专利名称：带有增强的避雷系统的风力涡轮转子叶片的制作方法
技术领域：
本主题大体涉及风力涡轮，并且更特别地涉及具有与其一起构造的避雷系统的风力涡轮转子叶片。
背景技术：
大量的商用风力涡轮易于遭雷击，并且在这点上，惯例是为涡轮叶片提供沿叶片的纵向长度间隔开的雷电受体(receptor)以便捕捉和传导雷击到地面。然而这些受体的传统构型导致困难、昂贵并且费时的维护和诊断程序，其典型地要求升降机以在外部接近各受体。传统构型不提供检验叶片内的受体的连续性而不用单独接近和测试各受体的装置。此外，受体的效力取决于沿叶片的单一传导路径的完整性和可靠性。该路径的失效(即破坏)使任何上游受体变得基本上无用。已经做出努力以设计用于风力涡轮叶片的可选避雷系统。例如，美国专利公开 No. 2009/0129927描述通过安装径向延伸的雷电受体到转子轮毂以完全避免安装在叶片上的受体的系统，其中受体在叶片之间延伸。然而该构型可引起增加的重量、阻力和噪音和涡轮的能力的全面降低。因此，该行业将受益于改进的避雷系统，其使用安装在叶片上的受体，然而避免了传统受体构型的缺点。
发明内容
本发明的方面和优点将在下文描述中部分陈述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践学习。在特别实施例中，风力涡轮转子叶片具有根部、尖端和在尖端与根部之间延伸并且限定叶片的内部空腔的压力侧和吸力侧。多个雷电受体沿压力侧或吸力侧中的一个或两个构造。提供至少一个连续电路。该连续电路可构造在叶片的内部空腔内，或叶片的外部。 雷电受体串行布置在相应连续电路内，使得通过电路限定的电气连续路径通过连续电路内的雷电受体中的每一个。连续电路进一步包括终端，其延伸通过根部并且为可接近的，用于例如在叶片安装在其上的转子轮毂内进行在连续电路内的雷电受体的远程连续性检查。叶片可包括单一连续电路，其中所有雷电受体在电路内串行。在可选实施例中，叶片可包括多个连续电路，其中电路中的每一个包括多个雷电受体。多个连续电路可共用公共返回支线，或者可具有单独的相应返回支线。雷电受体可多样地构造。在特别实施例中，受体包括间隔开的终端柱并且连续电路包括多个导线，其使相邻雷电受体的终端柱相互连接，使得传导路径从终端柱中的一个流过雷电受体，并且离开另一个终端柱。在又一实施例中，雷电受体具有单一终端柱并且连续电路包括多个导线，其使多个受体的单一终端柱相互连接，使得导线的第一导线和第二导线安装到各单一终端柱，其中在第一导线和第二导线之间存在介电绝缘材料。在独特实施例中，连续电路的全部或部分还可限定串行连接雷电受体的雷电传导路径的全部或部分。例如，在一实施例中，整个连续电路限定雷电传导路径并且以这种方式，如果连续电路中任何一个位置处发生破坏，提供冗余雷电传导路径用于各雷电受体。
本发明还包括风力涡轮的任何构型，其具有带有如本文所述的连续电路的一个或多个叶片。 本发明还包括用于通过限定一个或多个连续电路来检验风力涡轮叶片中的雷电受体的功能的各种方法实施例，其中构造在风力涡轮叶片上的雷电受体中的每一个包括在至少一个连续电路内。方法包括在相应连续电路内串行构造雷电受体，使得电路内的电气连续路径通过连续电路内的各雷电受体。在连续电路的终端处进行连续性检查。该检查可在定期或连续基础上完成。在特别方法实施例中，多个连续电路限定用于单独的相应涡轮叶片，其中各连续电路包括多个雷电受体。可提供公共返回支线用于多个电路，或各电路可具有它自己的相应返回支线。另一方法实施例可包括构造连续电路的至少一个支线作为雷电传导路径。根据本发明的其它方面，风力涡轮转子叶片具有根部、尖端和在尖端与根部之间延伸并且限定叶片的内部空腔的压力侧和吸力侧。多个雷电受体沿压力侧或吸力侧中的一个或两个构造。提供至少一个环状雷电传导电路，其可在叶片的内部空腔内或在叶片外部。 雷电受体构造成与相应的雷电传导电路连通。雷电传导电路包括终端，其延伸通过根部，用于例如在风力涡轮的轮毂内终端中的每一个与风力涡轮内的接地系统的连接。以这种方式，环状传导电路提供冗余路径到各雷电受体用于传导雷击到地面。叶片可包括单一雷电传导电路，其中所有雷电受体与单一电路连通。在可选实施例中，叶片可包括多个雷电传导电路，其中电路中的每一个包括与其连通的多个雷电受体。 多个雷电传导电路可共用公共支线。在特别独特实施例中，雷电受体串行构造在它们的相应环状雷电传导电路内。对该实施例，环状雷电传导电路还可限定用于串行连接在所述环状雷电传导电路内的雷电受体的连续电路。本发明还包括风力涡轮，其具有构造成带有如本文所述的雷电传导电路的一个或多个涡轮叶片。参考以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将更好地理解。合并在说明书中并且组成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且连同描述一起用来解释本发明的原理。
对于本领域技术人员的本发明的完整且能够实现的公开，包括其最佳模式，在引用附图的说明书中陈述，其中图1示出传统风力涡轮的透视图；图2示出带有在连续电路中串行连接的多个雷电受体的转子叶片的截面视图；图3示出图2的实施例，其中连续电路的支线也构造成雷电传导路径；图4示出雷电受体的实施例的截面视图；图5示出雷电受体的可选实施例的截面视图6是带有图4的雷电受体的风力涡轮转子叶片内的环状雷电传导路径的实施例的截面视图；图7是带有图5的雷电受体的风力涡轮转子叶片内的环状雷电传导路径的又一可选实施例的截面视图；图8是带有风力涡轮转子叶片内的多个环状雷电传导路径的实施例的截面视图；图9是风力涡轮叶片内的多个连续电路的实施例的截面视图，其中各电路的支线也起雷电传导路径的作用；图10是具有共用返回支线的多个连续电路的实施例的截面视图；图11是带有连续环状导体的实施例的截面视图；并且图12是带有根据本发明的方面的转子叶片的风力涡轮的图。部件列表
10风力涡轮
12塔架
14机舱
16叶片
18转子轮毂
30根部
32尖端
34压力侧
36吸力侧
38内部空腔
40雷电受体
41导线/传导部
42连续电路
44终端
45终端
46返回支线
48传导支线
50板
52柱
54螺母
55第一线/电缆
56单一柱
57第二线/电缆
58绝缘体
60雷电传导电路
62终端
63支路连接器
64返回支线
66中继/转换站68接地传导路径70接地棒72接地电缆80线路破坏/断路
具体实施例方式现在将详细参考本发明的实施例，实施例的一个或多个实例在附图中示出。各实例以解释本发明而不是限制本发明的方式提供。事实上，对本领域技术人员将显而易见的是，在本发明中可做出各种修改和变型而不脱离本发明的范围或精神。例如，示出或描述为一实施例的部分的特征可与另一实施例一起利用以产生又一实施例。因而，意图本发明覆盖在所附权利要求和它们的等价物的范围内的这种修改和变型。参考附图，图1示出横轴式风力涡轮10的透视图。应当理解风力涡轮10可为竖轴式风力涡轮。在所示实施例中，风力涡轮10包括塔架12、安装在塔架12上的机舱14和联接到机舱14的转子轮毂18。塔架12可由管状钢或其它适合材料制造。转子轮毂18包括联接到轮毂18并且从轮毂18径向朝外延伸的转子叶片16。如图所示，转子轮毂18包括三个转子叶片16。然而，在可选实施例中，转子轮毂18可包括多于或少于三个的转子叶片 16。转子叶片16可大体具有使风力涡轮10能够根据设计标准起作用的任何适合长度。例如，转子叶片16可具有从大约15米(m)到大约91m之间变动的长度。然而叶片长度的其它非限制实例可包括IOm或更少、20m、37m或大于91m的长度。转子叶片16旋转转子轮毂18以使动能能够从风转换成可用机械能并且随后转换成电能。具体地，轮毂18可能够旋转地联接到定位在机舱14内用于发电的发电机(未示出。大体参考图2到图5，风力涡轮转子叶片16提供为具有根部30、尖端32、压力侧34 和吸力侧36。压力侧34和吸力侧36在根部30与尖端32之间延伸并且限定用于叶片16 的内部空腔38。多个雷电受体40沿压力侧34或吸力侧36中的一个或两个构造。例如，在图中示出的实施例中，多个雷电受体40提供在压力侧34和吸力侧36中的每一个上。在可选实施例中，雷电受体40可仅提供在侧34、36中的一个上。在雷电受体40串行构造在连续电路中的实施例中，如图2和图3中，各受体40与限定连续电路的线或其它传导部件独特地串行配置，下文将更详细地描述。雷电受体40可在本发明的范围内多样地构造，并且包括任何金属或金属化的构件(即金属网、金属竿或尖端等)，其安装在叶片的压力侧34或吸力侧36上为了传导雷击到地面。参考图2，提供至少一个连续电路42。该电路在图中示出为在叶片16的内部空腔 38内。在其它实施例中，电路可通过如下构件限定，该构件嵌入叶片中或在叶片16的外部、 例如沿叶片16的外表面。雷电受体40串行布置在相应的连续电路42内，使得由电路42限定的电气连续路径通过包含在连续电路42内的雷电受体40中的每一个。例如，参考图2，雷电受体40全部构造在单一连续电路42内。受体40利用适合尺寸和规格的多个导线(或其它传导部件)41菊链在一起，用于从电路的终端44进行电路42内的所有受体40的连续性检查。应当理解传导部件41还可包括电路内的叶片结构的任何构型，诸如碳翼梁缘条、后缘锯齿、前缘保护器、整流罩等等。众所周知，连续性仪器(或其它连续性检查器件)连接到终端44并且电流供应到电路42。返回电流的测量指示电路42内的元件的连续性。因而，检验电路42 内的雷电受体40中的每一个的连续性。如果雷电受体40中的任何一个已经损害或失效以致限定电路42内的破坏(“断开”)，然后连续性电路检查将失效(指示断路)，这对维护技师指示特定叶片16内的雷电受体40中的至少一个已经失效并且需要修理或更换。图3的实施例类似于图2的实施例，除了串行连接雷电受体40的传导部件41具有适合于限定传导支线48的规格，传导支线48用于经由传导终端45到风力涡轮的接地系统的连接传送受体40的任何一个上的雷击到地面，以下进一步描述。传导支线48在图3 中通过使雷电受体40相互连接的较粗的线强调。连续电路42的返回支线46通过较细的虚线强调并且大体不适合作为雷电导体。然而传导支线48还适合于进行串行构造的雷电受体40的连续性检查，如上文所述。串行连接的雷电受体40可在本发明的范围和精神内多样地构造。在图2和图3 的实施例中，各受体40具有双柱构型，如图5的实施例。参考图5，受体40包括安装在压力侧；34或吸力侧36的暴露表面上的受体板50。构造在板50的下侧上的传导柱52延伸通过压力侧34或吸力侧36上的孔(未示出)进入叶片16的内部空腔38内。第一导体55 (线或电缆，取决于导体阳是否也是雷电传导支线的部分)附连到柱52中的第一个。第二线 /电缆57附连到另一个柱52。柱52可以是螺纹部件并且螺母M可方便地用于固定地附连线/电缆55、57的终端到它们的相应柱52，如图5中所描述的。从图5应当理解，对于雷电受体40的连续性检查，电流从第一线/电缆55，流过受体40(特别为板50)到相对柱和连接的线/电缆57。从电缆/线57，电流流到系列中的下一个雷电受体40。在电路42中产生断开的雷电受体40的破坏或其它故障将导致电路检查失效。图2和图3的实施例将雷电受体40中的每一个描述成图5的双柱构型。图4示出雷电受体40的可选实施例，其中单一柱56从受体板50的下侧延伸。第一线/电缆55和第二线/电缆57利用螺母M固定到柱56。绝缘介电材料58，诸如介电垫圈，分离线/电缆55、57的终端以防止线/电缆短路以及将受体40从连续电路中消除。 在可选实施例中，终端在柱56上例如通过螺母简单地间隔开，并且无需介电材料。在单一柱56构型中，传导柱56用于从线/电缆中的一个传输电流到另一个线/电缆55、57。各叶片16可包括单一连续电路42，如图2和图3的实施例所述，其中雷电受体40 中的每一个串行构造在单一电路42内。在例如图9所示的可选实施例中，叶片16包括多个连续电路42，其中雷电受体40中的每一个构造在相应电路42的一个内。例如，参考图 9，安装在叶片16的压力侧34上的雷电受体40包含在第一连续电路42内，并且安装在吸力侧36上的雷电受体40串行构造在第二连续电路42内。在每一个电路42中串行连接受体40的电路42的部分还构造成传导支线48。电路42中的每一个包括终端44和45，其中终端45连接到风力涡轮的接地系统，如上文所述。在图10中所示的又一实施例中，叶片16可具有共用公共返回支线46的多个连续电路42。连续性检查可仅仅通过当进行相应检查时在终端45之间转换利用公共返回支线 46进行。
举例来说参考图6和图7，本发明还包括叶片16，其中整个连续电路42通过还适合于传导雷击到涡轮的接地系统的传导部件限定。例如，参考图6，使受体40串行相互连接的单一连续电路42还限定具有终端62的环状雷电传导电路60。终端62的每一个可连接到风力涡轮的接地系统并且还可用于进行连续性检查，如上文所述。换句话说，连续电路 42和环状雷电传导电路60通过相同的传导部件，包括受体40，进行限定。图7类似于上文讨论的图10的实施例，其中多个连续电路42共用公共返回支线 46。在图7的实施例中，公共返回支线通过雷电传导支线64限定。因而，连续电路42的每一个还限定具有多个终端62的雷电传导电路60。终端62还充当用于连续电路42的终端。终端44、45、62(不管是否意图用于连续电路42或雷电传导电路60，或两者)延伸通过叶片根部部分30，如在各种图中指示的，用于接近转子轮毂18内，单独相应涡轮叶片16安装到转子轮毂18上。以这种方式，维护技师可以使用转子轮毂18内的相应终端， 用于从转子轮毂内部进行相应电路42的连续性检查。应当理解本发明还包括风力涡轮叶片，其包括与叶片16的内部空腔38 —起构造的至少一个环状雷电传导电路60，其中雷电受体40构造成与相应的雷电传导电路60连通 (并且不必须在电路60内串行)。参考图6到图8，雷电传导电路60中的每一个包括终端 62，其连接到风力涡轮的雷电接地系统，以下关于图12更详细地讨论。因而，环状雷电传导电路60提供冗余接地路径到单独受体40中的每一个用于传导雷击到地面。举例来说参考图6，可容易地理解，在相应雷电受体40之间的雷电传导电路60的区段的任何一个中的破坏或“断开”不引起受体40中的任何一个的隔离。可选接地路径经由电路60的可选环部分而建立成用于受体40。例如，参考图6，图中所指示的电路60的部分中的破坏80不使雷电受体40中的任何变得无效。在破坏80的左侧的压力侧34上的受体40仍然与涡轮的接地系统通过上部终端62连通。破坏80处的右侧的受体40与下部终端62电气连续，与沿叶片的吸力侧36的所有受体40 —样。应当理解，雷电传导电路60的任何部分可包括电路内的现有叶片结构，诸如碳翼梁缘条、后缘锯齿、前缘保护器、整流罩等等。参考图11，应当理解，在特别示出为叶片16内的雷电传导电路60的环状构型的本发明的实施例中，不要求受体40串行构造在环60内(如图6到图8的实施例中)。在图 11的实施例中，雷电传导电路60通过具有终端62的连续环状导体限定在内部空腔38内。 单独雷电受体40以T连接器构型与支路连接器63连接，并且因而不在电路60内串行。然而应当理解，图11所示的电路60的构型不能用于单独地进行受体40的连续性检查，对图 6到图8的实施例是可能的，如上文所述。各叶片16可包括如图6所示的单一雷电传导电路60或如图7和图8所示的多个电路60。在图7的实施例中，单独电路60共用公共返回支线64，而在图8的实施例中，电路60中的每一个具有单独相应返回支线64。终端62中的每一个(在图6到图8的所有实施例中)单独地连接到转子轮毂18中的风力涡轮的接地系统。因而，各环状雷电传导电路 60提供冗余接地路径用于相应环60内的受体40。应当理解本发明还包括任何方式或构型的风力涡轮10，其具有使用本文所述的方面的任何一个的叶片16。例如参考图12，风力涡轮10包括具有多个雷电受体40的至少一个涡轮叶片16，雷电受体40沿叶片16的一侧或两侧构造。在所示实施例中，叶片16中的每一个以类似方式构造。各叶片16包括构造在叶片的内部空腔内的至少一个环状雷电传导电路60，其中各叶片的雷电受体40构造成与相应雷电传导电路60连通。如上文所述，叶片16可包括多个电路60。相应雷电传导电路60包括终端，其延伸通过叶片16的根部部分并且单独地连接到转子轮毂18内的接地系统。接地系统可如本领域内众所周知地多样地构造。例如，接地系统可包括由风力涡轮的机器或支撑结构，包括叶片轴承、机器底板、塔架结构等，限定的任何传导路径或其它适合的电接地路径，该机器或支撑结构经由接地电缆 72从叶片16、通过塔架12到接地棒70限定任何适合的接地传导路径68。如上文所述的期望的实施例中，单独雷电受体40串行构造在雷电传导电路60内， 以便电路60还可起连续电路42的作用用于检验单一受体40的连续性。在这点上，限定对终端引线62的任何方式的适合接近或转换能力的中继站66可在转子轮毂18内供应，由此维护技师可接近相应站用于进行连续性电路检查，如上文所述。在其它实施例中，一个或多个中继站66可在定期或连续的监控或诊断程序中提供用于在各种电路42之间的自动电子转换。本书面描述利用实例公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统并且施行任何合并的方法。本发明的专利权范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员可想到的其它实例。如果其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差别的等效结构元件，则这些其它实例预期在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种风力涡轮转子叶片，包括根部、尖端和在所述尖端与所述根部之间延伸的压力侧和吸力侧，所述压力侧和所述吸力侧限定内部空腔；沿所述压力侧或所述吸力侧中的一个或两个构造的多个雷电受体；至少一个连续电路，所述雷电受体串行布置在相应的所述连续电路内，使得在所述电路内的电气连续路径通过所述连续电路内的各所述雷电受体；并且所述连续电路进一步包括延伸通过所述根部的终端，其中，所述终端为可接近的，用于进行在所述连续电路内的所述雷电受体的远程连续性检查。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮叶片，其特征在于，包括多个所述连续电路，各所述连续电路包括多个所述雷电受体。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮叶片，其特征在于，所述连续电路共用公共返回支线。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮叶片，其特征在于，所述雷电受体包括间隔开的终端柱，所述连续电路包括多个传导部件，其使相邻所述雷电受体的所述终端柱相互连接，使得传导路径从所述终端柱中的一个流过所述雷电受体，并且离开所述其它终端柱。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮叶片，其特征在于，所述雷电受体包括单一终端柱， 所述连续电路包括多个传导部件，其使所述单一终端柱相互连接，其中，所述传导部件中的第一传导部件和第二传导部件彼此分离地安装到各所述单一终端柱。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮叶片，其特征在于，所述连续电路包括使所述雷电受体串行相互连接的多个传导部件，在所述连续电路的至少一个支线中的所述传导部件具有足够尺寸和规格以便限定雷电传导路径。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮叶片，其特征在于，整个所述连续电路限定雷电传导路径，以便如果在所述连续电路中任何一个位置处发生破坏，提供冗余雷电传导路径。
8.根据权利要求1所述的风力涡轮叶片，其特征在于，所述终端构造成用于在所述风力涡轮叶片安装到其上的转子轮毂处接近。
9.一种用于检验风力涡轮叶片中的雷电受体的功能的方法，包括限定一个或多个连续电路，其中构造在所述风力涡轮叶片上的雷电受体中的每一个包括在至少一个连续电路内；在相应连续电路内串行构造所述雷电受体，使得所述电路内的电气连续路径通过所述连续电路内的各雷电受体；并且在所述连续电路的终端处进行连续性检查。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括限定用于单独的相应涡轮叶片的多个所述连续电路，其中各连续电路包括多个雷电受体。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括构造用于所述多个连续电路的公共返回支线。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括将所述连续电路的至少一个支线构造成雷电传导路径。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括将所述连续电路的两个支线构造成雷电传导路径。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括利用所述连续电路在所述雷电受体上进行连续或定期诊断的连续性检查。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括利用所述连续电路在所述雷电受体上进行定期维护的连续性检查。
16.一种风力涡轮，包括安装到转子轮毂的多个涡轮叶片，所述涡轮叶片中的每一个包括根部、尖端和在所述尖端与所述根部之间延伸的压力侧和吸力侧；所述涡轮叶片中的至少一个还包括沿所述压力侧或所述吸力侧中的一个或两个构造的多个雷电受体；至少一个连续电路，所述雷电受体串行布置在相应的所述连续电路内，使得在所述电路内的电气连续路径通过所述连续电路内的各所述雷电受体；并且所述连续电路还包括延伸通过所述根部的终端，其中，所述终端为可接近的，用于进行在所述连续电路内的所述雷电受体的远程连续性检查。
17.根据权利要求16所述的风力涡轮，其特征在于，包括多个所述连续电路，各所述连续电路包括多个所述雷电受体。
18.根据权利要求17所述的风力涡轮，其特征在于，所述连续电路共用公共返回支线。
19.根据权利要求16所述的风力涡轮，其特征在于，所述连续电路中的至少一个支线限定雷电传导路径，其连接到与所述风力涡轮一起构造的接地系统。
20.根据权利要求16所述的风力涡轮，其特征在于，各所述涡轮叶片根据权利要求16 构造，并且还包括在所述转子轮毂内的中继站，用于所述叶片的每一个内的所述雷电受体的定期或连续的连续性检查。
全文摘要
本发明涉及带有增强的避雷系统的风力涡轮转子叶片。该风力涡轮转子叶片包括多个雷电受体，其沿叶片的压力侧或吸力侧中的一个或两个构造。至少一个连续电路与叶片一起构造，其中雷电受体串行布置在相应连续电路内，使得由电路限定的电气连续路径通过连续电路内的雷电受体中的每一个。电路具有延伸通过叶片根部的终端，用于利用电路进行连续性检查。
文档编号H02H9/04GK102562434SQ20111041760
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者P·J·弗里茨, R·哈迪森 申请人:通用电气公司