风力涡轮机叶片和风力涡轮机的制作方法

本发明涉及用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片和风力涡轮机。

背景技术：

现代风力涡轮机的转子叶片由纤维增强塑料构建。转子叶片通常包括具有圆整的前缘和尖锐的后缘的翼型件。转子叶片利用其叶片根部连接到风力涡轮机的轮毂。此外，转子叶片借助于变桨轴承（pitchbearing）连接到轮毂，该变桨轴承允许转子叶片的俯仰运动。长的转子叶片经受高风力。

转子叶片可以由连接到彼此的两个半壳体制成。此外，腹板，特别是抗剪腹板（shearweb），可以被布置在所述两个半壳体之间，以加强转子叶片。抗剪腹板可以被布置在两个梁之间，特别是布置在梁帽（sparcap）之间，并且可以被连接到所述梁，特别是连接到所述梁帽。

相对于雷击，转子叶片是风力涡轮机的最暴露的部分。因此，可以设置防雷系统（lps）。防雷系统可以包括避雷导体（或避雷针，lighteningconductor），其可以被连接到腹板并且可以沿腹板的纵向方向延伸。该避雷导体可以被电连接到风力涡轮机叶片的接地系统。此外，通常称为接收器的针对闪电的附接点可以沿叶片表面布置并且连接到避雷导体。

当雷击被防雷系统拦截时，电流借助于避雷导体传输到地面。然而，由于梁可以提供到地面的替代路径，因此可发生避雷导体和例如可包含导电的碳纤维的梁之间的闪络（flash-over）。此外，互感还可能在梁中引起电流。这些影响可引起对梁的结构性损伤，并且可能引起叶片的灾难性故障。为了防止梁的损伤，可以设置避雷导体和梁之间的电连接。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种改进的风力涡轮机叶片。

因此，提供了一种用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片。该风力涡轮机叶片包括：腹板，其沿所述叶片的纵向方向延伸；导电的梁，其沿所述叶片的所述纵向方向延伸，并且被连接到所述腹板；避雷导体，其沿所述叶片的所述纵向方向延伸，并且被附接到所述腹板；以及包含碳纤维的板层（ply），其中，所述板层被附接到所述避雷导体和所述梁二者，以将所述避雷导体电连接到所述梁。

与已知的风力涡轮机叶片对比，提供了避雷导体和梁之间的大范围和连续的电连接。这具有以下优点，即：例如，可以代替将避雷导体与梁电连接的多个线缆。所述板层可以被设计为所述腹板的结构改进。因此，仅需要对风力涡轮机叶片制造过程的微小调整。因此，简化了这样的风力涡轮机叶片的生产。此外，由于所述板层为避雷导体和梁提供了大的接触表面，所以可以减少这种电连接的故障。而且，易于拱起的从金属到碳的关键连接被设置成远离梁，并且因此，最小化了梁处的结构上严重损坏的风险。此外，由于具有碳纤维的板层与由金属制成的板层相比重量轻，所以所述板层用作有效的增强元件。

所述梁可以包括碳纤维和/或例如可以是梁帽。特别地，所述梁可以由复合材料制成，特别是由碳纤维增强聚合物（cfrp）制成，其中，可以例如仅借助于碳纤维来实现导电性。此外，所述梁可以是第一梁和/或第一梁帽。

所述腹板例如可以是抗剪腹板。此外，所述腹板可以是风力涡轮机叶片的支撑结构。优选地，所述腹板被构造成防止风力涡轮机叶片的折曲或屈曲。优选地，所述腹板形成布置在外叶片壳体的第一半壳体的内表面和外叶片壳体的第二半壳体的内表面之间的壁、肋或纵梁。优选地，所述腹板被设置为单件式主体，该单件式主体例如由复合材料制成，特别是由纤维增强塑料材料和/或木材（例如，合板）制成。优选地，所述腹板不导电和/或绝缘。

优选地，所述风力涡轮机叶片包括用于闪电的接收器，该接收器沿外叶片壳体的外表面布置并且被电连接到避雷导体。

“板层”可以意指具有一定的长度、宽度和厚度的结构元件，其中，长度的量和宽度的量为厚度的量的至少5倍、10倍、15倍、20倍、30倍、40倍或更多倍。所述板层可以包括并排布置的多个板层段，其中，每个板层段都被附接到避雷导体和梁。优选地，这些板层段可以间隔地设置。特别地，可以提供板层段之间的间隙（板层段之间的距离）。附加地或替代地，可以提供板层段之间的重叠。替代性地，所述板层可以是单件式元件。特别地，所述板层可以是碳板层（carbonply）。

所述避雷导体可以是引下导体（downconductor）。所述避雷导体可以包含金属。特别地，可以设置两个或更多个避雷导体，该两个或更多个避雷导体平行布置，各自电连接到梁。优选地，仅设置一个避雷导体。

优选地，所述板层与梁和/或所述板层与避雷导体之间的连接借助于叶片的真空灌注（vacuuminfusion）来形成。因此，优选地，在叶片铸造之后不需要进行附加的连接。优选地，所述板层的导电的碳纤维被附接到梁的碳纤维，使得电流可以从避雷导体流动到梁。

根据一个实施例，所述风力涡轮机叶片包括叶片末端和叶片根部，其中，所述避雷导体从所述叶片末端延伸到所述叶片根部，并且其中，所述板层具有如下长度，即：所述长度为所述避雷导体的长度的至少1%、至少10%、至少20%、至少30%、至少40%、至少50%、至少60%、至少70%、至少80%、至少90%或至少100%。

这具有以下优点，即：大量的电功率可以通过所述板层来传输。优选地，所述叶片末端和所述叶片根部通过风力涡轮机叶片的外叶片壳体构成，该外叶片壳体特别是具有第一半壳体和第二半壳体。

根据另一实施例，所述板层沿所述板层的全部长度附接到所述避雷导体和所述梁。

这具有以下优点，即：可以提供所述板层与避雷导体以及所述板层与梁之间的可靠接触。此外，特别是借助于连续的等电位联结，连接中的电流密度被最小化，从而使得能够实现连接接口的简单设计。

根据另一实施例，所述板层借助于导电层来附接到所述梁，所述导电层特别是金属层、碳板层部分或混合碳-金属垫（hybridcarbon-metallicmat）。

这具有以下优点，即：可以改善板层和梁之间的连接的导电性。优选地，所述导电层包括金属铜和/或铝网。替代性地，所述导电层可以是碳层。

根据另一实施例，所述风力涡轮机叶片包括具有碳纤维的另一梁，所述碳纤维是导电的，并且所述另一梁被连接到所述腹板，其中，所述板层被附接到所述另一梁，用于将所述避雷导体电连接到所述另一梁。

这具有以下优点，即：可以避免避雷导体和所述另一梁之间的闪络。所述另一梁可以是第二梁帽和/或第二梁。

根据另一实施例，所述腹板位于所述梁和所述另一梁之间，从而形成i形剖面。

这具有以下优点，即：可以在叶片壳体内部设置刚性的i形轮廓，使得可以提供刚性且重量轻的风力涡轮机叶片。优选地，可以设置另一腹板，其平行于所述腹板布置，并且特别地连接到所述梁和所述另一梁。

根据另一实施例，所述风力涡轮机叶片包括具有碳纤维的另一板层，所述另一板层将所述梁电连接到所述另一梁，所述另一板层平行于所述板层布置，并且所述另一板层被附接到所述梁和所述另一梁。

这具有以下优点，即：可以提供加强所述腹板的所述梁和所述另一梁之间的另一电连接。特别地，可以设置沿叶片的纵向方向延伸的第二避雷导体，其中，第一避雷导体被布置在腹板的一侧处，并且第二避雷导体被布置在腹板的从所述一侧掉转的另一侧处。该第二避雷导体可以被附接到所述腹板和所述另一板层。优选地，该第二避雷导体被所述另一板层覆盖。

根据另一实施例，在剖视图中，所述板层环绕所述梁。

这具有以下优点，即：可以改善板层和梁之间的电连接。优选地，所述梁的外表面的至少30%、至少40%、至少50%、至少60%、至少70%、至少80%或更多被所述板层覆盖。

根据另一实施例，所述风力涡轮机叶片包括外叶片壳体，其中，所述梁被连接到所述外叶片壳体。

优选地，所述梁被连接到第一半壳体，并且所述另一梁被连接到第二半壳体。优选地，该第一半壳体和该第二半壳体被连接在一起，或者可以被设置为单件式元件。

此外，还提供了一种具有这样的风力涡轮机叶片的风力涡轮机。

“风力涡轮机”当前是指将风的动能转化成旋转能的装置，该旋转能可以再次通过该装置转化成电能。

本发明的其他可能的实施方式或替代方案还包括本文未明确提及的上文所述或下文关于实施例所述的特征的组合。本领域技术人员还可以向本发明的最基本形式添加个别或孤立的方面和特征。

附图说明

结合附图，通过后续的描述和从属权利要求，本发明的其他实施例、特征和优点将变得显而易见，附图中：

图1示出了根据一个实施例的风力涡轮机的透视图；

图2示出了根据图1的风力涡轮机的风力涡轮机叶片的透视图；

图3示出了图2的剖视图iii-iii；

图4示出了根据一个实施例的图3的详细视图iv；

图5示出了根据另一实施例的图3的详细视图iv；

图6示出了根据另一实施例的图3的详细视图iv；

图7示出了图4的剖视图vii-vii；

图8示出了风力涡轮机叶片的另一实施例的局部剖视图；

图9示出了风力涡轮机叶片的另一实施例的局部剖视图；以及

图10示出了风力涡轮机叶片的另一实施例的局部剖视图。

在附图中，除非另有指示，否则相同的附图标记表示相同或功能上等同的元件。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机1。风力涡轮机1包括转子2，其连接到布置在机舱3内的发电机（未示出）。机舱3被布置在风力涡轮机1的塔架4的上端处。

转子2包括三个风力涡轮机叶片5。风力涡轮机叶片5被连接到风力涡轮机1的轮毂6。这种类型的转子2可以具有例如范围从30米至200米或甚至更大的直径。风力涡轮机叶片5经受高的风荷载。同时，风力涡轮机叶片5需要重量轻。由于这些原因，现代风力涡轮机1中的风力涡轮机叶片5由纤维增强复合材料制成。其中，由于成本原因，玻璃纤维一般优于碳纤维是优选的。常常使用呈单向纤维垫（unidirectionalfibermat）形式的玻璃纤维。

图2示出了风力涡轮机叶片5。风力涡轮机叶片5包括：空气动力学设计的部分7，其被成形为用于最佳地利用风能；以及叶片根部8，其用于将风力涡轮机叶片5连接到轮毂6。此外，风力涡轮机叶片5还包括叶片末端9，其被布置成从叶片根部8掉转（avertedfrom）。风力涡轮机叶片5沿纵向方向l延伸。

图3示出了图2的剖视图iii-iii。风力涡轮机叶片5包括外叶片壳体10，其包括第一半壳体11和第二半壳体12，该第一半壳体11和该第二半壳体12在风力涡轮机叶片5的一侧13处、特别是在后缘处被连接在一起，以及在风力涡轮机叶片5的另一侧14处、特别是在前缘处被连接在一起，以形成风力涡轮机叶片5的外壳体10。叶片壳体10可包括复合纤维材料。此外，第一半壳体11和第二半壳体12可以被胶合在一起。替代性地，叶片壳体10也可以被设置为单件式元件。

第一半壳体11包括内表面15，并且第二半壳体12包括彼此相对的内表面16，其中，风力涡轮机叶片5的内部空间17由所述内表面15、16限定。腹板18位于内部空间17内，该腹板18从第一半壳体11的内表面15延伸到第二半壳体12的内表面16。风力涡轮机叶片5还包括连接到第一半壳体11的第一梁19和连接到第二半壳体12的第二梁20。第一梁19和第二梁20是导电的并且沿纵向方向l延伸。

腹板18位于第一梁19和第二梁20之间，其中，腹板18和梁19、20形成i形剖面。腹板18和梁19、20形成支撑结构，其防止风力涡轮机叶片5的断裂或折曲（crippling）。腹板18沿叶片5的纵向方向l延伸。此外，设置了避雷导体21，其沿纵向方向l延伸并且被附接到腹板18。此外，还设置了包含碳纤维的板层22。

板层22被附接到避雷导体21和第一梁19二者，以将避雷导体21电连接到第一梁19。优选地，板层22也被连接到第二梁20。此外，还设置另一板层23，其包括将第一梁19与第二梁20电连接的碳纤维。该另一板层23平行于板层22布置，并且被附接到第一梁19和第二梁20。该另一板层23被布置在腹板18的从板层22掉转的一侧24处。

替代性地，叶片5可以被设置成没有该另一板层23。

图4示出了图3的详细视图iv。与图3相反，未设置所述另一板层23（参见图3）。第一梁19的面向腹板18的表面25被腹板18分成第一部分26（左侧部分）和第二部分27（右侧部分）。板层22仅覆盖梁19的所有表面中的第一部分26并且被连接到该第一部分26。“覆盖”可意味着板层22被直接或间接地连接到梁19并且提供重叠。

此外，腹板18还可以借助于作为用于腹板18的容纳器（未示出）的连接元件来连接到第一梁19和/或第二梁20。

图5示出了风力涡轮机叶片5的另一实施例的图3的详细视图iv。与图4相反，板层22环绕梁19，使得仅部分26、从表面25掉转的表面28以及连接部分26和表面28的表面29被板层22覆盖。替代性地（未示出），板层22可以完全地环绕梁19，使得表面25的部分27也被板层22覆盖。

图6示出了风力涡轮机叶片5的另一实施例的图3的详细视图iv。与图4相反，板层22借助于导电层30、特别是金属层或碳层来附接到第一梁19。这样的金属层可包括金属铜和/或铝网。

图7示出了图4的剖视图vii-vii。避雷导体21具有基本上从叶片末端9延伸到叶片根部8的长度l1（参见图2）。此外，板层22沿纵向方向l具有长度l2。板层22沿板层22的全部长度l2附接到避雷导体21和第一梁19。

特别地，板层22具有长度l2，该长度l2为避雷导体21的长度l1的至少10%、至少20%、至少30%、至少40%、至少50%、至少60%、至少70%、至少80%、至少90%或至少100%。

图8示出了风力涡轮机叶片1的另一实施例的局部剖视图。与图4对比，设置了沿叶片5的纵向方向l延伸的第二避雷导体31，其中，第一避雷导体21被布置在腹板18的一侧32处，并且第二避雷导体31被布置在腹板18的从所述一侧32掉转的另一侧35处。第二避雷导体31被附接到腹板18和所述另一板层23。第二避雷导体31被所述另一板层23覆盖。所述另一板层23如图3中所述的来布置。

图9示出了风力涡轮机叶片1的另一实施例的局部剖视图。与图4对比，板层22接触完整的表面25，其中，板层22在梁19的边缘33处弯曲，使得部分27被板层22双层覆盖并且进一步朝向避雷导体21延伸。此外，腹板18借助于板层22来连接到梁19。

图10示出了风力涡轮机叶片1的另一实施例的局部剖视图。与图3对比，梁19借助于板层34来连接到半壳体11，所述板层34特别是具有碳纤维并且导电。板层34覆盖完整的表面28并且被连接到该表面28。板层34附接板层22和板层23。特别地，梁20借助于板层36来连接到半壳体12，所述板层36特别是具有碳纤维并且导电。板层36可以与板层34等同地设置。

尽管已根据优选实施例描述了本发明，但是对本领域技术人员而言显而易见的是，在所有实施例中修改都是可能的。特别地，板层22可以按与连接到第一梁19相同的方式来连接到第二梁20。