包括雷电保护系统的风力涡轮机的制作方法

1.本发明属于风力涡轮机领域，并且具体地属于风力涡轮机雷电保护系统。


背景技术：

2.风力涡轮机可能由于它们的高度而在雷电风暴中被雷电击中。典型的负云到地雷电放电内的电流在1-10微秒内非常快速地上升到其峰值，然后在50-200微秒内缓慢地衰减。该电流在击中风力涡轮机的叶片时经由最低阻抗路径行进至地面。在没有任何雷电保护的情况下，该路径通常包括风力涡轮机的允许毂和叶片自由旋转的轴承。通过这些轴承的这种大电流可能对轴承造成损坏。
3.为了保护风力涡轮机的轴承，已经开发了许多保护系统。一种这样的保护系统通过将火花隙装置安装在机舱上而实现，使得当电流沿着或顺着叶片行进时(在被雷电击中之后)，高电流使穿过火花隙的周围空气电离以产生避开轴承的电流路径。火花隙的一个目的是不阻碍风力涡轮机在毂与机舱之间的旋转。然而，这产生射频干扰，因为火花隙是激活的，这可能是不期望的，此外，采用火花隙路线的总电流的比例可能是不可预测的，并且轴承仍可被损坏。
4.例如在wo 2005/050008 a1中存在在叶片与机舱之间具有直接连接的雷电保护系统。这描述了雷电电流传送单元(lctu)，其包括适于连接叶片和机舱或塔架的至少两个滑动接触点。lctu还包括至少一个电导体，所述至少一个电导体在所述两个滑动接触点接触的表面之间建立专用连接。叶片上的滑动接触点通常与叶片带接触，该叶片带是围绕叶片根部端的圆周的金属带。叶片带距离将叶片根部结合到毂的金属部分至少最小距离是重要的，使得优选的电流路径经过lctu。趋势是更大和更长的叶片，并且随着叶片长度增加，该叶片带的位置可以在机舱的前表面的末端外部。因此，lctu解决方案对叶片和机舱的物理部件施加了防止处于不同电压的部件之间的电弧的设计约束。在某一叶片长度，lctu解决方案将达到物理限制，并且需要可替代的方案。


技术实现要素：

5.本发明的第一方面提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：转子，该转子包括毂和从毂向外突出的多个叶片；主轴，该主轴在前端处附接到毂并且在后端处延伸到变速箱或发电机；轴承壳体，该轴承壳体用于经由轴承装置可旋转地支撑主轴；以及雷电电流保护系统，该雷电电流保护系统提供适合于将雷电从转子传导到电接地部的电传导路径，其中，轴承壳体电连接到电接地部，雷电电流保护系统包括形成电传导路径的一部分的护罩，其中，护罩的后端与轴承壳体接触，并且护罩的前端与毂和/或主轴的前端接触，并且护罩将转子经由绕过轴承装置的短路路径电联接到轴承壳体，其中护罩被布置成围绕主轴的前端。
6.护罩在与轴承壳体接触处可具有比主轴大的直径。
7.第一方面的风力涡轮机可以进一步包括容纳轴承壳体的机舱，其中护罩被封闭在
机舱内。
8.护罩可与以下各项之一形成滑动或滚动接触：(i)毂和/或主轴的前端；或(ii)轴承壳体，并且该滑动或滚动接触提供电联接。
9.护罩可在围绕该护罩的圆周的多个离散的接触点处与以下各项之一形成滑动接触：(i)毂和/或主轴的前端；或(ii)轴承壳体。
10.护罩在该护罩的前端或后端处可通过至少一个固定接触点而被电联接并且在该护罩的后端或前端处可通过至少一个滑动或滚动接触点而被电联接。
11.护罩可包括多个金属片，这些金属片被偏压成与轴承壳体或毂和/或主轴的前端接触。护罩可以可替代地包括金属网格、格栅或网。
12.可包括金属网格、格栅或网的护罩还可包括用于将护罩偏压成与以下各项之一滑动接触的带或环：(i)毂和/或主轴的前端；或(ii)轴承壳体。
13.护罩可具有相对小的厚度。优选地，护罩的厚度小于10mm。
14.主轴的前端可具有附接到毂的扩口端；护罩可与轴承壳体以及主轴的扩口端接触；并且护罩可将主轴的扩口端电联接到轴承壳体。主轴的扩口端在与护罩的接触处的直径可大于轴承壳体在与护罩的接触处的直径。
15.雷电电流保护系统可以避免用于将雷电从毂传导到电接地部的电传导路径中的气隙或火花隙。
16.护罩可包括铜。
17.轴承壳体可包括钢。
18.多个叶片中的至少一个叶片可包括经由毂接收电力的电力部件。
19.可以存在从转子到电接地部的至少两个电传导路径，一个经由护罩并且一个经由主轴和/或轴承装置。
20.从转子到电接地部的用于dc电流的优选电传导路径可以是经由主轴和/或轴承装置的。
21.对于瞬时雷电电流，从转子到电接地部的优选电传导路径可以是经由护罩的。
22.参考下文所述的实施方式，本发明的这些和其它方面、特征和/或优点将变得显而易见并得以阐明。
附图说明
23.现在将参考附图描述本发明的实施方式，其中：
24.图1a以示意性立体图展示了风力涡轮机的示例。
25.图1b以示意性侧视图展示了根据本发明的风力涡轮机的示例。
26.图2a以示意性立体图展示了主轴、轴承壳体以及护罩的示例。
27.图2b在图2a的部分截面图中展示了轴承壳体后面的轴承装置。
28.图3以示意性侧视图展示了具有护罩和传导路径的装置的示例。
29.图4在电路图中展示了电流可以通过护罩和通过轴承装置采取的两条路径的阻抗。
30.图5a以示意性等轴测视图展示了护罩的示例。
31.图5b以示意性侧视图展示了图3a的护罩的示例。
32.图6a以示意性等轴测视图展示了护罩接触点的示例。
33.图6b以示意性等轴测视图展示了护罩接触点的示例。
34.图7以示意性侧视图展示了具有护罩和传导路径的装置的示例。
35.图8a至图8d以示意性侧视图展示了可替代的护罩连接装置的示例。
具体实施方式
36.图1a以示意性立体图展示了风力涡轮机1的示例。风力涡轮机1包括塔架2、在塔架的顶点处的机舱3、以及转子4，该转子操作性地联接到容纳在机舱3内的发电机。除了发电机之外，机舱还容纳了将风能转换成电能所需的各种部件以及操作、控制以及优化风力涡轮机1的性能所需的各种部件。
37.风力涡轮机的转子4包括中央毂5和从中央毂5向外突出的多个叶片6。将注意的是，风力涡轮机1是水平轴风力涡轮机(hawt)的常见类型，使得转子4被安装在机舱3处以便围绕在毂5的中心处限定的基本上水平的轴线旋转。虽然图1所示的示例具有三个叶片，但是本领域技术人员将认识到，其它数量的叶片是可能的。
38.当风吹向风力涡轮机1时，叶片6产生升力，该升力引起转子4旋转，该转子进而引起机舱3内的发电机产生电能。
39.在每个转子叶片6上，存在定位在雷电击中风力涡轮机的可能位置处的至少一个雷电接收器7或覆盖网。此外，在这多个叶片6中的至少一个叶片上可以存在经由毂接收电力的电力部件8，例如除冰单元、照明单元等。叶片中的电力部件需要保护以免于部分地由于它们经由毂的电力连接而被雷电击中。
40.风力涡轮机1可被包括在属于风力发电站(也称为风电场或风力园)的其它风力涡轮机的集合之中，这些风力发电站用作通过传输线与电力网络连接的发电站。电力网络通常包括通过传输线路的网络联接的电站网络、传输电路和变电站，传输线路将电力传输到呈终端用户和电力公用设施的其它客户的形式的负载。
41.图1b示意性地示出了风力涡轮机1的实施方式并且示出了机舱3的内部。机舱3包括在结构上支撑机舱3和机舱3内的部件的机舱框架13。风力涡轮机1包括转子叶片6，这些转子叶片经由变速箱9机械地连接到发电机10。在直接驱动系统和其它系统中，变速箱9可能不存在。由发电机10产生的电力经由电转换器(未示出)注入到电力网络中。主轴11在前端处机械地附接到毂5。轴承壳体12机械地附接到机舱框架13并且被构造成可旋转地支撑主轴11，使得轴承壳体12支撑毂5和多个叶片6以允许它们相对于机舱3旋转。主轴11延伸穿过轴承壳体12并且在后端处进入变速箱9(或直接驱动系统中的电力发电机10)。
42.在图1b中还示出了雷电保护系统。雷电保护系统提供适合于将雷电从转子4传导到电接地部的电传导路径。雷电电流保护系统包括形成电传导路径的一部分的护罩14。图1b展示了与转子4并且在后端处与轴承壳体12接触的护罩14，确切地讲，图1b展示了在前端处与主轴11连接的护罩。可替代地，护罩14的前端可以与毂5、任何中间部件(未示出)或叶片6、毂5、主轴11、轴承壳体12以及机舱框架13的任何组合接触。护罩14围绕主轴11的前端布置。在护罩与毂5和/或主轴11的前端接触的位置与轴承壳体12之间，护罩14可以部分地或完全地包围或围绕主轴11的圆周、前端。
43.护罩14围绕主轴11的前端的布置促进了趋肤效应，使得当雷电电流沿着电传导路
径经由护罩14流过时，轴承壳体12的轴承装置在被雷电击中时不被损坏，或者与流经轴承装置相比，更大比例的雷电电流流经护罩。机舱3可以容纳轴承壳体12并且护罩14可以被包围在机舱3内。
44.图2a和图2b更详细地展示了与主轴11的前端并且与轴承壳体12的护罩14的连接。轴承壳体12可包括轴承座圈16(例如，前轴承座圈和后轴承座圈)、盖17以及机械地附接到机舱框架13的结构支撑件18。为了结构强度，轴承壳体12可包括：钢、合金、包含钢的合金、合适的复合材料或这些的组合。应注意的是，轴承壳体12可具有取决于材料选择的相关联的导电性。
45.图2b在没有结构支撑件18和机舱框架13的情况下展示了图2a的主轴11、护罩14和轴承壳体12，并且盖17、轴承座圈16、护罩14和主轴11中的一些被移除以示出轴承壳体12的内部。穿过轴承壳体12的主轴是可见的。示出了位于轴承座圈16内部的可包括轴承21的轴承装置20。轴承装置20在主轴11与轴承壳体12之间提供机械连接以允许主轴11在轴承座圈16内旋转。轴承21可以是圆柱形、球形或任何功能形状。轴承21可以在主轴11与轴承座圈16之间产生低摩擦系数。
46.主轴11的前端可具有附接到毂5的扩口端。这对于将主轴11机械地附接到毂5是有益的。如图2a和图2b所示，护罩14可以与轴承壳体12和主轴11的扩口端接触。护罩14可以将主轴11的扩口端电联接到轴承壳体12。
47.图3展示了图2a和图2b的装置的示意性侧视图，其中毂5被示出为附接到主轴11。电接地部24可以电联接到轴承壳体12。雷电击中点23被示出为表示雷电最初击中风力涡轮机1的点。图3示出了雷电电流采取的两个电传导路径。第一电传导路径包括雷电击中点23、毂5、主轴11、轴承装置20、轴承壳体12和电接地部24。第二电传导路径包括雷电击中点23、毂5、护罩14、轴承壳体12的外部和电接地部24。这两个电传导路径可以进一步包括从轴承壳体12经由机舱框架13和塔架2到电接地部24的路径。
48.图4展示了从雷电击中点23到电接地部24的电路路径的示意图。第一电传导路径26是从转子4经由轴承装置20到电接地部24。具体地，雷电可以在雷电击中点23处击中叶片6并且沿着叶片行进通过毂5、主轴11、轴承装置20、轴承壳体12并且然后机舱框架13而到达电接地部24。然而，如果有大电流通过，轴承装置20的轴承21可能会损坏(例如，熔合至周围部件)。
49.护罩14将转子4经由短路路径电联接到轴承壳体14。这经由护罩14提供了可以绕过轴承装置20的电传导路径。绕过轴承装置20的短路路径可以是第二电传导路径28，该第二电传导路径将转子4电联接到轴承壳体12和电接地部24。这减少了流过轴承装置20的电流并且降低了损坏轴承21的风险。
50.实际上，如果电源连接到雷电击中点23，则电流将以不同的比例“流动”通过第一电传导路径26和第二电传导路径28。“流动”通过每个电传导路径的电流量将取决于两个特性：阻抗(电抗和电阻的函数)；以及表面积。电阻是材料的电阻率、材料的长度和材料的横截面积的函数。
51.如果电流处于稳定状态，即，直流(dc)(其不具有频率分量)，那么仅有的相关特性是阻抗(相当于dc处的电阻)。在每个路径26和28中“流动”的电流的比例将取决于每个路径的电阻抗。与第一电传导路径26相关联的阻抗是z1。与第二电传导路径28相关联的阻抗是
z2。由于包括主轴11的导电材料的大横截面积，z1可能相对较小。因此，重要的是，护罩14由具有低电阻率的材料制成，以减小z2。护罩14可包括：铜、合金、包括铜的合金、合适的复合材料或这些的组合。护罩重量轻也是有利的。然而，理想地，z2远大于z1以减小通过轴承装置20的电流。实际上，这不总是实用的并且出人意料地甚至不是必需的。因此，针对dc电流从转子4到电接地部24的优选电传导路径可包括主轴11和/或轴承装置20。
52.雷电中的电流的瞬时性质导致在有效保护风力涡轮机结构中需要解决的若干现象。与“流动通过”导体的整个截面积(像水通过软管)的直流电不同，急剧变化的电流倾向于在导体的表面上行进(在所谓的趋肤效应中)。因此，典型地用于保护设备的导体倾向于是多股的，由小导线编织在一起。对于固定的总横截面积，这增加了与单根股线半径成反比的总束表面积。
53.更具体地，趋肤效应描述了迫使电流到达最外面的多个同心导电元件上的磁场效应。存在影响导电元件中的电流分布的三个主要因素。每个元件的电阻和电感(即，电抗)；这些是如上所述的复阻抗的一部分。还存在通过互感的相互作用。互感迫使电流到达最外面的导电部分；它引起趋肤效应。趋肤效应的结果是，通过导体的截面积的电流密度在ac频率下是不均匀的。在较高电流频率下，在横截面积的边缘(即，导体的表面，或在导体的外径处)周围存在较大的电流密度，该电流密度朝向横截面积的中心以指数方式减小。即使对于高频电流的中空圆形导体而言，在横截面积的边缘周围也存在较大的电流密度，该电流密度朝向横截面积的内边缘以指数方式减小。
54.因此，在没有雷电保护系统的情况下，传导通过风力涡轮机的瞬时雷电电流在行进通过(并且潜在地损坏)轴承21之前将很有可能在毂5和主轴11的表面上行进。电连接到毂5上的电流密集区域和/或主轴11的前部的护罩14的添加提供了：(i)在第二电传导路径28中的大表面积的益处；以及，(ii)从接触护罩14的电流密集区域(即，毂5的外表面和/或主轴11的前部(其最大直径部分的外表面))到电接地部24的短长度电传导路径的额外益处。短长度电传导路径可以使第二电传导路径28中的电阻最小化(或至少减小)(因为电阻是导体长度的函数)。当风力涡轮机被雷电击中时，这两种效应均增大了“流动”通过第二电传导路径28的电流量。
55.包括护罩14的雷电保护系统的益处导致无需气隙或火花隙，这减少了由雷电击中引起的rf干扰并且允许利用趋肤效应的全部益处。因此，雷电保护系统避免了用于将雷电从毂5传导到电接地部24的电传导路径中的气隙或火花隙。叶片中的电力部件(诸如电力部件8)由于雷电保护系统而免受雷电击中损坏。具体地，护罩14提供了避免这些电力部件两端的大电压降的可替代的电流路径。
56.护罩14可允许毂5和/或主轴11绕轴承壳体12自由旋转，同时仍与毂5和/或主轴11的前端和轴承壳体12电接触。
57.护罩14在与轴承壳体12接触处的直径大于主轴11的直径，和/或在护罩14的前端电气连接与后端电气连接之间的直径大于主轴11直径。对于完全包封主轴11的圆周并且具有大于主轴11的直径的护罩14而言，第二电传导路径28将具有比第一电传导路径26大的有效截面积。这是因为电流密度集中在每个导体(即，护罩14和主轴11)的外径附近，并且护罩14具有比主轴11大的外径。
58.因此，由于趋肤效应，对于瞬时雷电电流而言，从转子4到电接地部24的优选电传
导路径包括护罩14(即，第二电传导路径28)，这是因为与包括主轴11和轴承装置20的电传导路径相比，护罩的有效横截面积相对较大。此外，护套的阻抗应该足够低以有效地传导瞬时雷电电流，以实现趋肤效应的益处。优选的电导体可以在平均瞬时雷电电流下传导超过50％的总雷电电流，或者，传导总雷电电流中的足够电流以使得在平均雷电击中之后不需要修复轴承装置20。
59.可替代地，护罩14在与轴承壳体12接触处的直径可大于轴承壳体12的直径。附加地或可替代地，护罩14在在与毂5和/或主轴的前端接触处的直径可大于毂5和/或主轴的前端的直径。附加地或可替代地，护罩14在与毂5和/或主轴11的前端接触处的直径可大于护罩14在与轴承壳体12接触处的直径。在所有这些变体中，主轴11的前端可以是扩口的，使得主轴11的扩口端在与护罩14接触处的直径可大于轴承壳体12在与护罩14接触处的直径。所有这些变体可以是有利的，因为它可以：减小护罩14的电阻抗；产生大的护罩14表面积；以及，增加制造的容易性和功能性。
60.护罩14可具有相对小的厚度。护罩14可包括例如小于10mm的厚度。与具有相同直径的较厚护罩14相比，较薄护罩14将具有诸如更大的表面积和减小的重量的优点。
61.护罩14可以与轴承壳体12或毂5和/或主轴11的前端形成滑动或滚动接触。滑动或滚动接触可以提供电联接。对于滚动接触，护罩14可包括球形或圆柱形轴承或任何功能形状，以有助于机械连接，同时允许毂5和/或主轴11的前端围绕轴承壳体12自由旋转并且不引起过度的摩擦。可以使用任何其它形式的适当的电联接。
62.护罩14可以在围绕护罩14的圆周的多个离散的接触点处与轴承壳体12或毂5和/或主轴11的前端进行滑动或滚动接触。在风力涡轮机1的操作中，毂5和主轴11将旋转，这可能在风力涡轮机1的部件中引起一些振动。具体地，护罩14和/或与护罩14接触的部件可振动并且在护罩14和/或与护罩14接触的部件之间的机械连接的某些点处(诸如在多个离散的接触点中的一个或多个中)导致局部气隙。因此，可能需要将电接触程度保持在最小值以上，以确保通过护罩的电流路径中的良好导电性。
63.图5a和图5b展示了合适的护罩14a的示例，该护罩具有围绕该护罩14a的圆周的多个离散的接触点。护罩14a可包括多个金属片30a、30b、30c等，这些金属片被偏压成与轴承壳体12或毂5和/或主轴11的前端接触(使得这些片被挠曲)。金属片可以通过材料自身的弹性或外力偏压。对金属片进行的偏压允许护罩14与轴承壳体12或毂5和/或主轴11的前端电接触，同时仍允许毂5和/或主轴11的前端自由旋转。金属片可与轴承壳体12或毂5和/或主轴11的前端滑动接触或滚动接触。对于滚动接触，金属片可包括球形或圆柱形轴承或任何功能形状，以有助于机械连接，同时仍允许毂5和/或主轴11的前端自由旋转。
64.护罩14在该护罩14的前端或后端处可通过至少一个固定接触点而被电联接。护罩14的前端可电连接到毂5和/或主轴11的前端。护罩14的后端可电连接到轴承壳体12。护罩14在该护罩14的后端或前端处可通过至少一个滑动或滚动触点而被电联接。
65.护罩14可包括围绕护罩14的圆周的多个区段。这些区段可彼此电连接。这些区段可彼此物理接触或分离。
66.图6a展示了可具有12个区段的护罩14b的示例。具体地，这些区段是金属片30a、30d、30g等，这些金属片仅部分地包围主轴11，或仅部分地围绕主轴11，或部分地环绕主轴11的圆周，使得主轴在使用中将是可见的。这个护罩14b是在减小的重量/材料与增加第一
电传导路径26中的瞬时雷电电流的比例之间的一种折衷。然而，它仍然足以将第一电传导路径26中的瞬时雷电电流的比例减小到不损坏轴承21。护罩14b仅是说明性的，并且护罩14可具有任何数量的有效的金属片和/或接触点。由于振动的影响，即使护罩14可能具有许多区段和/或连接点，在操作中，这些区段和/或连接点中的一个或多个也可能不与主轴11、轴承壳体12和/或毂5处于电气或机械连接。在这种情况下，雷电保护系统仍可以正确地操作，并且冗余地操作，这是因为护罩14的每个区段都可以被单独地偏压。
67.图6b展示了护罩14c的示例，该护罩也可具有12个金属片30a、30b、30c等，这些金属片仅部分地包围主轴11或仅部分地围绕主轴11或部分地环绕主轴11的圆周，使得主轴在使用中将是可见的。
68.虽然护罩14c具有与护罩14b相同数量的金属片，但是已经实验性地发现，护罩14c传导比护罩14b更少比例的瞬时雷电电流。因此，有利的是护罩14围绕主轴11的圆周均匀地分布。换言之，护罩14的质量可围绕主轴11的圆周均匀地分布。如果护罩14包括多个区段，则这些区段可以与护罩14的每个相邻区段等距地形成。
69.图7展示了护罩14d的示例。护罩14d可替代地包括金属网格、格栅或网。护罩14d可以进一步包括用于将护罩偏压成与以下各项之一滑动接触的带或环32：(i)毂5和/或主轴11的前端；或(ii)轴承壳体12。在图7的示例中，护罩14b被机械地固定到轴承壳体12并且被带或环32偏压以便与毂5处于滑动接触。
70.图8a至图8d展示了护罩14的可替代的方案的非限制性示例。
71.图8a展示了具有护罩14e(它可以类似于护罩14a、14b或14c，因为它可包括多个区段)的示例，该护罩被机械地固定到毂5并且被偏压成与轴承壳体12旋转接触。可替代地，护罩14e被机械地固定到主轴11的前端。
72.图8b展示了具有护罩14f(它可以类似于护罩14a、14b或14c，因为它可包括多个区段)的示例，该护罩被机械地固定到轴承壳体12并且被偏压成与毂5旋转接触。可替代地，护罩14f被偏压成与轴承壳体12旋转接触。
73.图8c展示了具有护罩14g(它可以类似于护罩14a、14b或14c，因为它可包括多个区段)的示例，该护罩被机械地固定到毂5并且被偏压成与轴承壳体12滑动接触。可替代地，护罩14g被机械地固定到主轴11的前端。
74.图8d展示了具有护罩14h(它可以类似于护罩14d，因为它可包括金属网格、格栅或网)的示例，该护罩被机械地固定到毂5并且被偏压成与轴承壳体12滑动接触。可替代地，护罩14g被机械地固定到主轴11的前端。对护罩进行偏压的示例可以是利用弹性地偏压成滑动接触的塞子或环。
75.在护罩14的可替代的方案的另一非限制性示例中，护罩可包括两个区段。第一端的第一区段可以被机械地固定到轴承壳体12并且第二区段可以在第一端被机械地固定到毂5和/或主轴11。这两个区段然后可以经由如之前所描述的滑动或滚动接触而在它们的第二端处形成电气和机械连接。
76.在上述护罩14的可替代的方案的另一非限制性示例中，护罩14可包括在毂5和/或主轴11处的第一连接点与轴承壳体12处的第二连接点之间的第三机械连接和/或电气连接。该第三接触点可以不被设计用于承载护罩14的重量，而是可以被设计为另一个传导路径以承载离开主轴并到达轴承壳体12的电流。
77.在护罩14的可替代的方案的其它非限制性示例中，护罩14可与轴承壳体12或毂5和/或主轴11的前端进行的滚动接触可包括沿轴承壳体12或毂5和/或主轴11的前端滚动的轮。可替代地，滚动接触可包括轴承，例如滚珠轴承和/或牺牲轴承。
78.尽管上文已参考一个或多个优选实施方式描述了本发明，但应了解，在不脱离如所附权利要求书界定的本发明的范围的情况下，可作出不同改变或修改。