專利名稱：用于保護(hù)風(fēng)力渦輪機葉片免受閃電損害的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題一般地涉及風(fēng)力渦輪機，且更具體地，涉及用于保護(hù)風(fēng)力渦輪機 葉片免受閃電損害的方法及裝置。
背景技術(shù)：
如眾所周知的那樣，閃電可對風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生重大的危害。同樣地，至少一些已知 的風(fēng)力渦輪機包括保護(hù)性設(shè)備，以幫助防止對風(fēng)力渦輪機和/或風(fēng)力渦輪機葉片的災(zāi)難性損害。例如，在至少一種已知的風(fēng)力渦輪機中，風(fēng)力渦輪機葉片包括金屬絲或金屬網(wǎng)，以 在受到雷擊時，將電流從葉片傳導(dǎo)到地面。在此類風(fēng)力渦輪機中，葉片設(shè)計成在發(fā)生雷擊的 情況下為電流提供流到地面的電路徑，從而防止對葉片和/或渦輪機的損害。盡管經(jīng)常使用此類保護(hù)系統(tǒng)，但此類系統(tǒng)的效果可能有限。例如，當(dāng)電流經(jīng)過此類 風(fēng)力渦輪機導(dǎo)向地面時，如果因雷擊而產(chǎn)生的相關(guān)渦輪機葉片內(nèi)的壓力太高，則該壓力可 能損害葉片。例如，當(dāng)渦輪機葉片受到雷擊時，對葉片引起的電流可導(dǎo)致在渦輪機葉片內(nèi)部 的空氣中產(chǎn)生電弧。此類電弧可升高葉片內(nèi)部的溫度和/或壓力。由此發(fā)生的溫度或壓力 的增加可在葉片中導(dǎo)致裂紋擴張，或甚至使葉片爆炸。如果風(fēng)力渦輪機葉片因為閃電而損壞，對葉片的修理可能是昂貴并且費時的。此夕卜，葉片的損壞可能需要損失由風(fēng)力渦輪機所發(fā)生的電力(即風(fēng)力渦輪機運行停止)，直到 該葉片被更換或修理。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，提供與風(fēng)力渦輪機一起使用的葉片，其中，該葉片包括第一側(cè)壁 和第二側(cè)壁。該第二側(cè)壁沿前緣且沿軸向地隔開的后緣聯(lián)接到第一側(cè)壁上，使得在第一側(cè) 壁和第二側(cè)壁之間限定空腔。釋壓系統(tǒng)聯(lián)接到第一側(cè)壁或第二側(cè)壁中的至少一個上。該釋 壓系統(tǒng)構(gòu)造成當(dāng)空腔內(nèi)的壓力超過預(yù)定的閾值時從該空腔排出流。在另一個實施例中，提供了風(fēng)力渦輪機。該風(fēng)力渦輪機包括塔架，聯(lián)接到塔架上 的外罩，以及聯(lián)接到外罩上的至少一個葉片。該葉片包括第一側(cè)壁和第二側(cè)壁。第二側(cè)壁 沿前緣且沿軸向地隔開的后緣聯(lián)接到第一側(cè)壁上，使得在第一側(cè)壁和第二側(cè)壁之間限定空 腔。釋壓系統(tǒng)聯(lián)接到第一側(cè)壁或第二側(cè)壁中的至少一個上。該釋壓系統(tǒng)構(gòu)造成當(dāng)空腔內(nèi)的 壓力超過預(yù)定閾值時從該空腔排出流。在又一個實施例中，提供了一種用于組裝風(fēng)力渦輪機的方法。該組裝方法包括將 外罩聯(lián)接到塔架上；將至少一個葉片聯(lián)接到外罩上。該葉片包括沿前緣且沿軸向地隔開的 后緣聯(lián)接到一起的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁，使得在第一側(cè)壁和第二側(cè)壁之間限定空腔。該方 法還包括將釋壓系統(tǒng)聯(lián)接到第一或第二側(cè)壁的至少一個上，并且將釋壓系統(tǒng)構(gòu)造成當(dāng)空腔 內(nèi)的壓力超過預(yù)定閾值時從該空腔排出流。


圖1是示例性風(fēng)力渦輪機的側(cè)視圖。圖2是可與在圖1中顯示的風(fēng)力渦輪機一起使用的示例性風(fēng)力渦輪機葉片的橫截面圖。圖3是包括釋壓系統(tǒng)的示例性風(fēng)力渦輪機葉片的側(cè)面透視圖。圖4是可與在圖3中顯示的釋壓系統(tǒng)一起使用的示例性栓塞的放大透視圖。部件列表10風(fēng)力渦輪機11 塔架12 外罩13 葉片14中心線軸線15旋轉(zhuǎn)軸線20第一側(cè)壁21第二側(cè)壁22 前緣23 后緣24葉片空腔25 開口26釋壓系統(tǒng)27開口直徑28內(nèi)表面29內(nèi)表面30釋壓栓塞31 膜片33頭部分34插入部分35 凸緣37外表面38徑向內(nèi)部末端39 外徑40夕卜徑41凸緣直徑42外表面50夕卜表面51夕卜表面
具體實施例方式圖1是示例性風(fēng)力渦輪機10的側(cè)視圖。圖2圖示了示例性葉片13的一部分的橫截面圖。在該示例性實施例中，風(fēng)力渦輪機10包括塔架11，聯(lián)接到塔架11上的外罩12，以 及聯(lián)接到外罩12上的至少一個葉片13。塔架11為外罩12和葉片13提供支承。如在本領(lǐng) 域中已知的，塔架11的高度和結(jié)構(gòu)可改變。外罩12聯(lián)接到塔架11上。外罩12典型地容納齒輪箱和用于將葉片13的轉(zhuǎn)動能 轉(zhuǎn)換成電能的其它構(gòu)件(未顯示)。風(fēng)力渦輪機10包括聯(lián)接到外罩12上的至少一個葉片 13。在該示例性實施例中，渦輪機10包括三個葉片13。在該示例性實施例中，葉片13是同樣的，并且每一個均包括第一側(cè)壁20和相對的 第二側(cè)壁21。第二側(cè)壁21沿前緣22且沿軸向地隔開的后緣23聯(lián)接到第一側(cè)壁20上。第 一側(cè)壁20和第二側(cè)壁21分別以在第一側(cè)壁20和第二側(cè)壁21之間限定空腔24的方式聯(lián) 接在一起。具體地，空腔24至少部分地由各相應(yīng)葉片的內(nèi)表面28和29限定邊界。在運行期間，當(dāng)風(fēng)沖擊葉片13時，葉片13構(gòu)造成將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動能。具體 地，當(dāng)風(fēng)沖擊葉片13時，葉片13圍繞旋轉(zhuǎn)軸線15旋轉(zhuǎn)。葉片13的旋轉(zhuǎn)軸線15通常平行 于風(fēng)的水平分量，并且通常垂直于塔架11的中心線軸線14。葉片13的轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)在外罩12內(nèi)的齒輪箱(未顯示)。該齒輪箱聯(lián)接到在外罩12 內(nèi)的發(fā)電機(未顯示)上，該發(fā)電機產(chǎn)生電流，電流經(jīng)由通過塔架11的電纜(未顯示)傳 輸?shù)诫娋W(wǎng)或其它目的地。在該示例性實施例中，第一側(cè)壁20和/或第二側(cè)壁21中的任何一個均包括限定 在其中的一個或多個開口 25。各開口 25從每一個側(cè)壁20和21的各自的外表面穿過第一 側(cè)壁20和/或第二側(cè)壁21延伸至各內(nèi)表面28和29。同樣地，每一個開口 25均與空腔24 聯(lián)接成流動連通。在該示例性實施例中，每一個開口 25是大體上圓形的。備選地，每一個開 口 25可具有使風(fēng)力渦輪機10能夠如本文所述而起作用的任何橫截面形狀。可變地選擇相 對于每一個葉片13的每一個開口 25的位置，以促進(jìn)如本文所述的風(fēng)力渦輪機10的運轉(zhuǎn)。 更具體地，開口 25可在第一側(cè)壁20和/或第二側(cè)壁21內(nèi)以預(yù)定的圖案布置，該圖案使結(jié) 構(gòu)的完整性和/或葉片13的空氣動力學(xué)性能最優(yōu)化。圖3圖示了包括釋壓系統(tǒng)26的示例性葉片13的側(cè)面透視圖。圖4是與釋壓系統(tǒng) 26 一起使用的示例性釋壓栓塞30的放大透視圖。在該示例性實施例中，釋壓系統(tǒng)26聯(lián)接 到第一側(cè)壁20和/或第二側(cè)壁21 (在圖2中顯示)中的任一個之上，或與第一側(cè)壁20和 /或第二側(cè)壁21中的任一個一體地形成。在該示例性實施例中，釋壓系統(tǒng)26包括至少一個釋壓栓塞30，該釋壓栓塞30插入 在第一側(cè)壁20或第二側(cè)壁21中的任一個中限定的開口 25(在圖2中顯示)。如本文所述， 釋壓系統(tǒng)26與開口 25協(xié)作，且各釋壓栓塞30插入相應(yīng)的開口 25。在一個實施例中，各釋 壓栓塞30的尺寸設(shè)置成且成形為使得當(dāng)栓塞30插入開口 25時，各栓塞30的外表面37與 各相應(yīng)的第一側(cè)壁20或第二側(cè)壁21的外表面50或51大體上平齊。同樣地，在這樣的實 施例中，釋壓栓塞30不負(fù)面影響葉片13的空氣動力學(xué)輪廓或空氣動力學(xué)性能。此外，在該實施例中，當(dāng)釋壓栓塞30完全地插入開口 25時，栓塞30充分地密封各開口 25。在該示例性實施例中，釋壓栓塞30形成有插入部分34以及頭部分33。插入部分 34是中空的，并且與頭部分33 —體地形成，且從頭部分33延伸。此外，在該示例性實施例 中，插入部分34是大體上圓筒形的，并且具有由插入部分34的外表面42限定的外徑39，該 外徑39小于各開口 25的直徑27 (在圖2中顯示)。更具體地，插入部分34從釋壓栓塞30的徑向內(nèi)部末端38延伸到凸緣35，該凸緣35外接栓塞30且從栓塞30徑向地向外延伸。 在一個備選的實施例中，插入部分34不是大體上圓筒形的，并且釋壓栓塞30和/或凸緣35 的至少一部分尺寸設(shè)置成且成形為與開口 25大體上匹配，使得當(dāng)栓塞30完全地插入開口 25時充分地密封開口 25。頭部分33從凸緣35延伸至栓塞外表面37。在該示例性實施例中，頭部分33具有 大體上圓形的橫截面輪廓，并且形成有外徑40，該外徑40小于凸緣35的外徑41。凸緣直 徑41大于開口直徑27。同樣地，在該示例性實施例中，當(dāng)釋壓栓塞30插入開口 25內(nèi)時，凸 緣35限制各開口 25內(nèi)的栓塞30的插入深度。更具體地，凸緣35尺寸設(shè)置成防止頭部分 33進(jìn)入開口 25，并且尺寸設(shè)置成使得在釋壓栓塞30完全地插入開口 25內(nèi)后，開口 25被充 分地密封。此外，在該示例性實施例中，頭部分33在其中形成有膜片31。如在下文中更詳 細(xì)地描述，膜片31制造成當(dāng)暴露于預(yù)定壓力時破裂。在另一個實施例中，開口 25包括沉孔部分(未顯示)。在此類實施例中，當(dāng)釋壓 栓塞30插入開口 25內(nèi)時，凸緣35座落在沉孔部分內(nèi)，使得將開口 25充分地密封。頭部分 33從沉孔部分徑向地向外延伸到側(cè)壁外表面50或51。 在運行期間，當(dāng)葉片空腔24內(nèi)的壓力超過預(yù)定的閾值時，如可在葉片13遭受雷擊 時發(fā)生的那樣，當(dāng)壓力波穿過葉片空腔24傳播時，釋壓栓塞30從第一側(cè)壁20或第二側(cè)壁 21射出，和/或膜片31破裂。備選地，釋壓栓塞30可構(gòu)造成使得當(dāng)葉片空腔24內(nèi)的壓力 超過預(yù)定的閾值時，僅栓塞30的一部分彈出和/或破裂。在一個備選的實施例中，當(dāng)在葉 片空腔24內(nèi)的壓力超過預(yù)定的閾值時，膜片31在釋壓栓塞30射出前破裂。在另一個實施 例中，當(dāng)葉片空腔24內(nèi)的壓力超過預(yù)定的閾值時，釋壓栓塞30在膜片31破裂前射出。在 又一個實施例中，當(dāng)葉片空腔24內(nèi)的壓力超過預(yù)定的閾值時，在大體上相同的時刻膜片31 破裂并且釋壓栓塞30射出。釋壓栓塞30的射出和/或破裂并不損害葉片13，相反，一旦栓 塞30彈出和/或破裂，高壓力流體從葉片空腔24排出，從而減少空腔24內(nèi)的總壓力。取 決于空腔24內(nèi)的壓力，還可使額外的釋壓栓塞30射出和/或破裂。作為釋壓栓塞30排出 和/或破裂的結(jié)果，促進(jìn)了葉片空腔24內(nèi)的壓力降低，同時減少對葉片13的潛在損害。由 于與葉片13相比釋壓栓塞30的相對小的尺寸，葉片13可繼續(xù)運行而僅有微小的空氣動力 學(xué)性能損失。在另一個實施例中，釋壓系統(tǒng)26不包括釋壓栓塞30，但釋壓系統(tǒng)26包括至少一個 膜片、爆破盤(rupture disk)和/或任何聯(lián)接到葉片13上的其它構(gòu)件，并且構(gòu)造成如本文 所述從空腔24排出增壓的流以降低空腔24內(nèi)的運行壓力。在另一個實施例中，釋壓栓塞 30包括外周界(未顯示)，該外周界具有當(dāng)栓塞30完全插入開口 25內(nèi)時，與開口 25的周 界大體上平齊地匹配的形狀。在此類實施例中，在與開口 25相鄰的區(qū)域，栓塞周界幫助增 加葉片13的剛度。此外，在此類實施例中，栓塞30還可幫助降低在葉片13內(nèi)引起的應(yīng)力 的效果和影響?？煞卢F(xiàn)有風(fēng)力渦輪機和風(fēng)力渦輪機葉片以使用在本文中所述的釋壓系統(tǒng)26?？?在現(xiàn)有風(fēng)力渦輪機葉片中形成例如開口 25的一個或多個開口，以容納一個或多個釋壓栓 塞30或上述釋壓系統(tǒng)26的其它實施例的插入。無需從風(fēng)力渦輪機移除現(xiàn)有葉片或另外組 裝風(fēng)力渦輪機即可翻新現(xiàn)有葉片。還描述了一種用于組裝風(fēng)力渦輪機10的方法。在該示例性實施例中，外罩12聯(lián)接到塔架11上，至少一個葉片13聯(lián)接到外罩12上。第二側(cè)壁21沿葉片前緣22且沿軸向地隔開的后緣23聯(lián)接到第一側(cè)壁20上，使得在第一側(cè)壁20和第二側(cè)壁21之間限定空腔 24。然后，釋壓系統(tǒng)26聯(lián)接到第一側(cè)壁20和/或第二側(cè)壁21的任何一個上。如在本文中 所述，釋壓系統(tǒng)26使得當(dāng)空腔24內(nèi)的運行壓力超過預(yù)定閾值時能夠從空腔24排出流。如上所述的方法和裝置幫助保護(hù)風(fēng)力渦輪機和風(fēng)力渦輪機葉片免受雷擊導(dǎo)致的 損害。通過提供當(dāng)壓力上升到預(yù)定閾值以上時可彈出和/或破裂的一個或多個栓塞，產(chǎn)生 了一個或多個壓力排出流途徑，其使得能夠排出包含在葉片內(nèi)的高壓力流體。無需更換葉 片即可更換該栓塞。此外，栓塞在葉片中的插入可幫助增加葉片的結(jié)構(gòu)強度。上述方法和 裝置幫助改善使風(fēng)力渦輪機和風(fēng)力渦輪機葉片免受雷擊壓力和/或溫度損害的保護(hù)。以上詳細(xì)地描述了用于保護(hù)風(fēng)力渦輪機葉片免受閃電損害的方法和裝置的示例 性實施例。這些方法和裝置并不限于本文所述的具體實施例，相反，這些方法和裝置的構(gòu)件 可獨立于且與本文所述的其它構(gòu)件分開使用。例如，此類釋壓栓塞還可結(jié)合其它閃電保護(hù) 系統(tǒng)和方法使用，且并不限于以如本文所述的風(fēng)力渦輪機來實踐。相反，可結(jié)合使用翼型件 的許多其它應(yīng)用來實施和利用本發(fā)明。本書面說明書使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使得本領(lǐng)域的任何 技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本 發(fā)明可被授予專利的范圍通過權(quán)利要求書限定，并且可包括由本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它 示例。如果此類其它示例具有與權(quán)利要求書的文字語言并無不同的結(jié)構(gòu)元件，或者它們包 括與權(quán)利要求書的文字語言無本質(zhì)區(qū)別的等價結(jié)構(gòu)元件，則此類其它示例意圖處在權(quán)利要 求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種與風(fēng)力渦輪機(10)一起使用的葉片(13)，所述葉片包括第一側(cè)壁(20)；第二側(cè)壁(21)，其沿前緣(22)且沿軸向地隔開的后緣(23)聯(lián)接到所述第一側(cè)壁上，使得在所述第一側(cè)壁和第二側(cè)壁之間限定空腔(24)；以及釋壓系統(tǒng)(26)，其聯(lián)接到所述第一側(cè)壁和第二側(cè)壁中的至少一個上，所述釋壓系統(tǒng)構(gòu)造成當(dāng)所述空腔內(nèi)的壓力超過預(yù)定的閾值時，從所述空腔排出流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機葉片(13)，其特征在于，所述釋壓系統(tǒng)(26)包括插入 開口(25)的至少一個栓塞(30)，該開口(25)限定在所述第一側(cè)壁(20)和第二側(cè)壁(21) 的至少一個中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪機葉片(13)，其特征在于，當(dāng)所述空腔(24)內(nèi)的壓力超 過預(yù)定的閾值時，所述至少一個栓塞(30)的至少一部分執(zhí)行從所述葉片射出和破裂中的 至少一個動作。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪機葉片(13)，其特征在于，所述栓塞(30)包括幫助增加 所述葉片的剛度的外周界。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪機葉片(13)，其特征在于，所述栓塞(30)包括膜，該膜 構(gòu)造成當(dāng)所述空腔內(nèi)的壓力超過預(yù)定的閾值時破裂，以從所述空腔排出流。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪機葉片(13)，其特征在于，所述栓塞(30)中的至少一個 聯(lián)接到所述第一側(cè)壁(20)上，并且所述栓塞中的至少一個聯(lián)接到所述第二側(cè)壁(21)上。
7.一種風(fēng)力渦輪機(10)，包括塔架(11)；聯(lián)接到所述塔架上的外罩(12)；聯(lián)接到所述外罩上的至少一個葉片(13)，且該葉片(13)包括第一側(cè)壁(20)；第二側(cè)壁(21)，其沿前緣(22)且沿軸向地隔開的后緣(23)聯(lián)接到所述第一側(cè)壁上，使 得在所述第一側(cè)壁和第二側(cè)壁之間限定空腔(24)；以及釋壓系統(tǒng)(26)，其聯(lián)接到所述第一側(cè)壁和第二側(cè)壁中的至少一個上，所述釋壓系統(tǒng)構(gòu) 造成當(dāng)所述空腔內(nèi)的壓力超過預(yù)定的閾值時，從所述空腔排出流。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)力渦輪機(10)，其特征在于，所述釋壓系統(tǒng)(26)包括插入 開口(25)的至少一個栓塞(30)，該開口(25)限定在所述第一側(cè)壁(20)和第二側(cè)壁(21) 的至少一個中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)力渦輪機(10)，其特征在于，當(dāng)所述空腔(24)內(nèi)的壓力超 過預(yù)定的閾值時，所述至少一個栓塞(30)的至少一部分執(zhí)行從所述葉片(13)射出和破裂 中的至少一個動作。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)力渦輪機(10)，其特征在于，所述栓塞(30)包括幫助增 加所述葉片(13)的剛度的外周界。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于保護(hù)風(fēng)力渦輪機葉片免受閃電損害的方法及裝置，且更具體地，提供一種與風(fēng)力渦輪機(10)一起使用的葉片(13)。該葉片包括第一側(cè)壁(20)；第二側(cè)壁(21)，其沿前緣(22)且沿軸向地隔開的后緣(23)聯(lián)接到第一側(cè)壁上，使得在第一側(cè)壁和第二側(cè)壁之間限定空腔(24)；以及釋壓系統(tǒng)(26)，其聯(lián)接到第一側(cè)壁和第二側(cè)壁中的至少一個上，該釋壓系統(tǒng)(26)構(gòu)造成當(dāng)空腔內(nèi)的壓力超過預(yù)定的閾值時，從空腔排出流。
文檔編號F03D11/00GK101839211SQ201010145548
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月19日
發(fā)明者K·V·勞, V·M·海爾馬斯 申請人:通用電氣公司