专利名称：横向传导雷电保护系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及雷电保护系统，且更具体地，涉及用于风力涡轮机叶片和飞机 机翼(翼型件)的雷电保护系统。
背景技术：
本领域已知用于保护风力涡轮机及其相关的叶片的多种雷电保护系统。风力涡轮 机常竖立在空地中，或者近年来竖立在海中，在那里它们形成最高点且常吸引雷电。风力涡 轮机叶片的末梢到达最高位置且因而成为对于雷电而言通常的冲击部位。过去，叶片常由非传导性材料例如玻璃纤维制成的事实导致认为雷电不是问题。 但是，此类叶片常由一薄层灰尘、盐或污染物以及湿气一起覆盖，传导电流的风险是实在 的，并且导致若干未受保护的叶片被雷电损坏或者毁坏。最近的发现已经证明转子叶片的 几何形状在雷电电弧形成和放电过程中也起到决定性的作用。形成对风力涡轮机叶片的雷电保护的问题已经产生了若干不同的解决方案。一个 解决方案意在防止袭击风力涡轮机的叶片的来自闪电的电流进入发电机以及位于风力涡 轮机的顶部或者外罩中的其它电子和电气部件。这通过将电流从叶片导向风力涡轮机的塔 架并导向地面或接地系统而实现。基于它们的高度和暴露位置，风力涡轮机对于雷击提供了优选的冲击位置。在具 有高雷电活动地区的风力涡轮机设备尤其要求成熟的保护系统。大部分遭受危险的部件都 是电气设备、控制电子装置和叶片。较晚的叶片由玻璃纤维或碳纤维增强的塑料制成。它 们由于雷电的损坏或毁坏导致最长的设施停机时间。现代风力涡轮机装备有长度大约37米及以上的叶片。虽然由电气绝缘的玻璃纤 维增强塑料制成，但叶片形成用于雷电放电的优选的冲击点。为了防止由雷击导致的损坏 或毁坏，这些叶片配备有雷电保护系统(LPS)。最普通的LPS由若干金属的离散接收器组 成，接收器实现成叶片壳体，且通过引下线内部地连接到地。接收器为雷击提供限定的冲击 位置。预期雷电放电在转子叶片的外部上从一个接收器连通到另一个接收器，以便减少转 子叶片内放电和电弧的形成。对于较短的叶片，此概念证明是有效的，但是对于较长的叶 片，叶片表面的一些部分继续未受保护。现有技术的风力涡轮机叶片雷电保护系统使用了各种形式的离散外部接收器，其 沿转子叶片表面分布，以吸引闪电放电。由于接收器的有限数目，雷击击中两个接收器之间 的叶片，导致复合材料的部分到完全毁坏的可能性很高。由于此问题，已经提出了替代的雷电保护系统。一个系统包括到外叶片壳体上的 金属网格、传导性和柔性的箔片叠层。然而，将金属网格包括在叠层过程中的处理步骤使得 处理步骤更加复杂，并且还会由于更高的材料开支导致增加成本。以类似的方式，用于飞机机翼(翼型件)的现有技术的雷电保护系统使用在表面 上的各种形式的传导性路径的结合，例如网状结构，尤其是对于基于复合材料的机翼，其具 有可由雷电附着点导致部分及局部损坏的缺点。靠近用于翼型件的雷电附着点的区域会经常被损坏，这在一些情况下需要在着陆后附加的修理，或者至少需要检查。此情况可导致飞 机更多的停飞时间，并因而增加运营成本并降低飞机的可用性。鉴于上述情况，提供避免前述问题和花费的用于风力涡轮机叶片和飞机机翼(翼 型件)的雷电保护系统将是有利的。
发明内容
简而言之，根据一个实施例，一种雷电保护系统(LPS)包括玻璃增强纤维或碳增 强的风力涡轮机叶片或飞机机翼，该叶片或机翼包括末梢区、吸力侧及压力侧。在叶片末梢 区或机翼末梢区内侧并在吸力侧和压力侧之间设置了传导性或半传导性的大体上平坦的 元件。该传导性或半传导性的大体上平坦的元件强加了预定的电场分布图形或所谓的电场 控制区域，其导致雷电放电附在末梢区上。该传导性或半传导性的大体上平坦的元件与传 导路径成电气连通或者电化连接，使得该电场控制区域和传导路径一起起作用，通过控制 在末梢区中或整个叶片上由雷击导致的电场分布来保护风力涡轮机叶片或飞机机翼免遭 由于风力涡轮机叶片或飞机机翼(翼型件)的末梢区中的雷击造成的损坏。
当参考附图阅读以下具体实施方式
时，本发明的这些和其它特征、方面以及有点 将变得更好理解，其中贯穿附图，相似的标号代表相似的部件，其中图1图示了根据本发明的一个实施例的风力涡轮机叶片或飞机机翼雷电保护机 构；图2图示了根据本发明的另一个实施例的风力涡轮机叶片或飞机机翼雷电保护 机构；图3图示了根据本发明的又另一个实施例的风力涡轮机叶片或飞机机翼雷电保 护机构；以及图4图示了根据本发明的再另一个实施例的风力涡轮机叶片或飞机机翼雷电保 护机构。尽管以上标识的附形描述了特定的实施例，但是如在讨论中指出的，也考虑 了本发明的其它实施例。在所有情况下，此公开均通过描述而非限制的方式说明本发明的 实施例。本领域技术人员可设想落入本发明的原理的范围和精神内的许多其它的改型和实 施例。
具体实施例方式图1图示了根据本发明的一个实施例的风力涡轮机叶片雷电保护机构10。雷电保 护机构10的一部分包括电传导性或半传导性材料的大体上平坦的薄片、网状物或箔片22， 其设置在风力涡轮机叶片或飞机机翼(翼型件)的末梢区12中。根据本发明的一方面，风 力涡轮机叶片或飞机机翼由预定的玻璃增强纤维或碳增强材料构成。风力涡轮机叶片或飞 机机翼还可包括设置在叶片或机翼上或与之一体结合的如以下更详细描述的引下线。雷电保护机构10易于适应已经安装好的转子叶片，即所谓的改型翻新。转子叶片 或飞机机翼的一部分包括末梢区12、吸力侧18、压力侧20、前缘14和后缘16。根据一个方
4面，在叶片或机翼末梢区12的内侧并在叶片/机翼/翼型件的吸力侧18和压力侧20之间 设置传导性或半传导性的大体上平坦的薄片22。该传导性或半传导性的大体上平坦的薄 片22形成电场控制区域，其导致雷击期间闪电放电附到末梢区12上。传导性或半传导性 的大体上平坦的薄片22与传导路径成电气连通，传导路径例如(不限制)为图3中描绘的 引下线66，图3为具有引下线的雷电保护系统的表示，该系统常被安装成风力涡轮机行业 中见到的标准LPS，使得电场控制区域和传导路径一起起作用，以通过控制由雷击造成的末 梢区12中的电场而保护风力涡轮机叶片或飞机机翼免受由于雷击而造成的对风力涡轮机 叶片或飞机机翼的损坏。根据一个方面，薄片22的外周边23在末梢区12中具有和叶片或机翼的外末梢部 分大体上相同的空气动力学形状。根据另一个方面，薄片22可在叶片或机翼的后缘16的方 向上延伸并偏移，例如针对图3中的一个实施例所描绘的(此应用中的所谓“偏移”安装)。 根据又另一个方面，薄片22与末梢区12中的叶片或机翼的至少一部分大体上齐平(此应 用中所谓的“齐平”安装)。图2中显示了另一个实施例，其图示了也包括玻璃增强纤维或碳增强的风力涡轮 机叶片或飞机机翼的雷电保护系统(LPS)。叶片或机翼包括末梢区12、吸力侧18、压力侧 20、前缘14和后缘16。在叶片或机翼末梢区12的内侧并在叶片或机翼或翼型件的吸力侧 18和压力侧20之间设置传导性或半传导性材料的大体上平坦的薄片、网状物或箔片62。薄 片62形成电场控制区域，其导致雷击期间闪电放电附到末梢区12上。该薄片62与传导性 或半传导性的路径或元件成电气连通，例如(不限制)图3中描绘的现有的引下线66，使得 电场控制区域与该路径/元件66 —起起作用，来通过控制由雷击造成的末梢区12中的电 场而保护风力涡轮机叶片或飞机机翼免受由于风力涡轮机叶片或飞机机翼的末梢区12中 的雷击所造成的损坏。根据一个方面，薄片62的外周边具有与末梢区12的最外面的末梢部分大体上相 同的空气动力学形状。根据另一个方面，薄片62在叶片或机翼的后缘16的方向上延伸并 偏移(此应用中所谓的“偏移”安装)。根据又另一个方面，薄片62与末梢区12的至少一 部分大体上齐平(此应用中所谓的“齐平”安装)。当把LPS改型翻新到现有的叶片、机翼或翼型件上时，传导性或半传导性的路径/ 元件66可为诸如图3中所示的现有引下线66。根据另一个实施例，传导性或半传导性的路 径/元件66可至少通过延伸薄片66以包括一个或多个延伸部64而形成，该一个或多个延 伸部64适于使期望的传导性或半传导性路径或元件完整。在一个方面，延伸部64邻近叶片 或机翼的前缘14和后缘16，但从前缘14和后缘16移开。根据另一个方面，路径/元件66 包括传导性或半传导性材料68，该材料构造成形成围绕选定部分的绝缘结构或复合材料的 一种类型的法拉第笼，该选定部分如转子叶片或飞机机翼或翼型件的末梢区12。如果特定 的应用需要，此类型的法拉第笼可沿完整的转子叶片表面延伸。该传导性或半传导性材料 可与现有的引下线66成电气连通，使得引下线66和传导性或半传导性的材料68 —起起作 用来进一步控制由雷击造成的转子叶片或飞机机翼或翼型件的末梢区12中的电场。根据 一个方面，薄片62放置在吸力侧18和压力侧20之间，并位于从末梢区12的径向最外周边 径向向内延伸大约10英尺的区域中。薄片62可连接到如图4中所示的外部或集成传导性或半传导性网状物或箔片材料70上，其设置在吸力侧18和压力侧20的一侧或两侧的内部部分上，并且靠近前缘14和 后缘16的一个或者两者，但从该前缘14和后缘16移开。由于传导性或半传导性材料70 的传导性特性，结合其与离散的接收器相比大的尺寸，使得跨越复合叶片或机翼材料(即， 纤维或碳增强的)的击穿放电被最小化。这通过与复合材料的阻抗相比降低表面阻抗来实 现，使得在出现高值电流飞弧之前闪电先导(lighting leader)将被引导至最近的传导性 附着点。由于传导性或半传导性材料的大尺寸，由雷击造成的转子叶片或飞机机翼/翼型 件上的电流密度将降低，导致最小化的热负荷。根据一个方面，如图4中所描绘的，在吸力 侧和压力边缘之间可添加横向应力释放传导性路径74，和/或网状物或箔片76，以最小化 由沿两个平行的导体流动的闪电电流导致的力。因为雷电保护机构10，50在适配早已安装的转子叶片飞机机翼时特别有用，所以 转子叶片或飞机机翼的剩余部分72可以可选地由油漆覆盖，例如，用传导性、半传导性或 非传导性的油漆，以获得由雷击导致的期望结果。前述雷电保护机构10，50提供对于已知 雷电保护系统的若干优点，包括但不限于1)由于转子叶片表面涂层的完全或部分覆盖所 导致的叶片表面上的增强的接收器尺寸，2)闪电电流的外部表层传导以及因而导致的叶片 /机翼/翼型件内闪电电弧(飞弧以及由雷击产生的声音压力波所导致的可能爆炸)可能 性的最小化，3)观察到叶片重量没有明显上升，4)对所有机械叶片动态变化的适应性，5) 不需要改变叶片设计，6)现有的叶片制造(层叠)工艺可仅用轻微的变更而使用，7)低附 加材料和制造成本，8)电流密度的降低将导致叶片材料上更低的热负载，9)通过由传导性 或半传导性涂层/材料的部分或完全覆盖产生的叶片表面上的分流器技术增强的雷电接 收效率，10)在出现击穿脉冲电流飞弧前在安全路径上的闪电闪流(streamer)传导，11)通 过降低表面阻抗防止击穿并因而防止转子叶片损坏，12)将传导性以及传导性地掺杂的材 料连接到一个有效保护系统上的组合雷电保护，13)对于风力涡轮机叶片、飞机机翼、翼型 件的增加的雷电保护效率，14)无需改变叶片设计，15)扩展的转子叶片表面保护，16)对于 闪电电流增加的增强传导性路径，以及17)在沿转子叶片的闪电附着过程期间对电场强度 分布的控制。当将风力涡轮机叶片末梢闪电保护机构10，50应用于新的转子叶片时，可消除引 下线66以简化叶片的制造。在此实施例中，仅通过用具有与叶片或机翼的电场控制区域12 相似特性的传导性或半传导性材料70增强吸力侧18和压力侧20而避免了引下线66的使 用。如图4中所描绘的，增强的区域起作用以在响应于雷击而出现高值电流飞弧前提供必 要的传导性附着点。简而言之，已经根据特定的实施例描述了风力涡轮机叶片或飞机机翼(翼型件) 雷电保护系统(LPS)，该系统包括纤维或碳增强的风力涡轮机叶片或飞机机翼，叶片或机翼 具有适配有电场控制机构的末梢区。电场控制机构与电气放电传导机构成电气连通或电化 连接，电气放电传导机构包括大体上平坦的电传导性或半传导性材料，该材料设置在末梢 区内，使得电场控制机构和电气放电传导机构一起起作用，来通过控制由雷击导致的末梢 区中的电场而保护风力涡轮机叶片或飞机机翼免受由于风力涡轮机叶片或飞机机翼的末 梢处的雷击导致的损坏。本发明人发现电场控制机构成功地在预先限定的路径上传导并指 引放电，而同时增加了风力涡轮机承受具有由雷击导致的高峰值的若干脉冲电流的能力， 如雷电保护系统的标准和技术报告中所推荐的那样。
尽管本文仅说明并描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多改型 和改变。因此应该理解的是，所附权利要求书意图覆盖落入本发明真实精神之内的所有此 类变更和改变。
权利要求
一种翼型件雷电保护系统(LPS)(50)，包括玻璃增强纤维或碳增强的风力涡轮机叶片或飞机机翼，其包括末梢区(12)、吸力侧(18)、压力侧(20)、前缘(14)以及后缘(16)；由电传导性或半传导性材料制成的大体上平坦的薄片、网状物或箔片(62)设置在所述末梢区(12)的内部，或伸向转子叶片根部，并且位于所述吸力侧(18)和所述压力侧(20)之间，使得该薄片(62)形成导致闪电放电附着于所述末梢区(12)的电场控制机构，以及与所述薄片(62)成电气连通或电化连接的电气传导性或半传导性路径，使得所述电场控制机构和该路径一起起作用，以通过控制在所述末梢区(12)中由雷击导致的电场来保护所述风力涡轮机叶片或飞机机翼免遭由于所述风力涡轮机叶片或飞机机翼的所述末梢区(12)中的雷击造成的损坏。
2.根据权利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述路径设置成紧邻所述涡轮机叶片 或飞机机翼的所述前缘(14)和后缘(16)，但又从所述前缘(14)和后缘(16)移开。
3.根据权利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述大体上平坦的薄片(62)沿所述 涡轮机叶片或飞机机翼的所述前缘(14)与所述后缘(16)中的至少一个向内延伸，大体上 到达所述叶片根部，以形成所述电气传导性或半传导性路径的至少一部分。
4.根据权利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述大体上平坦的薄片(62)延伸超 出所述涡轮机叶片或飞机机翼的所述末梢区(12)的所述后缘(16)，以提供实质上偏移的 结构。
5.根据权利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述大体上平坦的薄片(62)的外周 边与所述涡轮机叶片或飞机机翼末梢区(12)的至少一部分大体上平齐。
6.根据权利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述电气传导性或半传导性路径设置 成紧邻所述涡轮机叶片或飞机机翼的所述前缘(14)和后缘(16)，但又从所述前缘(14)和 后缘(16)移开。
7.根据权利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述LPS (50)还包括覆盖或埋入所述 风力涡轮机叶片或飞机机翼的所述末梢区(12)、并完全封装所述末梢区(12)以限定法拉 第笼区域的传导性或半传导性材料。
8.根据权利要求7所述的LPS(50)，其特征在于，所述LPS (50)还包括传导性或半传 导性或非传导性材料的涂层，该涂层覆盖或埋入所述风力涡轮机叶片或飞机机翼的剩余部 分。
9.根据权利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述大体上平坦的薄片(62)仅在所 述薄片(62)的所述外周边处附接到所述风力涡轮机叶片或飞机机翼上。
10.根据权利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述LPS(50)还包括至少一个横向 应力释放传导性或半传导性路径、网状物或箔片，所述路径、网状物或箔片设置在所述吸力 侧(18)和压力侧(20)之间，并构造成降低当闪电电流流过所述LPS(50)时在平行的传导 件中观察到的电气动态作用力。
全文摘要
本发明涉及横向传导雷电保护系统，具体而言，公开了一种用于风力涡轮机叶片或飞机机翼的雷电保护系统，包括玻璃增强纤维或碳增强风力涡轮机叶片或飞机机翼，其具有末梢区、吸力侧、压力侧、前缘和后缘。在叶片末梢区或机翼末梢区内侧并在吸力侧和压力侧之间设置了传导性或半传导性材料的大体上平坦的薄片。薄片在闪电放电期间起作用，以形成导致闪电放电附着到末梢区上的电场控制机构。薄片与电气传导性或半传导性路径成电气连通或电化连接，使得所述电场控制机构和该路径一起起作用，以通过控制在末梢区中由雷击导致的电场来保护风力涡轮机叶片或飞机机翼免遭由于末梢区中的雷击造成的损坏。
文档编号H01T19/00GK101936264SQ20101022147
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月25日 优先权日2009年6月25日
发明者R·勒斯纳, Y·N·门德斯埃尔南德斯 申请人:通用电气公司