用于风力涡轮机的叶片

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的叶片。更特别地，本发明涉及用于风力涡轮机的叶片的电和/或雷电防护和/或加热/除冰布置结构（arrangement）。

背景技术

转子叶片是风力涡轮机的最暴露的部分，经常遭受雷击。雷击的概率在尖端处最高并随着朝向根部前进而减小。在叶片表面的外部（或朝向外部）上添加金属、碳或其他导电（或半导电）元件（例如，作为用于除冰的电阻式或电感式加热系统的一部分，或作为结构部件（例如，碳翼梁帽））增加了雷电附着的危险。这不仅会损坏导电元件，而且还会损坏叶片结构。由于这一点，例如所采取的一种措施是将导电元件从叶片尖端向后拉的措施。还可方便地将另外的导电元件远离雷电预期长时间悬留（hang on）的后缘放置。等电位联结部被提供在不同的导电或半导电元件之间以实现电压均衡，否则将导致叶片内部的电闪络（electrical flashover）。

期望提供一种用于风力涡轮机的叶片，该叶片使得能够将导电部件放置在沿着叶片的任何位置处，而雷电附着或内部闪络的风险得到降低或没有这种风险。

发明内容

可由根据独立权利要求的主题来满足如在下文中更好地阐明的这种需求和其他需求。本发明的有利实施例由从属权利要求来描述。

根据本发明，提供了一种用于风力涡轮机的叶片，该叶片包括具有以下各者的结构：

- 在前缘和后缘之间延伸的吸力侧和压力侧，

- 导电或半导电元件。

叶片进一步包括导热电绝缘件，该导热电绝缘件至少部分地与该结构接触。

根据本发明的实施例，导热电绝缘件至少部分地与导电或半导电元件接触。

上文所描述的布置结构允许将导电部件放置在尖端和根部之间的沿着叶片的任何位置中。与导电或半导电元件接触的导电部件也可被定位成靠近后缘。上文所描述的布置结构减少或防止了雷电附着的风险，还允许令人满意的热传递。

根据本发明的实施例，导电或半导电元件是用于加热叶片的电阻式或电感式加热元件，例如用于除冰。因此，可以高效且安全地实现除冰。本发明允许加热例如由于腐蚀或高电压闪络的风险而可能不被允许使用传统除冰元件的区，因此改善了灵活性和效率。

根据本发明的实施例，导电或半导电元件是叶片的结构元件。例如，结构元件可以是翼梁帽。特别地，结构元件可以是用作叶片加热元件的翼梁帽。

根据本发明的实施例，导电或半导电元件是感测、致动或通信元件或其一部分。

根据本发明的实施例，导电或半导电元件是雷电防护系统的部件。导电元件被引入到叶片中并且平行于雷电防护系统（LPS）引下线（down conductor）延伸，需要通过等电位联结部在导电元件和引下线之间提供某种电压均衡手段，否则存在导致结构损坏的内部闪络的高风险。此类等电位联结部（尤其是当在不同的材料（例如，金属和碳）之间产生时）是弱区，并且会容易被在传递雷电流时产生的热量破坏。在联结部上面和/或引下线上面和/或在导电或半导电元件上面使用导热电绝缘件提供了必要的热耗散。

根据本发明的实施例，导热电绝缘件以层的形式被提供在导电或半导电加热元件上面。在电绝缘件高度重要的情况下，层的使用可以是优选的。可在叶片铸造期间或之后施加导热电绝缘层。可经由粘合、冷喷涂、辊涂或浸涂等来施加导热电绝缘件的连续层。在叶片的铸造（或预铸造）期间可并入导热电绝缘件的连续层作为夹层。

根据本发明的其他实施例，以不连续形式提供导热电绝缘件。可通过上文提到的方法来施加导热电绝缘件的不连续层。进一步地，可执行用导热电绝缘颗粒、纤维、垫子等来加强叶片结构材料。

根据本发明的实施例，导热电绝缘件可被提供为叶片的吸力侧和/或压力侧的内表面或外表面。

根据本发明的实施例，导热电绝缘件包括氮化铝或氮化硼或其混合物。特别地，可使用六方氮化硼（>99％，自键合）。

从下文中要描述的实施例的示例中可以明白本发明的上文限定的方面以及另外的方面，并且本发明的上文限定的方面以及另外的方面参考实施例的示例来进行解释。在下文中，将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但是本发明并不限于该实施例的示例。

附图说明

图1示出了风力涡轮机。

图2示出了风力涡轮机的转子叶片。

图3示出了根据本发明的转子叶片的第一实施例的截面图。

图4示出了根据本发明的转子叶片的第二实施例的截面图。

图5示出了根据本发明的转子叶片的第三实施例的截面图。

图6示出了根据本发明的转子叶片的第四实施例的截面图。

图7示出了图3和图4的细节VII的放大视图。

图8示出了图5的细节VIII的放大视图。

图9示出了图6的细节IX的放大视图。

图10示出了根据本发明的转子叶片的第五实施例的示意图。

具体实施方式

附图呈示意性形式。类似或相同的元件由相同或不同的附图标记指示。

图1示出了用于发电的常规风力涡轮机10。风力涡轮机10包括塔架11，该塔架在一端处安装在地面16上。在塔架11的相对端处安装有机舱12。机舱12可旋转地安装在塔架11上面，其包括基本上垂直于地面16的偏航轴线（yaw axis）。机舱12通常容纳风力涡轮机的发电机以及齿轮箱（如果风力涡轮机是齿轮传动的风力涡轮机的话）。此外，风力涡轮机10包括能够绕转子轴线Y旋转的轮毂13。在没有不同地指定的情况下，术语轴向、径向和周向在下文中参考转子轴线Y来确定。轮毂13常常被描述为风力涡轮机转子的一部分，其中，风力涡轮机转子能够绕转子轴线Y旋转并且将旋转能传递到发电机（未示出）。

风力涡轮机1进一步包括安装在轮毂13上的至少一个叶片20（在图1的实施例中，风力转子包括三个叶片20，其中仅两个叶片20是可见的）。叶片20相对于旋转轴线Y基本上径向地延伸。每个转子叶片20通常可枢转地安装到轮毂13，以便绕相应的俯仰轴线X改变倾角（pitched）。这通过修改风撞击转子叶片20的方向的可能性来改善对风力涡轮机并且特别是对转子叶片的控制。每个转子叶片20在其根部区段21处安装到轮毂13。根部区段21与转子叶片的尖端区段22相对。

图2更详细地图示了转子叶片20。此外，在根部区段21和尖端区段22之间，转子叶片20还包括多个翼型区段30，所述多个翼型区段分布在根部区段21和尖端区段22之间以产生升力。每个翼型区段30包括吸力侧25和压力侧26。吸力侧25通过弦线27与压力侧26划分开或分离，该弦线将转子叶片20的前缘41和后缘31连接。吸力侧25和压力侧26可通过一个或多个横向抗剪腹板28（在图3的实施例中为一个抗剪腹板28）而被连接，所述横向抗剪腹板提供了加强部，在该加强部处，吸力侧25和压力侧26之间的距离更大，即，该加强部处于沿着弦线27在前缘41和后缘31之间的中间位置处。

图3更详细地图示了翼型区段30。翼型区段30包括基本结构40，该基本结构包括吸力侧25、压力侧26和一个抗剪腹板28。基本结构40可被制造为叶片层压件。在前缘41处，翼型区段30包括待连接到电能源的呈薄层形式的电阻式或电感式加热元件50。根据本发明的其他实施例，可以以不同于薄层的形状来提供加热元件50。加热元件50横跨在第一端51和相对的第二端52之间。第一端51和相对的第二端52可分别被提供在吸力侧25上和压力侧26上。加热元件50可被提供在基本结构40的被包括在前缘41和抗剪腹板28之间的部分上。加热元件50也可或者替代地被提供在基本结构40的被包括在后边缘31和抗剪腹板28之间的部分上。加热元件50可相对于弦线27对称地构造。根据本发明的其他实施例，加热元件50可相对于弦线27不对称。根据本发明的实施例，加热元件50可完全被提供在吸力侧25上或压力侧26上。翼型区段30进一步包括在电阻式加热元件50上面的导热电绝缘件60。导热电绝缘件60被提供为薄层。根据本发明的其他实施例，可以以不同于薄层的形状来提供导热电绝缘件60。导热电绝缘件60横跨在第一末端区段61和相对的第二末端区段62之间，所述第一末端区段和第二末端区段分别覆盖加热元件50的第一端51和第二端52。如图3中所示，第一末端区段61和第二末端区段62分别延伸超过第一端51和第二端52。根据本发明的其他实施例（未示出），第一末端区段61和第二末端区段62并不延伸超过第一端51和第二端52。

图4图示了翼型区段30的另一个实施例。该第二实施例自身与图3的实施例的区别之处在于，提供多于一个的加热元件50。根据该实施例，两个加热元件50被提供在基本结构40的被包括在前缘41和抗剪腹板28之间的部分上，分别提供在吸力侧25上和压力侧26上。根据本发明的其他实施例（未示出），两个加热元件50可被提供在基本结构40的其他位置上。根据本发明的其他实施例（未示出），可提供多于两个的加热元件50。

图5图示了翼型区段30的另一个实施例。在该第三实施例中，翼型区段30包括两个翼梁帽70，两个翼梁帽70在吸力侧25中和压力侧26中处在抗剪腹板28的两个相对端处。翼梁帽70与抗剪腹板28协作以用于将结构加强部提供给翼型区段30。每个翼梁帽70横跨在第一端71和相对的第二端72之间。翼型区段30进一步包括分别在两个翼梁帽70上面但不与其接触的两个导热电绝缘件60。两个导热电绝缘件60分别被提供在吸力侧25和压力侧26的外表面上。导热电绝缘件60被提供为薄层。根据本发明的其他实施例，可以以不同于薄层的形状来提供导热电绝缘件60。每个导热电绝缘件60横跨在第一末端区段61和相对的第二末端区段62之间，所述第一末端区段和第二末端区段分别覆盖相应的翼梁帽70的第一端71和第二端72。

图6图示了翼型区段30的另一个实施例。该第四实施例自身与图5的实施例的区别之处在于，两个导热电绝缘件60分别被提供在吸力侧25的内表面上和压力侧26的内表面上。

对于图3和图4的实施例，图7更详细地图示了导热电绝缘件60的边界，即第一末端区段61和第二末端区段62如何覆盖加热元件50的第一端51和第二端52。第一末端区段61和第二末端区段62延伸超过第一端51和第二端52，即第一末端区段61和第二末端区段62与基本结构40直接接触。这容许散布热能。

图8和图9分别针对图5和图6的实施例更详细地图示了导热电绝缘件60如何相对于两个翼梁帽70被定位在吸力侧25中和压力侧26中。导热电绝缘件60与吸力侧25和压力侧26直接接触，但与两个翼梁帽70是有距离的。第一末端区段61和第二末端区段62延伸超过第一端71和第二端72。

图10示出了导热电绝缘件60在加热元件上面的使用情况。加热元件可以是翼梁帽70或其区段。导体80被提供为与翼梁帽70接触并连接到电流源55。电流流过导体80和翼梁帽70，从而通过焦耳效应进行加热。在高温区中，由于用于热耗散的不同材料之间的电连接，相应的导热电绝缘件80被提供在导体80上面以及翼梁帽70的邻近于导体80的部分上面，因此允许热耗散并防止由于过度加热而造成的损坏。

根据本发明的其他实施例（未示出），导热电绝缘件60（TCEI）被提供为比薄层更不连续的形式。例如，导热电绝缘件60可被提供为基本结构40的加强部或混合部（hybridization）。可在叶片铸造期间或之后施加导热电绝缘件60。可经由粘合、冷喷涂、辊涂或浸涂或其他技术来施加呈层形式的导热电绝缘件60。可在叶片的铸造（或预铸造）期间将呈层形式的导热电绝缘件60并入于夹层结构中。导热电绝缘件60可被提供为吸力侧25和/或压力侧26的内表面或外表面。可通过使用上述方法（粘合、冷喷涂、辊涂、浸涂等）来制造呈不连续形式的导热电绝缘件60。也可执行用TCEI颗粒、纤维、垫子等来加强基本结构40。

导热电绝缘件60可由氮化铝或氮化硼（特别是六方氮化硼（>99％，自键合）制成。此外，不同的材料可以以分层或混合构型协同使用。