用于风力涡轮机叶片的雷电保护系统的连接元件

技术领域

本发明涉及一种连接元件和包括连接元件的风力涡轮机叶片以及用于雷电保护系统的相关联的方法，所述连接元件诸如用于连接风力涡轮机叶片的雷电保护系统的引下导线（down conductor）的连接元件。

背景技术

随着风力涡轮机和风力涡轮机叶片在尺寸上增加，雷电击中风力涡轮机的风险增加。因此，越来越感兴趣来为风力涡轮机、并且特别是风力涡轮机叶片提供雷电保护措施。

已知的是，为用于风力涡轮机的叶片提供雷电接受器，该雷电接受器与在叶片内部的引下导线电连接，该引下导线经由风力涡轮机的毂和机舱连接到地（ground）。叶片内部的引下导线可以例如由连接元件（也称为线缆终端（shoe））连接到风力涡轮机叶片的根部区域，诸如风力涡轮机叶片的根部端。

为了减小引下导线的导电部分上的机械应力，可以紧固引下导线，例如将其胶合到在电连接附近的叶片的内部。然而，在引下导线与叶片之间的连接附近仍可能看到机械故障。

发明内容

本公开的目的是提供用于以更耐用的方式将雷电保护系统的引下导线连接到风力涡轮机叶片的根部区域（诸如风力涡轮机叶片的根部端法兰）的方法和元件，其较不易出现疲劳或其他机械故障。本公开的另一目的是提供促进引下导线到风力涡轮机叶片的根部区域的更容易且更方便的连接的元件和方法。

因此，本公开涉及一种用于风力涡轮机叶片的雷电保护系统的连接元件，所述风力涡轮机叶片包括根部区域、带有末梢的翼型区域、压力侧、吸力侧和在前缘与后缘之间延伸的弦线。连接元件被配置成将雷电保护系统的引下导线连接到风力涡轮机叶片的根部区域，诸如根部区域的根部端法兰。所述连接元件包括：根部端部分，其被配置成机械地且电地连接到所述风力涡轮机叶片的根部区域；以及导体（conductor）部分，其包括第一导体部分和第二导体部分，其中所述第一导体部分被配置成容纳并电连接到引下导线的剥离部分（stripped part），以及所述第二导体部分被配置成容纳并机械地连接到引下导线的绝缘部分。

连接元件（诸如连接元件的导体部分）可以限定导体部分轴线。例如，导体部分的导体部分轴线可以与引下导线（例如当引下导线容纳在导体部分中时）的纵向方向基本同轴。

还公开了一种风力涡轮机叶片，其包括根部区域、带有末梢的翼型区域、压力侧、吸力侧和在前缘与后缘之间延伸的弦线。风力涡轮机叶片还包括雷电保护系统，所述雷电保护系统包括引下导线和将引下导线连接到根部区域的连接元件，诸如以上公开的连接元件。所述连接元件包括：根部端部分，其机械地且电地连接到所述风力涡轮机叶片的根部区域；以及导体部分，其包括第一导体部分和第二导体部分，其中所述第一导体部分容纳并电连接到引下导线的剥离部分，以及所述第二导体部分容纳并机械地连接到引下导线的绝缘部分。导体部分的导体部分轴线与引下导线的纵向方向基本同轴。

还公开了一种用于将风力涡轮机叶片的雷电保护系统的引下导线连接到风力涡轮机叶片的根部区域（诸如根部区域的根部端法兰）的方法。风力涡轮机叶片包括根部区域、带有末梢的翼型区域、压力侧、吸力侧和在前缘与后缘之间延伸的弦线。引下导线包括导电元件和覆盖所述导电元件的绝缘护套。所述方法包括：提供连接元件，诸如以上公开的连接元件，所述连接元件包括根部端部分和导体部分，所述导体部分包括第一导体部分和第二导体部分；从引下导线的端部的一部分去除绝缘护套，以提供引下导线的剥离部分和绝缘部分；将引下导线的端部插入连接元件的导体部分中，使得剥离部分被第一导体部分容纳，以及绝缘部分被连接元件的第二导体部分容纳，并且使得引下导线的纵向方向与导体部分的导体部分轴线基本同轴；将第二导体部分紧固到绝缘部分；以及将连接元件的根部端部分紧固到风力涡轮机叶片的根部区域，诸如根部区域的根部端法兰。

当引下导线连接到风力涡轮机叶片的根部区域时，引下导线和连接器元件可以位于风力涡轮机叶片的内部，例如，引下导线和连接器元件可以在根部端法兰的末梢侧上。引下导线例如当由连接器元件连接时，可以从根部区域延伸，诸如从根部端法兰延伸。引下导线可以朝向风力涡轮机叶片的末梢延伸。

本公开的优点在于，以更容易且更方便的方式提供了雷电保护系统的引下导线与根部区域（诸如根部区域的根部端法兰）之间的连接，并且其可以在风力涡轮机叶片的引下导线与根部区域（例如根部端法兰）之间提供增加的强度以及连接的机械故障的降低的可能性。

本公开的优点在于，所公开的连接元件例如通过机械地紧固到引下导线的绝缘护套而提供了线缆的卸载。因此减小了引下导线和连接元件之间的过渡的关键部分上的负载。此外，本公开允许在引下导线和连接元件之间的过渡中的线缆的弯曲的减小。

第一导体部分和第二导体部分可以一体地形成。可替代地或附加地，导体部分和根部端部分可以一体地形成。

导体部分（诸如第一导体部分和/或第二导体部分）可以包括用于容纳引下导线的孔径，该引下导线诸如引下导线的一部分。导体部分（诸如第一导体部分和/或第二导体部分）可以例如沿着导体部分轴线是基本圆柱形的。

第一导体部分可具有第一内部横截面距离，例如第一内部横截面直径。第一内部横截面距离可以允许第一导体部分容纳引下导线的剥离部分。第一内部横截面距离可以等于或略大于引下导线的剥离部分的直径，例如第一内部横截面距离可以多于引下导线的剥离部分的直径在0.1-2mm之间。第一内部横截面距离可以小于引下导线的绝缘部分的直径。

第二导体部分可以具有第二内部横截面距离，例如第二内部横截面直径。第二内部横截面距离可以大于第一内部横截面距离。第二内部横截面距离可以允许第二导体部分容纳引下导线的绝缘部分。第二内部横截面距离可以等于或略大于引下导线的绝缘部分的直径，例如第一内部横截面距离可以多于引下导线的绝缘部分的直径在0.1-2mm之间。

导体部分可沿着垂直于导体部分轴线的径向轴线具有材料厚度。例如，材料厚度可以在导体部分的内周和外周之间。在垂直于导体部分轴线的横截面中，材料厚度可以基本均匀。导体部分的材料厚度可以在沿着导体部分轴线的不同位置处不同，例如导体部分的材料厚度可以在导体部分的不同部分之间变化。第一导体部分沿着垂直于导体部分轴线的径向轴线可具有第一材料厚度。第二导体部分平行于径向轴线可具有第二材料厚度。第二材料厚度和第一材料厚度可以相同。可替代地，第二材料厚度可以大于第一材料厚度。可替代地，第二材料厚度可以小于第一材料厚度。

连接元件可以是基本刚性的。例如，连接元件可以由金属（诸如铜、诸如镀锡铜）制成。连接元件可以被退火，例如连接元件可以由退火金属（诸如铜、诸如镀锡铜）制成。

根部端部分可以包括紧固区段，其例如用于与紧固元件（例如，螺栓或螺钉或类似物）接合以将连接元件紧固到风力涡轮机叶片的根部区域，诸如风力涡轮机叶片的根部端法兰。紧固区段可包括用于容纳紧固元件的孔。例如，孔可以是例如用来与紧固元件的相对螺纹接合的内螺纹。

连接元件（诸如连接元件的根部端部分）可以包括内部分离结构。内部分离结构可以将紧固元件（例如当插入到紧固区段的孔中时）与引下导线的剥离部分分离。内部分离结构可以是导电结构。内部分离结构可以为连接元件提供机械强度。

根部端部分例如沿着导体部分轴线可以是基本圆柱形的。紧固区段的孔可以沿着导体部分轴线延伸。连接元件例如沿着导体部分轴线可以是基本圆柱形的。连接元件可以是基本圆柱形的，具有形成根部端部分的第一端和形成导体部分的第二端。

雷电保护系统的引下导线可包括导电元件和覆盖该导电元件的绝缘护套。引下导线的纵向方向可以是引下导线的导电元件的方向。绝缘护套可以与引下导线的纵向方向同轴。

将连接元件连接到引下导线可以包括从引下导线的端部的一部分去除绝缘护套，以提供引下导线的剥离部分。引下导线的剥离部分可以被第一导体部分插入和容纳，以在引下导线的导电元件和连接元件之间形成电连接。引下导线的绝缘部分可被容纳并紧固到连接元件的第二导体部分。

将第二导体部分紧固到绝缘部分可以包括压接（crimp）第二导体部分。例如，压接第二导体部分可以包括减小第二导体部分的横截面距离，诸如第一横截面距离和/或第二横截面距离。横截面距离（诸如第一横截面距离和/或第二横截面距离）可以垂直于引下导线的纵向方向和/或导体部分轴线。例如，压接第二导体部分可包括减小第一横截面距离，使得第一横截面距离短于第二导体部分的第二横截面距离。可替代地或附加地，压接第二导体部分可包括减小第一横截面距离和第二横截面距离，使得第一横截面距离和第二横截面距离短于第二导体部分的第三横截面距离。第一横截面距离可以垂直于第二横截面距离。第三横截面距离可以与第一横截面距离和第二横截面距离跨越45度的角。

第一导体部分可以被紧固到引下导线的剥离部分。因此，该方法可以进一步包括将第一导体部分紧固到引下导线的剥离部分。

将第一导体部分紧固到剥离部分可以包括压接第一导体部分。例如，压接第一导体部分可以包括减小第一导体部分的横截面距离，诸如第一横截面距离和/或第二横截面距离。横截面距离（诸如第一导体部分的第一横截面距离和/或第二横截面距离）可以垂直于引下导线的纵向方向和/或导体部分轴线。例如，压接第一导体部分可包括减小第一导体部分的第一横截面距离，使得第一横截面距离短于第一导体部分的第二横截面距离。可替代地或附加地，压接第一导体部分可包括减小第一导体部分的第一横截面距离和第二横截面距离，使得第一横截面距离和第二横截面距离短于第一导体部分的第三横截面距离。第一横截面距离可以垂直于第一导体部分的第二横截面距离。第一导体部分的第三横截面距离可以与第一导体部分的第一横截面距离和第二横截面距离跨越45度的角。

连接元件（诸如连接元件的导体部分）可以被第二绝缘护套包围。因此，该方法可以进一步包括利用第二绝缘护套包围连接元件和/或连接元件的导体部分。第二绝缘护套可以保护（诸如包围地（enviromentally）保护）连接元件和/或连接元件的导体部分。第二绝缘护套可以是可收缩管，诸如热收缩管。第二绝缘护套可以在将第二导体部分紧固到引下导线的绝缘部分之后和/或在将第一导体部分紧固到引下导线的剥离部分之后施加。

附图说明

下面将关于附图更详细地描述本公开的实施例。附图示出了实现本发明的一种方式，并且不应被解释为对落入所附权利要求组的范围内的其他可能的实施例的限制。

图1是图示示例性风力涡轮机的示意图，

图2是图示示例性风力涡轮机叶片的示意图，

图3是图示示例性连接元件的示意图，

图4是图示示例性连接元件的示意图，

图5是图示示例性连接元件的纵向截面图的示意图，

图6a和6b是图示示例性连接元件的横截面的示意图，

图7a、7b、7c、7d是图示示例性连接元件的纵向截面图的示意图，

图8是图示连接示例性连接元件的示例性方法的流程图。

具体实施方式

图1图示了根据所谓“丹麦概念”的常规现代逆风风力涡轮机2，带有塔架4、机舱6和带有基本水平的转子轴的转子。转子包括毂8和从毂8径向地延伸的三个叶片10，叶片10各自具有最接近毂的叶片根部16和最远离毂8的叶片末梢14。

图2示出了示例性风力涡轮机叶片10的示意性视图。风力涡轮机叶片10具有带有根部端17和末梢端15的常规风力涡轮机叶片的形状，且包括最接近毂的根部区域30、最远离毂的仿形（profiled）或翼型区域34以及在根部区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括当叶片安装到毂上时面对叶片10的旋转的方向的前缘18，以及面对前缘18的相对方向的后缘20。

翼型区域34（也称为仿形区域）具有关于产生升力的理想或几乎理想的叶片形状，而由于结构考虑，根部区域30具有基本圆形或椭圆形的横截面，其比如使得更容易且更安全地将叶片10安装到毂。根部区域30的直径（或弦）可为沿着整个根部区域30恒定的。过渡区域32具有过渡轮廓，其从根部区域30的圆形或椭圆形形状逐渐地改变为翼型区域34的翼型轮廓。过渡区域32的弦长度典型地随离毂的增大的距离r而增大。翼型区域34具有带有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的弦的翼型轮廓。弦的宽度随离毂的增大的距离r而减小。

叶片10的肩部40限定为其中叶片10具有其最大弦长度的位置。肩部40典型地提供在过渡区域32与翼型区域34之间的边界处。

应当注意的是，叶片的不同区段的弦一般并不位于共同的平面中，因为叶片可被扭曲和/或弯曲（即，预弯曲），因此为弦平面提供了对应地扭曲的和/或弯曲的路线，为了补偿取决于离毂的半径的叶片的局部速度，这是最常见的情况。

风力涡轮机叶片10包括叶片壳体，该叶片壳体可包括典型地由纤维增强聚合物制成的两个叶片壳体部分，即第一叶片壳体部分24和第二叶片壳体部分26。第一叶片壳体部分24典型地是压力侧或逆风叶片壳体部分。第二叶片壳体部分26典型地是吸力侧或顺风叶片壳体部分。第一叶片壳体部分24和第二叶片壳体部分典型地沿着结合线或胶合接合处28胶合在一起，该结合线或胶合接合处28沿着叶片10的后缘20和前缘18延伸。典型地，叶片壳体部分24、26的根部端具有半圆形或半椭圆形的外横截面形状。

风力涡轮机叶片10还包括雷电保护系统42。雷电保护系统42包括定位在风力涡轮机叶片10的末端15附近的雷电接受器44。雷电保护系统42包括用于将雷电接受器44连接到地的引下导线50。引下导线50连接到叶片10的根部区域30，诸如根部区域30的根部端法兰92。引下导线50从根部区域30朝向末梢端15延伸。引下导线50从根部区域30延伸到雷电接受器44。另一导体（未示出）可将根部端法兰92电连接到地，使得以形成来自雷电接受器44与地的电连接。雷电保护系统42可以进一步包括用于将引下导线连接到叶片10的根部区域30（诸如根部端法兰92）的连接元件。

图3示出了示例性连接元件60，诸如将引下导线50连接到例如如关于图2所述的风力涡轮机叶片的根部端法兰92的连接元件。连接元件60位于法兰92的末梢侧上。连接元件包括根部端部分62和导体部分64。导体部分64包括第一导体部分66和第二导体部分68。导体部分64的导体部分轴线70与引下导线50当被容纳在导体部分64中时的纵向方向基本同轴。如所示，导体部分64（诸如第一导体部分66和第二导体部分68）和根部端部分62可以与导体部分轴线70基本同轴。如所示，导体部分64（诸如第一导体部分66和第二导体部分68）和根部端部分62可以关于导体部分轴线70基本对称。第一导体部分66和第二导体部分68沿着导体部分轴线70是基本圆柱形的。

第一导体部分66和第二导体部分68可以一体地形成。根部端部分62和导体部分64也可以一体地形成。连接元件60可以是刚性元件，例如由金属制成，其可以被退火。例如，连接元件60可以由镀锡铜制成。

导体部分64可以容纳引下导线50（诸如引下导线50的端），并且导体部分64（诸如第一导体部分66和/或第二导体部分68）可以被压接以紧固到引下导线50。第一导体部分66被配置成容纳并可选地紧固到引下导线的剥离部分。第二导体部分68被配置成容纳并紧固到引下导线的绝缘部分。

图4示出了示例性连接元件60，诸如如图3中所示的连接元件60。连接元件包括根部端部分62和导体部分64，该导体部分64包括具有导体部分轴线70的第一导体部分66和第二导体部分68。连接元件60在根部端部分62处包括紧固区段（未示出），其用于与诸如螺钉或螺栓之类的紧固元件90接合以例如将连接元件60紧固到风力涡轮机叶片的根部区域，诸如根部端法兰92。

图5示出了示例性连接元件60的纵向截面图，诸如如图3或图4中所示的连接元件60。连接元件60连接到风力涡轮机叶片的根部端法兰92。连接元件60包括具有导体部分轴线70的根部端部分62和导体部分64。如所示，导体部分64包括第一导体部分66和第二导体部分68，其中第一导体部分66被配置成容纳并电连接到引下导线50的剥离部分52。如所示，第二导体部分68配置成容纳并机械地连接到引下导线50的绝缘部分54。为了将第二导体部分68机械地连接到引下导线的绝缘部分54，可以压接第二导体部分68。连接元件60在根部端部分62处包括用于与紧固元件90接合的紧固区段80。如所示，紧固区段80被配置成将连接元件60紧固到风力涡轮机叶片的根部区域，诸如根部端法兰92。如所示，紧固区段80可包括孔82。紧固元件90可以是螺钉或螺栓，例如具有螺纹。如所示，紧固元件90可以延伸穿过根部端法兰92中的孔，并且延伸到孔82中，以将连接元件紧固到根部端法兰92。孔82可包括用于与紧固元件90接合的对应螺纹。

图6a和6b示出了图5的连接元件60和引下导线50沿着如图5中所指示的线100和102的横截面图。图6a示出了沿着线100的横截面图。图6b示出了沿着线102的横截面图。根据常规的雷电引下导线，引下导线50包括导电元件53和覆盖导电元件50的绝缘护套55。如图6a中所示，绝缘护套55已从引下导线的一部分去除，以形成容纳在第一导体部分66中的剥离部分52。尽管未具体示出，第一导体部分66可以与引下导线的导电部分53电连接，例如第一导体部分66可以被压接以与导电部分53接合。

还在图6a和6b中示出的是垂直于如图5中所示的导体部分轴线70的径向轴线72。连接元件60的第一导体部分66沿着径向轴线72具有第一材料厚度T1。第二导体部分68沿着径向轴线具有第二材料厚度T2。如所示，第二材料厚度T2可以小于第一材料厚度T1。可替代地，第二材料厚度T2可以大于第一材料厚度T1，或者第二材料厚度T2和第一材料厚度T1可以相同。

通过压接第一导体部分66，可以将第一导体部分66紧固到引下导线50的剥离部分52。例如沿着径向轴线72，可以通过减小第一导体部分66的第一横截面距离D11来紧固第一导体部分66。另外，可以通过减小第一导体部分66的第二横截面距离D12来紧固第一导体部分66。第一导体部分66可以被压接，使得第一横截面距离D11短于第二横截面距离D12。如所示，第二横截面距离D12可以垂直于第一横截面距离D11。

通过压接第二导体部分68，可以将第二导体部分68紧固到引下导线50的绝缘部分54。例如沿着如所图示的径向轴线72，可以通过减小第二导体部分68的第一横截面距离D21来紧固第二导体部分68。另外，可以通过减小第二导体部分68的第二横截面距离D22来紧固第二导体部分68。第二导体部分68可以被压接，使得第一横截面距离D21短于第二横截面距离D22。如所示，第二横截面距离D22可以垂直于第一横截面距离D21。

图6a和图6b中还示出了第一导体部分66和第二导体部分68的内部横截面距离d1、d2。第一导体部分66具有第一内部横截面距离d1，该第一内部横截面距离d1允许第一导体部分66容纳引下导线50的剥离部分52。第二导体部分68具有第二内部横截面距离d2，该第二内部横截面距离d2允许第二导体部分容纳引下导线50的绝缘部分54。

图7a、7b、7c和7d示出了示例性连接元件60的纵向截面图。连接元件60包括根部端部分62和导体部分64，所述导体部分64包括具有导体部分轴线70的第一导体部分66和第二导体部分68。连接元件60在根部端部分62处包括紧固区段80，其用于与紧固元件90（例如，如图7d中所示）接合以将连接元件60紧固到风力涡轮机叶片的根部区域30。图7a-7d的示例性连接元件60示出了不同材料厚度（例如如关于图6所述的T1和T2）的示例。

图7b还示出了连接元件60可具有内部分离结构84，该内部分离结构84将紧固元件90例如当插入到紧固区段80的孔中时与引下导线的剥离部分52分离。

此外，图7d示出了连接元件60由紧固元件90紧固到根部端区域30，该紧固元件90可以是螺钉或螺栓，与紧固区段80的孔82接合。

诸如图7a和7b中所图示，连接元件60可以在引下导线54的绝缘部分的端的边缘与连接元件的导体部分64的内部之间提供间隙。间隙可以提供用于将剥离部分52引导到第一导电部分66中的引导表面。

图8示出了示例性方法200的流程图，该方法用于将风力涡轮机叶片的雷电保护系统的引下导线连接到风力涡轮机叶片的根部区域，例如连接到风力涡轮机叶片的根部端法兰。

方法200包括提供连接元件202，诸如相对于先前的附图图示和描述的连接元件。连接元件包括根部端部分和导体部分，该导体部分包括第一导体部分和第二导体部分。

方法200包括从引下导线的端部的一部分去除204绝缘护套，以提供引下导线的剥离部分和绝缘部分。

方法200包括将引下导线的端部插入206到连接元件的导体部分中，使得剥离部分被第一导体部分容纳，并且绝缘部分被连接元件的第二导体部分容纳。

方法200包括将第二导体部分紧固208到绝缘部分。例如，通过压接第二导体部分可以将第二导体部分紧固208例如在引下导线的绝缘部分周围。压接第二导体部分可以包括减小第二导体部分的一个或多个横截面距离。

可选地，方法200可以包括将第一导体部分紧固210到引下导线的剥离部分。例如，通过压接第一导体部分可以将第一导体部分紧固210例如在引下导线的剥离部分周围。压接第一导体部分可以包括减小第一导体部分的一个或多个横截面距离。

第二导体部分的紧固208可以在第一导体部分的紧固210之前或之后执行。可替代地，第二导体部分的紧固208可以与第一导体部分的紧固210一起执行，例如，第二导体部分的紧固208可以与第一导体部分的紧固210同时地执行。

可选地，方法200可以包括将连接元件的导体部分利用第二绝缘护套（诸如可收缩管或热收缩管）包围212。可以提供利用第二绝缘护套包围212的导体部分，以将连接元件与环境隔离，例如以保护连接元件和/或与引下导线的连接免受水或其他物质侵害。

方法200包括将连接元件的根部端部分紧固214到风力涡轮机叶片的根部区域，诸如紧固到风力涡轮机叶片的根部端法兰。

已经参考优选实施例描述了本发明。然而，本发明的范围不限于所图示的实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行变更和修改。

参考列表

2 风力涡轮机

4 塔架

6 机舱

8 毂

10 叶片

14 叶片末梢

15 末梢端

16 叶片根部

17 根部端

18 前缘

20 后缘

24 第一叶片壳体部分（压力侧）

26 第二叶片壳体部分（吸力侧）

28 结合线/胶合接合处

30 根部区域

32 过渡区域

34 翼型区域

40 肩部

42 雷电保护系统

50 引下导线

52 （引下导线的）剥离部分

53 导电元件

54 （引下导线的）绝缘部分

55 绝缘护套

56 引下导线的端部

60 连接元件

62 根部端部分

64 导体部分

66 第一导体部分

68 第二导体部分

70 导体部分轴线

72 径向轴线

80 紧固区段

82 （紧固区段的）孔

84 内部分离结构

90 紧固元件

92 根部端法兰

200 方法

202 提供连接元件

204 去除绝缘护套

206 插入引下导线的端部

208 紧固第二导体部分

210 紧固第一导体部分

212 包围导体部分

214 紧固根部端部分

T1 第一材料厚度

T2 第二材料厚度

D11 第一导体部分的第一横截面距离

D12 第一导体部分的第二横截面距离

D21 第二导体部分的第一横截面距离

D22 第二导体部分的第二横截面距离