用于具有小翼的转子叶片的雷电防护系统的制作方法

本发明涉及风力涡轮机的转子叶片，该转子叶片包括小翼（winglet）和雷电防护系统。此外，本发明涉及改进具有小翼的风力涡轮机的转子叶片的雷电防护系统的方法。

背景技术：

风力涡轮机的转子叶片有时装备有小翼。小翼的目的是提高转子叶片的空气动力学效率和/或减少由于撞击在转子叶片上的气流和转子叶片本身的相互作用产生的噪声。

雷击通常是风力涡轮机的一个严重挑战，特别是从风力涡轮机的轮毂的高度增加和/或转子叶片的长度增加可以看出，风力涡轮机的尺寸不断增大。因为小翼被设置在转子叶片的尖端区段处，所以小翼很容易受到雷击。因此，在风力涡轮机转子叶片的小翼上，雷电损伤相对较为常见。

当前的小翼大多数不包括任何特殊的雷电防护系统。替代地，转子叶片的通常几个雷电接收器中的最外侧的雷电接收器尽可能朝着转子叶片的尖端向外放置，但并不放在小翼本身上。

对于改装有小翼的现有转子叶片，不在小翼内增加内部雷电防护系统的原因在于，例如转子叶片已经具有内置雷电防护系统并且将小翼的内置雷电防护系统与现有转子叶片的现有雷电防护系统连接是相对复杂的。

因此，这样的小翼通常保持没有受到保护以防雷击。然而，这在当前阶段是可接受的。

一种更好地保护小翼以防雷击的方法已经被公开于欧洲专利申请ep2416005a1中。其中，提出了提供一种雷电防护系统，其被集成在小翼内并且被连接到剩余转子叶片的雷电防护系统。换言之，雷电接收器被专门设置在小翼本身处，其中小翼的雷电接收器被连接到转子叶片的整个雷电防护系统。

这种构思的优点在于，击中小翼的任何雷击均会被小翼的雷电接收器拦截，因此降低了损坏小翼结构的风险。

然而，提供这样的系统是相对复杂且昂贵的。此外，将这样的雷电防护系统添加到已经存在的装备有小翼的转子叶片是复杂的，因为这将会涉及打开小翼以便插入雷电接收器和雷电导体。

技术实现要素：

本发明旨在通过提供一种以合算且可靠的方式有效地保护风力涡轮机的转子叶片的小翼以防雷击的构思来改善当前情况。

这通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中公开了有利实施例和改型。

根据本发明，提供一种风力涡轮机的转子叶片，其中该转子叶片包括小翼和雷电防护系统。雷电防护系统包括位于转子叶片的尖端区段处的至少一个雷电接收器。转子叶片的特征还在于，其包括至少一个避雷器，该避雷器包含导电材料，其中避雷器终止于雷电接收器处并且至少部分地位于小翼的表面上。

本发明的关键方面是，在不改变小翼结构、具体地不改变小翼内部结构的情况下提供用于小翼的专用雷电防护系统。例如，小翼不需要被打开。此外，不需要将雷电接收器或雷电导体集成在小翼内。替代地，使用已经存在于转子叶片的尖端区段处的具有雷电接收器的转子叶片的现有雷电防护系统。为了避免在其最外侧部分（即小翼）处到达转子叶片的雷击在小翼处击中转子叶片，提供一种所谓的避雷器，其将雷击引向在转子叶片的尖端区段处的雷电接收器。

避雷器原则上是飞机工业上已知的将雷击引导到飞机上的优选位置处的手段。这些避雷器原则上也用于风力涡轮机叶片，但是它们仅被应用到转子叶片主体，即转子叶片的主要笔直部分。将避雷器应用到转子叶片的小翼从未在产品层面上实现过或者在文献中被想到过。虽然多年来人们都知道雷电击中尤其是转子叶片的小翼的问题，但是至今还没有公开在小翼的表面上提供并附接避雷器并因此将可能的雷击从小翼引向转子叶片的主要部分的构思。这是本发明人的优点，他想到了将至少一个避雷器（例如避雷器条）应用在小翼的表面上并且因此提供了一种保护小翼以免雷击的简单、合算且可靠的手段。

避雷器可以以各种方式被设计和构造。为了实现其预定的目的，避雷器包含导电材料。同样必要的是，避雷器以某种方式终止于雷电接收器，尽管避雷器不必与雷电接收器直接接触。作为替代方案，避雷器也可以仅终止在雷电接收器附近并且仍然实现其将雷电引导到雷电接收器的目的。

在本发明的实施例中，避雷器是细长构件，其包括是其宽度的至少三倍的长度，具体地包括超过其宽度的五倍的长度。

因为有利地，避雷器被设计成细长构件且其具有明显大于其宽度的长度，所以避雷器也被称为"避雷器条"或者简单地"转向条"。因为通常大多数避雷器由多个孤立节段构成，所以避雷器也被称为"分段式避雷器条"。避雷器为什么被有利地设计成细长构件的原因在于，其可以为雷击提供预定路径。

除了避雷器的长度和宽度的比之外，避雷器的长度还被有利地选择成具有在雷电接收器的展向位置处的转子叶片的弦长度的10%和300%之间的值。在雷电接收器的展向位置处的转子叶片的弦长度意味着包括在转子叶片的尖端区段处的雷电接收器的翼型的弦线的长度。换言之，建议避雷器具有转子叶片的弦长度的十分之一的最小化和弦长度的三倍的最大值。显然地，仅如果避雷器被定向成显著倾斜于转子叶片的弦线（例如定向成与转子叶片的展向方向平行），才可能存在弦长度的两倍至三倍的相对大的长度。

在另一有利实施例中，避雷器被设置在载架上，其中载架具体地包括聚合物材料条。

增加载架（即基体）的益处在于，包含导电材料的避雷器的性能和设计构造能够通过其导电性能以及如果避雷器被雷击击中时如何电离空气的其性能来优化。相比之下，载架优化且确保了避雷器至转子叶片的表面的牢固且长期的附接，例如粘结。避雷器至转子叶片的表面的这种长期且牢固的附接并不是微不足道的，因为在风力涡轮机操作期间，由于小翼高速移动，小翼通常暴露于恶劣条件。因此必须确保即使在结冰、下雨、灰尘和污垢的情况下避雷器也被牢固地连接到转子叶片的表面。

在另一有利实施例中，避雷器包含多个孤立金属节段。

这些孤立金属节段例如具有直径为几毫米的圆形形状并且被设置成在一排中彼此相邻。

在仍另一有利实施例中，载架是柔性的，以致其能够适应曲线表面。

这是特别有用的，因为转子叶片的小翼通常确实具有显著曲率。可能需要避雷器和避雷器所附接的载架（如果适用的话）遵循小翼的曲率。

在本发明的另一实施例中，雷电接收器被至少部分地嵌入转子叶片的壳体内。

这种嵌入式雷电接收器是优选选项，因为其最小化了任何不利的空气动力学效应同时仍然提供良好的雷电接收能力。注意到，雷电接收器可以被完全嵌入转子叶片的壳体内，以致其上表面与转子叶片的（外）表面齐平。替代性地，雷电接收器可以包括从转子叶片的表面突出的一个部分和被嵌入到叶片壳体内并将突出部分连接到例如雷电引下导体的另一部分。

雷电接收器通常被连接到转子叶片内部的块，并且该块与雷电导体电缆连接，该雷电导体电缆通向转子叶片的根部并且还通过轮毂和机舱和塔到达地面。

关于避雷器在小翼的表面上的设计和设置，可以想到各种设计选项。

第一实施例包括在小翼的每侧（即压力侧和吸力侧）上应用单个避雷器。

第二实施例是两侧中的仅一侧（吸力侧或者压力侧）装备有避雷器。

关于避雷器的取向，存在几种选项：避雷器可以从雷电接收器指向小翼的尖端，其中小翼的尖端等价于转子叶片的尖端。这种设置基于转子叶片的最尖端是雷击的优选区域的原因。注意到，避雷器可以完美地指向转子叶片的尖端或者其可以稍稍偏离于这个方向指向，即包括在两个方向上（朝着后缘或朝着前缘）的高达三十度的偏差。

替代性地，避雷器可以指向后缘。同样，避雷器可以直接指向后缘。然而，这种优选实施例中也应该包括朝着转子叶片的尖端或者朝着转子叶片的根部的高达三十度的偏差。由于转子叶片的运动，朝着后缘放置避雷器是有益的。已经观察到，雷击通常在后缘区域内或更一般地在转子叶片的在其展向中心线和后缘之间的半部内击中或扫过转子叶片。

然而另一替代方案包括将避雷器放置成在雷电接收器的展向位置处相对于转子叶片的后缘处于在一百二十度和一百五十度之间的角度。换言之，避雷器被定向成使得其指向在与后缘垂直的方向和朝着转子叶片的尖端之间的方向。

注意到，非常可能的是在小翼的表面上提供多个避雷器。例如，第一避雷器基本指向后缘的方向，第二避雷器指向转子叶片的尖端的方向，并且第三避雷器指向在第一避雷器和第二避雷器之间的方向。

如果避雷器被附接在前缘的区域内并且前缘具有抵抗侵蚀的前缘防护，则必须要考虑到该前缘防护不会受到避雷器附接的不利影响。

注意到，原则上也可以想到避雷器的任何其它取向。有利地关于转子叶片的特定几何形状且可选地关于其计划安装位置来优化避雷器的准确数量和定位。

小翼通常被单独地附接到转子叶片，因为通过单独地制造小翼和其余的转子叶片会显著促进转子叶片的制造。在转子叶片包括作为单独的件被制造的转子叶片主体和小翼的情况下，雷电接收器有利地位于转子叶片主体处。这具有不需要在弯曲和曲线的小翼区域内提供雷电接收器的优点。

本发明还涉及改进风力涡轮机的转子叶片的雷电防护系统的方法，其中转子叶片包括小翼并且其中雷电防护系统包括至少一个雷电接收器，该至少一个雷电接收器位于转子叶片的尖端区段处。方法包括步骤：将包含导电材料的至少一个避雷器附接在转子叶片的表面上，其中避雷器终止于雷电接收器处并且至少部分地位于小翼的表面上。

换言之，公开了如何改进风力涡轮机的转子叶片的雷电防护系统的方法。建议通过在小翼的表面上提供并附接避雷器来改进转子叶片的雷电防护系统。

这些避雷器可以作为改造件被附接在转子叶片的表面上。这意味着转子叶片可以已经安装到风力涡轮机的轮毂并且风力涡轮机可以已经处于操作中。本方法允许改造、换言之升级或改进已经存在的风力涡轮机。避雷器的附接很容易实现。实践中，这能够通过绳索技术来实现，这意味着不需要从轮毂拆下转子叶片。这极大地促进了这种改造。此外，将避雷器附接到小翼的表面应该大体上可以在几分钟内实现，例如针对每个避雷器是五至三十分钟。

避雷器借助于粘结剂被有利地附接到小翼的表面，不过原则上例如螺栓连接的替代连接也是可能的。然而，粘结连接具有不影响叶片壳体的层压件的优点。

附图说明

现在通过附图仅以示例方式描述本发明，附图中：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了具有小翼的转子叶片；

图3示出了图2的放大视图；

图4示出了与图3中所示的转子叶片相同的区段，但从侧面观察；

图5示出了避雷器设计的第一示例；

图6示出了避雷器设计的第二示例；

图7示出了具有载架的避雷器的第一示例；以及

图8示出了具有载架的避雷器的第二示例。

附图是示意性形式。注意到，相同或相似的元件由相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出了用于产生电力的风力涡轮机10。风力涡轮机10包括塔11。在塔11的顶部处设置机舱12。机舱12被安装成可绕基本竖直的轴线（所谓的偏航轴线）旋转。机舱12容纳风力涡轮机10的发电机和多个其它部件。发电机将转子的旋转能量转换成电力。转子包括基本水平的轴线，转子能够绕该基本水平的轴线旋转。转子的旋转轴线由附图标记14表示。转子的一部分是风力涡轮机的轮毂13。多个转子叶片20被安装到轮毂13。每个转子叶片20通常被可旋转地（即可枢转地）安装，以致转子叶片20能够绕变桨轴线15变桨。这极大地促进了对风力涡轮机的控制和优化。转子叶片20包括根部区段21和在其相对端部处的尖端区段22，其中在根部区段21处转子叶片20被安装到轮毂13。图1的示例性风力涡轮机10包括三个转子叶片20，在此示出其中两个转子叶片20。

图2以透视图示出了风力涡轮机的转子叶片20。同样，转子叶片20包括根部区段21和尖端区段22。大体而言，根部区段包括高达转子叶片的总长度的10%。在此上下文中，转子叶片的长度被看作是转子叶片从根部至尖端的距离和延伸。这也被描述为转子叶片的展向（spanwise）延伸。类似地，尖端区段22包括在转子叶片的尖端处的整个区域，包括朝着根部区段21高达10%的展向延伸。

转子叶片还包括后缘23和前缘24。通常，前缘24是相对圆的，而后缘23是相对尖锐的。替代性地，特别是在内侧区段中，后缘也可以是钝的。为了产生升力，转子叶片20在其大部分截面内具有翼型轮廓。一个翼型轮廓在图2中被描绘。其示出也被称为"弦线"的弦27。弦27从翼型轮廓的前缘24延伸到后缘23。此外，在图2中能够看到压力侧25和吸力侧26。注意到，整个转子叶片20包括多个这样的翼型，这些翼型的形状通常从根部区段21向尖端区段22平缓变化。

图2是一种特殊类型的转子叶片，因为其不仅包括转子叶片主体201而且包括小翼202。转子叶片主体201和小翼202制成为单独的件，所述单独的件在相应制造过程之后彼此连结、即彼此附接。小翼202具有曲线形状，即弯曲形状。在图2的示例中，这是所谓的吸力侧小翼，因为其朝着转子叶片20的吸力侧26弯曲。注意到，小翼202的最外侧点被称为尖端221，其也代表整个转子叶片的尖端。

最后，图2示出了转子叶片的雷电防护系统的一些部件，即雷电接收器31中的一个以及雷电导体32，该雷电导体32将雷电接收器31与其余的雷电防护系统连接。

图3和图4示出了如图2中所示的转子叶片的尖端区段22的放大视图。图3是在尖端区段的吸力侧上的视图，而图4是在前缘24上的视图。

从图3开始，能够看到原始的转子叶片（这里由转子叶片主体201表示）和小翼202二者。小翼202在展向方向上加长了转子叶片，并且其也增加了在转子叶片平面之外的一些弯曲或曲率，如图4中能够看到的。在图3和图4中能够看到转子叶片主体202的尖端和小翼221的尖端二者。同样地，在图3中绘制了在雷电接收器31的展向位置处的弦线27。为了清晰起见，没有示出避雷器。雷电接收器31在转子叶片主体201的最外侧位置处，因此雷电接收器31仍然处于没有被小翼202覆盖的区域内。在尖端区段的侧视图中，如图4，也能够看到雷电接收器31是嵌入式雷电接收器，其没有从表面突出并且在其内部部分内与雷电导体32连接。

图5和图6示出了避雷器如何被设计且设置在转子叶片的小翼的表面上的两种示例。与图3和图4相比，基本上复制了相同的尖端区段。

在图5中，示出了包括两个避雷器（第一避雷器401和第二避雷器402）的第一示例。第一避雷器401基本垂直于转子叶片的后缘23对齐和指向。第一角度51能够被限定为在第一避雷器401的长度轴线511和后缘之间的角度。在如图5中所示的示例中，第一角度51是大约二十度。这是处于优选范围内的，该优选范围包括相对于关于后缘完全垂直的方向在两个方向上（朝着根部区段和朝着叶片转子的尖端）高达三十度的偏差。

第二避雷器402被对齐且被设置成关于朝着转子叶片的尖端221的方向521具有第二角度52。具体地，第二角度52被限定为在雷电接收器31朝着转子叶片的尖端221的方向521和第二避雷器402的长度轴线522之间的角度。在图5的当前示例中，第二角度52也包括近似二十度，因此也处于加/减三十度的优选范围内。

图6示出了避雷器的设置的第二示例，即包括第一避雷器401、第二避雷器402和第三避雷器403。

第一避雷器401垂直于后缘23对齐。因此，在雷电接收器31的展向位置处在第一避雷器401的长度轴线511和转子叶片20的后缘23之间的角度51是八十度。

第二避雷器402被设置成基本平行于雷电接收器31朝着转子叶片的尖端221的方向521，其中表述"基本"包括高达三十度的偏差。

最后，第三避雷器403被设置在第一避雷器401和第二避雷器402之间。具体地，在雷电接收器31的展向位置处在第三避雷器403的长度轴线531和转子叶片20的后缘23之间的角度53是一百三十五度。

最后，图7和图8分别示出了避雷器40的两种示例。

图7示出了第一实施例，其中避雷器40被设计成包括长度41的条，该长度41显著超过其宽度42。注意到，避雷器40被设置在载架43上。这使得避雷器40能够最佳地附接到小翼的表面（例如通过粘结连接）。作为具体示例，避雷器40可以包括金属元件，而载架43可以由聚合物制成。

关于尺寸，避雷器40的避雷器42的宽度42例如是四毫米而长度41是二十厘米。避雷器40的厚度小于一毫米，例如是0.3毫米。注意到，载架43的宽度明显大于避雷器的宽度并且在原则上也可以低于大于五的长宽比。

作为补充特征，图7示出了载架43具有孔眼44以便有助于相对于雷电接收器对齐避雷器40。

图8示出了避雷器40的不同实施例。本文中，避雷器40包括多个节段45。每个节段45在平面视图上具有基本圆形的形状。相邻节段45一个挨着一个对齐。同样，避雷器40的长度41和宽度42能够被确定成且有利地导致整个避雷器具有细长形状。

避雷器也与载架43结合以便有助于将避雷器40附接到转子叶片的表面。注意到，避雷器40及其载架43被设计成没有任何孔眼。这具有能够不用考虑相应雷电接收器的尺寸来设计避雷器和载架设置的优势。