用于碳拉挤叶片的雷电防护系统以及碳拉挤叶片的制作方法

1.本发明涉及一种用于碳拉挤叶片的雷电防护系统以及包括所述雷电防护系统的碳拉挤叶片。


背景技术：

2.由于碳纤维层的导电性，风力涡轮机转子叶片的碳纤维增强翼梁帽需要雷电防护系统。众所周知，在这种翼梁帽和邻近翼梁帽延伸的避雷器之间使用等电位联结元件，以避免翼梁帽的碳纤维层之间产生可能对转子叶片造成损坏的电弧。
3.使用碳拉挤板来生产风力涡轮机转子叶片的翼梁帽的层，这也是众所周知的。碳拉挤板是使用拉挤方法来生产的。板是由碳纤维形成的，这些碳纤维被精确地定向在纵向方向上，具有特别高的纤维体积含量。碳拉挤板的使用使得可能生产在强度方面优越的翼梁帽，从而允许制造更长的转子叶片。然而，碳拉挤板是一种材料，其中，板的表面包含一薄层绝缘体，这避免了板之间良好的电接触。因此，从电的角度来看，由碳拉挤板的层形成的翼梁帽可以表示为具有不同的长度并且在相邻层之间具有差的电绝缘的许多平行导体。因此，具有碳拉挤层的风力涡轮机转子叶片需要改进的雷电防护系统，以减少碳拉挤层之间的电弧。
4.ep3330528a1示出了一种用于碳拉挤叶片的雷电防护系统，该雷电防护系统包括碳拉挤层的堆叠，该堆叠具有底层18和顶层30，每一层都具有第一端16a和第二端16b；碳拉挤层的堆叠限定尖端区、根部区和设置在尖端区和根部区之间的中间区；至少一个避雷器32，该避雷器32沿碳拉挤层的所述堆叠从尖端区延伸到根部区；以及等电位联结元件22和24，这些等电位联结元件将碳拉挤层的所述堆叠与所述避雷器32电连接。
5.具体地，ep3330528a1示出了碳拉挤层的堆叠，该堆叠包括第一底层18、第二层20、第三层26、第四层28和顶层30。等电位联结元件包括碳纤维材料的第一片22，该第一片22在碳拉挤层的堆叠的整个长度上延伸。第一片22在避雷器32的整个长度上连接，并且紧靠碳拉挤层的堆叠的底层18的第一端16a和第二端16b平放。等电位联结元件可以包括碳纤维材料的第二片24，该第二片24也连接到避雷器32。在第一实施例中，第二片24被细分为第一部分24a和第二部分24b，它们之间有间隙。第一部分24a紧靠叶片根部侧的底层18、第二层20和第三层26的第一端16a搁置，并且第二部分24b紧靠叶片尖端侧的底层18、第二层20和第三层26的第二端16b搁置，而第四层28和顶层30没有被覆盖。在第二实施例中，第二片24在层的堆叠的整个长度上延伸，从而紧靠层的所有叶片根部侧端和叶片尖端侧端搁置，并且也搁置在顶层30上。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种用于碳拉挤叶片的雷电防护系统以及碳拉挤叶片，如权利要求中所定义的。
7.本发明的第一方面涉及一种雷电防护系统，该雷电防护系统包括：
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碳拉挤层的堆叠，所述堆叠至少具有底层和顶层，每一层具有第一端和第二端；碳拉挤层的堆叠限定尖端区、根部区和设置在尖端区和根部区之间的中间区；
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至少一个避雷器，该避雷器沿碳拉挤层的所述堆叠从尖端区延伸到根部区；以及
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等电位联结元件，该等电位联结元件将碳拉挤层的所述堆叠与所述避雷器电连接；其中所述等电位联结元件包括多个电连接；每个碳拉挤层的每一端都通过所述电连接中的一个与避雷器电连接；以及将顶层的端中的一个与避雷器连接的每个电连接与碳拉挤层的堆叠的底层电连接。
8.本发明的第二方面涉及一种碳拉挤叶片，该碳拉挤叶片包括上述雷电防护系统。
9.通过独立的电连接将每个碳拉挤层的每一端与避雷器连接允许雷电电流沿碳拉挤层的堆叠和避雷器安全分布。雷电电流通过碳拉挤层和避雷器均匀分布，因此，与现有技术雷电防护系统相比，通过碳拉挤层的雷电电流更少。此外，将顶层与避雷器连接的电连接与设置在顶层下方的底层电连接，这避免了层之间的电弧，因为雷电防护系统的每个电连接的所有电接触点具有相似的电压。
10.例如，ep3330528a1既不示出通过独立的电连接将每个碳拉挤层的每一端与避雷器连接，也不示出通过所述独立的电连接中的一个将顶层的每一端与底层连接，因此层之间可能发生电弧。ep3330528a1示出了一种等电位联结元件，该等电位联结元件包括由碳纤维材料的第一片组成的第一电连接和由碳纤维材料的第二片组成的第二电连接。这些片在具有不同的电压的层中创建电接触点，这可能在雷电电流注入期间产生一些分层，这可能产生层的机械破坏。此外，第一片和第二片的碳纤维材料在层的堆叠的整个长度上延伸，从而增加了叶片的成本。
11.本发明的这些和其它优点和特征鉴于图和本发明的具体实施方式将变得明显。
附图说明
12.图1示出了根据本发明的第一实施例的用于碳拉挤叶片的雷电防护系统，其示出了4层的堆叠。
13.图2示出了根据本发明的第二实施例的用于碳拉挤叶片的雷电防护系统，其中，层之间的电连接只在层的堆叠的中间区中建立。
14.图3示出了图1的雷电防护系统的俯视图，其示出了邻近层的堆叠的一侧延伸的单个避雷器。
15.图4示出了图1的雷电防护系统的俯视图，其示出了邻近层的堆叠的每一侧延伸的避雷器。
16.图5示出了设置在层的上部面上用于建立电连接的导电织物。
17.图6示出了根据本发明的第三实施例的用于碳拉挤叶片的雷电防护系统，其示出了11个碳拉挤层的堆叠。
具体实施方式
18.图1、图2和图6示出了根据本发明的用于碳拉挤叶片的雷电防护系统。雷电防护系统包括：碳拉挤层的堆叠，该堆叠具有底层10、多个中间层20和顶层30，每一层10、20、30都具有第一端10a、20a、30a和第二端10b、20b、30b，碳拉挤层的堆叠限定尖端区t、根部区r和设置在尖端区t和根部区r之间的中间区m；至少一个避雷器40，该避雷器40沿碳拉挤层10、20、30的所述堆叠从尖端区t延伸到根部区r；以及等电位联结元件，该等电位联结元件将碳拉挤层10、20、30的所述堆叠与所述避雷器40电连接。
19.层10、20、30彼此叠置，中间层20设置到底层10上，并且顶层设置到中间层20上。层10、20、30的堆叠具有金字塔形状，顶层30具有比中间层20小的长度，并且中间层20具有比底层30小的长度。
20.中间区m大于尖端区t或根部区r。中间区m是碳拉挤层的堆叠的总长度的至少65%。优选地，中间区m是碳拉挤层的堆叠的总长度的至少70%。例如，碳拉挤层的堆叠的总长度可以在50米到90米之间，并且尖端区t或根部区r可以具有在0.8米到8米之间的长度。例如，50米的堆叠可以具有0.8米的尖端区、48.4米的中间区m和0.8米的根部区r。90米的堆叠可以具有8米的尖端区、74米的中间区m和8米的根部区r。50米的堆叠可以具有8米的尖端区、34米的中间区m和8米的根部区r。在任何情况下，尖端区t或根部区r都具有10米或更小的长度，并且优选地是在0.8米到10米之间的长度，而不管碳拉挤层的堆叠的总长度。
21.等电位联结元件包括多个电连接50，每个碳拉挤层10、20、30的每一端10a、20a、30a、10b、20b、30b都通过所述电连接50中的一个与避雷器40电连接，并且将顶层30的端中的一个30a、30b与避雷器40连接的每个电连接50至少与碳拉挤层10、20、30的堆叠的底层10电连接。因此，流过避雷器40的电流被单独注入每一层，从而允许电流在层之间安全分布。
22.优选地，将顶层30的端30a、30b中的一个与避雷器40连接的每个电连接50与底层10和设置在碳拉挤层10、20、30的堆叠中的顶层30下方的中间层20电连接。通过这样做，通过在顶层30和堆叠的设置在顶层30下方的其它层20、10之间建立的连接在中间区m中创建分路，从而减少在中间区m中的层之间发生电弧的风险。
23.更优选地，设置在中间区m中并且将中间层20中的一个中间层的端20a、20b中的一个与避雷器40连接的每个电连接50与底层10和设置在碳拉挤层10、20、30的堆叠中的所述中间层20下方的其它中间层20电连接。这进一步减少了在层之间具有电弧的风险。
24.替代地，将中间层20中的一个中间层的端20a、20b中的一个与避雷器40连接的每个电连接50与底层10和设置在碳拉挤层10、20、30的堆叠中的所述中间层20下方的其它中间层20电连接。
25.将顶层30的端30a、30b中的一个与避雷器40连接的每个电连接50与每个中间层20的中间点和底层10的中间点电连接，并且将中间层20中的一个中间层的端20a、20b中的一个与避雷器40连接的每个电连接50与设置在碳拉挤层10、20、20的堆叠中的所述中间层20下方的每个中间层20的中间点电连接，并且也与底层10的中间点电连接。
26.优选地，如图1、图2和图6中所示，通过一个电连接50连接的所述中间点在它们之间竖直对准，并且与在碳拉挤层10、20、30的堆叠中设置在上方的顶层30的相应端30a、30b或中间层20的相应端20a、20b竖直对准。
27.电连接50具有用于接触层10、20、30的电接触点。在图1和图2中，所述电接触点由
与电连接50横向的段表示。所述电接触点接触层10、20、30的端10a、20a、30、10b、20b、30b，并且也接触中间层20和底层10的中间点。在图6中，所述电接触点由圆表示。如图中能够示出的，每个电连接50的电接触点是竖直对准的。电接触点与层的端和中间点重合。
28.图5示出了建立用于接触层的电接触点的优选方式。电连接50包括导电织物51、52，该导电织物51、52在横向方向上延伸到层10、20、30的堆叠。第一导电织物51设置在层10、20、30的端10a、20、30a、10b、20b、30b上，并且第二导电织物52设置在中间层20和底层10上。
29.图5示出了顶层30和放置在顶层20下方的两个中间层20的部分视图。两个第一导电织物51设置在顶层30的第一端30a和第二端30b上，并且四个第二导电织物52设置在放置在顶层30下方的中间层20的中间点上。第一导电织物51放置在顶层30的倾斜第一端30a上，并且设置在放置在顶层30下方的中间层20的中间点上的两个第二导电织物52与第一导电织物51竖直对准。相同的情况也会发生于放置在顶层30的倾斜第二端30b上的第一导电织物51和其它两个第二导电织物52。
30.导电织物51、52从层的堆叠突出一定长度，因此在获得碳拉挤叶片的真空过程中，导电织物51、52在它们之间重叠，并且也与避雷器40重叠，从而建立电连接50。替代地，导电织物51、52可以在它们之间连接并且通过另一个导电元件与避雷器40连接。
31.优选地，导电织物51、52是碳纤维织物。更优选地是双轴碳纤维织物。
32.优选地，导电织物51、52在层10、20、30的上部面上延伸，从而允许碳拉挤叶片的制造过程更容易。
33.碳拉挤层10、20、30的堆叠的每一层10、20、30包括至少一个碳拉挤板70。如图3、图4和图5中所示，每一层包括两个碳拉挤板70。在任何情况下，创建层时所采用的板的数量取决于板70的宽度，例如层可以具有1个至7个之间的板。
34.所述板具有50 mm到300 mm之间或甚至更大的宽度。
35.碳拉挤板包含一薄层绝缘体，该绝缘体改进了粘附，但避免了层之间的良好电接触。因此，可能需要对板进行抛光，以确保导电织物51、52和板70之间的良好电连接。在任何情况下，都只需要抛光层的有限空间，以确保电连接。
36.优选地，在碳拉挤层的堆叠的层10、20、30之间设置板间材料60，这增加了层的堆叠的强度和层之间的粘附。板间材料60设置在堆叠中的两个相邻层之间。板间材料60设置在层30或20下方并且设置到导电织物51或52上。所述板间材料60可以是碳纤维或玻璃纤维。碳纤维具有比玻璃纤维更好的性能，并且对于增加叶片抗雷强度更好，但它更昂贵。本发明的雷电防护系统减少了层之间具有电弧的机会，因此允许使用玻璃纤维代替碳纤维，并且也允许使用比现有技术解决方案更少的纤维。
37.图3示出了邻近碳拉挤层10、20、30的堆叠的一侧从尖端区t延伸到根部区r的单个避雷器40。
38.图4示出了沿碳拉挤层10、20、30的堆叠从尖端区t延伸到根部区r的两个避雷器40a、40b，所述避雷器40a、40b中的每一个邻近碳拉挤层10、20、30的堆叠的一侧延伸。电连接50电连接到两个避雷器40a、40b，并且避雷器40a、40b电连接在它们之间。因此，导电织物51和52从层的堆叠的每一侧突出一定长度，以便在真空过程之后建立电连接。有两个避雷器40a、40b会减少流过堆叠的层的电流。
39.例如，图1和图2的堆叠包含4个层，然而，堆叠可以包括两个层10和30（底层10和顶层30）、三个层10、20和30（底层10、中间层和顶层30）或三个以上的层，如图1、图2和图6中所示。碳拉挤叶片中所采用的层的数量取决于许多因素，例如碳拉挤叶片的长度和强度要求或在制造层时所采用的碳拉挤叶片的宽度。碳拉挤板的厚度可以是在1 mm到5mm之间或更多。
40.例如，包括两个碳拉挤层的堆叠的雷电防护系统的等电位联结元件具有四个电连接50。碳拉挤层的堆叠具有底层10和顶层30，每一层10、30都具有第一端10a、30a和第二端10b、30b。每个碳拉挤层10、30的每一端10a、30a、10b、30b都通过所述电连接50中的一个与避雷器40电连接，并且将顶层30的端30a、30b中的一个与避雷器40连接的每个电连接50与碳拉挤层10、30的堆叠的底层10电连接。
41.例如，包括三个碳拉挤层的堆叠的雷电防护系统的等电位联结元件具有六个电连接50。碳拉挤层的堆叠具有底层10、一个中间层20和顶层30，每个层10、20、30都具有第一端10a、20a、30a和第二端10b、20b、30b，层10、20、30彼此叠置，中间层20设置到底层10上，并且顶层30设置到中间层20上，并且将顶层30的端30a、30b中的一个与避雷器40连接的每个电连接50与中间层20和碳拉挤层10、20、30的所述堆叠的底层10电连接。另外，将中间层20的端20a、20b中的一个与避雷器40连接的每个电连接50与碳拉挤层10、20、30的所述堆叠的底层10电连接。
42.图1示出了根据本发明的第一实施例的用于碳拉挤叶片的雷电防护系统。图1示出了雷电防护系统，该雷电防护系统包括四个碳拉挤层的堆叠，该堆叠具有第一底层10、第二中间层2、第三中间层20和第四顶层30。系统具有从每个碳拉挤层10、20、30的每一端延伸到避雷器40的八个电连接50。将顶层50的端30a和30b与避雷器40连接的两个电连接50与第二中间层和第三中间层20电连接并且与底层10电连接。将第三中间层20的端20a和20b与避雷器40连接的两个电连接50与第二中间层20和底层10电连接。将第二中间层20的端20a和20b与避雷器40连接的两个电连接50与底层10电连接。将底层10的端10a和10b与避雷器40连接的两个电连接50不与堆叠的任何层连接。
43.在图1中，将顶层30的端30a、30b中的一个与避雷器40连接的每个电连接50与每个中间层20的中间点和底层10的中间点电连接，所述中间点在它们之间是竖直对准的，并且与顶层30的相应端30a、30b竖直对准，并且将中间层20中的一个中间层的端20a、20b中的一个与避雷器40连接的每个电连接50与设置在碳拉挤层10、20、30的堆叠中的所述中间层20下方的每个中间层20的中间点电连接，并且也与底层10的中间点电连接，所述中间点在它们之间是竖直对准的，并且与在碳拉挤层10、20、30的堆叠中设置在上方的中间层20的相应端20a、20b竖直对准。
44.图2示出了根据本发明的第二实施例的用于碳拉挤叶片的雷电防护系统。图2的雷电防护系统与图1相同，但是并不是所有将中间层20的端20a、20b与避雷器40连接的电连接50与其它中间层20电连接。
45.图2示出了雷电防护系统，该雷电防护系统包括四个碳拉挤层的堆叠，该堆叠具有第一底层10、第二中间层20、第三中间层20和第四顶层30。系统具有从每个碳拉挤层10、20、30的每一端延伸到避雷器40的八个电连接50。在中间区m中设置有三个电连接50，在尖端区t中设置有两个电连接50，并且在根部区r中设置有三个电连接50。将顶层50的端30a和30b
与避雷器40连接的两个电连接50与第二中间层和第三中间层20电连接，并且与底层10电连接。设置在中间区m中并且将第三中间层20的第一端20a与避雷器40连接的电连接50与第二中间层20和底层10电连接，并且设置在根部区r中并且将第三中间层20的第二端20b与避雷器40连接的电连接50不与堆叠的任何其它层连接。设置在尖端区t中并且将第二中间层20的第一端20a与避雷器40连接的电连接50不与堆叠的任何其它层连接，并且设置在根部区r中并且将第二中间层20的第二端20b与避雷器40连接的电连接50不与堆叠的任何其它层连接。将底层10的端10a和10b与避雷器40连接的两个电连接50不与堆叠的任何层连接。
46.如前所述，设置在尖端区t中的第二中间层20的第一端20a接近底层的第一端10a，例如0.8米到8米，因此，将第二中间层20的第一端20a与避雷器40连接的电连接50不需要与底层10连接，因为在第二中间层20的第一端20a和底层10之间具有电弧的机会很小。同样的情况也发生在根部区r中，例如，设置在根部区r中的第三中间层20的第二端20b接近底层10的第二端10b，例如0.8米到8米，因此，将第三中间层20的第二端20b与避雷器40连接的电连接50不需要与其它层20或10连接。因此，只需要设置在中间区m中的电连接50与中间层20和底层10连接，以避免层10、20、30之间的电弧。
47.在图2中，将顶层30的端30a、30b中的一个与避雷器40连接的每个电连接50与每个中间层20的中间点和底层10的中间点电连接，所述中间点在它们之间是竖直对准的，并且与顶层30的相应端30a、30b竖直对准，并且设置在中间区m中并且将中间层20中的一个中间层的端20a、20b中的一个与避雷器40连接的每个电连接50与设置在碳拉挤层10、20、30的堆叠中的所述中间层20下方的每个中间层20的中间点电连接，并且也与底层10的中间点电连接，所述中间点在它们之间是竖直对准的，并且与在碳拉挤层10、20、30的堆叠中设置在上方的中间层20的相应端20a、20b竖直对准。
48.在图1中，电连接50的电接触点设置在层的上部面上。这允许碳拉挤叶片的制造过程更容易，然而，如图2中所示，电接触点可以设置在层的上部面或下面上。在任何情况下，电接触点的位置不是必要的，只需要确保与层有良好的电接触。
49.图6示出了根据本发明的第三实施例的用于碳拉挤叶片的雷电防护系统。图1和图2的第一实施例和第二实施例的上述所有特征都可以应用于图6的实施例。图6示出了雷电防护系统，该雷电防护系统包括11个碳拉挤层的堆叠，该堆叠具有底层10、9个第二中间层20和顶层30。如前所述，设置在尖端区t或根部区r中的电连接50不需要与中间层20或底层10的中间点连接。注意，在根部区r中，中间层20的第二端20b、10b和底层10非常接近，所述端中的一些可以重叠，因此，所述点之间具有电弧的机会非常小。例如，碳拉挤层的堆叠的总长度可以在50米到90米之间，并且尖端区t或根部区r可以具有在0.8米到8米之间的长度。
50.本发明还涉及一种碳拉挤叶片，该碳拉挤叶片包括上述雷电防护系统。雷电防护是风力转子的碳拉挤叶片的翼梁帽的一部分。碳拉挤叶片的每个翼梁帽包括上述雷电防护系统。