风力涡轮的转子叶片和风力涡轮的制作方法

本主题大体上涉及用于风力涡轮的转子叶片，且更具体而言，涉及具有传导层的用于转子叶片的翼梁帽。

背景技术：

风能被认为是目前可获得的最洁净、最环境友好的能源中的一种，并且在这点上风力涡轮已获得更多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或更多个转子叶片。转子叶片使用已知的叶形片(foil)原理从风获取动能，且通过旋转能来传递该动能，以使轴转动，该轴将转子叶片联接至齿轮箱，或者如果不使用齿轮箱，则直接联接至发电机。齿轮箱将机械能转换成电能，该电能可部署至公用电网。

风力涡轮转子叶片大体上包括主体壳，该主体壳由为复合层压材料的两个壳半部形成。壳半部大体上使用模制过程制造，且然后沿转子叶片的对应边缘联接在一起。大体上，主体壳是相对轻量的，且具有结构特性(例如，刚度、抗翘曲力和强度)，这些结构特性不构造成耐受在操作期间施加在转子叶片上的弯曲力矩和其他负载。为了提高转子叶片的刚度、压曲抗力和强度，主体壳通常使用翼梁帽来增强，该翼梁帽接合壳半部的内表面。翼梁帽可由各种材料构造，包括但不限于玻璃纤维层压复合材料和/或碳纤维层压复合材料。

在风力涡轮的寿命期间，转子叶片特别倾向于雷击。因此，现代风力涡轮通常包括闪电防护系统，其具有：一个或更多个闪电接收器，其配置在转子叶片的外部上；和闪电传导器或缆线，其联接至(多个)闪电接收器且穿过转子叶片从叶片末梢延伸至叶片根部，且穿过其他构件，直到穿过塔架向下接地至地面位置。因此，当闪电击中转子叶片时，电流可流过(多个)闪电接收器且可被穿过闪电系统传导至地面。 然而，当闪电冲击发生时，非期望的放电可从翼梁帽产生至主体壳，这可对转子叶片引起显著的损坏。

因此，需要防止来自翼梁帽的此种非期望放电的翼梁帽设计。更具体而言，构造为具有传导层的交替层，以便将翼梁帽的层电连接闪电防护系统的翼梁帽在本领域中将是受欢迎的。

技术实现要素：

本实用新型的方面和优点将在下列描述中部分地示出，或可从描述变得明显，或通过本实用新型的实施习得。

在本公开的一个方面中，公开了一种风力涡轮的转子叶片。转子叶片包括叶片根部和叶片末梢、前缘和后缘、压力侧和吸力侧、和至少一个翼梁帽，该至少一个翼梁帽构造在压力侧或吸力侧中的任一者或二者的内部表面上。翼梁帽包括第一材料的一个或更多个层和第二传导材料，该第二传导材料接触该第一材料的层中的至少一个。而且，该传导材料与第一材料不同。因此，该传导材料与第一材料一起构造，以致于形成等电势翼梁帽。

在一个实施例中，翼梁帽可包括交替的第一材料的层和传导材料。在各种实施例中，第一材料的层包括玻璃纤维层压复合物、碳纤维层压复合物、和/或预浸处理纤维复合物。更具体而言，在特定实施例中，如果翼梁帽由碳纤维层压复合物构造，则传导材料可放置在碳层片的某些层之间。备选地，传导材料可不存在于第一材料的一些层之间，并且/或者存在于其他层之间，例如，每隔两个层。在另一实施例中，传导层可埋在第一材料的层中的一个或更多个内，例如，其中翼梁帽由预浸处理复合纤维构造。

在其他实施例中，传导材料可包含至少一种金属或金属合金。更具体而言，在特定实施例中，金属或金属合金可包含铜、铝、钢、锡、钨、铁、镍、或它们的组合中的至少一种，或任何其他适合的金属。此外，传导材料可包括以下构造中的任一者：网格、线、层片、或它们的任何组合。

在又一实施例中，第一材料的层和传导材料沿所述翼梁帽的长度可具有不同的长度。因此，第一材料的层和传导材料可沿转子叶片的整个跨度或沿转子叶片的仅一部分延伸。而且，在其他实施例中，第一材料的层和传导材料沿翼梁帽的宽度可具有一致的长度。

在又一方面中，本公开涉及风力涡轮。风力涡轮包括安装在支撑表面上的塔架、构造在塔架的顶部的机舱、和具有一个或更多个转子叶片的转子毂。转子叶片中的至少一个具有一个或更多个翼梁帽，该一个或更多个翼梁帽构造在转子叶片的压力侧或吸力侧中的至少一者的内部表面上。而且，翼梁帽包括第一材料的一个或更多个层和第二传导材料，该第二传导材料接触该第一材料的层中的至少一个，该传导材料与该第一材料不同。因此，该传导材料与第一材料一起构造，以致于形成等电势翼梁帽。还应理解的是，风力涡轮还可包括在本文中描述的额外特征中的任一种。

在又一方面中，本公开涉及一种制造用于风力涡轮的转子叶片的翼梁帽的方法。本方法包括提供该翼梁帽的第一材料的一个或更多个层。另一步骤包括将第二传导材料放置在第一材料的层中的至少一个附近，其中，传导材料与第一材料不同。因此，该传导材料与第一材料一起构造，以致于形成等电势翼梁帽。

在另一实施例中，将第二传导材料放置成以便接触第一材料的层中的至少一个的步骤还包括使该传导材料与该第一材料的一个或更多个层交替。在包含预浸处理复合纤维的其他实施例中，本方法还可包括将传导材料埋在预浸处理复合纤维内。还应理解的是，本方法还可包括在本文中描述的额外特征和/或步骤中的任一个。

技术方案1：一种风力涡轮10的转子叶片16，所述转子叶片16包括：

叶片根部30和叶片末梢32；

前缘26和后缘28；

吸力侧36和压力侧34；和，

至少一个翼梁帽20，其构造在压力侧或吸力侧34，36中的任一者或二者的内部表面上，所述翼梁帽20包括第一材料52的一个或更多个层和第二传导材料54，所述第二传导材料54接触该第一材料52的层中的至少一个，所述传导材料54为与所述第一材料52不同的材料，

其中，所述传导材料54与所述第一材料52一起构造以致于形成等电势翼梁帽20。

技术方案2：根据技术方案1所述的转子叶片16，其特征在于，所述翼梁帽20的传导材料54构造成电连接至所述风力涡轮10的闪电防护系统50。

技术方案3：根据技术方案1所述的转子叶片16，其特征在于，所述翼梁帽20还包括所述第一材料52和所述传导材料54的交替的层。

技术方案4：根据技术方案1所述的转子叶片16，其特征在于，所述传导材料54埋入所述第一材料52的层中的一个或更多个内。

技术方案5：根据技术方案1所述的转子叶片16，其特征在于，所述传导材料54包括至少一种金属或金属合金。

技术方案6：根据技术方案4所述的转子叶片16，其特征在于，所述金属包括以下中的至少一种：铜、铝、钢、锡、钨、铁、镍、或它们的组合。

技术方案7：根据技术方案1所述的转子叶片16，其特征在于，所述传导材料54包括以下构造中的至少一种：网格、线、或层片。

技术方案8：根据技术方案1所述的转子叶片16，其特征在于，第一材料52的层包括以下中的至少一种：玻璃纤维层压复合物、碳纤维层压复合物、或预浸处理纤维复合物。

技术方案9：根据技术方案1所述的转子叶片16，其特征在于，所述第一材料52的层和所述传导材料54沿所述翼梁帽20的长度58包括不同的长度。

技术方案10：根据技术方案1所述的转子叶片16，其特征在于， 所述第一材料52的层和所述传导材料54沿翼梁宽度56包括一致的长度。

技术方案11：一种风力涡轮10，包括：

塔架12，其安装在支撑表面上；

机舱14，其构造在所述塔架12的顶部；

转子毂18，其包括一个或更多个转子叶片16，所述转子叶片16中的至少一个包括至少一个翼梁帽20，该至少一个翼梁帽20构造在所述转子叶片16的压力侧34或吸力侧36中的至少一者的内部表面上，所述翼梁帽20包括第一材料52的一个或更多个层，和邻近该第一材料52的层中的至少一个的第二传导材料54，所述传导材料54与所述第一材料52不同，

其中，所述传导材料54与所述第一材料52一起构造以致于形成等电势翼梁帽20。

技术方案12：一种制造用于风力涡轮10的转子叶片16的翼梁帽20的方法，所述方法包括：

提供所述翼梁帽20的第一材料52的一个或更多个层；和，

将至少一个传导材料54放置在该第一材料52的层中的至少一个附近或其内，所述传导材料54与所述第一材料52不同，

其中，所述传导材料54与所述第一材料52一起构造，以致于形成等电势翼梁帽20。

技术方案13：根据技术方案12所述的方法，其特征在于，将至少一个传导材料52放置在第一材料52的层中的至少一个附近还包括使所述传导材料54与所述第一材料52的一个或更多个层交替，或者将所述传导材料54埋在预浸处理纤维复合物内。

技术方案14：根据技术方案13所述的方法，其特征在于，第一材料52的层包括以下中的至少一种：玻璃纤维层压复合物、碳纤维层压复合物、或预浸处理纤维复合物。

技术方案15：根据技术方案14所述的方法，其特征在于，还包 括将所述传导材料埋在所述预浸处理纤维复合物内。

技术方案16：根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述传导材料包括至少一种金属或金属合金。

技术方案17：根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述金属包括以下中的至少一种：铜、铝、钢、锡、钨、铁、镍、或它们的组合。

技术方案18：根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述传导材料包括以下构造中的至少一种：网格、线、或层片。

技术方案19：根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述第一材料的层和所述传导材料沿所述翼梁帽的长度包括不同的长度。

技术方案20：根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述第一材料的层和所述传导材料沿翼梁宽度包括一致的长度。

通过参照下列描述和所附权利要求，本实用新型的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书并组成其一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并与说明一起用来说明本实用新型的原理。

附图说明

在参照附图的说明书中，阐述了针对本领域技术人员的本实用新型的完整和可实践的公开内容，包括其最佳实施方式，在附图中：

图1示出了根据本公开的风力涡轮的一个实施例的立体图；

图2示出了风力涡轮的另一实施例的立体图，其特别例示出根据本公开的与其一起构造的闪电防护系统；

图3示出了根据本公开的转子叶片的立体图；

图4示出沿线4-4的图3的转子叶片的截面图；

图5示出了图4的翼梁帽的详细图；

图6示出了根据本公开的翼梁帽的一个实施例的沿其长度的侧视图；

图7示出了根据本公开的翼梁帽的一个实施例的另一详细图；

图8示出沿线8-8的图5的翼梁帽的截面图；且

图9示出了根据本公开的翼梁帽的另一实施例的截面图。

部件列表

10 风力涡轮

12 塔架

14 机舱

16 叶片

18 转子毂

20 翼梁帽

21 主体壳

22 翼梁帽

23 跨度

24 抗剪腹板

25 弦

26 前缘

27 纵向轴线

28 后缘

30 叶片根部

32 叶片末梢

34 压力侧

35 压力侧的内表面

36 吸力侧

37 吸力侧的内表面

40 闪电接收器

41 传导线

50 闪电防护系统

52 第一材料的层

54 传导材料

56 翼梁帽宽度

58 翼梁帽长度

68 接地传导路径

70 接地杆

72 接地线缆。

具体实施方式

现在将详细地参照在附图中示出一个或多个实例的本实用新型的实施例。各实施例作为本实用新型的解释，而非本实用新型的限制来提供。事实上，在本实用新型中可进行各种更改和变化而不脱离本实用新型的精神或范畴这点对于本领域专业人员将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可与另一实施例一起使用以产生进一步的实施例。因此，意图当更改和变化在所附权利要求和它们的等同物的范围内时，本实用新型覆盖这种更改和变化。

总而言之，本主题涉及具有一个或更多个传导层的风力涡轮的转子叶片的翼梁帽。更具体而言，翼梁帽包括第一材料的一个或更多个层，和接触第一材料的层中的至少一者的第二传导材料的一个或更多个层。而且，该传导材料与第一材料不同。该传导材料与第一材料一起构造，以致于形成等电势的翼梁帽。如在本文中所使用的，用语“等电势”或“等电势地”等通常指以下物体，其中该物体中的每个点处于相同的电势。例如，如果翼梁帽内或表面处的某些点在这些点之间不包含电荷流动，那么这些点之间的电势差为零。在此种例示中，翼梁帽将是等电势的，因为翼梁帽中的所有点具有相同电势。

本公开提供现有技术中不存在的许多优点。例如，如果第一材料包含碳，那么翼梁帽在不添加传导材料的情况下可为各向异性的。通过包括传导材料，碳翼梁帽的所得的传导性是更加各向同性的，从而允许穿过厚度且横过纤维的电流传递。因此，本公开的翼梁帽有助于减少从碳翼梁帽到叶片的非期望的放电和电弧，否则它们将导致显著的损坏，例如，层之间的剥离。

现参照附图，图1示出了水平轴线风力涡轮10的立体图。应当明白的是，风力涡轮10还可为竖直轴线风力涡轮。如例示实施例中所示，风力涡轮10包括塔架12、安装在塔架12上的机舱14、和联接至机舱14的转子毂18。塔架12可由管状的钢或其他适合的材料制造。转子毂18包括一个或更多转子叶片16，该一个或更多转子叶片16联接于毂18且从其径向向外延伸。如图所示，转子毂18包括三个转子叶片16。但是，在备选实施例中，转子毂18可包括多于或少于三个的转子叶片16。转子叶片16使转子毂18旋转，以使动能能够从风转变至可用的机械能，且随后，转变成电能。具体而言，毂18可以可旋转地联接至发电机(未示出)，该发电机位于机舱14内，以用于产生电能。

参照图2，示出了风力涡轮的一个实施例的立体图，其具有构造在其上的闪电防护系统50。如图所示，闪电防护系统50包括具有构造在其上的多个闪电接收器40的至少一个转子叶片16。而且，转子叶片16中的各个可以以类似的方式构造。例如，如图所示，各转子叶片16包括转子叶片16内部腔内的传导回路60，该传导回路60具有经由一个或更多个闪电导体41而连接的多个闪电接收器40。转子叶片16中的各个的相应闪电传导回路60包括终端，该终端延伸穿过转子叶片16的根部部分且个别地连接至转子毂18内的接地系统。接地系统可不同地构造，如在本领域中已知的那样。例如，接地系统可包括由风力涡轮的机械或支撑结构(包括叶片轴承、机械底座板、塔架结构等)限定的任何传导路径，该传导路径限定从叶片17通过塔架12经由接地线缆72到接地杆70的任何适合的接地传导路径68，或其他适合的电气接地路径。

现在参照图3和4，根据本主体的方面而例示出图2的转子叶片16中的一个。具体而言，图3例示出转子叶片16的立体图，而图4例示出转子叶片16的沿图3所示的截面线4-4的截面图。如图所示，转子叶片16通常包括叶片根部30和与叶片根部30相反地配置的叶 片末梢32，该叶片根部30构造为安装或以其他方式固连至风力涡轮10的毂18(图1)。转子叶片的主体壳21大体上沿纵向轴线27在叶片根部30与叶片末梢32之间延伸。主体壳21可大体上用作转子叶片16的外壳体/覆盖物且可限定基本上空气动力学的剖面，例如通过限定对称的或曲面的翼形件形状剖面。主体壳21还可限定在转子叶片16的前缘和后缘26、28之间延伸的压力侧34和吸力侧36。此外，转子叶片16还可具有限定叶片根部30与叶片末梢32之间总长的跨度23和限定前缘26与后缘28之间总长的弦25。如通常所理解的那样，当转子叶片16从叶片根部30延伸至叶片末梢32时，弦25可通常相对于跨度23在长度上变化。

在若干实施例中，转子叶片16的主体壳21可作为单个、一体的构件形成。备选地，主体壳21可由多个壳构件形成。例如，主体壳21可由第一壳半部和第二壳半部形成，第一壳半部大体上限定转子叶片16的压力侧34，第二壳半部大体上限定转子叶片16的吸力侧36，其中此种壳半部在叶片16的前缘和后缘26、28处固连至彼此。此外，主体壳21可大体上由任何适合的材料形成。例如，在一个实施例中，主体壳21可完全由层压复合材料形成，诸如碳纤维强化层压复合物或玻璃纤维强化层压复合物。备选地，主体壳21的一个或更多个部分可构造为分层结构，且可包括核心材料，该核心材料由轻量材料形成，诸如木头(例如，巴尔沙木(balsa))、泡沫(例如挤出的聚苯乙烯泡沫)或此种材料的组合，配置在层压复合材料的层之间。

特别参照图4，转子叶片16还可包括一个或更多个纵向地延伸的结构构件，其构造成对转子叶片16提供增大的刚度、抗翘曲力和/或强度。例如，转子叶片16可包括一对纵向地延伸的翼梁帽20、22，翼梁帽20、22构造成分别相对于转子叶片16的压力侧和吸力侧34、36的相对的内表面35、37接合。此外，一个或更多个抗剪腹板24可配置在翼梁帽20、22之间，以便形成梁状构造。翼梁帽20、22大体上可设计成控制风力涡轮10的操作期间的弯曲应力和/或沿大体上弦 向的方向(与转子叶片16的跨度23平行的方向)作用在转子叶片16上的其他负载。类似地，翼梁帽20、22还可设计成耐受在风力涡轮10的操作期间发生的弦向压缩。

总而言之，如图5-9所示，翼梁帽20、22包括第一材料的一个或更多个层52，和接触第一材料的层52中的至少一者的至少一个传导材料54。更具体而言，图5沿翼梁宽度56例示出图4的翼梁帽20的吸力侧的详细截面图，而图6沿翼梁长度(即，沿转子叶片16的跨度23)例示出翼梁帽20。图7-9例示出根据本公开的翼梁帽20的传导材料54的各种实施例。

翼梁帽20、22的第一材料52可由具有材料特性(例如，强度和/或弹性模量)的任何适合的复合材料形成。此外，翼梁帽20、22可大体上由相同的复合材料52形成。因此，在本主题的若干实施例中，两个翼梁帽20、22可由任何适合的层压复合材料形成，该层压复合材料具有与复合材料的压缩强度和/或弹性模量不同的拉伸强度和/或弹性模量。适合的层压复合材料可包括利用碳、碳的混合物、纤维玻璃、纤维玻璃的混合物、碳和纤维玻璃的混合物、以及其他适合的强化材料及其混合物来强化的层压复合物。例如，在本主题的特定实施例中，两个翼梁帽20、22可由碳纤维强化层压复合物形成。

传导材料54是与第一材料52的层不同的材料，且可为任何适当的传导材料，该传导材料适于防止从翼梁帽20、22到转子叶片16的非期望放电或电弧，否则它们将导致显著的结构损坏。例如，在某些实施例中，传导材料54可包括金属或金属合金，诸如铜、铝、钢、锡、钨、铁、镍、或它们的组合。通过包括传导层54，翼梁帽20、22的所得的传导性是更加各向同性的，从而允许穿过翼梁帽20、22的厚度且横过纤维的电流传递。

应当理解，翼梁帽20可包括第一材料52的任何数量和/或构造的层和传导层54。例如，如图所示，翼梁帽20包括第一材料52的三个层，和传导材料54的两个层。在额外的实施例中，翼梁帽20可包括 多于三个或少于三个的第一材料52的层，或多于两个或少于两个的传导材料54的层。而且，如图所示，翼梁帽20、22可包括第一材料52和传导材料54的交替的层。备选地，传导材料54可不存在于第一材料52的一些层之间或之内(例如，在每隔一个层或每隔两个层之间，等等)。而且，传导材料54可包括材料的层(例如层片)、网格、线、或任何其他适合的构造。此外，传导层54可沿转子叶片16的整个跨度23、沿跨度23的分段小块、或跨度23的一些百分比实现。因此，传导材料54的层数和/或构造构造成将翼梁帽的第一材料的层52电连接至风力涡轮10的闪电防护系统50(例如经由闪电导体41)。

特别参照图5、7，传导材料54的宽度可与翼梁帽20相同、比翼梁帽20窄、或比翼梁帽20宽。更具体而言，如图5所示，传导材料54可与翼梁帽20的宽度56为基本上相同的宽度。相反，如图7所示，传导材料54可比翼梁帽20的宽度56宽(例如，当传导材料54包含一个或更多个线时)。而且，如图9所示，传导材料54可比翼梁帽20的宽度56窄(例如，当传导材料54埋在第一材料52内时)。在其他实施例中，如图6所示，第一材料52和传导材料4的层沿翼梁帽20的长度可包括不同的长度。

此外，传导材料54的宽度可随用于构造翼梁帽的制造方法而改变。例如，如图9所示，传导材料54可由于在固化过程期间，将传导材料54放置在模具内并且/或者使传导层形成到预浸处理材料中而埋在第一材料52内。此外，传导材料54可并入玻璃或碳罩(veil)或干的织物中。如在本文中使用的，预浸处理材料通常指“预浸渍的”复合纤维，其中已存在基质材料。复合纤维通常采取编织物的形式，且基质用于在制造期间将纤维结合到一起且结合到其他构件。基质仅部分地固化，以允许容易的操作，因此，传导层54可在其固化之前插入基质中，使得翼梁帽20可作为一部分，在传导材料54固化在其中的情况下固化。

本公开还涉及用于制造如本文所述的翼梁帽的方法。例如，在一 个实施例中，本方法可包括提供第一材料(例如，玻璃、碳、或预浸处理纤维层压复合物)的一个或更多个层。因此，本方法还包括将第二传导材料放置在第一材料的层中的至少一者附近或其内。例如，在一个实施例中，本方法可包括使传导层在第一材料的层中的一个或更多个之间交替。备选地，在包含预浸处理复合纤维的实施例中，本方法可包括在翼梁帽固化之前将传导材料埋在预浸处理复合纤维内。因此，本文中描述的方法提供一种翼梁帽，其包括构造在其中的传导材料，该传导材料等电势地连接翼梁帽的所有层，使得翼梁帽可电连接至风力涡轮的闪电防护系统。

本书面说明使用示例以公开本实用新型，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本实用新型，包括制造并且使用任何设备或系统并且实行任何合并的方法。本实用新型的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包含本领域人员想到的其他示例。如果这种其他示例具有不与权利要求的文字语言不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求的文字语言无显著差别的等同结构元件，则它们意图在权利要求的范围内。