專利名稱：橫向傳導雷電保護系統的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及雷電保護系統，且更具體地，涉及用于風力渦輪機葉片和飛機 機翼(翼型件)的雷電保護系統。
背景技術：
本領域已知用于保護風力渦輪機及其相關的葉片的多種雷電保護系統。風力渦輪 機常豎立在空地中，或者近年來豎立在海中，在那里它們形成最高點且常吸引雷電。風力渦 輪機葉片的末梢到達最高位置且因而成為對于雷電而言通常的沖擊部位。過去，葉片常由非傳導性材料例如玻璃纖維制成的事實導致認為雷電不是問題。 但是，此類葉片常由一薄層灰塵、鹽或污染物以及濕氣一起覆蓋，傳導電流的風險是實在 的，并且導致若干未受保護的葉片被雷電損壞或者毀壞。最近的發現已經證明轉子葉片的 幾何形狀在雷電電弧形成和放電過程中也起到決定性的作用。形成對風力渦輪機葉片的雷電保護的問題已經產生了若干不同的解決方案。一個 解決方案意在防止襲擊風力渦輪機的葉片的來自閃電的電流進入發電機以及位于風力渦 輪機的頂部或者外罩中的其它電子和電氣部件。這通過將電流從葉片導向風力渦輪機的塔 架并導向地面或接地系統而實現。基于它們的高度和暴露位置，風力渦輪機對于雷擊提供了優選的沖擊位置。在具 有高雷電活動地區的風力渦輪機設備尤其要求成熟的保護系統。大部分遭受危險的部件都 是電氣設備、控制電子裝置和葉片。較晚的葉片由玻璃纖維或碳纖維增強的塑料制成。它 們由于雷電的損壞或毀壞導致最長的設施停機時間。現代風力渦輪機裝備有長度大約37米及以上的葉片。雖然由電氣絕緣的玻璃纖 維增強塑料制成，但葉片形成用于雷電放電的優選的沖擊點。為了防止由雷擊導致的損壞 或毀壞，這些葉片配備有雷電保護系統(LPS)。最普通的LPS由若干金屬的離散接收器組 成，接收器實現成葉片殼體，且通過引下線內部地連接到地。接收器為雷擊提供限定的沖擊 位置。預期雷電放電在轉子葉片的外部上從一個接收器連通到另一個接收器，以便減少轉 子葉片內放電和電弧的形成。對于較短的葉片，此概念證明是有效的，但是對于較長的葉 片，葉片表面的一些部分繼續未受保護。現有技術的風力渦輪機葉片雷電保護系統使用了各種形式的離散外部接收器，其 沿轉子葉片表面分布，以吸引閃電放電。由于接收器的有限數目，雷擊擊中兩個接收器之間 的葉片，導致復合材料的部分到完全毀壞的可能性很高。由于此問題，已經提出了替代的雷電保護系統。一個系統包括到外葉片殼體上的 金屬網格、傳導性和柔性的箔片疊層。然而，將金屬網格包括在疊層過程中的處理步驟使得 處理步驟更加復雜，并且還會由于更高的材料開支導致增加成本。以類似的方式，用于飛機機翼(翼型件)的現有技術的雷電保護系統使用在表面 上的各種形式的傳導性路徑的結合，例如網狀結構，尤其是對于基于復合材料的機翼，其具 有可由雷電附著點導致部分及局部損壞的缺點。靠近用于翼型件的雷電附著點的區域會經常被損壞，這在一些情況下需要在著陸后附加的修理，或者至少需要檢查。此情況可導致飛 機更多的停飛時間，并因而增加運營成本并降低飛機的可用性。鑒于上述情況，提供避免前述問題和花費的用于風力渦輪機葉片和飛機機翼(翼 型件)的雷電保護系統將是有利的。
發明內容
簡而言之，根據一個實施例，一種雷電保護系統(LPS)包括玻璃增強纖維或碳增 強的風力渦輪機葉片或飛機機翼，該葉片或機翼包括末梢區、吸力側及壓力側。在葉片末梢 區或機翼末梢區內側并在吸力側和壓力側之間設置了傳導性或半傳導性的大體上平坦的 元件。該傳導性或半傳導性的大體上平坦的元件強加了預定的電場分布圖形或所謂的電場 控制區域，其導致雷電放電附在末梢區上。該傳導性或半傳導性的大體上平坦的元件與傳 導路徑成電氣連通或者電化連接，使得該電場控制區域和傳導路徑一起起作用，通過控制 在末梢區中或整個葉片上由雷擊導致的電場分布來保護風力渦輪機葉片或飛機機翼免遭 由于風力渦輪機葉片或飛機機翼(翼型件)的末梢區中的雷擊造成的損壞。
當參考附圖閱讀以下具體實施方式
時，本發明的這些和其它特征、方面以及有點 將變得更好理解，其中貫穿附圖，相似的標號代表相似的部件，其中圖1圖示了根據本發明的一個實施例的風力渦輪機葉片或飛機機翼雷電保護機 構；圖2圖示了根據本發明的另一個實施例的風力渦輪機葉片或飛機機翼雷電保護 機構；圖3圖示了根據本發明的又另一個實施例的風力渦輪機葉片或飛機機翼雷電保 護機構；以及圖4圖示了根據本發明的再另一個實施例的風力渦輪機葉片或飛機機翼雷電保 護機構。盡管以上標識的附形描述了特定的實施例，但是如在討論中指出的，也考慮 了本發明的其它實施例。在所有情況下，此公開均通過描述而非限制的方式說明本發明的 實施例。本領域技術人員可設想落入本發明的原理的范圍和精神內的許多其它的改型和實 施例。
具體實施例方式圖1圖示了根據本發明的一個實施例的風力渦輪機葉片雷電保護機構10。雷電保 護機構10的一部分包括電傳導性或半傳導性材料的大體上平坦的薄片、網狀物或箔片22， 其設置在風力渦輪機葉片或飛機機翼(翼型件)的末梢區12中。根據本發明的一方面，風 力渦輪機葉片或飛機機翼由預定的玻璃增強纖維或碳增強材料構成。風力渦輪機葉片或飛 機機翼還可包括設置在葉片或機翼上或與之一體結合的如以下更詳細描述的引下線。雷電保護機構10易于適應已經安裝好的轉子葉片，即所謂的改型翻新。轉子葉片 或飛機機翼的一部分包括末梢區12、吸力側18、壓力側20、前緣14和后緣16。根據一個方
4面，在葉片或機翼末梢區12的內側并在葉片/機翼/翼型件的吸力側18和壓力側20之間 設置傳導性或半傳導性的大體上平坦的薄片22。該傳導性或半傳導性的大體上平坦的薄 片22形成電場控制區域，其導致雷擊期間閃電放電附到末梢區12上。傳導性或半傳導性 的大體上平坦的薄片22與傳導路徑成電氣連通，傳導路徑例如(不限制)為圖3中描繪的 引下線66，圖3為具有引下線的雷電保護系統的表示，該系統常被安裝成風力渦輪機行業 中見到的標準LPS，使得電場控制區域和傳導路徑一起起作用，以通過控制由雷擊造成的末 梢區12中的電場而保護風力渦輪機葉片或飛機機翼免受由于雷擊而造成的對風力渦輪機 葉片或飛機機翼的損壞。根據一個方面，薄片22的外周邊23在末梢區12中具有和葉片或機翼的外末梢部 分大體上相同的空氣動力學形狀。根據另一個方面，薄片22可在葉片或機翼的后緣16的方 向上延伸并偏移，例如針對圖3中的一個實施例所描繪的(此應用中的所謂“偏移”安裝)。 根據又另一個方面，薄片22與末梢區12中的葉片或機翼的至少一部分大體上齊平(此應 用中所謂的“齊平”安裝)。圖2中顯示了另一個實施例，其圖示了也包括玻璃增強纖維或碳增強的風力渦輪 機葉片或飛機機翼的雷電保護系統(LPS)。葉片或機翼包括末梢區12、吸力側18、壓力側 20、前緣14和后緣16。在葉片或機翼末梢區12的內側并在葉片或機翼或翼型件的吸力側 18和壓力側20之間設置傳導性或半傳導性材料的大體上平坦的薄片、網狀物或箔片62。薄 片62形成電場控制區域，其導致雷擊期間閃電放電附到末梢區12上。該薄片62與傳導性 或半傳導性的路徑或元件成電氣連通，例如(不限制)圖3中描繪的現有的引下線66，使得 電場控制區域與該路徑/元件66 —起起作用，來通過控制由雷擊造成的末梢區12中的電 場而保護風力渦輪機葉片或飛機機翼免受由于風力渦輪機葉片或飛機機翼的末梢區12中 的雷擊所造成的損壞。根據一個方面，薄片62的外周邊具有與末梢區12的最外面的末梢部分大體上相 同的空氣動力學形狀。根據另一個方面，薄片62在葉片或機翼的后緣16的方向上延伸并 偏移(此應用中所謂的“偏移”安裝)。根據又另一個方面，薄片62與末梢區12的至少一 部分大體上齊平(此應用中所謂的“齊平”安裝)。當把LPS改型翻新到現有的葉片、機翼或翼型件上時，傳導性或半傳導性的路徑/ 元件66可為諸如圖3中所示的現有引下線66。根據另一個實施例，傳導性或半傳導性的路 徑/元件66可至少通過延伸薄片66以包括一個或多個延伸部64而形成，該一個或多個延 伸部64適于使期望的傳導性或半傳導性路徑或元件完整。在一個方面，延伸部64鄰近葉片 或機翼的前緣14和后緣16，但從前緣14和后緣16移開。根據另一個方面，路徑/元件66 包括傳導性或半傳導性材料68，該材料構造成形成圍繞選定部分的絕緣結構或復合材料的 一種類型的法拉第籠，該選定部分如轉子葉片或飛機機翼或翼型件的末梢區12。如果特定 的應用需要，此類型的法拉第籠可沿完整的轉子葉片表面延伸。該傳導性或半傳導性材料 可與現有的引下線66成電氣連通，使得引下線66和傳導性或半傳導性的材料68 —起起作 用來進一步控制由雷擊造成的轉子葉片或飛機機翼或翼型件的末梢區12中的電場。根據 一個方面，薄片62放置在吸力側18和壓力側20之間，并位于從末梢區12的徑向最外周邊 徑向向內延伸大約10英尺的區域中。薄片62可連接到如圖4中所示的外部或集成傳導性或半傳導性網狀物或箔片材料70上，其設置在吸力側18和壓力側20的一側或兩側的內部部分上，并且靠近前緣14和 后緣16的一個或者兩者，但從該前緣14和后緣16移開。由于傳導性或半傳導性材料70 的傳導性特性，結合其與離散的接收器相比大的尺寸，使得跨越復合葉片或機翼材料(即， 纖維或碳增強的)的擊穿放電被最小化。這通過與復合材料的阻抗相比降低表面阻抗來實 現，使得在出現高值電流飛弧之前閃電先導(lighting leader)將被引導至最近的傳導性 附著點。由于傳導性或半傳導性材料的大尺寸，由雷擊造成的轉子葉片或飛機機翼/翼型 件上的電流密度將降低，導致最小化的熱負荷。根據一個方面，如圖4中所描繪的，在吸力 側和壓力邊緣之間可添加橫向應力釋放傳導性路徑74，和/或網狀物或箔片76，以最小化 由沿兩個平行的導體流動的閃電電流導致的力。因為雷電保護機構10，50在適配早已安裝的轉子葉片飛機機翼時特別有用，所以 轉子葉片或飛機機翼的剩余部分72可以可選地由油漆覆蓋，例如，用傳導性、半傳導性或 非傳導性的油漆，以獲得由雷擊導致的期望結果。前述雷電保護機構10，50提供對于已知 雷電保護系統的若干優點，包括但不限于1)由于轉子葉片表面涂層的完全或部分覆蓋所 導致的葉片表面上的增強的接收器尺寸，2)閃電電流的外部表層傳導以及因而導致的葉片 /機翼/翼型件內閃電電弧(飛弧以及由雷擊產生的聲音壓力波所導致的可能爆炸)可能 性的最小化，3)觀察到葉片重量沒有明顯上升，4)對所有機械葉片動態變化的適應性，5) 不需要改變葉片設計，6)現有的葉片制造(層疊)工藝可僅用輕微的變更而使用，7)低附 加材料和制造成本，8)電流密度的降低將導致葉片材料上更低的熱負載，9)通過由傳導性 或半傳導性涂層/材料的部分或完全覆蓋產生的葉片表面上的分流器技術增強的雷電接 收效率，10)在出現擊穿脈沖電流飛弧前在安全路徑上的閃電閃流(streamer)傳導，11)通 過降低表面阻抗防止擊穿并因而防止轉子葉片損壞，12)將傳導性以及傳導性地摻雜的材 料連接到一個有效保護系統上的組合雷電保護，13)對于風力渦輪機葉片、飛機機翼、翼型 件的增加的雷電保護效率，14)無需改變葉片設計，15)擴展的轉子葉片表面保護，16)對于 閃電電流增加的增強傳導性路徑，以及17)在沿轉子葉片的閃電附著過程期間對電場強度 分布的控制。當將風力渦輪機葉片末梢閃電保護機構10，50應用于新的轉子葉片時，可消除引 下線66以簡化葉片的制造。在此實施例中，僅通過用具有與葉片或機翼的電場控制區域12 相似特性的傳導性或半傳導性材料70增強吸力側18和壓力側20而避免了引下線66的使 用。如圖4中所描繪的，增強的區域起作用以在響應于雷擊而出現高值電流飛弧前提供必 要的傳導性附著點。簡而言之，已經根據特定的實施例描述了風力渦輪機葉片或飛機機翼(翼型件) 雷電保護系統(LPS)，該系統包括纖維或碳增強的風力渦輪機葉片或飛機機翼，葉片或機翼 具有適配有電場控制機構的末梢區。電場控制機構與電氣放電傳導機構成電氣連通或電化 連接，電氣放電傳導機構包括大體上平坦的電傳導性或半傳導性材料，該材料設置在末梢 區內，使得電場控制機構和電氣放電傳導機構一起起作用，來通過控制由雷擊導致的末梢 區中的電場而保護風力渦輪機葉片或飛機機翼免受由于風力渦輪機葉片或飛機機翼的末 梢處的雷擊導致的損壞。本發明人發現電場控制機構成功地在預先限定的路徑上傳導并指 引放電，而同時增加了風力渦輪機承受具有由雷擊導致的高峰值的若干脈沖電流的能力， 如雷電保護系統的標準和技術報告中所推薦的那樣。
盡管本文僅說明并描述了本發明的某些特征，但本領域技術人員將想到許多改型 和改變。因此應該理解的是，所附權利要求書意圖覆蓋落入本發明真實精神之內的所有此 類變更和改變。
權利要求
一種翼型件雷電保護系統(LPS)(50)，包括玻璃增強纖維或碳增強的風力渦輪機葉片或飛機機翼，其包括末梢區(12)、吸力側(18)、壓力側(20)、前緣(14)以及后緣(16)；由電傳導性或半傳導性材料制成的大體上平坦的薄片、網狀物或箔片(62)設置在所述末梢區(12)的內部，或伸向轉子葉片根部，并且位于所述吸力側(18)和所述壓力側(20)之間，使得該薄片(62)形成導致閃電放電附著于所述末梢區(12)的電場控制機構，以及與所述薄片(62)成電氣連通或電化連接的電氣傳導性或半傳導性路徑，使得所述電場控制機構和該路徑一起起作用，以通過控制在所述末梢區(12)中由雷擊導致的電場來保護所述風力渦輪機葉片或飛機機翼免遭由于所述風力渦輪機葉片或飛機機翼的所述末梢區(12)中的雷擊造成的損壞。
2.根據權利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述路徑設置成緊鄰所述渦輪機葉片 或飛機機翼的所述前緣(14)和后緣(16)，但又從所述前緣(14)和后緣(16)移開。
3.根據權利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述大體上平坦的薄片(62)沿所述 渦輪機葉片或飛機機翼的所述前緣(14)與所述后緣(16)中的至少一個向內延伸，大體上 到達所述葉片根部，以形成所述電氣傳導性或半傳導性路徑的至少一部分。
4.根據權利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述大體上平坦的薄片(62)延伸超 出所述渦輪機葉片或飛機機翼的所述末梢區(12)的所述后緣(16)，以提供實質上偏移的 結構。
5.根據權利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述大體上平坦的薄片(62)的外周 邊與所述渦輪機葉片或飛機機翼末梢區(12)的至少一部分大體上平齊。
6.根據權利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述電氣傳導性或半傳導性路徑設置 成緊鄰所述渦輪機葉片或飛機機翼的所述前緣(14)和后緣(16)，但又從所述前緣(14)和 后緣(16)移開。
7.根據權利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述LPS (50)還包括覆蓋或埋入所述 風力渦輪機葉片或飛機機翼的所述末梢區(12)、并完全封裝所述末梢區(12)以限定法拉 第籠區域的傳導性或半傳導性材料。
8.根據權利要求7所述的LPS(50)，其特征在于，所述LPS (50)還包括傳導性或半傳 導性或非傳導性材料的涂層，該涂層覆蓋或埋入所述風力渦輪機葉片或飛機機翼的剩余部 分。
9.根據權利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述大體上平坦的薄片(62)僅在所 述薄片(62)的所述外周邊處附接到所述風力渦輪機葉片或飛機機翼上。
10.根據權利要求1所述的LPS(50)，其特征在于，所述LPS(50)還包括至少一個橫向 應力釋放傳導性或半傳導性路徑、網狀物或箔片，所述路徑、網狀物或箔片設置在所述吸力 側(18)和壓力側(20)之間，并構造成降低當閃電電流流過所述LPS(50)時在平行的傳導 件中觀察到的電氣動態作用力。
全文摘要
本發明涉及橫向傳導雷電保護系統，具體而言，公開了一種用于風力渦輪機葉片或飛機機翼的雷電保護系統，包括玻璃增強纖維或碳增強風力渦輪機葉片或飛機機翼，其具有末梢區、吸力側、壓力側、前緣和后緣。在葉片末梢區或機翼末梢區內側并在吸力側和壓力側之間設置了傳導性或半傳導性材料的大體上平坦的薄片。薄片在閃電放電期間起作用，以形成導致閃電放電附著到末梢區上的電場控制機構。薄片與電氣傳導性或半傳導性路徑成電氣連通或電化連接，使得所述電場控制機構和該路徑一起起作用，以通過控制在末梢區中由雷擊導致的電場來保護風力渦輪機葉片或飛機機翼免遭由于末梢區中的雷擊造成的損壞。
文檔編號H01T19/00GK101936264SQ20101022147
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月25日 優先權日2009年6月25日
發明者R·勒斯納, Y·N·門德斯埃爾南德斯 申請人:通用電氣公司