專利名稱：具有除冰與避雷保護(hù)的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉，該槳葉包含沿所述槳葉縱向伸展的第一與第二導(dǎo)電體，以及一個(gè)或一個(gè)以上同第一與第二導(dǎo)電體連接并且用于加熱所述槳葉表面的電加熱元件。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機(jī)經(jīng)常受到由天氣條件與自然力引起的破壞作用。一般講，本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機(jī)的保護(hù)，但更精確地講，則涉及保護(hù)風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉，使其不致由于槳葉表面結(jié)冰與雷擊而遭受破壞或不希望的后果。
飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰為人熟知，并且由于一些原因而成為嚴(yán)重問題。結(jié)冰能改變機(jī)翼的空氣動力翼型，從而破壞機(jī)翼的升力性能。此外，冰塊在飛行時(shí)可能碎裂，從而損壞螺旋槳或渦輪機(jī)葉片。在多數(shù)地方，飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰問題通過飛機(jī)起飛前接受特種化學(xué)藥劑的噴灑而已得到解決。
風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的結(jié)冰也有一些負(fù)面的效果。結(jié)冰也會因?yàn)楦淖円硇投淖兯鰴C(jī)翼的空氣動力性能，這對效率產(chǎn)生負(fù)面效果。此外，風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉上的不均勻結(jié)冰會在風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)上形成劇烈的不對稱載荷，從而造成故障。最后，從翼上甩出去的冰塊對例如靠近風(fēng)力渦輪機(jī)的建筑物和人員構(gòu)成嚴(yán)重的危險(xiǎn)。近年來，由于有越來越多的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)置在有高度結(jié)冰危險(xiǎn)的地區(qū)，此問題經(jīng)增加了。
風(fēng)力渦輪機(jī)漿葉上的冰可以通過加熱槳葉表面而被除去。加熱可以通過數(shù)條途徑實(shí)現(xiàn)。DE 19621 485公開了一種利用熱空氣內(nèi)部加熱除冰的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉。WO 98/53200公開了一種利用含有導(dǎo)電纖維的加熱元件除冰的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉。該加熱元件可以安排在風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉外面或埋入其內(nèi)。表面加熱的結(jié)果使風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉表面和冰層之間的界面聯(lián)結(jié)溶解，并使冰層像雪片似地“剝落飛離”。
近代的風(fēng)力渦輪機(jī)通常是聳立在地面上的龐大結(jié)構(gòu)，因而每年都有許多風(fēng)力渦輪機(jī)遭受雷擊。每次雷擊能在一段極短時(shí)間內(nèi)形成大小達(dá)10～200KA的極強(qiáng)電流。由雷擊引起的破壞是不同的從例如保險(xiǎn)絲燒斷而造成的生產(chǎn)暫時(shí)中斷直至一片或一片以上槳葉損壞引起的整個(gè)結(jié)構(gòu)損壞。近年來，保護(hù)風(fēng)力渦輪機(jī)免遭雷擊的系統(tǒng)相應(yīng)地有了發(fā)展。
WO 96/07825公開了一種風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的雷擊保護(hù)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，葉尖上備有一個(gè)用導(dǎo)電材料制成的所謂閃電接收器。此閃電接收器可以“逮住”雷擊，并引導(dǎo)閃電電流向下通過一根沿著槳葉縱向伸展并通過風(fēng)力渦輪機(jī)槳轂接地的避雷針。此系統(tǒng)證明具有特別有效的保護(hù)作用。
發(fā)明簡介本發(fā)明的目標(biāo)是提出一種以簡單、經(jīng)濟(jì)并且可靠的方式保護(hù)風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉從而避免結(jié)冰和雷擊的裝置。
本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的特征在于所述風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉本身備有一個(gè)避雷針系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一個(gè)在風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉葉尖上的閃電接收器與一個(gè)同所述閃電接收器實(shí)現(xiàn)電連接并且在葉根接地的第三導(dǎo)電體，同時(shí)還有第一與第二導(dǎo)電體通過靠近閃電接收器的火花隙同所述閃電接收器連接，并通過葉根處的火花隙接地。結(jié)果獲得能夠除冰的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉，而且該槳葉和該加熱元件受到防止雷擊的有效保護(hù)，因?yàn)榇藭r(shí)閃電電流主要地通過第三導(dǎo)電體入地，次要地由于在火花隙中形成電弧而通過第一與第二導(dǎo)電體入地?？缭郊訜嵩碾娢徊町?dāng)雷擊時(shí)常為零，因而無破壞性強(qiáng)的電流流過所述加熱元件。
按照本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施例，靠近葉根的第一導(dǎo)電體通過一個(gè)過壓斷路器和第一電流相位連接，而靠近葉根的第二導(dǎo)電體通過一個(gè)過壓斷路器和第二電流相位連接。結(jié)果，由于在雷擊情況下過壓斷路器分別切斷電源同第一與第二導(dǎo)電體的電連接，因而有效地保護(hù)了電源。
按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)先實(shí)施例，加熱元件位于槳葉的外部表面上。結(jié)果由于所述槳葉強(qiáng)度不因此種配置而減小，故無需改變槳葉的結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，由于加熱元件成片狀嵌入槳葉材料內(nèi)，因而風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的表面性能以及所述槳葉的空氣動力性能得以保持不變。
加熱元件最好用金屬箔制造，從而使風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的表面可以得到均勻加熱。此種金屬箔亦可粘在風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的表面上，因而不致顯著改變槳葉的空氣動力性能。
按照一個(gè)實(shí)施例，第一與第二導(dǎo)電體可以安排在風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的壁內(nèi)，而第三導(dǎo)電體塞入所述槳葉的內(nèi)腔。其結(jié)果保證了加熱元件分別和第一與第二導(dǎo)電體之間的間隔小。
加熱元件最好安排在槳葉前緣，因?yàn)楫?dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)工作時(shí)，結(jié)冰常從此處開始。
本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉可以包含一個(gè)回轉(zhuǎn)葉尖，至少有一部分第一與第二導(dǎo)電體伸入所述回轉(zhuǎn)葉尖內(nèi)，并且通過彈性接觸件和在槳葉其余部分中伸展的相同導(dǎo)電體部分連接，同時(shí)在相同導(dǎo)電體的兩部分之間，還備有和每個(gè)接觸件平行的火花隙。結(jié)果，在葉尖內(nèi)伸展的部分第一與第二導(dǎo)電體分別和其余槳葉之間便實(shí)現(xiàn)電連接的同時(shí)，因?yàn)樗鲩W電電流通過火花隙間的電弧，從而使接觸件避免閃電電流從而被焊住的危險(xiǎn)。這樣便獲得一種能對結(jié)冰和雷擊實(shí)現(xiàn)簡單有效保護(hù)的帶有回轉(zhuǎn)葉尖的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉。
附圖簡介通過用圖表示的優(yōu)先實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行較詳細(xì)的說明。其中

圖1為風(fēng)力渦輪機(jī)的前視圖；圖2為一風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉和一風(fēng)力渦輪機(jī)槳轂的前視圖；圖3為通過本發(fā)明一個(gè)優(yōu)先實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的橫截面視圖；圖4為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)先實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉簡圖；圖5用大比例更詳細(xì)地表示圖4所示槳葉的一部分；圖6表示本發(fā)明一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的葉尖。
圖7表示本發(fā)明風(fēng)力渦輪機(jī)帶回轉(zhuǎn)葉尖槳葉的一部分。
實(shí)施本發(fā)明的最佳模式圖1所示風(fēng)力渦輪機(jī)基本上包含一個(gè)立柱31、一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)槳轂30和三個(gè)槳葉25，該槳葉在圖示實(shí)施例中備有一個(gè)回轉(zhuǎn)葉尖26。該葉尖26可以相對于槳葉的其余部分轉(zhuǎn)動90°，起著空氣制動器的作用。圖2用大比例表示一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉25。槳葉25靠近槳轂30的部分稱為葉根35。在風(fēng)力渦輪機(jī)工作時(shí)，槳葉按箭頭方向32旋轉(zhuǎn)。位于旋轉(zhuǎn)方向前面的邊緣稱為前緣33，而位于所述旋轉(zhuǎn)方向后面的邊緣稱為后緣34。
圖3為按III-III線通過圖2風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉取的橫截面視圖。該槳葉系一擁有一個(gè)內(nèi)腔的單殼結(jié)構(gòu)。下文將詳細(xì)介紹圖3。
圖4為本發(fā)明一項(xiàng)優(yōu)先實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的一部分簡圖。所示部分的幾何尺寸和風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的幾何尺寸相應(yīng)，而且包括了風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉葉尖上的閃電接收器5，一個(gè)第一導(dǎo)電體1，一個(gè)第二導(dǎo)電體2和一個(gè)第三導(dǎo)電體3，一些電加熱元件4，四個(gè)火花隙7a、7b、9a、9b、以及兩個(gè)過壓斷路器6a、6b。該閃電接收器5，即避雷針由一暴露在葉尖上且能接受雷擊的金屬零件構(gòu)成。該閃電接收器5通過導(dǎo)電體3接地20。該接地當(dāng)然是通過風(fēng)力渦輪機(jī)的槳轂30和立柱31實(shí)現(xiàn)的。在圖4所示實(shí)施例中，該裝置包含三個(gè)分別和第一與第二導(dǎo)電體(1，2)連接的電加熱元件4。該第一與第二導(dǎo)電體(1，2)在風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的葉根35處通過過壓斷路器6a、6b分別同三相AC電源的第一電流相位37a與第二電流相位37b連接，并且通過火花隙9a、9b接地。當(dāng)電壓饋給相位端子37a、37b時(shí)，電流通過電加熱元件4進(jìn)而加熱風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉表面并溶解表面和可能的冰層的界面聯(lián)結(jié)。結(jié)果冰層剝落飛離。在風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉葉尖上，在第一導(dǎo)電體1與第二導(dǎo)電體2分別和閃電接收器5之間存在火花隙7a、7b。當(dāng)雷擊時(shí)，閃電電流立即從閃電接收器5通過第三導(dǎo)電體3入地。但是，在閃電接收器5分別和第一導(dǎo)電體1與第二導(dǎo)電體2之間，以及在第一導(dǎo)電體1與第二導(dǎo)電體2分別和地之間的火花隙7a、7b、9a、9b間迅速產(chǎn)生電弧，結(jié)果所述閃電電流也通過第一與第二導(dǎo)電體入地。但是，通過主要的第三導(dǎo)電體3傳走的閃電電流比通過第一與第二導(dǎo)電體的閃電電流強(qiáng)大得多。該通過第一導(dǎo)電體1與第二導(dǎo)電體2的較強(qiáng)閃電電流起作用使過壓斷路器6a、6b斷絕電源37a、37b同兩個(gè)導(dǎo)電體1，2之間的連接。正確而均勻地設(shè)計(jì)火花隙和第一導(dǎo)電體1與第二導(dǎo)電體2保證向下通過第一導(dǎo)電體1與第二導(dǎo)電體2的電位降均勻，因而沒有破壞性強(qiáng)的電流通過加熱元件。易言之，總的閃電電流在三個(gè)導(dǎo)電體1、2和3之間進(jìn)行分配，因而避免由于雷擊而破壞對槳葉材料的加熱和對加熱元件的破壞。
圖5用較大比例表示圖4所示槳葉的一部分。加熱元件4由金屬薄膜構(gòu)成，它能通過電流并有適當(dāng)?shù)碾娮?。另一個(gè)方案是加熱元件可以包括導(dǎo)電碳纖維。在加熱元件4和第一導(dǎo)電體1與第二導(dǎo)電體2之間的端接此處用小片導(dǎo)電元件9和鉚釘10實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)方案是片狀元件9可以焊在導(dǎo)電體1，2和加熱元件4的邊緣上。這兩種固定方法由于可以僅在一側(cè)-例如從槳葉的外側(cè)實(shí)施，故甚有利。
圖6表示葉尖以及閃電接收器5同第二導(dǎo)電體2之間的火花隙7b。此處該火花隙由導(dǎo)電體2端部的圓凹面形成，所述凹面部分地圍繞著閃電接收器5上的桿狀件40。
圖7為一帶回轉(zhuǎn)葉尖26的槳葉截面圖。葉尖26可以圍繞其縱軸線相對于其余槳葉27轉(zhuǎn)動。葉尖26和其余槳葉27之間的回轉(zhuǎn)連接通過軸14實(shí)現(xiàn)，該軸本身為一根典型的碳纖維軸，因此無需于此贅述。位于葉尖26上的導(dǎo)電體1，2部分同所述導(dǎo)電體1，2在槳葉其余部分27中的部分之間的電連接系通過彈性接觸件15實(shí)現(xiàn)。圖7僅表示第二導(dǎo)電體2。出于看得清楚的原因，圖中將葉尖26從而和接觸件15同槳葉的其余部分27脫離開。雖然圖中未示出，但在導(dǎo)電體1，2的兩個(gè)部分之間配置一個(gè)火花隙。在雷擊情況下，有一電弧在此火花隙間產(chǎn)生，結(jié)果將閃電電流從葉尖圍繞接觸件傳入地，于是該接觸件便不致由于過度加熱而焊合。圖7上并未出現(xiàn)第三導(dǎo)電體3，但其在軸14內(nèi)部伸展。該第三導(dǎo)電體3可以用一根控制葉尖26的電線本身構(gòu)成。
加熱元件4要么成片狀嵌入風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的壁內(nèi)，要么裝在外表面上(參看圖3)。在后一情況下，有可能按照希望加熱的槳葉表面區(qū)域確定安裝加熱元件的尺寸和數(shù)量。槳葉前緣33經(jīng)常特別容易結(jié)冰，而在圖3中此前緣33上備有加熱元件4，但是表面上的任何一個(gè)部分或任何一些部分均可裝備加熱元件4。圖3中這些加熱元件出于看得清楚的原因而畫得不正確。它們可以薄到實(shí)際不會改變表面的翼型。不管是加熱元件4成片狀嵌入風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的壁13內(nèi)，還是所述加熱元件裝在所述風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉的外面，此種模塊化結(jié)構(gòu)保證風(fēng)力渦輪機(jī)可以適應(yīng)實(shí)際的天氣條件。
該第一導(dǎo)電體1和第二導(dǎo)電體2可以安排在槳葉外表面，或被埋入葉壁13內(nèi)。在圖3所示實(shí)施例中，它們被安排在表面的凹槽內(nèi)。該第一導(dǎo)電體1與第二導(dǎo)電體2最好用金屬制造，但亦可用碳纖維材料制造，或者選用帶有金屬鍍層碳纖維的碳纖維材料制造。
如果結(jié)構(gòu)正確，即電感相同和跨越部分距離的電位相同，則跨越不管是安排在風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉內(nèi)部的導(dǎo)電體3(參看圖3)，還是跨越兩個(gè)安排在外表面上的導(dǎo)電體1，2均將存在電位降。結(jié)果便可忽略電位均衡，同時(shí)保證雷擊時(shí)跨越加熱元件4的電位差經(jīng)常為零，因此便無破壞力強(qiáng)的電流通過所述加熱元件4。
在相位端子37a，37b和電源之間可以加入一個(gè)開關(guān)繼電器(未示出)，此繼電器可以和風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉表面中的結(jié)冰傳感器連接，從而當(dāng)結(jié)冰傳感器測出冰時(shí)便能在電源和導(dǎo)電體1，2之間建立起電接觸。
電源和相位端子37a，37b連接(見圖4)，交、直流電源均可。電源既可為風(fēng)力渦輪機(jī)的初級電源，亦可為安排在渦輪頂部或底部的次級電源，亦可在所述槳葉內(nèi)部或槳轂內(nèi)部和所述槳葉一同旋轉(zhuǎn)。
此外，導(dǎo)電體可以將電能供給二極用途，例如用于加熱帶葉尖槳葉內(nèi)部的軸管，或用于任何種需要處理信號的能量的溫度傳感器和發(fā)送器，來自傳感器和發(fā)送器的信號利用例如無線電波、激光或光導(dǎo)纖維的其他技術(shù)向下傳入渦輪機(jī)。
本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉，其包含沿槳葉(25)縱向伸展的一個(gè)第一和第二導(dǎo)電體(1；2)，一個(gè)或一個(gè)以上同第一與第二導(dǎo)電體(1；2)連接并用于加熱槳葉表面的電加熱元件(4)，其特征在于槳葉本身備有一個(gè)避雷針系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)在風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉葉尖上的雷電接收器(5)和一個(gè)同所述雷電接收器(5)實(shí)現(xiàn)電連接且在葉根處接地的第三導(dǎo)電體(3)，同時(shí)該第一與第二導(dǎo)電體(1；2)通過靠近雷電接收器(5)的火花隙(7a，7b)同所述閃電接收器連接，并通過火花隙(9a，9b)在葉根處接地。
2.按照權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉，其特征在于靠近葉根的第一導(dǎo)電體(1)通過一個(gè)超壓斷路器(6a)和第一電流相位(37a)連接，而靠近葉根的第二導(dǎo)電體(2)通過一個(gè)超壓斷路器(6b)和第二電流相位(37b)連接。
3.按照前述一項(xiàng)或一項(xiàng)以上權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉，其特征在于該加熱元件(4)從外部配置在風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉(25)的表面上。
4.按照前述一項(xiàng)或一項(xiàng)以上權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉，其特征在于該加熱元件(4)被層壓在槳葉壁(13)內(nèi)。
5.按照前述一項(xiàng)或一項(xiàng)以上權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪槳葉，其特征在于該加熱元件(4)用金屬箔制成。
6.按照前述一項(xiàng)或一項(xiàng)以上權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉，其特征在于該第一和第二導(dǎo)電體(1；2)被配置在風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉壁(13)內(nèi)，而第三導(dǎo)電體(3)則被插入槳葉內(nèi)腔。
7.按照前述一項(xiàng)或一項(xiàng)以上權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉，其特征在于該加熱元件(4)被配置在槳葉(25)的前緣。
8.按照前述一項(xiàng)或一項(xiàng)以上權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉，其特征在于該槳葉本身包含一個(gè)已知的擺動葉尖(26)，同時(shí)至少有一部分第一與第二導(dǎo)電體(1；2)伸入該擺動葉尖(26)，并且通過彈性接觸件(15)和同一導(dǎo)電體(1，2)在其余槳葉部分(27)內(nèi)伸展的部分連接，此外在同一導(dǎo)電體(1，2)的兩個(gè)部分之間，還備有和每個(gè)此種接觸件(15)平行的火花隙。
全文摘要
一種風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉,其包含沿槳葉(25)縱向伸展的第一(1)與第二(2)導(dǎo)電體,以及一個(gè)或一個(gè)以上用于加熱槳葉表面的電加熱元件(4),該加熱元件(4)同第一與第二導(dǎo)電體連接,在風(fēng)力渦輪機(jī)槳葉(25)的葉尖上備有一個(gè)用于接受閃電的閃電接收器(5),而閃電接收器(5)和接地的第三導(dǎo)電體(3)實(shí)現(xiàn)電連接,因而能將雷擊電流傳入地,該第一與第二導(dǎo)電體通過靠近所述閃電接收器的火花隙同閃電接收器連接,并且通過靠近葉根的火花隙接地。
文檔編號F03D11/00GK1359450SQ00809348
公開日2002年7月17日 申請日期2000年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月21日
發(fā)明者K·奧爾森, F·莫勒拉森, P·格拉保, J·埃萊爾曼耶斯佩森 申請人:Lm玻璃纖維制品有限公司