一种风力机叶片雷电接闪器设计方法与流程

本发明涉及机械行业风力发电技术领域，尤其涉及一种水平轴风电叶片雷电接闪器系统的结构型式及其设计方法，该方法构建了一种包含金属叶尖、金属尾缘与柱状接闪器一体化的叶片接闪器系统及其设计方法，可以实现对叶片雷击电流的有效接闪。

背景技术：

风电叶片雷击损伤问题是风电叶片设计、制造、运行中所关注的一项重要内容。风电机组运行在野外环境下，现代风力机叶片尺寸越来越长，叶片塔架也越来越高。叶片遭受雷击破坏的概率也越来越大。现有大型风力机组虽然都设计有防雷系统，但叶片雷击事故依然时有发生。开展新型有效的叶片防雷系统及部件研究与设计，是伴随着叶片大型化发展，而始终关注的问题。

针对现有雷击案例的调研，雷击损伤发生的一个重要原因，是发生雷击时，雷电在叶片的雷击点并没有击中在接闪器上，而是击中在叶片的其它位置，从而使得雷电流不是有效地通过接闪器系统导入地下，而是击穿了叶片结构，造成叶片损坏。

此外，在风电叶片上安装接闪器系统，不可避免地会对叶片性能造成影响。叶片性能主要包括气动性能与结构性能，气动性能主要与叶片外形结构有关，而结构性能方面则要考虑在叶片极限载荷下的强度性能、疲劳载荷下的疲劳寿命、以及结构模态频率等方面。接闪器系统与部件的设计方法也需要对这些方面予以考虑。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对目前风力机叶片，存在由于在发生雷击时，雷电没有击中接闪器而是击中叶片其它部位，从而导致叶片损伤破坏这一问题。通过分析雷击发生情况下，叶片周围电场情况，以及叶片旋转对周围电场的影响研究，并对现有叶片雷电破坏案例进行调研分析，探索叶片雷击发生时，雷电在叶片上落点的分布情况，从而提出与之相适应的叶片接闪器结构形式，使得雷电发生时，接闪器实现有效接闪，并将电流导入到地下，以减少对叶片以及机组的破坏；此外，本发明还从导电性能与接闪器对叶片气动、结构性能的影响角度入手，提出该类型接闪器的设计方法。

(二)技术方案

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：

一种风力机叶片雷电接闪系统设计方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：

ss1.根据所配套的目标叶片型号及结构尺寸，建立雷电接闪系统初始模型，所述雷电接闪系统包括金属接闪器、下引线以及金属连接件，其中，所述金属接闪器至少包括金属叶尖、金属尾缘段和所述若干个圆柱接闪器，并且所述金属叶尖、金属尾缘段和若干个圆柱接闪器形成为一整体部件，所述若干个圆柱接闪器间隔布置在所述金属尾缘段的内侧安装段上，当所述雷电接闪器系统处于安装状态时，所述金属叶尖布置在叶片的尖端，所述金属尾缘段形成为叶片叶尖部分的叶片尾缘，所述圆柱接闪器的端面与叶片表面平齐并处于裸露状态，所述下引线及金属连接件布置在叶片的空腔中；

ss2.根据导电性能需求，对所述雷电接闪系统的各部位尺寸进行初步预估；

ss3.根据步骤ss2所初步预估确定的雷电接闪系统各部位尺寸，结合所要配套的目标叶片结构参数，建立包含雷电接闪系统与叶片其它结构在内的完整叶片有限元结构模型；

ss4.根据叶片厂商所提供的目标叶片极限载荷，对步骤ss3所建立的叶片有限元结构模型进行分析，计算雷电接闪系统各部位的强度应力分布，同时计算雷电接闪系统与叶片其它部位连接结构的强度分布，以及计算由于安装了雷电接闪系统，受其影响，叶片其他部位的强度分布情况；

ss5.根据步骤ss3所建立的叶片有限元结构模型，计算安装了该雷电接闪系统后，叶片的固有频率与响应振型；

ss6.利用步骤ss3所建立的叶片有限元结构模型，根据叶片厂商所提供的叶片疲劳载荷，计算接闪器以及接闪器与叶片其他部分相连接部位的疲劳应力情况，并与所选用的金属材料疲劳性能参数相对照，计算出接闪器以及连接部位的疲劳损伤情况，以及计算安装了接闪器后，叶片其他部位受其影响后的疲劳应力分布情况以及疲劳损伤分布情况。

ss7.根据对极限载荷下接闪器及叶片的强度分析、包含接闪器的叶片整体模态分析、疲劳载荷下接闪器及叶片的疲劳分析等各项分析结果，检验安装了接闪器后，接闪器与叶片在结构强度、振动特性、疲劳特性是否满足安全设计要求，如不符合，对接闪器结构参数进行调整，重复上述工作，直至满足。

在参数调整过程中，需满足接闪器尺寸参数始终满足导电性能的要求，即始终符合各部件尺寸应不低于ss1中所给出的尺寸要求。

本发明的风力机叶片雷电接闪器系统型式及其设计方法，其原理和方法思路为：

风电叶片在旋转运行中，当运行到叶尖垂直向上时，叶片与雷云之间更易形成雷电先导发生，随着雷电先导的逐步发展，叶片附近的电磁场逐步增强，但由于叶片处于旋转过程中，叶片附近的电磁场情况也会随叶片旋转而发生变化，这就导致最后雷击发生时，雷电在叶片上的落点不一定还会处在叶尖位置上，很有可能会落在叶片靠近叶尖一定距离范围的尾缘位置上。而通过大量对现有叶片雷击破坏案例的调研，也证明了这一点。

然而，现有叶片防雷系统中，所设计的叶片接闪系统，主要是由金属叶尖和在叶片上分布设置的一系列接闪器组成。在上述情况发生时，雷电击中点将有可能不落在金属叶尖和其它接闪器上。由于叶片本身并不是良好的绝缘体，此时，外部的电场与叶片结构，尤其是叶片内部的导电材料之间将有可能有雷电流发生，从而导致雷电流穿透叶片，造成叶片破坏。

通过设计金属叶尖、金属尾缘、圆柱接闪器一体化的接闪系统，就可以有效提高叶片旋转状态下对雷电的接闪率，减少雷击损坏的发生。

该接闪系统的设计，首要考虑的是雷电在叶片多大范围的击中概率。根据现有雷电发生情况，目前国际上的现有叶片防雷分区是，将叶片沿展向分成4个区域，可能接受的预期雷电流强度较大，以及发生雷击概率较高的区域为距叶尖0-5米范围。因此本专利金属尾缘的尺寸范围，也设计为从叶尖开始，到距叶尖5米位置。

其次，要考虑的是雷电击中接闪器后，是否可以有效地将雷电流导入到大地。这方面可以根据不同金属材料的导电能力计算其结构尺寸，不同金属导电能力有相应的规范可以参考。

由于增加本发明的接闪器系统后，叶片的气动外形并没有发生改变，因此，对气动性能的影响可以不予考虑。

由于增加本发明的接闪器系统后，对叶片结构的重量、强度、疲劳、振动等特性都会有一定的影响，因此，需要在设计中予以考虑。

因此对该接闪器系统的详细设计，主要从导电分析与结构性能分析两个方面进行。

一、导电分析

依据导电性能，可实现对该接闪器的尺寸进行预估。

其中，金属叶尖的外形与叶片的气动外形相一致。金属尾缘的外形与叶片气动外形相一致，根据现有叶片防雷分区，将叶片沿展向分成4个区域，可能接受的预期雷电流强度较大，以及发生雷击概率较高的区域为距叶尖0-5米范围。因此金属尾缘的尺寸范围，也设计为从叶尖开始，到距叶尖5米位置。

根据导电能力，接闪器结构尺寸包括金属叶尖表面积、金属尾缘的宽度与厚度、圆柱接闪器的数量和圆柱直径、下引导线的直径。根据国际电工委员会的相关规范，iectr61400-24中对雷击保护系统所用金属材料在保障雷电流传导方面的最小尺寸给出要求。据此规范，可以对接闪器各部位的尺寸予以确定。据此可确定该接闪器系统部件尺寸范围的下限。

二、结构性能分析：

在满足导电性能设计之后，所要开展的设计主要是保证接闪器系统与叶片的结构力学性能，同时保证叶片重量在合理的范围。

需分别从强度计算、模态评估、疲劳损伤等方面分别进行分析。

首先建立完整的结构有限元模型，计算在叶片极限气动载荷与惯性载荷下，接闪器的受力情况，以及金属接闪器与叶片复合材料连接部位的受力情况。

利用该模型，计算叶片的固有频率与振型，评判是否满足合理的

对该模型施加疲劳载荷，计算接闪器在疲劳载荷下的应力变化情况，依据所选用的金属材料的疲劳性能曲线，评估其疲劳性能。

将接闪器金属叶尖尺寸、金属尾缘厚度、金属尾缘在叶片弦向方向宽度、圆柱接闪器直径这几个参数作为变量，进行多轮迭代分析，可以获得满足上述各项力学性能，同时对叶片重量影响较小的结构参数。

优选的，所述极限载荷下强度计算，包括对接闪器中金属叶尖、金属尾缘、金属圆柱的应力分布计算，以及叶片复合材料结构与接闪器连接部位处的应力分布计算，此外，还需计算叶片本体其它部位的应力分布计算。

优选的，所述模态计算，是指叶片其它部位与接闪器连接后，整体结构的模态计算。

优选的，所述疲劳载荷下疲劳强度与疲劳寿命计算，包括对接闪器中金属叶尖、金属尾缘、金属柱的疲劳应力分布计算和疲劳寿命计算，以及叶片其它部位与接闪器连接部位处的疲劳应力分布计算和疲劳寿命计算，还需计算叶片本体其它部位的疲劳应力分布计算和疲劳寿命计算。

优选的，对接闪器与叶片强度、模态、疲劳性能的评估，是根据如下依据进行的。接闪器的强度与疲劳性能是根据所选用的金属材料的许用强度、疲劳寿命等参数进行评估确定，叶片(包括叶片与接闪器连接部位)的强度、模态、疲劳性能评估是按照叶片相关的行业规范的要求进行评估。

(三)有益效果

与现有叶片接闪器系统相比，本发明的叶片雷电接闪器系统，可以更适合于叶片在旋转状态下，对雷电的接引效果，即提高叶片与机组的雷电接闪率，从而减少叶片与机组的雷击破坏，提高叶片与机组的使用寿命。

附图说明

图1为雷电接闪系统示意图。

图2为雷电接闪系统侧向示意图。

图3为雷电接闪系统安装在叶片后的示意图。

图4为雷电接闪系统安装在叶片后的侧向示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

本实施例中，以当前主流的mw级风力机叶片为例，采用以下步骤进行雷电接闪系统的设计：

1)根据所配套的目标叶片型号及结构尺寸，建立雷电接闪器系统初始模型，雷电接闪器系统的初始模型包括金属叶尖1，金属尾缘段3、多个圆柱接闪器4、下引线5以及金属连接件6，如图1、2所示。在本实施例中，其中金属叶尖1、金属尾缘段3、圆柱接闪器4、下引线5、金属连接件6均采用铝材。其中金属叶尖1，金属尾缘段3、圆柱接闪器4为一整体金属接闪器部件。如图3、4所示，当雷电接闪器系统处于安装状态时，圆柱接闪器4间隔布置在金属尾缘段3的内侧安装段上，金属叶尖1通过其底部的金属叶尖尾部2布置在叶片7的尖端，金属尾缘段3形成为叶片7叶尖部分的叶片尾缘，圆柱接闪器4的两个端面与叶片7的外表面平齐并处于裸露状态，下引线5及金属连接件6布置在叶片7的空腔中。

2)根据导电性能需求，对该系统的尺寸进行初步预估。其中，金属叶尖的外形与叶片的气动外形相一致。金属尾缘的外形与叶片气动外形相一致，根据现有叶片防雷分区，发生雷击概率较高的区域为距叶尖0-5米范围。因此金属尾缘的尺寸范围，设计为从叶尖开始，到距叶尖5米位置。

其次，需要初步确定接闪器结构尺寸包括金属叶尖表面积、金属尾缘的宽度、圆柱接闪器的数量和圆柱直径、下引导线的直径。根据国际电工委员会的相关规范，iectr61400-24中对雷击保护系统材料的最小尺寸给出要求。据此规范，对接闪器各部位的尺寸予以确定。本例中，根据材料导电能力确定的尺寸包括，铝叶尖的长度尺寸保证金属叶尖表面积不小于900mm²，金属尾缘的最小截面积为70mm²，圆柱接闪器共3对，每个直径为30mm,下引线截面积为70mm²,金属连接件尺寸截面积为200mm²。根据以上过程，确定该接闪器系统部件尺寸范围的下限。

3)根据上一步所确定的接闪器各部位尺寸，结合所要配套的叶片结构参数，建立包含接闪器系统与叶片其它结构的完整叶片有限元结构模型；

4)根据叶片厂商所提供的叶片极限载荷，对上述模型进行分析，计算接闪器各部件的强度应力分布，同时计算接闪器与叶片其它部位连接结构的强度分布。还需计算由于安装了该接闪器，受其影响，叶片其他部位的强度分布情况。

5)依旧利用上述有限元模型，计算包含了该接闪器系统后，叶片的固有频率与响应振型。

6)同样，利用上述模型，根据叶片厂商所提供的叶片疲劳载荷，计算接闪器以及接闪器与叶片其他部分想连接部位的疲劳应力情况，并与所选用的金属材料疲劳性能参数相对照，计算出接闪器以及连接部位的疲劳损伤情况。此外，还需计算安装了接闪器后，叶片其他部位受其影响后的疲劳应力分布情况以及疲劳损伤分布情况。

7)根据对极限载荷下接闪器及叶片的强度分析、包含接闪器的叶片整体模态分析、疲劳载荷下接闪器及叶片的疲劳分析等各项分析结果，检验安装了接闪器后，接闪器与叶片在结构强度、振动特性、疲劳特性是否满足安全设计要求。如不符合，对接闪器结构参数进行调整，重复上述工作，直至满足安全设计要求。

8)在参数调整过程中，需满足接闪器尺寸参数始终满足导电性能的要求，即始终符合大于1)中所给出的尺寸要求。

通过以上步骤的实施，完成了对该叶片雷电接闪器系统设计方案的确定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。