风轮机用的雷电流传输单元的制作方法
【专利摘要】一种风轮机用的雷电流传输单元(100)，该雷电流传输单元(100)包括：第一部分(20a)，该第一部分构造成电耦合至风轮机的叶片的导电部，该叶片的该导电部电连接至所述叶片的引下导体；第二部分(20b)，该第二部分构造成电耦合至该风轮机的机舱的导电部，该机舱的该导电部连接至接地的引下导体。所述第一部分(20a)与所述第二部分(20b)二者都能独立移动以保持分别与所述叶片的该导电部和所述机舱的该导电部电耦合。设置有雷电流传输部(104)，其包括形成在至所述第一部分(20a)的电连接(108)与至所述第二部分(20b)的电连接(110)之间的火花隙(106)。这些电连接(108,110)能与各自的所述第一部分(20a)或所述第二部分(20b)一起移动。所述火花隙(106)具有火花隙间距(111)，并且所述雷电流传输部(104)构造成使得所述间距在所述第一部分(20a)、所述第二部分(20b)及所述电连接的移动过程中基本恒定并且使得雷电流从所述第一部分(20a)传输至所述第二部分(20b)。
【专利说明】风轮机用的雷电流传输单元
[0001]本发明涉及风轮机用的雷电流传输单元(LCTU)，尤其涉及风电场上大规模发电用的风轮机中使用但不限于在这样的风轮机中使用的雷电流传输单元。
【背景技术】
[0002]图1示出了风电场上大规模发电用的传统风轮机I。该风轮机包括塔架2以及定位在塔架顶部上的风轮机机舱3。包括连接至轮毂4的三个风轮机叶片5的风轮机转子借助伸出机舱前部的主轴(图1中未示出)连接至机舱。超出一定水平的风因在叶片上产生升力而启动转子，并使转子旋转。旋转转换成电能，该电能被供应至电网。
[0003]这些高大的风轮机位于裸露的场所以最大限度地暴露在风中，但是这些高大的风轮机还常受到可使风轮机产生重大损害的雷击。因此，风轮机通常设置有雷电保护系统。
[0004]图2a与图2b示出了每个风轮机叶片5 (这些附图中示出了单个叶片)中的传统雷电保护系统。叶片(尤其是叶片的尖端)是风轮机最可能遭受雷击的部件，因为它们是伸出最大的部件。因此，图2a的风轮机叶片5包括具有拦截雷击7的金属接收器8的尖端，该金属接收器接地或通地。接收器连接至风轮机叶片内部的雷电引下导体9。引下导体沿纵向方向延伸穿过叶片，并在轮毂4处终止。图2b示意性示出了一种公知布置，其中雷电流从雷电引下导体9传输至雷电保护系统的其余部分，并且传输至地面。雷电流借助叶片与轴之间的变桨机构13或任何其它机构从引下导体9传输至风轮机叶片的主轴10。机舱3中存在与轴接触的滑动接触件或者滑环以便运载来自轴的电流。滑环借助延伸穿过风轮机塔架2的引下导体连接至地面11。
[0005]名称为Vestas Wind Systems A/S (维斯塔斯风力系统有限公司)(与本申请的 申请人:/受让人相同)的国际专利申请WO 2005/050008号公报中认定了此类型的布置的问题。这些问题包括:穿过风轮机的诸如叶片变桨机构13之类的不同部件的高能电流会损害这些部件；并且滑环布置的效率低。
[0006]国际专利申请WO 2005/050008号公报描述了一种解决这些问题的改进的雷电流传输单元。图3a至图6中示出了该改进的雷电流传输单元。
[0007]图3a的雷电流传输单元15在转子的每个叶片5的雷电引下导体(经由风轮机的每个叶片外部周围的导电环或叶片带18)与机舱3的雷电引下导体(经由机舱上的导电环或雷电环16)之间形成电连接。
[0008]如图3b中最佳所示，雷电流传输单元15安装在轮毂4的突出部21 (在轮毂面对机舱3的内侧)上。雷电流传输单元15在风轮机叶片与机舱前部之间的空间中在轮毂内表面与机舱之间向外伸出。
[0009]返回来参照图3a，每个叶片5的外部周围的导电环或金属环18环绕叶片的基部。每个环在变桨机构上方并垂直于叶片的纵向方向形成位于风轮机的基部上的接触面18。接触面因此随叶片的变桨而旋转。每个环连接至风轮机叶片内部的雷电引下导体9，如以上所述。
[0010]位于机舱3的面对轮毂4的外部上的导电环或金属环16机械连接至机舱。该导电环或金属环16电连接至机舱的雷电引下导体14。金属环16形成与雷电流传输单兀15的接触面17。
[0011]图3b与图3c准确示出雷电流传输单元15相对于风轮机叶片上的接触面18以及机舱上的接触面17的位置。图3c还示出了雷电流传输单元15的不同区段，这些区段包括基座支撑部22、两个接触装置19a、19b以及基座支撑部与这两个接触装置之间的柔性连杆26、27。柔性连杆确保两个接触装置分别压靠风轮机叶片5上的接触面18与机舱3上的接触面17。这两个接触装置19与两个接触面17、18建立两个接触区20a、20b。
[0012]第一接触区20a确保持续接触叶片5的导电环18，并且另一接触区20b确保持续接触机舱3的导电环16。两个接触装置19a、19b由成电线或缆线形式的专用电连接件30连接。
[0013]每个接触装置19a、19b还包括专用电连接件30用的保持螺栓28、29，该专用电连接件30使得两个接触装置之间建立并保持电连接。电连接件30由具有这样的长度的柔性材料制成，该长度对应于两个接触装置在静止位置(当两个接触装置间隔最远时)二者之间的距离。如果雷电连接装置或雷电流传输单元15经受作用力，那么柔性连杆将弯曲，从而导致专用电连接件30更大程度地松垂。
[0014]图4示意性示出了在机舱3的导电环或雷电环17上滑动的雷电连接装置或雷电流传输单元的接触区。该图示出了具有包括接触装置20b在内的三个雷电连接装置的旋转的三叶片型风轮机转子的状态。因为每个雷电连接装置安装在轮毂与主轴14上，所以这些雷电连接装置会以主轴作为旋转中心随主轴一起旋转。而且，接触装置以距离中心相当于环的直径的间隔定位。因此，接触装置在持续压靠环表面的同时会面对环进行周期旋转。
[0015]图5示出了叶片5的接触面18。接触装置20a持续压靠接触面或叶片带，并且当叶片变桨至一侧或另一侧时接触装置在该表面上滑动。
[0016]尽管此布置作为雷电流传输单元是有效的，但是此布置未提供与风轮机其它部件的充分的电磁兼容性(EMC)。
【发明内容】
[0017]本发明以其多个方面限定在所附的独立权利要求中。有利特征限定在所附的从属权利要求中。
[0018]本申请的发明人意识到:可通过与国际专利申请WO 2005/050008中描述的相似布置但在接触装置19a、19b之间设置火花隙替代现有技术的电线或缆线来提供充分的EMC或受控的EMC。本发明人意识到:火花隙可不直接位于雷电流传输单元与导电叶片带之间或者直接位于雷电传输单元与机舱的所谓的雷电环之间。相反，在本发明的优选实施方式中设置雷电流传输部，该雷电流传输部包括形成在至电耦合至叶片的第一部分的电连接与至电耦合至机舱的第二部分的电连接之间的火花隙。电连接能与各自的第一部分或第二部分一起移动。火花隙具有火花隙间距。雷电流传输部构造成使得间距在第一部分、第二部分及电连接的移动过程中基本恒定并且使得雷电流从第一部分传输至第二部分。
[0019]以下将更详细地描述本发明的一个优选实施方式，并且该优选实施方式采用风轮机用的雷电流传输单兀的形式，该雷电流传输单兀包括:第一部分，该第一部分构造成电率禹合至该风轮机的叶片的导电部，该叶片的该导电部电连接至所述叶片的引下导体；以及第二部分，该第二部分构造成电耦合至该风轮机的机舱的导电部，该机舱的该导电部连接至接地的引下导体。所述第一部分与所述第二部分二者都能独立移动以保持分别与所述叶片的该导电部和所述机舱的该导电部电耦合。设置有雷电流传输部，其包括形成在至所述第一部分的电连接与至所述第二部分的电连接之间的火花隙。这些电连接能与各自的所述第一部分或所述第二部分一起移动。所述火花隙具有火花隙间距，并且所述雷电流传输部构造成使得所述间距在所述第一部分、所述第二部分及所述电连接的移动过程中基本恒定并且使得雷电流从所述第一部分传输至所述第二部分。
[0020]在本发明的一方面中，提供一种风轮机用的雷电流传输单元，该雷电流传输单元包括:第一部分，该第一部分构造成电耦合至该风轮机的叶片的导电部，该叶片的该导电部电连接至所述叶片的引下导体；第二部分，该第二部分构造成电耦合至该风轮机的机舱的导电部，该机舱的该导电部连接至接地的引下导体，所述第一部分与所述第二部分二者都能独立移动以保持分别与所述叶片的该导电部和所述机舱的该导电部电耦合；以及雷电流传输部，该雷电流传输部包括形成在至所述第一部分的电连接与至所述第二部分的电连接之间的火花隙，其中，所述火花隙具有火花隙间距，并且所述雷电流传输部构造成使得所述间距在所述第一部分、所述第二部分及所述电连接的移动过程中基本恒定并且使得雷电流从所述第一部分传输至所述第二部分
[0021]这是一种生产起来低廉的简单布置。
[0022]至所述第一部分的所述电连接可包括第一臂。至所述第二部分的所述电连接可包括第二臂。所述第一臂或所述第二臂可包括在所述叶片与所述机舱之间伸出的第一边缘部，该第一边缘部形成所述火花隙的边缘。
[0023]所述第一臂和所述第二臂中的另一者可包括朝所述第一边缘部伸出的第二边缘部，该第二边缘部形成所述火花隙的另一边缘。所述第二边缘部可比所述第一边缘部狭窄。所述火花隙间距可以是在垂直于所述边缘的方向上所述火花隙的这些边缘之间的距离。所述火花隙间距可以在5mm与6mm之间。所述第一部分可位于第一压迫臂上，该第一压迫臂迫使所述第一部分抵靠所述叶片的所述导电部。所述第二部分可位于第二压迫臂上，该第二压迫臂迫使所述第二部抵靠所述机舱的所述导电部。所述第一压迫臂可位于所述风轮机的轮毂上。所述第二压迫臂可位于所述风轮机的轮毂上。压迫所述第一压迫臂的作用力可由第一弹性部提供。所述第一弹性部可位于所述第一压迫臂的轮毂端。压迫所述第二压迫臂的作用力可由第二弹性部提供。所述第二弹性部可位于所述第二压迫臂的轮毂端。所述第一部分与所述第二部分均可在两个维度上移动。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]现在将以实施例的方式并且参照附图描述本发明的优选实施方式，在附图中:
[0025]图1 (现有技术)是公知风轮机的前视图；
[0026]图2a(现有技术)是图1的风轮机的叶片的前视图；
[0027]图2b (现有技术)是公知的雷电流传输单元的示意图；
[0028]图3a (现有技术)是公知风轮机叶片的一部分的侧视图；
[0029]图3b (现有技术)是图3a的放大部分；
[0030]图3c (现有技术)图3b的一部分的立体图；
[0031]图4(现有技术)是图3a的公知风轮机的一部分的视图；
[0032]图5 (现有技术)是图3a的公知风轮机的另一部分的视图；
[0033]图6是体现本发明的一个方面的雷电流传输单元的立体图；
[0034]图7是体现本发明的一个方面的雷电流传输单元的一部分的立体图；
[0035]图8是体现本发明的一个方面的雷电流传输单元的另一部分的立体图；以及
[0036]图9a、图9b与图9c是体现本发明的一个方面的在用的雷电流传输单元的一部分的不同立体图。
【具体实施方式】
[0037]图6示出体现本发明的风轮机用的雷电流传输单元100。雷电流传输单元100在一些方面与图3a至图5的现有技术的雷电流传输单元15相似，并且给予相同特征以相同的附图标记。与图3a至图5的雷电流传输单元15类似，图6的雷电流传输单元具有--第一部分或第一防磨垫20a，其构造成电耦合至叶片5的导电部18或风轮机I的电连接至叶片的引下导体的叶片带(叶片根部周围的导电环或金属环)；以及第二部分或第二防磨垫20b，其构造成电耦合至机舱3的导电部或风轮机I的连接至接地的引下导体的雷电环(位于机舱的面对轮毂4的前部上的导电环)。该第一部分与该第二部分均可在两个维度中独立移动(沿曲线)以保持分别电耦合至叶片的导电部及机舱的导电部。与现有技术的雷电流传输单元15相同，雷电流传输单元100在轮毂面对机舱的内侧安装在轮毂的突出部21上，并且在风轮机叶片与机舱前部之间的空间中在轮毂的内表面与机舱之间向外伸出。该第一部分与该第二部分均定位在相应的压迫臂26、27上，这些压迫臂分别迫使第一部分抵靠叶片的导电部并且使第二部分抵靠机舱的导电部。压迫臂位于风轮机的轮毂上。压迫这些压迫臂的作用力由每个臂的位于各臂的轮毂端处的弯曲金属102的弹性部提供。压迫臂还包括纤维加强塑料的刚性部103，该刚性部从弹性部延伸至第一部分与第二部分分别被连接所在的自由端。
[0038]重要的是，雷电流传输单元100通过包括雷电流传输部104而明显区别于图3a至图5的现有技术布置，该雷电流传输部包括火花隙106，该火花隙形成在至呈臂、火花臂或电极形式的第一部分(第一臂108)的电连接与至呈臂、火花臂或电极形式的第二部分(第二臂110)的电连接之间。
[0039]重要的是，所述电连接可与各自的第一部分或第二部分一起移动。火花隙具有火花隙间距111，该火花隙间距在第一部分、第二部分及电连接的移动过程中恒定，使得雷电流可从第一部分传输至第二部分。LCTU中不存在缆线连接。火花隙是开放的。第一臂与第二臂之间不存在直接连接。
[0040]在此布置中存在用于使来自雷击的冲击波离开而不导致损害的充足空间。因此预料火花隙耐受来自所通过的雷电的冲击波。因此，预计所述的LCTU具有长达20年的使用寿命(风轮机的预期寿命)。然而，如果有来自雷电冲击波的损害，那么预计仅导致火花臂腐蚀而不产生火花对叶片带或机舱的雷电环的损害。有利的是，火花臂是可容易替换的。而且，LCTU周围的空间意味着容易检查损害。鉴于现有技术LCTU之间的相似性(尤其是在使用相同的叶片带、机舱的雷电环以及至轮毂的连接方面)，容易在现有风轮机上实施本文中描述的布置。
[0041]在图6的实施例中，第一臂108具有形成结节或杆115形式的尖端的边缘部114，该边缘部形成火花隙106的边缘。结节略朝着并离开轮毂笔直地延伸。第一臂延伸离开边缘部的结节，离开火花隙106，弯曲，然后朝叶片笔直延伸，在沿离开火花隙的方向再次延伸之前再次弯曲，在该处其借助通孔121连接至第一部分20a。第二臂110具有形成火花隙的另一边缘的边缘部或杆112，该边缘部在叶片与机舱之间伸出。杆的自由端117是弯曲的。边缘部或杆具有本体113，该本体从其延伸而形成用于与第二部分20b连接的连接器。该连接器首先朝轮毂延伸，然后弯曲并朝机舱延伸，然后再次弯曲以垂直于该连接器借助通孔119连接至第二部分的这两个方向延伸。第一臂108的朝另一边缘部伸出的尖端或结节115比第二臂110的形成火花隙的另一边缘的另一边缘部或杆112窄很多。臂的形状体现LCTU的耐用性。
[0042]火花隙间距111是在垂直于边缘的方向上火花隙的这些边缘之间的距离。通常，火花隙间距在5mm与6mm之间。
[0043]第一臂108与第二臂110借助螺纹紧固件(螺栓)123机械连接并电连接至它们的相应部分20a、20b，所述螺纹紧固件穿过位于相应臂的端部的通孔119、121并分别紧固至第一部分与第二部分中的互补螺纹孔。与现有技术的布置相比，第二部分具有船形或六角形面116。与现有技术的布置相同，第一部分具有环形面118。
[0044]在使用中，随着叶片带与机舱的雷电环之间的距离的变化，第一臂108与第二臂110随着第一部分20a与第二部分20b压靠各自的导电部(叶片带或雷电环)的同时移动而彼此相对移动。重要的是，在形成火花隙的臂彼此相对移动时，传输雷电流或雷电流在两个臂之间穿过之处的火花隙间距111是恒定的，或者说该火花隙间距被保持。
[0045]图7、图8以及图9a至图9c示出了第一臂108与第二臂110的另一布置。该布置在一些方面与图6的布置相似，并且给予相同特征以相同的附图标记。图7与图8分别示出了第一臂与第二臂的形状。图9a至图9c示出了具有这种特定臂构造的在用的LCTU。
[0046]在此实施例中，总体构造与图6的以下方面相同:电稱合至第一部分20a(电f禹合至叶片带)的第一臂108形成火花隙的狭窄边缘，并且电耦合至第二部分20b (电耦合至雷电环)的第二臂110形成火花隙的长的笔直边缘。其构造如下。
[0047]图7中最佳示出的位于LCTU的叶片侧的第一臂108 (连接至第一部分20a (图7中未示出))构造成电耦合至叶片的导电部或叶片带，具有相对狭窄的边缘部112。该边缘部比如下所述的第二臂110的另一边缘部114狭窄。边缘部112形成尖端。该边缘部以结节150的形式朝形成火花隙的另一边缘的所述另一边缘部伸出，该结节在位于风轮机上的正确位置时略朝着并离开轮毂延伸，该结节具有倾斜的侧边152 (与图6的实施例的笔直侧边形成对照)。在位于风轮机上的正确位置的情况下，此实施例的第一臂延伸离开边缘部的结节，离开火花隙，然后在沿离开火花隙的方向再次延伸之前朝叶片弯曲，在该处借助通孔109连接至第一部分20a。
[0048]图8中最佳示出的位于LCTU的机舱侧的第二臂110连接至第二部分20b，该第二臂构造成电耦合至机舱或雷电环的导电部，具有边缘部、轨或者说滑轨114，其在叶片与机舱之间笔直伸出，形成火花隙的边缘。形成火花隙的边缘的边缘部的边缘154垂直于叶片与机舱之间的轴线弯曲。第二臂具有自由端156，在位于风轮机上的正确位置时该自由端面对叶片。该第二臂在位于风轮机上的正确位置时朝着机舱变宽，然后在其借助通孔121连接至第二部分20b (图8中未示出)的位置处朝轮毂向下弯曲。在第二臂的机舱端处，在边缘部与至第二部分的连接之间存在凹口 158。
[0049]图9a至图9c示出了具有图7与图8的第一臂108与第二臂110的在用LCTU 100。如上所述，在使用中，随着叶片带与机舱之间的距离变化，第一臂与第二臂随着第一部分与第二部分在压靠各自的导电部(叶片带或雷电环)的同时移动而彼此相对移动。重要的是，在形成火花隙的臂彼此相对移动时，传输雷电流或雷电流在两个臂之间穿过处的火花隙间距111是恒定的。
[0050]图9a示出了叶片带与滑轨(第二臂110)之间最大可行距离。也就是说，第一臂108的狭窄边缘部112面对滑轨或第二臂的自由端156。图9b示出了叶片带与滑轨之间的最短可行距离。也就是说，第一臂的狭窄边缘部112面对滑轨或第二臂的机舱端。图9c示出:第一臂的狭窄边缘部面对滑轨或第二臂的中部，第一臂的狭窄边缘部大体位于该中部。
[0051]仅为了阐明的意图而参照示例性实施描述了本发明。本发明不被示例性实施限制，因为本领域的技术人员会想到多种变型与变更。要从所附权利要求理解本发明。
【权利要求】
1.一种风轮机用的雷电流传输单兀,该雷电流传输单兀包括: 第一部分，该第一部分构造成电耦合至该风轮机的叶片的导电部，该叶片的该导电部电连接至所述叶片的引下导体； 第二部分，该第二部分构造成电耦合至该风轮机的机舱的导电部，该机舱的该导电部连接至接地的引下导体，所述第一部分与所述第二部分二者都能独立移动以保持分别与所述叶片的该导电部和所述机舱的该导电部电耦合；以及 雷电流传输部，该雷电流传输部包括形成在至所述第一部分的电连接与至所述第二部分的电连接之间的火花隙，这些电连接能与各自的所述第一部分或所述第二部分一起移动，其中，所述火花隙具有火花隙间距，并且所述雷电流传输部构造成使得所述间距在所述第一部分、所述第二部分及所述电连接的移动过程中基本恒定并且使得雷电流从所述第一部分传输至所述第二部分。
2.根据权利要求1所述的雷电流传输单元，其中，至所述第一部分的所述电连接包括第一臂，并且至所述第二部分的所述电连接包括第二臂。
3.根据权利要求2所述的雷电流传输单元，其中，所述第一臂或所述第二臂包括在所述叶片与所述机舱之间伸出的第一边缘部，该第一边缘部形成所述火花隙的边缘。
4.根据权利要求3所述的雷电流传输单元，其中，所述第一臂和所述第二臂中的另一者包括朝所述第一边缘部伸出的第二边缘部，该第二边缘部形成所述火花隙的另一边缘。
5.根据权利要求4所述的雷电流传输单元，其中，所述第二边缘部比所述第一边缘部狭窄。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的雷电流传输单元，其中，所述火花隙间距是在垂直于所述边缘的方向上所述火花隙的这些边缘之间的距离。
7.根据前述任一项权利要求所述的雷电流传输单元，其中，所述火花隙间距在5_与6mm之间。
8.根据前述任一项权利要求所述的雷电流传输单元，其中，所述第一部分位于第一压迫臂上，该第一压迫臂迫使所述第一部分抵靠所述叶片的所述导电部。
9.根据前述任一项权利要求所述的雷电流传输单元，其中，所述第二部分位于第二压迫臂上，该第二压迫臂迫使所述第二部分抵靠所述机舱的所述导电部。
10.根据权利要求8或9所述的雷电流传输单元，其中，所述第一压迫臂位于所述风轮机的轮毂上。
11.根据权利要求8、9或10所述的雷电流传输单元，其中，所述第二压迫臂位于所述风轮机的轮毂上。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的雷电流传输单元，其中，压迫所述第一压迫臂的作用力由第一弹性部提供。
13.根据权利要求12所述的雷电流传输单元，其中，所述第一弹性部位于所述第一压迫臂的轮毂端。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的雷电流传输单元，其中，压迫所述第二压迫臂的作用力由第二弹性部提供。
15.根据权利要求14所述的雷电流传输单元，其中，所述第二弹性部位于所述第二压迫臂的轮毂端。
16.根据前述任一项权利要求所述的雷电流传输单元，其中，所述第一部分与所述第二部分均能在两个维度上移动。
【文档编号】F03D11/00GK104520583SQ201380041968
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年6月6日 优先权日:2012年6月8日
【发明者】C·G·林比, K·B·伦贝克, A·N·汉森 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司