角部延伸。（当图3b的实施例被用在图2的实施例中时，则左下导体元件280被省略并且被放在左翼梁的翼梁帽240的左侧部上。）。

图3c示出了另一可替代的实施例，其中下导体元件290围绕翼梁帽240的两个外角部包裹。当然，此实施例能够被用在图1的实施例中。

图4a示出了风力涡轮机叶片，其中翼梁结构改变使得雷电保护系统需要是柔性的并且适应于模块化设计。在示出的实施例中，在风力涡轮机叶片的内侧区段中的翼梁结构是双重盒翼梁结构，而在风力涡轮机叶片的尖端区段中的翼梁结构包括结合到两个翼梁帽的抗剪腹板。

图4b示出了用在图4a中示出的风力涡轮机叶片的内侧区段中的翼梁结构。翼梁结构基本上对应于在图2中示出的翼梁结构，所述翼梁结构具有为了与风力涡轮机叶片200的壳体更好适配而具有偏距的两个翼梁盒。下导体元件220沿着双重盒翼梁结构的四个外角部延伸。应当注意的是，在图4b中示出的翼梁结构能够不仅用在风力涡轮机叶片的内侧区段中而且能够遍及整个风力涡轮机叶片使用。

图4c示出了被用在风力涡轮机叶片200的尖端区段中的翼梁。翼梁具有两个水平翼梁帽330，所述两个水平翼梁帽330被弯曲以与风力涡轮机叶片的壳体配合。翼梁进一步具有结合到两个翼梁帽330的一个竖直抗剪腹板350。下导体元件320作为雷电保护系统的部分被布置在翼梁的四个外角部中。应当注意的是，在图4c中的翼梁能够不仅用在风力涡轮机叶片的尖端区段中而且能够遍及整个风力涡轮机叶片使用。

图5示出了制造用于在风力涡轮机叶片内部的翼梁结构的翼梁帽的方法。在510处，下导体元件被结合到翼梁帽的侧部，使得在翼梁帽组装到翼梁结构中之后，下导体元件沿着翼梁结构的外角部延伸。在翼梁帽的制造期间，下导体元件被结合到翼梁帽的侧部。例如，下导体元件与碳纤维的固化同时地被固化。

图6示出了组装要被布置在风力涡轮机叶片内部的翼梁结构的方法。在610处，两个翼梁帽被制造，其包括将下导体元件结合到每个翼梁帽的每个竖直的侧部。在620处，两个翼梁帽与一个或两个抗剪腹板一起组装到翼梁结构中，使得翼梁帽的下导体元件沿着翼梁结构的外角部延伸。