风轮机转子叶片及制造这种转子叶片的方法 【技术领域】
本发明涉及一种风轮机转子叶片，该风轮机转子叶片包括叶尖和避雷系统，所述叶片在靠近叶尖的末梢的叶片表面处包括至少一个金属接闪器，该叶片可能在叶片的表面内包括接闪器基底，所述叶片包括叶片壳体，该壳体部分地由纤维增强层压材料构成，所述叶片包括形式为金属网的接地引下线元件。
本发明还涉及制造具有叶尖的避雷系统的风轮机转子叶片的方法，该方法包括制造叶片体部的步骤，所述叶片体部包括纤维增强的聚合物，优选碳纤维增强的聚合物，该方法还包括将取金属网的形式的接地引下线元件施加到叶片的表面上或埋置在叶片的表面中的步骤。
背景技术
已观察到闪电击中风轮机转子叶片的叶尖的问题。已知对该问题存在不同的公知解决方案。这些解决方案的共同点是存在使表面复合材料层离或烧灼和/或加热及熔化金属部件的危险。还存在的危险是由内部电弧引起的冲击波可能使叶片爆炸，从而使叶片表面壳体沿着边缘以及从内承载翼梁剥离。
WO2005/026538描述了一种使风能发电设备的叶片防雷的方法。该叶片包括基本构造成纤维增强的层压体的叶片壳体，该层压体包括导电纤维。该叶片包括至少一个配置成用于传导雷电电流的避雷器，优选地包括接地。导电纤维相互连接，并且在叶片的外表面处或附近安装至少一个金属接闪器以用于捕集雷电电流。该接闪器和纤维连接到避雷器上，以用于平衡避雷器和导电纤维之间的电位差。
该文献揭示，当导电纤维相互连接时，各纤维对传导可能的雷电电流将协同工作，以防止电流在各单独纤维中运行。金属接闪器同时用作主雷电捕集装置和用于减少雷击层压体的危险。接闪器连接到避雷器上，电流传导到地，同时传送到层压体的危险降到最小，因为纤维和避雷器之间可能的电位差已被平衡。该文献未涉及叶片的叶尖处的具体问题。
【发明内容】
提供一种风轮机转子叶片可看作本发明的一个目的，该风轮机转子叶片具有一体化的导电机构，并且能在导电机构和/或叶尖(叶片末端，叶片尖端)不被雷击损坏的情况下转移雷电。
提供一种制造风轮机转子叶片的方法也可以看作本发明的一个目的，所述风轮机转子叶片的叶尖至少由不导电的材料制造，或者至少具有较高的绝缘强度(介电强度)。
本发明的前一个目的通过一种风轮机转子叶片实现，其中
‑叶片表面处的所述至少一个金属接闪器定位在距叶尖的末梢(末端，远端)第一距离处，以及
‑所述金属网沿着叶片的纵向轴线从距叶尖的末梢第二距离处朝向叶片的根端延伸，
‑所述第二距离大于所述第一距离。
若接地引下线元件延伸到距叶尖的末梢一定的第二距离，以及若至少一个接闪器位于距叶尖的末梢第一距离，并且其中第一距离小于第二距离，则接闪器和接地引下线元件被物理上/实体上分开，即，接闪器和接地引下线元件之间没有直接电接触。
使接地引下线元件仅延伸到距叶尖的末梢一定距离可保证雷击更容易击中接闪器而不是接地引下线元件。
在金属接闪器和接地引下线元件之间设置电导体，可仍旧在金属接闪器和接地引下线元件之间实现电接触。因此，雷电击中至少一个金属接闪器时感生的电荷被沿着电导体引导到接地引下线元件，并进一步引导接地。
所得到的优点是尽管当制造叶片时使用金属纤维和/或碳纤维，但也大大减少在雷击期间损坏接地引下线元件的危险的几率。
按照优选实施例，所述至少一个金属接闪器支承在叶片的表面中，所述接闪器被埋置在绝缘垫片中，该绝缘垫片被埋置在叶片的表面中，所述绝缘垫片至少部分地沿着叶片的表面外接(包围，限制)接闪器。
优选地，绝缘垫片的绝缘强度大于10,000,000伏/米，可能在从20,000,000伏/米到80,000,000伏/米的范围内。
其内埋置所述至少一个接闪器并且沿着叶片的表面至少部分地外接该接闪器的绝缘垫片可使接闪器进一步与叶片的其余部分电绝缘。因此，雷电将击中接闪器而不击中接地引下线或者可能地在接闪器和接地引下线元件之间延伸的电导体的几率大大增加。
在一个实施例中，绝缘垫片至少在叶片的表面中完全外接接闪器。这使得在接闪器的每个方向上都完成接闪器的电绝缘。因此，防止接闪器中的任何雷击沿着叶片的表面行进，并强制该雷击沿着电导体行进到接地引下线元件。
在一个实施例中，绝缘垫片至少在叶片的表面中仅部分地外接接闪器。这使得在从接闪器的选定的方向上完成接闪器的电绝缘。因此，防止接闪器中的任何雷击至少在其中绝缘垫片外接接闪器的选定方向上沿着叶片的表面行进，并且强制该雷击沿着电导体行进到接地引下线元件。
所述选定的方向优选是电导体沿着其从接闪器延伸到接地引下线元件的方向。
接闪器可以具有一长度，该长度从叶片的表面朝向叶片的中心部分延伸，所述绝缘垫片具有一长度，该长度从叶片的表面和朝向叶片的中心部分延伸，接闪器的所述长度大于绝缘垫片的所述长度。电导体的至少一部分放置在绝缘垫片的下表面的下方，并且接闪器连接到电导体，以便强制雷击从接闪器行进到电导体。
仅沿叶片的表面而不是像上述那样在叶片的内部(传输雷击)，最有可能的是存在雷击冲击叶片的其它部分而非接闪器的危险，或者是雷击在冲击接闪器之后易于朝其它方向而非沿着电导体的预定方向行进。因此，绝缘垫片不需要始终贯穿叶片，而是只需要伸入到叶片中一很小距离，只要表面被覆盖即可。
使绝缘垫片具有比接闪器的长度小的长度将导致对叶尖的机械完整性的影响尽可能地小。
绝缘垫片优选地周塑料制成，优选由塑料树脂制成，更优选由纤维增强的塑料树脂制成，它们全都是具有高绝缘强度的材料。
当设计接闪器和绝缘垫片时，可以采用不同的横截面。这样，接闪器的横截面具有圆形外圆周(周边)，而绝缘垫片的横截面具有一内圆周，该内圆周与第一截面区域的外圆周相对应，亦即是圆形。
接闪器的横截面可以是盘形，而绝缘垫片的横截面将是环形，该环形具有一优选地与接闪器的外圆周对应的内圆周，并具有紧靠接闪器而外接该接闪器的绝缘垫片。
电导体可以由一块金属板构成，该金属板具有在叶片表面中沿着一个分段的第一宽度，所述分段布置在叶尖附近并在接闪器的位置处，所述金属具有在叶片表面中沿着另一分段的第二宽度，该另一个分段远离叶尖并处在接地引下线元件的位置处，所述金属板的较近分段的第一宽度小于该金属板的较远分段的第二宽度。
金属板的与接闪器接触或者可能与接闪器安装于其上的接闪器基底接触的分段具有一有限的宽度，因此雷击金属板的危险与雷击接闪器的几率相比受限制。
另一方面，金属板与接地引下线元件接触的分段具有放大的宽度，因此电流被分布到尽可能大的接地引下线元件的表面上。
如果叶片设有接闪器绝缘垫片，则所述金属板的第一分段的初始部分可以在绝缘垫片的下表面上相对于叶片的表面从接闪器朝向较远分段延伸，而金属板的其余部分在叶片的表面上朝位于接地引下线元件的位置处的金属板的较远分段延伸。
电导体的在绝缘垫片的下表面下方延伸一即以在叶片的结构内部的某一埋置距离延伸而不在叶片的表面延伸‑的初始部分产生雷击金属板的危险与雷击接闪器的几率相比受限制。
在风轮机转子叶片的优选实施例中，至少一个第一接闪器设置在叶片的一个表面中，至少一个第二接闪器设置在叶片的另一个对置的表面中，所述第一接闪器和第二接闪器均与电导体电连接，其中一个电导体沿着叶片的所述一个表面延伸，另一个电导体沿着叶片的所述另一个对置的表面延伸。在叶片的每个表面上都设置至少一个接闪器，并且使每个接闪器与叶片的各表面上的单独电导体电连接具有不需要伸入叶片空腔中的共用电导体的优点。因此叶片的制造将简化。
第一接闪器和第二接闪器可以具有相互电耦合，第一接闪器和第二接闪器均沿着相互电耦合与所述一个电导体和另一个电导体二者电连接。
在叶片的每个表面中设置接闪器并使之电耦合可使得雷击能击中叶片的所述一个表面或所述另一个表面，但仍利用被冲击的两个接闪器的整体导电性，而接闪器不被冲击。而且将利用全部两个电导体，即叶片的被冲击的一个表面上的电导体以及叶片的不被冲击的另一个表面上的电导体。
在一种可能且优选的实施例中，风轮机转子叶片至少部分地由木质材料构成，该叶片至少部分地还由碳纤维构成，至少一个金属材料制的纤维网被集成到叶片中，优选地在叶片表面处或在叶片的表面正下方集成到叶片中。
在叶片中使用木质材料在叶片制造方面具有优点，但在避雷方面具有缺点。木质材料本身不导电。因此，尽管可通过碳纤维增强，但必需在叶片中加入另外的特征。一种可能的特征是添加金属材料制的纤维网。由此，可以增加叶片的机械整体性，但主要是实现使电流从沿着叶片纵向延伸部分的雷击传向叶片的根部的措施。
然而，由于纤维网如果被雷击直接击中则常常遭到破坏，所以使用纤维网必需考虑到那种危险。
本发明的后一个目的通过一种用于制造风轮机转子叶片的方法实现，该方法包括以下步骤：
‑提供叶片，该叶片部分地由纤维增强的层压体构成，
‑提供避雷系统，该避雷系统包括处于叶片表面的至少一个金属接闪器，
‑将所述至少一个金属接闪器靠近叶尖的末梢安放，
‑提供至少一个接地引下线元件，该接地引下线元件取金属网的形式，
‑提供至少一个电导体，该电导体用于将雷击期间在至少一个金属接闪器中感生的电流从所述至少一个金属接闪器传导到金属网，以及
‑将所述至少一个金属接闪器在叶片表面处安放成语叶尖的末梢相距第一距离，以及
‑将所述金属网安放成沿着叶片的纵向轴线从距叶尖的末梢第二距离处向叶片的根端延伸，
‑所述第二距离大于所述第一距离。
按照上述方法制造风轮机转子叶片可使叶片基本上由木材和碳纤维增强的树脂的组合制成。尽管这种叶片在解决雷击的能力方面有缺点，但本发明的特征使得这种叶片完全能解决雷击，并可使叶片具有始终沿着叶片的纵向延伸部分延伸的金属杆状导体。
优选地，该方法还包括以下步骤：
‑在叶片的表面上施加或在叶片的表面中埋设绝缘垫片，所述绝缘垫片至少部分地外接接闪器，并且至少外接接闪器的外部横截面，以及
‑所述绝缘垫片具有从接闪器沿着叶片表面的延伸部分，该延伸部分提供在其中绝缘垫片外接接闪器的任何方向上的、接闪器和叶片表面之间的电绝缘。
施加如上所述的绝缘垫片进一步使这种叶片完全能解决雷击问题，以及能使叶片具有一直沿着叶片的纵向延伸部分延伸的金属杆状导体。
【附图说明】
下面将参照附图说明本发明，在附图中：
图1示出设有本发明的避雷系统的风轮机转子叶片，该避雷系统设置在叶片的叶尖处，
图2示出设有避雷系统的风轮机转子叶片的横截面，该避雷系统具有在叶片的叶尖处的接闪器，
图3是当被安装在叶片中时并且在施加叶片的表面层之前的第一接闪器、绝缘垫片和电导体的示意图，以及
图4是当被安装在叶片中时并且在施加叶片的表面层之前的第二接闪器、绝缘垫片和电导体的示意图。
【具体实施方式】
图1是风轮机转子叶片的平面图，该叶片除其它特征以外还在叶片的叶尖设有避雷系统，该避雷系统如图3‑4所示并将参照所述图进行说明。叶片可以具有相当大的长度，即50m(米)以内或甚至更大的长度。这种量级的叶片可以使用常用制造技术的替代技术来制造，例如通过用木材、碳纤维或其它轻质元件制造，以便与较重的树脂一起实现合适的刚度和强度，该较重的树脂也构成叶片的一部分。也可以采用常规制造方法来制造该叶片。
图2是风轮机转子叶片的叶尖的一部分的横截面图，该横截面是沿着基本横向于且平行于叶片的转子平面P延伸的平面截取的。叶片的转子平面P是当叶片安装在风轮机上并在运行期间构成转子的一部分时，叶片在其中实施旋转的平面。
图2示出叶片的第一背风表面1的一部分和叶片的第二向风表面2的一部分。第一表面1是当叶片安装在风轮机上以在运行期间作为转子的一部分时叶片面向前面的外表面，而叶片的第二表面2是当叶片安装在风轮机上以在运行期间作为转子的一部分时叶片面向后面的外表面。
在叶片的第一表面1和叶片的第二表面2内，分别设有第一金属接闪器3和第二金属接闪器4。第一金属接闪器3和第二金属接闪器4通过接闪器基底5、6相对于叶片的表面保持在合适位置，该接闪器基底5、6位于叶片的内部空腔中。接闪器基底5、6优选地，在所示实施例中必需地由金属材料制成。
接闪器3、4各自通过螺栓7、8固定到接闪器基底5、6上，所述螺栓7、8贯穿设置在接闪器3、4中的孔。螺栓7、8具有螺栓头部和螺纹，所述螺纹与各接闪器基底5、6中的对应螺纹孔(未示出)配合。第二接闪器基底6的一个螺栓8贯穿第二接闪器4并贯穿第二接闪器基底6延伸，并固定到第一接闪器基底5上。第一接闪器基底5的另一个螺栓7贯穿第一接闪器3，并固定在第一接闪器基底5上。因而，第一接闪器3和第二接闪器4之间形成电耦合。
在接闪器3、4和接闪器基底5、6之间设有诸如环形弹性体圈的隔湿元件9、10，例如O形橡胶圈。
接闪器基底5、6上焊接或以任何类似方式电连接有电导体11、12。应该注意，电导体是与接地引下线元件不同的特征件，该接地引下线元件后面参照图3‑4说明。
电导体11、12从接闪器基底5、6开始并沿着叶片延伸，该电导体11、12如所示地在叶片的表面1、2的内侧壁13、14处，或者并且优选地在叶片壳体内，所述壳体是叶片的背风部分和向风部分。电导体11、12沿着叶片延伸到接地引下线元件(见图3和图4)。
在叶片的构成其背风表面1和向风表面2的壳体之间的空腔内，电气性能改变。在空腔内一至少围绕接闪器基底一改变电气性能会导致如果雷击叶片的叶尖，则接闪器的外表面而不是叶片的空腔内部的接闪器基底被雷击。
电气性能应理解为至少在接闪器基底附近的叶片的空腔的电阻率、电导率或绝缘强度。
在本发明的一方面，在雷击期间，电场的增加得到叶片的接闪器基底5、6和内侧壁13、14之间的支持。当雷击期间电场的增加被支持时，需要大得多的电场以便在转子叶片内部引发介质击穿。可以预防转子叶片内部的可能的火花的引燃以及因此压力增加，并因此可以避免损坏转子叶片的叶尖。
图3是示出安装有本发明的避雷系统的叶尖的表面的示意图。当叶片安装在风轮机上并且在运行时，该叶片的表面是背风表面1。
图中示出第一接闪器3，并示出将接闪器3固定到叶片上的第一螺栓7的头部。绝缘垫片15示出为外接第一接闪器3。
电导体的第一分段16沿着第一接闪器基底与第一接闪器3电连接(见图2)，而电导体11的第二分段17与接地引下线元件电连接，该接地引下线元件在所示的实施例是金属丝网。
电导体11的第一分段16的一部分比该第一分段16的其余部分更深地埋置在叶片的表面之下，所述部分通过外接第一接闪器3的绝缘垫片15而在叶片的壳体内保持在叶片的表面的更深下方。
电导体11的其余部分一即第一分段16的其余部分、中间部分和第二分段17也在叶片的壳体内埋置在叶片的表面下方，然而不像在绝缘垫片15下方延伸的部分那样埋置。
在所示的实施例中，绝缘垫片15外接第一接闪器3的整个周边。在一种替代实施例中，可仅使第一接闪器3的周边的有限部分被绝缘垫片15外接，也许仅为接闪器3的其中电导体11的第一分段16从该第一接闪器3延伸的周边。
图4是示出安装有本发明的避雷系统的叶尖的另一表面的示意图。当叶片安装在风轮机上和正在运行时，该叶片表面是向风表面2。
图中示出第二接闪器4，并示出将第二接闪器4固定到叶片上的第二螺栓8的头部。与背风表面上的绝缘垫片(见图3)相似的绝缘垫片15示出为外接第二接闪器4。
电导体12的第一分段16沿着第二接闪器基底与第二接闪器4电连接(见图2)，而第二电导体12的第二分段17与接地引下线元件电连接，该接地引下线元件在所示的实施例中是金属丝网。
电导体12的第二分段16的一部分比该第一分段的其余部分更深地埋置在叶片的表面之下，所述部分通过外接第二接闪器4的绝缘垫片15而在叶片的壳体内保持位于该表面的更下方。
电导体12的其余部分一即第一分段16的其余部分、中间部分和第二分段17也在叶片的壳体内埋置在叶片的表面下方，然而，不像在绝缘垫片15的下方延伸的部分那样埋置。
在所示的实施例中，绝缘垫片15外接第二接闪器4的整个周边。在一种替代实施例中，可仅使第二接闪器4的周边的有限部分被绝缘垫片15外接，也许仅为接闪器4的其中电导体12的第一分段16从该第二接闪器4延伸的周边。
对电导体的下列说明部分是图3和图4共有的。电导体11、12包括第一分段16，该第一分段16具有第一宽度，并用于与第一接闪器基底5或第二接闪器基底6电连通，与第一和第二接闪器基底中的哪个电连通取决于电导体11、12沿哪个表面延伸，即是背风表面1还是向风表面2。
电导体11、12还具有第二分段17，该第二分段17的宽度大于第一分段16的宽度，并用于与从叶片进一步向下的接地引下线元件18电连接。在所示的实施例中，第二分段被划分成多个单独的条带，该划分通过沿着电导体的第二分段设置狭槽17实现。
电导体11、12从具有较小宽度的第一分段16沿中间分段延伸到具有较大宽度的第二分段17。电导体从第一分段沿着中间分段到第二分段的延伸是在电导体11、12的宽度没有任何突变的情况下进行的，即，宽度从第一分段16的较小宽度平滑地过渡到第二分段17的较大宽度。
因而，产生火花的危险减至最小。火花常常在导电元件出现不连续性的地方发生。第一分段、第二分段和中间分段的平滑电导体边缘是倒圆的，以便沿着宽度的变化和沿着平面构型‑即从第一分段16的单个条带到第二分段17的多个条带‑的变化不显示任何突变和不连续变化。因此，沿着电导体或从电导体产生火花的危险减至最小。