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CN101235796A - 用于风轮机叶片的集成前缘 - Google Patents

用于风轮机叶片的集成前缘 Download PDF

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CN101235796A
CN101235796A CNA2008100097158A CN200810009715A CN101235796A CN 101235796 A CN101235796 A CN 101235796A CN A2008100097158 A CNA2008100097158 A CN A2008100097158A CN 200810009715 A CN200810009715 A CN 200810009715A CN 101235796 A CN101235796 A CN 101235796A
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S·赫尔
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Abstract

本发明涉及用于风轮机叶片的集成前缘，提供一种风轮机叶片(5)，其包括对前缘(120)的集成的防腐蚀、防雷击及防结冰保护。前缘(120)包括带有防腐蚀屏蔽件(140)的正面(105)，所述防腐蚀屏蔽件(140)位于正面(105)的外面。提供内部闪电传递路径(160)，其具有从防腐蚀屏蔽件(140)到内部闪电传递路径(160)的电连接件(155)。在防腐蚀屏蔽件(140)与正面(105)之间布置发热元件(145)，并提供从发热元件(145)到防腐蚀屏蔽件(140)的热传导路径(195)。进一步，提供用于将发热元件(145)连接至叶片(5)内的电源(170)的装置。

Description

用于风轮机叶片的集成前缘
技术领域
本发明大体而言涉及保护风轮机不受多种自然因素的影响，且更具体而言，涉及一种用于保护风轮机的前缘不会受到腐蚀、雷击及结冰的集成系统。
背景技术
由于风轮机能捕捉不会排放碳基气体的可再生能源，因而预计风轮机将在全世界逐渐成为更大的能源。然而，其动力源的真正实质是受到风的作用。而当受到风的作用时，风轮机及其叶片会受到自然因素的危害，包括腐蚀、雷击以及结冰。
风轮机在空气动力学上被设计成能高效地捕捉到风并将风能转换成叶片的旋转运动，并最终通过发电机转变成电力。叶片前缘受到腐蚀将使空气动力学形状变形，致使捕捉风的效率降低且功率输出降低。风及雨可造成叶片腐蚀，但所夹带的沙砾、灰尘及碎屑可造成更严重的磨损及变形。
风轮机常常架设在开放且较高的位置上，因而会因其处于最高点而吸引雷电。风轮机叶片旋转而形成风轮机结构的最高点，从而常常成为雷击点。类似于腐蚀情况，叶片前缘在因雷击而受到损坏时将导致效率及输出下降。腐蚀往往是在前缘表面上更广泛地出现，而雷击则往往在雷击点处形成更集中的损坏，甚至于毁坏叶片。
叶片结冰会改变叶片形状并影响空气动力学性能，从而影响其性能。叶片结冰还会对风轮机下面及附近的人及设备造成危害。冰在因融化或机械力作用而从叶片上脱落时，可以叶片的旋转速度射出并从很高的高度下落。
人们已提供各种方法及系统来保护风轮机叶片不受自然因素的影响。然而，这些方法一般是仅保护叶片或其前缘不会受到其中一种类型的损坏。
因此，需要提供一种对风轮机叶片的前缘提供防腐蚀、雷击及结冰保护的集成系统。
发明内容
本发明涉及一种用于保护风轮机叶片的前缘不会受到腐蚀、雷击及结冰的系统及方法。
简言之，根据本发明的一个方面，提供一种风轮机叶片，其包括对前缘的集成保护。所述前缘包括带有防腐蚀屏蔽件的正面，所述防腐蚀屏蔽件位于所述正面的外面。提供内部闪电传递路径，其具有从所述防腐蚀屏蔽件到内部闪电传递路径的电连接件。靠近所述防腐蚀屏蔽件及所述正面布置加热元件。提供从所述发热元件到所述防腐蚀屏蔽件的热传导路径。进一步，提供用于将加热元件连接至叶片内的能源的装置。
根据本发明的第二方面，提供一种用于风轮机叶片的前缘的集成保护系统。所述保护系统包括：具有前缘的风轮机叶片，所述前缘包括正面；以及保护元件，包括下列中的至少一者：位于所述正面外面的防腐蚀屏蔽件、位于所述正面外面的闪电接受器、以及位于所述正面附近的用于对前缘进行加热的装置。
根据本发明的又一方面，提供一种用于对风轮机叶片的前缘进行防腐蚀、雷击及结冰集成保护的方法。所述方法包括：使用金属防腐蚀屏蔽件、金属改性防腐蚀屏蔽件、及两组件式聚合物层加金属层防腐蚀屏蔽件中的至少一种对风轮机叶片前缘的正面进行屏蔽，以保护所述前缘不会受到腐蚀；以及将所述防腐蚀屏蔽件连接至所述叶片内的闪电传递装置。所述方法还包括：靠近所述防腐蚀屏蔽件及所述正面布置加热元件并将所述加热元件连接至叶片内的能源。其步骤还包括：在加热元件与防腐蚀屏蔽件之间提供导热的电绝缘材料；使防腐蚀屏蔽件上的雷击能量能够通过叶片的内部闪电传递系统传导至地面；以及为用于防止结冰及除去叶片前缘上的冰的加热元件提供能源。
附图说明
参照附图阅读下文的详细说明，将能更好地理解本发明的这些及其他特征、方面及优点，在所有附图中，类似的字符均代表类似的部件，附图中：
图1显示风轮机的典型结构。
图2显示风轮机叶片的典型结构。
图3显示本发明的风轮机叶片前缘的轮廓，其中该前缘提供用于安装外部保护元件的凹槽。
图3A显示风轮机叶片的本发明前缘，其具有包含液体或气体热源的加热元件。
图4显示现有的内部闪电传递(lightning conveyance)路径。
图5显示用于不带凹槽的前缘的本发明集成保护组件，其中安装外部保护元件之后便完整形成前缘正面的形状。
图6显示风轮机叶片前缘上防腐蚀屏蔽件的实例性发明布局的正视图。
图7A显示叶片正面上的本发明整体式防腐蚀屏蔽件的较佳布置。
图7B显示叶片正面上的本发明整体式传热/电绝缘层的较佳布置。
图7C显示叶片正面上的本发明整体式电阻条带的较佳布置。
图8显示本发明叶片前缘的剖视图，其具有贯通件以提供到达中央导体的雷击路径。
零部件列表
1风轮机
2支撑杆塔
3挂舱
4转子
5叶片
6毂
10叶片根部
15叶片尖端
20旋转方向箭头
25前缘
30后缘
45电连接点
60壳体
100叶片
105正面
110凹槽
115中心线
120前缘
125凹槽深度
130凹槽宽度
135保护单元
140防腐蚀屏蔽件
143导热/电绝缘层
144电阻条带
145发热元件
150外围导体
155中央导体
160外围导体
165热传导路径
170电源
175接至电阻条带的电源引线
180防腐蚀屏蔽件的外表面
185防腐蚀屏蔽件的内表面
190导热/电绝缘层的内表面
195导热/电绝缘层的外表面
200电阻条带的外表面
205电阻条带的内表面
220导热/电绝缘层上的切口
225电阻条带上的切口
230壳体上的切口
300热源
305加热元件
310液体或气体加热流体管线
315壳体内表面
320管子
具体实施方式
本发明的以下实施例具有诸多优点，包括提供一种能保护风轮机叶片前缘不受腐蚀、雷击及结冰的集成保护系统。该保护系统包括：具有空气动力学特性的防腐蚀屏蔽件，用以保护前缘不受腐蚀并进一步用作闪电接受器(lightning receptor)及传递器；以及发热源，其用以对前缘进行除冰或防止前缘结冰。
图1显示风轮机的典型结构。风轮机1包括支撑杆塔2以及安装于支撑杆塔2上的风轮机挂舱3。挂舱3容纳发电机(未显示)及齿轮箱(未显示)并支撑从齿轮箱伸出的转子轴(未显示)。安装于转子轴上的风轮机转子4通过毂6支撑三个风轮机叶片5。
图2显示风轮机叶片的典型结构。叶片根部10是叶片中靠近毂6的部段。叶片的相对的端则是尖端15。叶片的旋转方向由箭头20加以指示。叶片的朝向旋转方向的缘是前缘25。叶片的与旋转方向相对的缘则是后缘30。
叶片且特别是前缘容易受到腐蚀、雷击及结冰。前缘的高速度以及位置会增大水份及气载沙砾对前缘的腐蚀影响。前缘的高的曲率也会助长在前缘上结冰。进一步，在易遭雷击方面，最接近尖端的叶片端部在旋转时会到达所有风轮机组件的最高高度，并因而最可能吸引雷击。
图3显示本发明的风轮机叶片前缘的正面的轮廓。正面105可包括大体靠近叶片100的前缘120的中心线115布置的凹槽110。凹槽110的深度125及宽度130足以容纳前缘的集成保护元件135。这些保护元件可包括防腐蚀屏蔽件140及发热元件145。防腐蚀屏蔽件140位于叶片100的前缘120的正面105的外面。防腐蚀屏蔽件140具有双重作用-其还在雷电意外击中叶片100时用作闪电接受器。
叶片100进一步包括内部闪电传递路径。风轮机的内部闪电传递路径包含用于将雷电所引起的电流传导至地面的装置。当雷电击中叶片时，电流必须从叶片通过挂舱传递至杆塔并接地。在风轮机的叶片内，可提供许多种结构来从雷击点通过叶片传导电流。
图4显示在可包括从大致叶片尖端15延伸至毂的中央导体155的叶片内的现有实例性内部闪电传递路径，其包括多个通过外围闪电导体160连接至中央导体155的外围闪电接受器(未显示)。这些外围闪电接受器从尖端15向内沿叶片的跨度分布。外围闪电接受器包括配置成各种形状及大小的金属组件，用以吸引并传导与其附近的雷击相关的能量。外围闪电接受器可直接连接至中央导体155或者可通过适当规格的外围导体相连。
作为对前缘的本发明集成保护的一部分，防腐蚀屏蔽件可用作分布式外围闪电接受器，其在多个金属连接点45(图3)处通过外围导体160连接至中央导体155。连接点45在叶片100上沿防腐蚀屏蔽件的长度以大体相等的间距布置(图7A)。
再次参见图3，风轮机叶片100还可包括从发热元件145到防腐蚀屏蔽件140的热传导路径以及位于叶片100内的电源170，具有用于从发热元件145向防腐蚀屏蔽件140传导热量的路径。进一步，叶片内的电源可从挂舱、杆塔或从地面电源通过毂来提供。
进一步参见图3，用于防止前缘结冰的发热元件145可包括多个电阻条带144。这多个电阻条带144可进一步与防腐蚀屏蔽件电隔离。进一步，这多个电阻条带144可通过电源引线175而连接至叶片内的电源170。可在这多个电阻条带与防腐蚀屏蔽件之间布置具有导热特性及电绝缘特性的材料层143。或者，这多个电阻条带可位于壳体60的内表面106上、正面105的后面。在此种情形中，用于向防腐蚀屏蔽件140传导热量的路径将通过壳体60。
根据本发明的另一方面，在前缘的正面中提供凹槽110。凹槽110的大小适合接纳防腐蚀屏蔽件140、导热/电绝缘层143以及所述多个电阻条带144。当在这多个电阻条带144及导热/电绝缘层143上面安装至前缘120的凹槽110上时，防腐蚀屏蔽件140的外表面180的形状使前缘120的正面105形成完整的空气动力学设计。防腐蚀屏蔽件140的内表面185与导热/电绝缘层143的外表面195相符。导热/电绝缘层143的外表面195与防腐蚀屏蔽件140的内表面185相符，且导热/电绝缘层143的内表面190与这多个电阻条带144的外表面200相符。进一步，这多个电阻条带144的外表面200与导热/电绝缘层143的内表面190相符，且这多个电阻条带144的内表面205与前缘120的带凹槽正面105相符。
图3A显示本发明的风轮机叶片前缘，其具有包含液体或气体热源的加热元件。加热元件305的位置靠近防腐蚀屏蔽件140及叶片100的正面105。加热元件305附装于叶片壳体60的内表面315上且其成形为与内表面315相符。气体或液体热源300设置于叶片100内，然而，该热源也可发源于挂舱中、毂中、或者杆塔中并通过叶片100进行连接。加热气体或液体通过流体管线310在加热元件305之间来回循环。加热气体或液体穿过加热元件305内的通道或管子，从而将热能传给加热元件305的本体并通过叶片100的壳体60将热能传递给防腐蚀屏蔽件140。此处，防腐蚀屏蔽件140直接附装至壳体60的正面105上，以促进热量有效地传递至防腐蚀屏蔽件140来进行除冰。或者，可在壳体60的正面105与防腐蚀屏蔽件140之间提供导热层(未显示)。防腐蚀屏蔽件140可具有双重作用-其还在雷电意外击中叶片100时用作闪电接受器。
防腐蚀屏蔽件140可以是金属条带、改性的金属条带(例如将金属混合于如聚合物或陶瓷等材料中)以及两组件式聚合物层加金属层中的一种。与更易于出现腐蚀、雷击及结冰风险的叶片100的表面区域相一致，防腐蚀屏蔽件可局部地或完全地沿前缘120的正面105延伸。图6显示防腐蚀屏蔽件140位于从叶片100的大致中点至大致尖端15处。如图所示，防腐蚀屏蔽件140也可包括以前缘正面105的中线142为中心的条带。或者(未显示)，防腐蚀屏蔽件140可相对于前缘正面105的中线142歪斜。
图5显示为叶片前缘的不带凹槽的正面所提供的本发明集成保护组件。当在这多个电阻条带144及导热/电绝缘层143上面安装至前缘120的不带凹槽的正面105上时，防腐蚀屏蔽件140的外表面180的形状使前缘120的正面形成完整的空气动力学设计。防腐蚀屏蔽件140的内表面185与导热/电绝缘层143的外表面195相符。导热/电绝缘层143的外表面195与防腐蚀屏蔽件140的内表面185相符，且导热/电绝缘层143的内表面190与这多个电阻条带144的外表面200相符。进一步，这多个电阻条带144的外表面200与导热/电绝缘层143的内表面190相符，且这多个电阻条带144的内表面205与前缘的不带凹槽的正面105相符。如前面针对带凹槽的正面所述，各保护组件可通过黏合剂或机械手段附装至正面上。或者，可将各单独部件(电阻条带，导热/电绝缘层及防腐蚀屏蔽件)的相符表面使用黏合剂或机械手段依序附装至下面的表面上。或者，可使用液体或气体热源来除冰，包括在前缘的不带凹槽的正面的内表面上配置流体加热元件。
进一步，可采用一种用于含纳集成保护组件的替代手段，其中将导热的绝缘材料及加热元件通过与叶片的表面一起制造而附装至前缘的正面上。
图6在前缘120的正视图中显示所安装的防腐蚀屏蔽件140(位于所覆盖的导热/电绝缘层及电阻条带上面)的实例性发明布局。防腐蚀屏蔽件140可相对于叶片前缘的中心线居中地定位。防腐蚀屏蔽件140从大致叶片中心到大致尖端15覆盖正面105。图7A、7B及7C显示应用于前缘的保护元件的展开的正视图。
图7A显示整体式防腐蚀屏蔽件140的较佳的发明结构，其完全覆盖凹槽(未显示)的开口，从大致叶片中心沿长度延伸至叶片5的尖端15。然而，也可提供其他带有防腐蚀屏蔽件的凹槽结构，例如沿叶片长度提供多个凹槽并提供其大小适合于所述凹槽的多段防腐蚀屏蔽件。
图中显示多个实例性电连接件45连接至防腐蚀屏蔽件140的外表面，以使防腐蚀屏蔽件140与叶片内的内部闪电传递系统相连。然而，也可通过电气领域中所知的诸多结构来实施与防腐蚀屏蔽件的电连接。
图7B显示导热的电绝缘层143在叶片5的前缘正面的凹槽内的实例性发明布置。所述导热的电绝缘层能使热量从发热电阻条带传导至防腐蚀屏蔽件，以防止结冰或实施除冰。所述层还能使电阻条带上的电源与闪电传递路径进行电隔离，从而使雷电将不会干扰或损坏电阻条带144或电源。较佳以包含多个切口220的整体式条带形式提供导热的电绝缘层143。切口220提供使击中防腐蚀屏蔽件的雷击能量传递至叶片内的内部闪电传递系统的路径。然而，导热/电绝缘层143亦可按多个段的形式提供，例如当在前缘正面上提供多个单独的凹槽时。
图7C显示加热元件(在本实施例中是电阻条带)145在叶片5的前缘凹槽(未显示)中的实例性发明布置。电阻条带145可作为覆盖整个凹槽区域的单个条带进行提供。或者，亦可提供多个电阻条带，例如当在前缘上提供多个凹槽时。贯穿电阻条带提供切口225，其在所述条带上的位置靠近上面的位于导热/电绝缘层中的切口220。切口225提供使击中防腐蚀屏蔽件的雷击能量传递至叶片内的内部闪电传递系统的路径，而不会干扰电阻条带144或所连接的交流电源。尽管图中并未显示，然而也可应用多个传感器来感测前缘温度或者与用于对提供至电阻条带的电源进行控制的风轮机控制系统相配合。
图8显示本发明叶片前缘在凹槽处的剖视图，其包括防腐蚀屏蔽件140、导热/电绝缘层143、电阻条带144、以及叶片壳体60。导热/电绝缘层143中的切口220、电阻条带144中的切口225、以及叶片壳体60中的切口230使雷电电流能够从防腐蚀屏蔽件140的表面180通过导体160传递至叶片的中央导体155。
进一步，提供一种用于对叶片前缘进行集成保护的方法。该方法包括：对风轮机叶片前缘的正面提供金属的或金属改性的防腐蚀屏蔽件，以保护前缘不受腐蚀。屏蔽件的材质及厚度能提供足够的磨损量，以经受至少在叶片寿命期内的腐蚀。该方法将所述金属的或金属改性的防腐蚀屏蔽件连接至叶片内的闪电传递装置，由该闪电传递装置将屏蔽件上的雷击能量通过叶片、毂、挂舱、杆塔引至地面。
该方法进一步包括：提供电阻条带并将电阻条带定位于防腐蚀屏蔽件与前缘正面之间。所述前缘既可具有如图3所示的带凹槽的正面，也可具有如图5所示的不带凹槽的成型表面。电阻条带可以是大致覆盖由防腐蚀屏蔽件所覆盖的正面的整个区域的单个条带，也可是多个电阻条带，例如当在前缘正面上存在不止一个凹槽区域时，或者以对由防腐蚀屏蔽件所覆盖的前缘中的选定区域提供加热。
该方法还包括：将电阻条带连接至叶片内的电源，并在电阻条带与防腐蚀屏蔽件之间提供导热的电绝缘材料层，以将热量传递至防腐蚀屏蔽件，从而防止结冰/除冰、同时使电阻条带及叶片内的电源与防腐蚀屏蔽件上的雷击能量隔离开。一旦在防腐蚀屏蔽件上发生雷击，雷击能量便会通过叶片的内部闪电传递系统传导至地面。进一步，该方法对电阻条带提供电力，以防止叶片前缘结冰以及对其进行除冰。
该方法可进一步包括：当将防腐蚀屏蔽件安装于前缘的带凹槽表面上、导热的电绝缘材料层及电阻条带上方时，形成屏蔽件的外部形状，以使前缘正面具有完整的空气动力学设计。
该方法亦可包括：当将防腐蚀屏蔽件安装于前缘的不带凹槽表面上、导热的电绝缘材料层及电阻条带上方时，形成屏蔽件的外部形状，以使前缘正面具有完整的空气动力学设计。
另外，可使用黏合剂与机械附装方式中的至少一种来将防腐蚀屏蔽件安装于前缘的带凹槽表面或不带凹槽表面上、导热/电绝缘材料层及所述多个电阻条带上方。
图4显示用于捕捉并传递雷击电流的分布式闪电保护系统。该保护系统包括从外围闪电接受器(未显示)连接至中央导体155的多条外围导体160。外围导体160从尖端向内沿叶片跨度分布。外围闪电接受器是金属组件，其配置有各种形状及尺寸，以吸引并传导与其附近的雷击相关的能量。
尽管本文仅例示及说明本发明的某些特征，然而所属领域的技术人员将会思及诸多改动及变化形式。因此，随附权利要求书打算涵盖仍归属于本发明精神内的所有此等改动及变化形式。

Claims (10)

1.一种风轮机叶片，其包括：
具有正面(105)的前缘(120)；
防腐蚀屏蔽件(140)，其位于所述正面(105)的外面；
闪电传递路径(160)；
从所述防腐蚀屏蔽件(140)到所述闪电传递路径(160)的电连接件(155)；
加热元件(145)，其靠近所述防腐蚀屏蔽件(140)及所述正面(105)而定位；
从所述加热元件(145)到所述防腐蚀屏蔽件的热传导路径(143)；以及
用于将所述加热元件(145)连接至所述叶片(5)内的能源的装置(175)。
2.如权利要求1所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所述防腐蚀屏蔽件(140)包括下列其中一者：金属条带、改性的金属条带、以及两件式聚合物层加金属层。
3.如权利要求2所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所述防腐蚀屏蔽件(140)包括：至少局部地或完全地沿所述叶片(5)的所述前缘(120)延伸的条带。
4.如权利要求3所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所述防腐蚀屏蔽件(140)包括：相对于所述前缘(120)的中线(142)居中或歪斜的条带。
5.如权利要求4所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所述叶片进一步包括：
位于所述前缘(120)的所述正面中的凹槽(110)与不带凹槽的正面(105)中的至少一者，其尺寸适于容纳所述防腐蚀屏蔽件(140)、所述导热且电绝缘的材料(143)、及所述加热元件(145)中的至少一者；
所述防腐蚀屏蔽件(140)的外表面(180)，其形状适于当在所述加热元件(145)及所述导热且电绝缘的材料(143)中至少一者的外部安装至所述前缘(120)的所述凹槽上时，形成所述前缘(120)的所述正面(105)的空气动力学设计。
6.如权利要求5所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所述防腐蚀屏蔽件(140)、所述导热且电绝缘的材料(143)、及所述加热元件(145)中的至少一者是通过下列中的至少一者而附装至所述前缘(120)的所述正面(105)上：黏合剂、机械附装方式、以及通过与所述叶片(5)的外层(60)一同制造。
7.如权利要求5所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所述加热元件(145)包括：多个发热电阻条带(144)。
8.如权利要求7所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，进一步包括：
多个发热电阻条带(144)，其与所述防腐蚀屏蔽件(140)电隔离；
电源(170)，其通过所述叶片(5)的壳体(60)连接至所述多个电阻条带(144)；以及
导热且电绝缘的材料(143)，其位于所述多个电阻条带(144)与所述防腐蚀屏蔽件(140)之间。
9.如权利要求1所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所述加热元件(145)利用热空气与热液体加热元件(305)中的至少一者，并附装于且成形为相符于所述叶片(5)的壳体(60)的所述正面(105)的内表面(315)。
10.如权利要求9所述的风轮机叶片(5)，其特征在于，所述加热元件(305)连接至所述叶片(5)内的热源(300)。
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