用于风力涡轮机的叶片和用于制造叶片的方法与流程

1.本发明涉及一种用于风力涡轮机的叶片和用于制造叶片的方法，具体而言，涉及包括防结冰系统和防雷电系统的叶片。


背景技术：

2.具有防结冰系统和防雷电系统的风力涡轮机的叶片在本领域中是已知的。考虑到风力涡轮机，并且特别是这些涡轮机的叶片被雷击的可能性高，有必要为叶片配备防雷电系统，以使叶片中的雷电影响最小化，特别是使叶片和/或风力涡轮机中所包括的电气元件中的雷电影响最小化。
3.另一方面，已知在叶片的外部层压件中（特别是在前缘区域中）包括导电金属片材的叶片，以用于防止形成不利地影响风力涡轮机的效率的冰。
4.叶片中的防结冰系统的存在也会影响防雷电系统的效率。为了避免这种问题，ep 2857678a1描述了一种保护系统，其能够在每当检测到雷击时禁用加热模式并启用防雷电模式。该保护系统包括至少一个电涌保护装置，该电涌保护装置将连接到该防结冰系统的导电片材的电极直接连接到该防雷电系统的雷电引下电缆。
5.wo 2018/095649a1描述了一种包括防雷电系统的叶片，该防雷电系统具有用于将由接收器接收的雷电电流传导到接地端子的引下电缆，以及布置在叶片壳体的外表面上的导电层，引下电缆和导电层通过连接电涌装置电连接，使得它们的电势均衡。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种如权利要求中所限定的用于风力涡轮机的叶片和用于制造叶片的方法。
7.本发明的方面涉及一种用于风力涡轮机的叶片，其包括防结冰系统、防雷电系统以及将防结冰系统与防雷电系统连接以确保两个系统的等电势的电涌保护装置。所述防结冰系统包括连接到供电电缆的加热装置，所述防雷电系统包括至少一个雷电引下导体，并且被构造成将击中所述叶片的雷电通过所述雷电引下导体传导到地面。
8.加热装置包括至少一个第一辐射元件和至少一个第二辐射元件，所述至少一个第一辐射元件和所述至少一个第二辐射元件围绕叶片的前缘彼此面对地布置，其中第一辐射元件通过相应的电连接器在相应的连接点处连接到供电电缆。雷电导体通过相应的电涌保护装置在连接点处连接到每个供电电缆，其中第二辐射元件电连接到第一辐射元件，从而第二辐射元件仅通过第一辐射元件供电。这样，通过第一辐射元件和第二辐射元件之间的电连接，防结冰系统和防雷电系统电气地等电势。一旦第一辐射元件和第二辐射元件电连接，不仅第二辐射元件被供电，而且叶片的整个防雷电系统保持连接并相对于防结冰系统等电势。
9.获得了具有两个独立电路的叶片，所述电路包括防雷电系统和防结冰系统。每个壳体包括一个独立的电路，两个电路通过将第二辐射元件连接到第一辐射元件而连接。这
样，电连接被最小化和优化。
10.本发明的另一方面涉及一种用于制造具有前述特征的叶片的方法。该方法包括以下步骤；-在第一模具中沉积将形成叶片的下壳体的多个织物层或织物片材，在第一模具的前缘区域中的至少一个第一辐射元件，以及与第一模具的腔接触并且与第一辐射元件的一个电气端子接触的至少一连接元件，该连接元件被构造成在下壳体中限定位于第一辐射元件上方、特别是位于第一辐射元件的电气端子上方的接触表面，-模制该下壳体，-将第一辐射元件的第一电气端子连接到第一供电电缆，将第一辐射元件的第二电气端子连接到第二供电电缆，并将雷电下引导体通过相应的电涌保护装置连接到每个供电电缆，-在第二模具中沉积将形成叶片的上壳体的多个织物层或织物片材，包括位于第二模具的前缘区域中的至少一个第二辐射元件以及与第二模具的腔和第二辐射元件的端子接触的至少一连接元件，所述连接元件构造成在上壳体中限定位于第二辐射元件上方、特别是在第二辐射元件的电气端子上方的接触表面，-将两个模具抵靠彼此闭合，其中第一模具的连接元件和第二模具的连接元件彼此面对，并且将上壳体和下壳体彼此密封，-从模具中移除叶片，以及-将连接装置固定到下壳体的接触表面和上壳体的接触表面，使得第二辐射元件电连接到第一辐射元件，从而仅通过第一辐射元件向第二辐射元件供电。
11.根据本发明的方法更优化，因为其允许在制造过程期间集成辐射元件，并在叶片制造期间以简单的方式集成防雷电系统和防结冰系统两者。因此获得了成本降低的方法。
12.本发明的这些和其他优点和特征将通过附图和本发明的详细描述而变得明显。
附图说明
13.图1示出了根据本发明的叶片的第一实施例的纵向截面。
14.图2示出了图1中所示的叶片的第一辐射元件的细节。
15.图3示出了图1中所示的叶片的第二辐射元件的细节。
16.图4示出了图1中所示的叶片沿线i-i的横截面。
17.图5示出了根据本发明的叶片的第二实施例的横截面。
18.图6示出了根据本发明的叶片的第三实施例的横截面。
19.图7示出图1中所示的叶片的细节。
20.图8示出了根据本发明的叶片的具有下壳体的第一模具的截面。
21.图9示出了根据本发明的叶片的具有顶部壳体的第二模具的截面。
具体实施方式
22.图1示出了根据本发明的用于风力涡轮机的叶片1，其包括防结冰系统20和防雷电系统30。防结冰系统20包括连接到供电电缆40和41的加热装置21。加热装置21包括如图所示围绕叶片1的前缘7彼此相邻布置的至少第一辐射元件22和至少第二辐射元件26，其中第
一辐射元件22通过在相应连接点c1和c2处的相应电连接器34a和34b连接到供电电缆40和41。特别地，第一辐射元件22在第一连接点c1处通过第一电连接器34a连接到第一供电电缆40，并且在第二连接点c2处通过第二电连接器34b连接到第二供电电缆41。每个供电电缆40和41在叶片1的下壳体4内部沿着叶片1在长度方向（纵向,lengthwise）上延伸。
23.防雷电系统30包括至少一个雷电引下导体（引下线，down conductor）31，其被构造成通过风力涡轮机的毂(图中未示出)将至叶片的雷击传导到地面。雷电引下导体31从叶片1的一端纵向延伸到叶片1。雷电引下导体31在连接点c1和c2处连接到每个供电电缆40和41。防雷电系统30还包括在叶片1的尖端9处的雷电接收器32。该雷电接收器32连接到雷电引下导体31。
24.叶片1还包括电涌保护装置33 (也称为spd)，其将防结冰系统20与防雷电系统30连接，确保两个系统30和20的等电势并避免电弧。雷电引下导体31被布置成通过相应电涌保护装置33在相应连接点c1和c2处连接到每个供电电缆40和41。特别地，一个电涌保护器装置33在第一连接点c1处连接到第一供电电缆40，在第三连接点c3处连接到雷电引下导体31，并且另一个电涌保护装置33'在第二连接点c2处连接到第二供电电缆41，并且在第四连接点c4处连接到雷电导体31，如图2中所示。
25.第二辐射元件26不与任何供电电缆40和41连接。所述第二辐射元件26与第一辐射元件22电连接，使得第二辐射元件26仅通过第一辐射元件22供电。
26.叶片1包括具有上壳体3和下壳体4的主体2，以及腹5。每个辐射元件22和26均围绕前缘7布置在主体2中，特别地，第一辐射元件22布置在下壳体4中，并且第二辐射元件26布置在上壳体3中，使得两个辐射元件22和26均围绕叶片1的前缘7彼此面对，但不直接接触。辐射元件22和26分别布置在下壳体4和上壳体3上。特别地，辐射元件22和26嵌入相应的壳体3和4中，通过外部覆层11保护其不受外部影响，防止所述外部覆层11在彼此靠近布置的两个辐射元件22和26之间可能发生的任何短路。供电电缆40和41布置在下壳体4内部。
27.加热装置21的每个辐射元件22和26包括电阻元件23和27以及在每个电阻元件23和27的每个端部处的电气端子24a、24b、28a和28b。每个电气端子24a、24b、28a和28b连接到相应的金属块25和29，这使得所述电气端子与相应的电涌保护装置33或相应的电连接器34a和34b之间的电连接容易。在实施例中，每个金属块25和29嵌入相应的壳体3和4中。在其他实施例中，每个金属块25和29固定到相应的壳体3和4的内表面。
28.叶片1包括导电装置35，第二辐射元件26通过该导电装置与第一辐射元件22电连接。特别地，第一辐射元件22的至少第一端子24a和第二辐射元件26的第一端子28a被布置成通过所述导电装置35彼此连接。在本发明的实施例中，第一辐射元件22的第二端子24b和第二辐射元件26的第二端子28b也被布置成通过所述导电装置35彼此连接。导电装置35未嵌入叶片1中，它们在上壳体3和下壳体4中的接触区域12和13中固定到辐射元件22和26，辐射元件22和26在所述接触区域12和13中未被外部覆层11覆盖。
29.在本发明的实施例中，导电装置35包括分别直接连接到辐射元件22和26的端子24a、24b、28a和28b的扁平导体。扁平导体优选地粘合到上壳体3和下壳体4的接触区域12和13。
30.在本发明的另一实施例中，导电装置35包括分别直接附接到辐射元件22和26的端子24a、24b、28a和28b的金属网。扁平导体优选地至上壳体3和下壳体4的接触区域12和13。
31.在实施例中，叶片1包括：附加电涌保护器装置33'，其将雷电下引导体31与第二供电电缆41连接，使得附加电涌保护器装置33'的一端连接到第三连接点c3；以及另一附加电涌保护器装置33'，其将雷电下引导体31与第一供电电缆40连接，使得所述附加电涌保护器装置33'的一端连接到第四连接点c4。
32.每个电涌保护装置33和33'称为spd，其作为在电涌的短时间期间闭合的开关工作，即，其作为当没有超过特定电压时防止电流通过的断开开关工作，并且其作为当超过特定电压时的闭合开关工作。当超过规定电压时，过电压电流可以通过雷电引下导体31流到地面，或者通过相应的供电电缆40和41流到供电网。这种类型的短路仅持续电涌的持续时间，通常为几微秒。电涌保护装置33可以基于火花隙技术。在其他实施例中，电涌保护装置基于变阻器技术和/或气体放电管或其他。
33.在实施例中，辐射元件22和26是电阻元件。优选地，辐射元件22和26包括双轴碳织物。
34.在实施例中，辐射元件22和26的电气端子24a、24b、28a和28b是附接到电阻元件23和27的金属丝网，优选地由铜制成。
35.在实施例中，叶片1由碳纤维制成，叶片1包括在腹5上纵向延伸的碳梁8。在这些由碳纤维制成的叶片1中，电涌保护装置33的一端连接到相应的碳梁8。类似地，辅助电涌保护装置33'的其中一端连接到相应的碳梁8。
36.在图4、图5、图8和图9中所示的实施例中，叶片1由如上所述的碳纤维制成。雷电引下导体31和供电电缆40和41沿着芯5延伸，特别地，它们布置在下壳体4中。叶片1在下壳体4中包括一个电涌保护装置33，该电涌保护装置在一端在第一连接点c1处连接到第一供电电缆40，并且在另一端在第三连接点c3处连接到雷电引下导体31并且连接到包括在下壳体4中的碳梁8。
37.叶片1包括在下壳体4中的另一电涌保护装置33，该电涌保护装置在一端在第二连接点c2处连接到第二供电电缆41并且在另一端在第四连接点c4处连接到雷电引下导体31并连接到包括在下壳体4中的碳梁8。此外，叶片1包括辅助电涌保护装置33'，该辅助电涌保护装置位于下壳体4中，并且在一端处连接到第二供电电缆41并且在另一端处连接到位于下壳体4中的碳梁8和雷电引下导体31。叶片1还包括金属块25和29，每个金属块都固定在下壳体4和上壳体3的相应内表面上，辐射元件22和26的电连接器34a和34b固定在所述金属块25和29上。第一供电电缆40连接到下壳体4中的相应金属块25，并且电涌保护装置33连接到上壳体3中的相应金属块29。
38.最后，叶片1在上壳体3中包括电涌保护装置33，该电涌保护装置在一端处连接到第二辐射元件26并且在另一端处连接到碳梁8。
39.在图5中所示的本发明的另一实施例中，叶片1也由碳纤维制成，但在主体2的每个壳体3和4中包括雷电引下导体31，即，其包括在下壳体4中的雷电引下导体31和在上壳体3中的另一雷电引下导体31。在上壳体3中的雷电引下导体31通过另一电涌保护装置33连接到第二辐射元件26，防雷电系统30通过第一辐射元件22和第二辐射元件26之间的电连接而在两个壳体3和4中等电势。优选地，两个雷电引下导体31都嵌入相应的壳体3和4中。
40.第一辐射元件22、供电电缆40和41、容纳在下壳体4中的雷电引下导体31之间的电连接与图4中所示的前述实施例所述的电连接类似。
41.在上壳体3中，电涌保护装置33的一端连接到雷电引下导体31，所述雷电引下导体31也连接到翼梁8。
42.在图6中所示的另一实施例中，叶片1由玻璃纤维制成，并且不包括碳梁。叶片1包括在下壳体4中的一个雷电引下导体31和一个电涌保护装置33，电涌保护装置33在一端在第一连接点c1处连接到第一供电电缆40，并且在另一端处连接到雷电引下导体31。叶片1还包括容纳在下壳体4中的辅助电涌保护装置33'，辅助电涌保护装置33'在一端处连接到第二供电电缆41，并且在另一端处连接到雷电引下导体31。
43.最后，加热元件21可包括位于下壳体4中的多个第一辐射元件22和位于上壳体3中的多个第二辐射元件26，这两个辐射元件22和26都沿着叶片1的前缘7布置并且彼此面对。在图中所示的实施例中，加热装置21包括彼此相对布置的三个第一辐射元件22和三个第二辐射元件26。
44.本发明的另一方面是一种用于制造具有前述特征的叶片的方法。该方法包括以下步骤：-在第一模具50中沉积将形成叶片1的下壳体4的多个织物层或织物片材10、在第一模具50的前缘区域53中的至少一个第一辐射元件22、以及与第一模具50的腔51和第一辐射元件22的一个电气端子24a、24b接触的至少一连接元件55，连接元件55构造成在下壳体4中限定位于第一辐射元件22上方、特别是位于第一辐射元件22的电气端子24a、24b上方的接触表面12；-模制下壳体4；-将第一辐射元件22的第一电气端子24a连接到第一供电电缆40上、将第一辐射元件22的第二电气端子24b连接到第二供电电缆41上、并将雷电引下导体31通过相应的电涌保护装置33连接到每个供电电缆40和41上；-在第二模具60中沉积将形成叶片1的上壳体3的多个织物层或织物片材10，包括位于第二模具60的前缘区域63中的至少一个第二辐射元件26，以及与第二模具60的腔61和第二辐射元件26的端子28a和28b接触的至少一连接元件65，连接元件65构造成在上壳体3中限定位于第二辐射元件26上方、特别是位于第二辐射元件26的电气端子28a和28b上方的接触表面64；-将两个模具50和60彼此相对闭合，其中第一模具50的连接元件12和第二模具60的连接元件13彼此面对，并且将上壳体3和下壳体4彼此密封；-从模具50和60中移除叶片1；以及-将导电装置35固定到下壳体4的接触表面55和上壳体3的接触表面65上，使得第二辐射元件26电连接到第一辐射元件22上，从而第二辐射元件26仅通过第一辐射元件22供电。
45.第一模具50和第二模具60的前缘区域53和63形成叶片1的前缘7。
46.每个连接元件55和65布置在相应的前缘区域53和63的特定区域中，在叶片1上产生相应的接触表面12和13。接触表面12和13彼此面对。在每个模具50和60中，连接元件55和65布置成与相应的腔51和61的腔界定表面52和62接触，并且与辐射元件22和26接触。
47.在所述接触表面12和13中，第一辐射元件22和第二辐射元件26没有被外部覆层11或任何其他纤维或织物覆盖，即它们是暴露的并且是可见的。特别地，这些接触区域12和13
至少形成在第一辐射元件22的第一端子24a上和第二辐射元件26的第一端子28a上。
48.下壳体4和上壳体3通过真空注入工艺模制。一旦多个织物层或织物片材10、第一辐射元件22和相应的连接元件55被沉积在腔51和61中，就施加真空并将树脂注入相应的模腔51和61中。在固化之后，分别获得下壳体4和上壳体3。
49.在一个实施例中，金属块25和29在固化之后固定到相应的壳体3和4，相应的辐射元件22和26连接到所述金属块25和29。在另一实施例中，每个金属块25和29布置在多个层10之间，嵌入在它们之间。
50.在图5中所示的实施例中，一个雷电引下导体31布置在每个模具50和60中。第二辐射元件26通过容纳在上壳体3中的另一电涌保护装置33连接到另一雷电导体31，防雷电系统30通过导电装置35而在两个壳体3和4中等电势。在该实施例中，两个雷电引下导体31都嵌入相应的壳体3和4中。相应的雷电引下导体31在施加真空之前与相应的梁翼8连接。
51.一旦下壳体4被模制，腹5就固定到下壳体4上。随后，供电电缆40和41被布置成沿芯5引导。第一辐射元件22连接到相应的金属块25上。之后，相应的电连接器34a和34b、第一供电电缆40、第二供电电缆41、电涌保护装置33和33'以及雷电下引导体31之间的电连接如先前在说明书中已经描述的那样进行。
52.在闭合两个模具50和60之前，第一辐射元件22、供电电缆40和41、雷电引下导体31和相应的电涌保护装置33和33'之间的相应电连接在第一模具50中进行，如前所述的。容纳/包括在上壳体3中的元件和容纳/包括在下壳体4中的元件的电连接被彼此独立地连接。
53.一旦叶片1脱模，相应的连接元件55和65从相应的接触表面12和13上移除，导电装置35固定在所述接触表面12和13上。
54.在实施例中，每个连接元件55和65具有矩形几何形状，从而产生基本上矩形的接触表面12和13。
55.在优选实施例中，导电装置35粘合到下壳体4的接触表面12和上壳体3的接触表面13上。在叶片1脱模之后，导电装置35通过固化粘合剂固定到所述接触表面12和13上。特别地，每个连接元件55和65是粘合带，优选地是塑料，其放置在每个模具50和60中，用于限定接触表面12和13，一旦叶片1从模具50和60移除，该粘合带被移除。一旦移除粘合带，导电装置35就粘合到粘合剂浸渍的接触表面12和13。在两种情况下，可以在导电装置35上施加压力以增强固定过程。
56.在其他实施例中，导电装置35可以通过任何其他已知的手段固定到接触表面12和13。
57.在实施例中，层10可以是碳层或片材，第一和第二模具50和60容纳碳梁8，使得所述碳梁8嵌入叶片1中。包括在第一模具50和第二模具60中的碳梁8电连接至相应的电涌保护装置33和33'和/或雷电引下导体31，如先前在说明书中已经描述的。
58.在叶片1包括多个第一辐射元件22和多个第二辐射元件26的其他实施例中，每个模具50和60将包括用于每个第一辐射元件22和用于每个第二辐射元件26的至少一个连接元件55和65，所述连接元件55和65布置成彼此面对。
59.针对叶片在其任何实施例和/或构造中所描述的内容对于用于制造叶片的方法的实施例和/或构造也是有效的。