专利名称：转子叶片、带转子叶片的风能系统及构造转子叶片的方法
技术领域：
本发明涉及带有闪电防护单元的转子叶片(rotor blade)、具有所述 转子叶片的风能系统以及构造转子叶片的方法。
背景技术：
由于风能系统的高度不断增大，闪电防护问题变得越来越重要。 由于风能系统通常建在没有或仅有很少高大障碍物(例如树)的区域 中，因而这些区域中的雷击主要集中于所装设的风能系统上。因此， 尤其是必须保护风能系统的桂抢及转子叶片免遭雷击。发明内容有鉴于上文所述，本发明"l是供一种用于风能系统的转子叶片，所 述转子叶片具有转子叶片本体；转子叶片本体腔；以及闪电防护单 元。所述闪电防护单元包括导电部件，所述导电部件连接至下行(down) 导体并紧靠或在所述转子叶片本体尖端处位于所述转子叶片本体腔内。所述导电部件具有凸伸出所述转子叶片本体的延伸部。所述延伸 部适于接纳接受器。所述导电部件的"延伸部(extension)"这一术语是指导电部件凸 伸出转子叶片本体腔外的部分。在典型实施例中，导电部件本体与导 电部件延伸部形成一体。如果导电部件的位置使导电部件的延伸部在 转子叶片本体尖端处延伸出转子叶片本体之外，则称导电部件的位置 "靠近(closeto)"转子叶片本体尖端。因此，本发明使接受器能够容易地附装至下行导体上并同样容易 地拆下。根据本发明的另一方面，4是供一种具有至少一个此种转子叶片的风能系统。根据本发明的另 一方面，*提供一种用于构造在风能系统中所用转 子叶片的方法，其具有下列步骤制造所述转子叶片的压力侧壳体及吸力侧壳体；所述导电部件包括本体及延伸部；以及以一种使所迷导电部件的本体处于所述转子叶片内且所述导电 部件的延伸部凸伸出所述转子叶片的方式将所述压力侧壳体与所述 吸力侧壳体接合于一起，从而形成所述转子叶片。术语"贴合(applymg)"嚢括所有用于将导电部件连接至相应转子 叶片的技术，例如安装、固定、附装、粘合等等。在典型实施例中，转子叶片本体是由复合材料制成。然而，接受 器通常是由例如铝、不锈钢或铜等导电材料制成。 一旦将接受器附装 至转子叶片本体上，其便成为转子叶片的尖端。也就是说， 一旦将接 受器安装至导电部件延伸部上，接受器便通常覆盖延伸部。在本发明转子叶片本体的典型生产中，制造标准长度的转子叶 片，并切下顶尖，使被切下的该部分的长度对应于可安装于转子叶片 本体尖端上的接受器。另一可能是转子叶片本体铸模在其顶尖处包 括虚设部位，以使所浇铸转子叶片的长度减小一对应于打算要附装至 转子叶片本体上的接受器的长度。或者，可直接制造具有正确长度的 转子叶片本体。通常，接受器的形状对应于转子叶片本体中在转子叶 片制造中已省略的部分。也就是说，接受器的形状通常是转子叶片本 体尖端的形状的延伸。根据独立权利要求项、说明书及附图，本发明的其他方面、优点 及特征将一目了然。
在本说明书的其余部分中参照附图更具体地说明本发明对所属领域一般技术人员的完整且有效公开，包括其最佳模式，附图中 图1是根据本发明具有三个转子叶片的风轮机的示意图； 图2是根据本发明的转子叶片的示意图； 图3是根据本发明的转子叶片的剖视图； 图4是根据本发明的导电部件的示意图； 图5是根据本发明的接受器的示意图；图6A显示根据本发明的转子叶片的具有导电部件及下行导体的 —侧；图6B显示根据本发明的转子叶片的具有导电部件、下行导体及接 受器的一侧；图7是根据本发明的将接受器附装至导电部件上的转子叶片尖端 的示意图；图8是根据本发明的转子叶片的敞开图；以及 图9A及9B是根据本发明的凸伸出转子叶片之外的导电部件的两 个不同实施例。标号列表100风能系统110杆塔120挂舱130毂140转子叶片200转子叶片根部210转子叶片本体尖端220吸力侧(suction side)壳体230压力侧(pressure side)壳体240转子叶片本体300下行导体310转子叶片本体腔400导电部件410; 420;430导电部件中的钻孔440导电部件本体450导电部件延伸部500接受器510用于接纳导电部件延伸部的腔520接受器中的孔530接受器的朝向转子叶片本体的侧600排水通道620固定装置700接受器的朝向尖端的侧710用于形成排水通道的钻孔800转子叶片月力900转子叶片尖端平面910转子叶片壳体端部具体实施方式
现在将详细参阅本发明的各实施例，其一或多个实例显示于附图 中。每一实例均是以解说本发明的形式提供，而非旨在限定本发明。例如，作为 一个实施例的 一部分加以例示或i兑明的特4正也可与其他实 施例结合使用而得到又一实施例。本发明意图包括此等修改及变化形 式。图1是风轮机的示意图。风轮机100包括杆塔110，其顶端上安 装有机器桂舱120。该挂舱容纳连接有主发电机的传动系(未显示)。支 承三个转子叶片140的毂130安装于机器挂舱120的横向端部上。转 子叶片140可通过通常容纳于毂130内的俯仰角调节驱动器加以调 节。根据本发明，转子叶片配备有闪电防护系统。如果雷电击中转子叶片，其应击中专门设置于转子叶片上的闪电接受器(lighting receptor)。高的电荷量通常通过下行导体由此传送至转子叶片根部， 而转子叶片根部例如通过轴承(未显示)接地。雷击的电荷量然后通过 风能系统杆塔引至地面。图2是用于风能系统中的转子叶片的示意图。转子叶片140包括 转子叶片本体240及转子叶片才艮部200，转子叶片本体240具有其转 子叶片本体尖端210。转子叶片根部200通常安装于风能系统毂130 上。转子叶片本体尖端210位于转子叶片140的相对端上。通常，转 子叶片包括两个壳体压力侧壳体(也称为下凹壳体)及吸力侧壳体(也 称为叶片的外凸壳体)。图2中所示的壳体220是指吸力侧壳体，而图 2中转子叶片的下侧则是压力侧壳体230。在本发明的其他实施例中， 转子叶片包括几个部件。通常，所述壳体是由例如玻璃或碳纤维等复 合材料制成，例如由加强的环氣树脂、聚酯或乙烯基酯树脂制成。在 各种实施例中，转子叶片的腔包括香脂木或塑料泡棉。由于在图2中 所选的角度及比例，无法详细i也看到导电部件400，但在下文中将对 其进行更详细i兌明。图3是图2所示转子叶片本体140在图2中绘有虚线的位置处的 示意性剖视图。图3显示吸力侧壳体220、压力侧壳体230及下行导 体300。在所示实施例中，下^"导体安装于压力侧壳体230上。 一般 而言，下行导体可位于吸力侧壳体上、由吸力侧壳体与压力侧壳体所 形成的转子叶片本体腔内的某处、或压力侧壳体上。由这两个壳体所 形成的腔310可以是中空的、局部填充有或完全填充有填料。在后一 情形中，可采用重量较轻的材^K例如泡沫-尤其是聚氨酯泡沫、某 种胶或粘合剂、或者树脂。此主要是出于稳定性原因。可在这两个壳 体220与230之间设置其他设备，例如肋，以用于加强转子叶片以抵 抗由风压造成的扭曲及弯曲(参见图8所示的实施例)等等。图4显示根据本发明的导电部件的一实施例。导电部件400包括本体440及延伸部450。通常，导电部件是由例如铝等金属或某种金 属合金制成。导电部件包括钻孔410，以用于将导电部件通过连接及 固定装置(例如螺钉、螺栓、销或类似装置)而附装至下行导体上。也 可采用各种其他连接技术，例如提供数个钻孔等等。在图4所示的实 施例中，导电部件还包括孔420。在根据本发明的转子叶片制造期间， 通常对这些孔填充固定填料，例如胶、泡沫或树脂。此种技术能对导 电部件进行形状封闭的固定，而不会降低导电部件的稳定性或导电特 性。视应用而定，根据本发明的导电部件可包括0个、1个、2个或 更多个此种孔。孔的形状可以是圓形、椭圓形、矩形、其组合形式或 类似形状。例如，孑L420在图8中为椭圓形。此外，导电部件400的 延伸部430包括两个钻孔，以接纳用于安装接受器的回定装置。在其 他实施例中(在附图中未显示)，延伸部可具有仅一个、三个或甚至更 多个用于接纳固定装置的钻孔。当然，所要附装的接受器须具备相应 数量的钻孔。此将参照附图予以更详细说明。应指出，根据本发明的导电部件可具有任意形状，只要其可牢固 地固定于转子叶片本体内并允许使接受器牢靠地配合于导电部件延 伸部上即可。尤其是，延伸部的宽度也可大于或等于本体的宽度。延 伸部可具有矩形或大致呈矩形的形状。图5显示根据本发明的接受器的实施例。通常，接受器是由金属 制成，例如由铝、不锈钢、铜、或其合金制成。在典型实施例中，接 受器是一体式组件。根据本发明的接受器也可经过涂覆，只要涂层不 会明显降低接受器与周围之间的导电率即可。通常，接受器的长度L 介于10 mm与70 mm之间，更通常是介于30 mm与40 mm之间。接 受器的宽度W通常介于100 mm与300 mm之间，更通常是介于120 mm与200 mm之间。在本发明的许多实施例中，接受器的形状使接 受器500在接受器朝向转子叶片侧530上的宽度W大于在接受器相反 侧700上的宽度。接受器500的朝向转子叶片的侧530是在将接受器 安装于导电部件上之后将与转子叶片相接触的侧。为将接受器安装于导电部件上，接受器500包括腔510，以接纳导电部件400的延伸部 450。根据本发明的某些实施例，接受器的腔是接受器的开口，其略 大于导电部件的延伸部的尺寸，以便形成排水通道(参见下文)。用语 "略大于"是指介于5 mm与20 mm之间的范围，通常是介于5 mm 与10mm之间的范围。开口的拐角可圓滑成形。这是因为如下事实 开口可在制造期间铣制而成。根据其他实施例，接受器开口的尺寸与 导电部件延伸部的尺寸精确地匹配，以使其理想地配合。通常，接受 器的外部几何形状与转子叶片在其尖端处的几何形状相同。接受器形 成转子叶片尖端。换句话说，"t妾受器形成转子叶片本体的延长部分。 在典型实施例中，接受器通过有效的锁定而附装至转子叶片本体上。 通常，在将接受器安装至外叶片上之后，在接受器与转子叶片本体尖 端之间不存在间隔。在本发明的许多实施例中，腔510仅具有一个位于接受器的朝向 转子叶片本体侧530上的开口。然而，该腔也可为从-接受器的朝向转 子叶片本体的侧通至接受器相反侧700的直通腔形式。通常，腔510 的宽度介于30 mm与90 mm之间，例如为60 mm，而腔的高度介于4 mm与9 mm之间，例如为6.5 mm。此外，图5中所示的接受器500 包括两个孔520。应注意，在本申请案中，所用术语"孑L(hole)"与术 语"钻孔(drilling)"、"穿孔(bore)"或"腔(cavity)"同义。当将接受 器安装至导电部件延伸部上时，延伸部进入腔510。在下一步骤中， 例如螺钉、螺栓、销等固定装置进入孔520中并将被其所要紧固到的 导电部件中的孔403接纳。由此，将接受器容易且可拆卸地固定至转 子叶片上。图6A显示导电部件400通过固定装置620安装于转子叶片本体 腔内且附装至下行导体300上。当将吸力侧壳体220置于压力侧壳体 230上以形成转子叶片形状时，延伸部450仍凸伸出转子叶片本体之 外。在该步骤之后，将下行导体300及导电部件本体440嵌入转子叶 片内。在制造转子叶片本体的压力侧壳体230之后，将根据本发明的导电部件附装至其上面。通常，所述附装是通过借助已知的黏合剂等 将导电部件粘合至转子叶片壳体上而进行。在本发明的各种实施例 中，导电部件大致沿其宽度W，附装于转子叶片本体的中间，但其通 常沿转子叶片纵向轴线附装于转子叶片本体的顶尖处。导电部件也可 安装至吸力侧壳体上。然后，将下行导体300附装至导电部件上。此 可使用螺钉、螺栓、销或类似装置来完成。下行导体可具有任意形状， 只要其能够将雷击的电荷传导至毂即可。在导电部件的另一侧上，即在延伸部上，导电部件400连4姿至接受器500。延伸部进入腔510并 使用例如螺钉等固定于腔510中。其紧固于导电部件延伸部的孔520 及430中。在本发明中通常仅从接受器的一侧将接受器固定至延伸部 上。此显示于图6A及6B中，在这些图中，从被图6A及6B中的4妄 受器图覆盖的接受器的下侧将螺钉紧固至延伸部上。通常，将接受器 附装至延伸部上的方式使得在腔510的壁与延伸部450之间仍存在空 间。该空间形成排水通道600，以为转子叶片提供一冷凝水排水开口。 该排水通道穿过整个接受器到达尖端侧700。因此，在本发明的典型 实施例中，接受器500在其尖端侧700上具有钻孔7]0，其构成如图 7所示的排水通道。图6B显示接受器500安装至导电部件上。在该图中，导电部件 的延伸部因处于接受器内部而不可见。接受器通过插入钻孔520内的 螺钉720而安装至导电部件延伸部上并固定于其上面。在图6B所示 立体图中，螺钉从下侧插入接受器及导电部件延伸部内。因此，其在 图6B中不可见。通常， 一或两个固定装置(例如螺钉)即足以将接受器 固定至转子叶片上。接受器从围绕叶片尖端的各个侧吸引雷电。与现 有技术相比，不存在为使安装于吸力侧壳体上的吸力侧接受器接触安 装于压力侧壳体上的压力侧接受器所需的额外连接。在生产转子叶片 期间，在将这两个壳体合拢并粘合于一起之前，在这两个壳体之间不 需要介入件。此外，在雷电击中并可能损坏接受器之后，可很容易更 换接受器。图7显示其中将接受器固定至转子叶片本体240上的本发明实施例。为安装接受器，将接受器500置于导电部件延伸部上，直 到其接触转子叶片本体尖端为止。在该位置上，将螺钉或类似装置插入钻孔520内并紧固至导电部件上。钻孔520可具有孔直径较宽的上 部，以接纳螺钉头。由此，使螺钉头不会凸伸出接受器中而可能造成 不需要的噪声。此外，图7显示排水通道600,其在接受器尖端侧700 上提供开口 710。转子叶片内的冷凝水可通过排水通道600排出转子 叶片。图8是安装有导电部件400及下行导体300的转子叶片140的吸 力侧壳体的示意图。此外，接受器500已固定至导电部件400上。下 行导体穿过转子叶片本体到达转子叶片根部。其可布置于例如肋800等稳定单元处或附近。该肋能减小转子叶片的扭曲量。下行导体可具 有用于接触沿转子叶片布置的闪电接受器的其他触点。本发明的导电部件布置成使其凸伸出转子叶片本体之外。凸伸出 转子叶片的部分称为导电部件的"延伸部"。 一旦安装上接受器，该 延伸部就将被接受器所包封。因此，"延伸部凸伸出转子叶片本体之 外，，的意思应被理解成该延伸部允许接纳接受器。此确实包括该延伸 部凸伸出转子叶片本体而进入仍由转子叶片壳体所环绕的腔内的可 能性。此应参照图9A及9B所示的实施例加以解释。在图9A所示实 施例中，延伸部起始于平面900中，平面900界定转子叶片本体的端图9B所示实施例中，延伸部450在平面900之前凸伸出转子叶片本 体一深度D。也就是说，视所使用接受器的实施例而定，固定至图9B 所示实施例的延伸部的接受器将部分地被转子叶片壳体所环绕。由于接受器的形状及固定方法，其可容易安装至导电部件的延伸 部上。由于接受器与导电部件均由导电材料制成，因而不需要附装额 外的下行导电装置。此又能够使人们容易地将接受器附装至转子叶片 上。此外，由于接受器通常是由固体金属制成，因而在每一次雷击之 后其均不会遭到破坏。所属领域中已知的许多接受器在雷击之后均会遭到破坏或者至少大体变形，致使出现人们所不希望的噪声效应。因 此，需要频繁进行更换。 一般而言，本发明的接受器可在应对许多次 雷击之后才需要更换。被破坏接受器的更换及新接受器向延伸部上的 安装可很容易进行，而不需要费力地将接受器连接至下行导电装置上。通常，本发明接受器的重量介于O.l kg与0.5kg之间，更通常是 介于0.2 kg与0.3 kg之间，因而接受器不会明显增大叶片的总力矩。 在典型实施例中，导电部件的重量介于0.05 kg与0.2 kg之间，通常 为0.09kg。此也不会明显增大转子叶片的总力矩。本书面说明利用实例来公开本发明，包括其最佳模式，且还使所 属领域的任何技术人员均能制造和利用本发明。尽管上文是就各种具 体实施例来说明本发明，然而所属领域的技术人员将认识到，也可以 修改形式实施本发明，此并不背离本发明的精神及范围。尤其是，可 将上文所述实施例的不相互排斥的特征相互组合。本发明的可申请专 利的范围是由权利要求书加以界定，并可包括所属领域的技术人员所 能想到的其他实例。此等其他实例如果具有无异于权利要求书文字语 言、或者如果其包括并不实质不同于权利要求书文字语言的等同结构 要素，则也将包含于权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用于风能系统(100)中的转子叶片(140)，所述转子叶片具有转子叶片本体(240)，其包括转子叶片本体尖端(210)；转子叶片本体腔(310)；以及闪电防护单元，所述闪电防护单元包括导电部件(400)，其连接至下行导体(300)且靠近或在所述转子叶片本体尖端(210)处定位于所述转子叶片本体腔内，所述导电部件具有凸伸出所述转子叶片本体之外且设置用于接纳接受器的延伸部(450)。
2. 如权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，进一步包括可拆 卸地固定至所述导电部件(400)的所述延伸部(450)上的接受器(500)。
3. 如权利要求2所述的转子叶片，其特征在于，所述转子叶片包 括在所述接受器内邻近于所述导电部件的所述延伸部定位的排水通 道(600， 710)。
4. 如权利要求2或3所述的转子叶片，其特征在于，所述接受器 包括用于接纳所述导电部件的所述延伸部的腔(510)。
5. 如权利要求2-4中任一权利要求所述的转子叶片，其特征在 于，所述接受器包括适于形成排水通道(600)的钻孔(710)。
6. 如权利要求l所述的转子叶片，其特征在于，所述导电部件包 括一或多个钻孔(410; 420; 430)。
7. —种风能系统(IOO)，其具有至少一个、且优选三个的如前述 权利要求中任一权利要求所述的转子叶片。
8. —种用于构造在风能系统中所用转子叶片的方法，其具有下列步骤制造所述转子叶片的压力侧壳体及吸力侧壳体；述导电部件包括本体及延伸部；以及以一种使所述导电部件的所述本体处于所述转子叶片内且所述 导电部件的所述延伸部凸伸出所述转子叶片的方式将所述压力侧壳 体与所述吸力侧壳体接合于一起，从而形成所述转子叶片。
9. 如权利要求8所述的用于构造转子叶片的方法，其特征在于， 贴合所述导电部件是通过将其粘合至所述压力侧壳体或所述吸力侧 壳体的内侧上而实现的。
10. 如权利要求8或9所迷的用于构造转子叶片的方法，其特征 在于，进一步具有下列步骤将接受器固定至所述导电部件的所述延 伸部上。
全文摘要
一种用于风能系统中的转子叶片(140)，具有转子叶片本体(240)，其包括转子叶片本体尖端(210)；转子叶片本体腔(310)；以及闪电防护单元。闪电防护单元包括导电部件(400)，其连接至下行导体(300)且靠近或在转子叶片本体尖端处位于转子叶片本体腔内，导电部件具有凸伸出转子叶片本体之外的延伸部(450)以接纳接受器。一种风能系统(100)，其具有至少一个此种转子叶片(140)。一种构造风能系统中所用转子叶片(140)的方法，包括制造转子叶片的压力侧壳体及吸力侧壳体；在它们的内侧贴合导电部件(400)，导电部件包括本体(440)及延伸部(450)；以及以一种使导电部件(400)的本体(440)处于转子叶片内且导电部件的延伸部(450)凸伸出转子叶片的方式将压力侧壳体与吸力侧壳体接合于一起，从而形成转子叶片。
文档编号F03D1/06GK101240772SQ20081007404
公开日2008年8月13日 申请日期2008年2月3日 优先权日2007年2月8日
发明者A·施塔克, R·斯塔姆, R·阿勒尔特 申请人:通用电气公司