CN119256159A - 风力涡轮机转子叶片的等电位结合 - Google Patents

Abstract

风力涡轮机转子叶片部分具有根部端、末梢端和叶片壳，该叶片壳限定叶片部分的吸力侧、压力侧、前缘和后缘。叶片壳包括雷电引线和至少一个翼梁帽，所述雷电引线包括第一导电材料，所述翼梁帽与所述叶片壳相关联并且包括不同于所述第一导电材料的第二导电材料。等电位结合元件将雷电引线电结合到翼梁帽。等电位结合元件包括：第一端部，其具有邻近雷电引线的第一导电材料的第一金属材料；第二端部，其与第一端部相对并具有邻近翼梁帽的第二导电材料的第二金属材料；以及中间部分，在该中间部分中，第一金属材料在接头处接合到第二金属材料，并且该中间部分具有绝缘体，该绝缘体封装接头，用于防止接头暴露于电解质材料。

Description

风力涡轮机转子叶片的等电位结合

本发明涉及一种风力涡轮机转子叶片，尤其涉及风力涡轮机转子叶片内的等电位结合，并且涉及一种制造风力涡轮机转子叶片的方法。

背景技术

风力涡轮机将风的动能转换为电能。发电机将由具有一个或更多个转子叶片的转子捕获的风能转换成通常提供给公用电网的电能。发电机与运行和优化风力涡轮机性能所需的各种部件一起容纳在机舱中。塔架支撑由机舱和转子提供的负载。在水平轴风力涡轮机(HAWT)中，转子叶片从中心毂径向向外延伸，该中心毂绕大致水平对齐的纵向轴线旋转。在操作中，叶片被配置成与经过的空气流相互作用以产生升力，该升力使转子在基本垂直于风的方向的平面内旋转。

传统的转子叶片由外壳和翼梁结构制成。翼梁结构用于将负载从旋转叶片传递到风力涡轮机的毂。这种负载包括由叶片的圆周运动引起的沿叶片长度方向的拉伸和压缩负载以及由风引起的沿叶片厚度方向的负载，即从叶片的迎风侧到背风侧。翼梁结构包括在翼梁帽之间延伸的一个或更多个抗剪腹板。翼梁帽可合并到外壳中或可附接到外壳。

翼梁帽可包括拉挤纤维材料条。拉挤是类似于挤出的连续方法，其中，将纤维拉过液体树脂源，然后加热，使树脂固化。所得的固化纤维材料具有恒定的横截面，但由于该方法是连续的，材料一旦形成就可切割成任意长度。

WO2013/087078描述了一种具有细长加强结构的风力涡轮机叶片，该细长加强结构包括拉挤纤维复合条堆。拉挤纤维是碳纤维并且从根部到末梢几乎延伸叶片的整个长度。

风力涡轮机容易受到雷击。风力涡轮机通常包括将风力涡轮机部件电联接到地的防雷系统。叶片可包括金属箔或表面保护层(SPL)，其在叶片的外表面附近合并到外壳中。金属箔可仅覆盖叶片外表面的一部分或基本上覆盖整个叶片外表面。金属箔通过塔架和机舱电连接到地。

尽管雷击由于其高频而具有沿结构(例如转子叶片)的外表面行进的自然趋势，但是当发生雷击时，叶片壳中导电纤维的存在可能导致不希望的放电，这可能导致叶片壳的损坏。在导电纤维是连续的并且沿着转子叶片的实质长度延伸的情况下，特别是对于长叶片，这个问题可能会加剧。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种风力涡轮机转子叶片部分，该风力涡轮机转子叶片部分具有根部端和末梢端，所述风力涡轮机转子叶片部分包括：风力涡轮机叶片壳，该风力涡轮机叶片壳限定所述叶片部分的吸力侧、压力侧、前缘和后缘，其中，所述叶片壳包括雷电引线，该雷电引线包括第一导电材料；以及至少一个翼梁帽，该翼梁帽与所述叶片壳相关联并且包括不同于所述第一导电材料的第二导电材料；等电位结合元件，该等电位结合元件将所述雷电引线电结合到所述翼梁帽，其中，所述等电位结合元件包括：第一端部，该第一端部具有邻近所述雷电引线的第一导电材料的第一金属材料；第二端部，该第二端部与所述第一端部相对并且具有邻近所述翼梁帽的第二导电材料的第二金属材料；以及中间部分，在该中间部分中，所述第一金属材料在接头处接合到所述第二金属材料，并且所述中间部分具有绝缘体，该绝缘体封装所述接头，用于防止所述接头暴露于电解质材料。

本发明的另一方面提供了一种制造风力涡轮机转子叶片部分的方法，该风力涡轮机转子叶片部分具有根部端和末梢端，该方法包括：铺设风力涡轮机转子叶片的壳，该壳限定所述叶片部分的吸力侧、压力侧、前缘和后缘，所述壳包括雷电引线，该雷电引线包括第一导电材料；铺设翼梁帽，使得所述雷电引线在所述翼梁帽上延伸，其中，所述翼梁帽包括第二导电材料；以及提供等电位结合元件以将所述雷电引线电结合到所述翼梁帽，所述等电位结合元件包括：第一端部，该第一端部具有邻近所述雷电引线的第一导电材料的第一金属材料；第二端部，该第二端部与所述第一端部相对并且具有邻近所述翼梁帽的第二导电材料的第二金属材料；以及中间部分，在该中间部分中，所述第一金属材料在接头处接合到所述第二金属材料，并且所述中间部分具有绝缘体，该绝缘体封装所述接头，用于防止所述接头暴露于电解质材料。

通过防止接头暴露于电解质材料，可以防止在第一金属材料和第二金属材料之间形成电流路径而不是经由接头。避免这种电流路径或电弧有助于防止第一金属材料或第二金属材料的电偶腐蚀，其中，这些金属材料是不相似的金属，例如在它们的标准电极电位方面彼此远离的两种金属材料，例如铜和铝。不相似的金属材料的使用可能是优选的以防止：i)雷电引线的第一导电材料与等电位结合元件的第一金属材料之间的电偶腐蚀；以及ii)翼梁帽的第二导电材料与等电位结合元件的第二金属材料之间的电偶腐蚀。

在叶片壳内，在等电位结合元件附近存在电解质材料是不可避免的，例如，当风力涡轮机转子叶片部分作为风力涡轮机的一部分正常运行时，来自自然环境的电离水。

优选地，绝缘体仅覆盖等电位结合元件的一小部分。绝缘体可以在接头的任一侧延伸足够的距离，以防止在第一金属材料与第二金属材料之间形成电流路径而不是通过接头。

所述第一金属材料和所述第二金属材料可以在所述接头处机械地和电气地接合在一起。

所述等电位结合元件可以形成为条或带。

所述第一金属材料和所述第二金属材料可以均具有被构造成在不屈服的情况下适应观察到的应变的形式，所述应变大于对应材料的实心直形的屈服强度。

所述第一金属材料可以具有与所述第二金属材料不同的形式。

所述第一金属材料和/或所述第二金属材料可以形成为有孔的箔或网。

所述第一金属材料的孔的纵横比可以不同于所述第二金属材料的孔的纵横比。

所述第一金属材料和/或所述第二金属材料可以在基底上形成为线。

所述线可具有在平行于所述基底的平面中带有起伏的起伏形式。优选地，所述第一金属材料的起伏的线的节距不同于所述第二金属材料的起伏的线的节距。

所述叶片壳可以包括多个纤维层片堆。所述等电位结合元件可在一个堆的边缘与相邻堆的边缘之间延伸，所述一个堆的边缘和所述相邻堆的边缘重叠以限定延伸跨越所述翼梁帽的重叠边缘区域。

所述等电位结合元件的中间部分可以位于所述重叠区域中，远离所述翼梁帽和所述雷电引线。

每个纤维层片堆可具有朝向所述叶片的根部端的内侧边缘、朝向所述叶片的末梢端的外侧边缘、朝向所述叶片的前缘的前边缘以及朝向所述叶片的后缘的后边缘。所述等电位结合元件可以在一个堆的外侧边缘与相邻堆的内侧边缘之间延伸，所述一个堆的外侧边缘和所述相邻堆的内侧边缘重叠。

所述等电位结合元件的第一端部可以附接到所述雷电引线并与所述雷电引线电接触。所述等电位结合元件的第二端部可附接到所述翼梁帽并与所述翼梁帽电接触。

所述翼梁帽可具有外侧和最接近所述叶片的内部的内侧，并且所述等电位结合元件可附接到所述翼梁帽的外侧并与所述翼梁帽的外侧电接触。

所述翼梁帽可包括一堆多层的所述第二导电材料，所述第二导电材料优选为碳纤维材料，所述碳纤维材料优选为拉挤碳纤维复合材料。

所述第一金属材料可以具有与所述雷电引线的第一导电材料的标准电极电位相似的标准电极电位，并且第二金属材料可以具有与所述翼梁帽的第二导电材料的标准电极电位相似的标准电极电位。标准电极电位可以是相似的，使得电偶腐蚀即使在存在电解质的情况下也可以是最小的。在本文中，“相似的”可意指标准电极电位(E⁰)相对于氢的标准电极电位具有相同的数量级。

相邻的纤维层片堆的重叠边缘可以通过连续地终止所述堆中的各个层以形成阶梯或斜坡来形成。

所述雷电引线可以是防雷系统的金属箔。

所述雷电引线可以位于或靠近所述叶片的外表面。

所述风力涡轮机转子叶片还可包括多个所述等电位结合元件。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了风力涡轮机叶片；

图3示出了具有防雷特征的风力涡轮机叶片的示意性平面图；

图4a示出了中空叶片沿图3中的A-A的剖视图；图4b示出了图4a中的B处的外壳、翼梁帽和抗剪腹板的详细视图；

图5示出了外壳在模具中的弦向铺设的示意图；

图6示出了外壳的层片堆的示意性翼展方向截面，示出了层片堆的重叠边缘；

图7示出了外壳的一对相邻的层片堆的示意性翼展方向截面，其中，等位结合元件从表面保护层通过层片堆的重叠边缘延伸到翼梁帽；

图8示出了一个示例，其中，等电位结合元件被铺设在层片堆之间；

图9示出了双金属等电位结合元件；

图10示出了另一双金属等电位结合元件；

图11示出了在等电位结合元件中的两种金属材料的端部；

图12的A)至C)示出了在等电位结合元件中的两种金属材料之间的各种接头；

图13的A)和B)示出了在等电位结合元件中的两种金属材料之间的另一接头；

图14示出了在等电位结合元件中的两种金属材料之间的又一接头；以及

图15示出了另一双金属等电位结合元件。

具体实施方式

在本说明书中，使用诸如前缘、后缘、压力表面、吸力表面、厚度、弦长和平面形状的术语。虽然这些术语是本领域技术人员公知和理解的，但为了避免疑问，下面给出定义。

术语“前缘”用于指叶片的边缘，当叶片在风力涡轮机转子的正常旋转方向上旋转时，该边缘将位于叶片的前部。

术语“后缘”用于指风力涡轮机叶片的边缘，当叶片在风力涡轮机转子的正常旋转方向上旋转时，该边缘将位于叶片的后部。

叶片的弦长是在垂直于叶片翼展方向的给定横截面中从前缘到后缘的直线距离。

风力涡轮机叶片的压力表面(或迎风表面)是前缘和后缘之间的表面，在使用时，该表面具有比叶片的吸力表面更高的压力。

风力涡轮机叶片的吸力表面(或背风表面)是前缘和后缘之间的表面，在使用时，该表面将具有比作用在压力表面上的压力更低的压力。

风力涡轮机叶片的厚度垂直于叶片的弦测量，并且是在垂直于叶片翼展方向的给定横截面中压力表面和吸力表面之间的最大距离。

术语“翼展方向”用于指从风力涡轮机叶片的根部端到叶片末梢端的方向，反之亦然。当风力涡轮机叶片安装在风力涡轮机毂上时，翼展方向和径向方向将基本相同。

垂直于翼展方向和翼弦方向的视图被称为平面视图。该视图沿着叶片的厚度尺寸看。

术语“翼梁帽”用于指叶片的纵向的(大致在翼展方向上延伸的)加强构件。翼梁帽可以嵌入叶片外壳中，或者可以附接到叶片外壳。叶片的迎风侧和背风侧的翼梁帽可通过延伸穿过叶片的内部中空空间的一个或更多个抗剪腹板接合。叶片可以在叶片的迎风侧和背风侧中的每一侧上具有多于一个的翼梁帽。翼梁帽可以形成叶片的纵向加强翼梁或支撑构件的一部分。特别地，翼梁帽可形成在纵向方向上延伸的承载结构的一部分，该承载结构承载叶片的扑动方向弯曲载荷。

术语“抗剪腹板”用于指叶片的纵向的(大致在翼展方向上延伸的)加强构件，该加强构件能够将载荷从叶片的迎风侧和背风侧中的一个传递到叶片的迎风侧和背风侧中的另一个。

图1示出了风力涡轮机10，其包括安装在基座上的塔架12和设置在塔架12的顶点处的机舱14。这里所示的风力涡轮机10是陆上风力涡轮机，使得基座嵌入地面中，但是风力涡轮机10可以是海上安装，在这种情况下，基座将由合适的海上平台提供。

转子16经由齿轮箱操作性地联接到容纳在机舱14内的发电机(未示出)。转子16包括中心毂18和多个从中心毂18向外伸出的转子叶片20。应当注意，风力涡轮机10是普通类型的水平轴风力涡轮机(HAWT)，使得转子16安装在机舱12处，以围绕在毂18的中心处限定的基本水平的轴线旋转。虽然图1所示的示例具有三个叶片，但是本领域技术人员将认识到，其他数量的叶片也是可能的。

当风吹向风力涡轮机10时，叶片20产生升力，该升力使转子16旋转，这又使机舱14内的发电机产生电能。

图2示出了用于这种风力涡轮机中的一个风力涡轮机叶片20。每个叶片20具有靠近毂18的根部端22和远离毂18的末梢端24。前缘26和后缘28在根部端22和末梢端24之间延伸，并且每个叶片20具有在叶片20的前缘和后缘之间延伸的相应的空气动力学高压表面(即压力表面)和空气动力学低压表面(即吸力表面)。压力表面位于叶片的压力侧，并且吸力表面位于叶片的压力侧。叶片可以在翼展方向上分开以形成包括多个叶片部分的分段式叶片，每个叶片部分具有根部和末梢，替代地，叶片可以从根部端22到末梢端24连续，从而形成一个叶片部分。

每个叶片在靠近根部端22处具有大致圆形的横截面，因为靠近根部的叶片必须具有足够的结构强度以支撑该截面外侧的叶片并将载荷传递到毂18中。叶片20从圆形轮廓过渡到翼型轮廓，从叶片的根部端28朝向叶片的“肩部”30移动，肩部30是叶片的最宽部分，在该最宽部分中，叶片具有其最大弦长。叶片20在叶片的外侧部分具有厚度逐渐减小的翼型，该外侧部分从肩部30延伸到末梢端24。

如图3中示意性示出的，叶片20包括一个或更多个雷电接收器和一个或更多个雷电“引下线”，它们形成用于风力涡轮机的防雷系统的一部分。雷电接收器吸引雷击，而引下线将雷击的能量沿叶片20向下传导，经由机舱14和塔架12传导到地电位。雷电引线可以采取多种形式，例如在叶片的外表面上的表面金属箔32和/或例如贯穿中空叶片内部的电缆38。雷电引线包括第一导电材料。雷电接收器可以包括安装在叶片的外表面上的金属箔32和/或分立的雷电接收器34，或者例如可以提供与最靠近末梢端24的叶片的形状共形的实心金属尖36或金属涂覆的层压件(例如铜帽)。分立的雷电接收器34和金属尖36可以电连接到雷电引线。

叶片20的外表面的大部分可以覆盖有金属箔32。金属箔32可用作雷电接收器、引下线或两者。引下线可以基本上延伸叶片的整个长度。在叶片20的外表面的大部分覆盖有金属箔32的情况下，电缆38可在叶片的末梢端24附近和叶片的根部端22附近连接到金属箔32，而沿着叶片的覆盖有金属箔32的大部分长度没有电缆38。金属箔32可以从根部延伸到末梢，在这种情况下不需要电缆38。金属箔32可以沿着叶片的长度分段延伸，在金属箔段之间有电缆段。替代地，电缆38可在金属箔32下方(在叶片内)延伸，使得电缆38和金属箔32并联电连接。替代地，叶片可以在叶片表面上具有更多数量的分立的雷电接收器，该雷电接收器通过基本上沿着叶片的整个长度延伸的引下线电缆电连接，而不具有金属箔。

在叶片20的根部端22处，引下线38可以通过电枢装置电连接到电荷传输线路，该电荷传输线路经由机舱14或毂18和塔架12到地电位。因此，这样的防雷系统允许将雷电从叶片安全地引导到地电位，从而使损坏风力涡轮机10的风险最小化。

如图4a所示，风力涡轮机叶片20包括叶片外壳40，该叶片外壳40限定中空内部空间42，其中，抗剪腹板44在内部在叶片外壳40的上部和下部之间延伸。叶片外壳40可以包括两个半壳40a，40b，这两个半壳在接合在一起(在前缘26和后缘28处)以形成叶片20之前被分开模制。应当理解，叶片外壳40不需要形成为随后接合在一起的两个半壳，而是可以在“一次注射”单壳工艺中与抗剪腹板42一起形成为整体壳结构。

图4b示出了抗剪腹板44与叶片外壳40相遇的区域的详细视图。翼梁帽46可合并到外壳40中，如图4b所示，或者可附接到外壳40。翼梁帽46是大致沿叶片20的整个长度从根部端22延伸到末梢端24的细长加强结构。翼梁帽46包括第二导电材料，例如碳纤维。例如，翼梁帽可包括材料的拉挤纤维条带，该材料诸如为拉挤碳纤维复合材料或其他碳纤维增强聚合物材料。

回到图3，叶片20可以具有多于一个翼梁帽46，翼梁帽46合并在叶片外壳40的上部和下部中或附接到叶片外壳40的上部和下部。在所示的示例中，叶片20具有主翼梁帽46a和后翼梁帽46b(也称为纵梁)，主翼梁帽46a具有在其之间延伸的抗剪腹板44，后翼梁帽46b可以具有或可以不具有在其之间延伸的抗剪腹板。

每个翼梁帽46可以包括第二导电材料层的堆叠。抗剪腹板44可粘合地结合到翼梁帽46的内表面48。翼梁帽46的外表面50可以位于叶片外壳40的外表面中的雷电接收器附近。如图4b所示，雷电接收器可以是金属箔32的形式，金属箔32通过一个或更多个绝缘材料(例如玻璃纤维增强聚合物)层52与翼梁帽46的外表面50隔开。一个或更多个另外的玻璃纤维增强聚合物层52可以设置在金属箔32的外侧上。层52共同形成叶片外壳40的外蒙皮。一个或更多个另外的玻璃纤维增强聚合物层提供叶片外壳40的内蒙皮54，在外蒙皮52和内蒙皮54之间具有芯材料56。芯材料可以是轻质结构泡沫，尽管其他芯材料(如木材，特别是轻木)也可用于提供轻质芯材料。可以理解，在抗剪腹板44与叶片外壳40的另一侧之间形成几乎相同的连接。

现在将详细描述叶片外壳40(特别是外蒙皮)的结构及其制造方法。如图5所示，玻璃纤维增强织物层52作为纤维层片堆70铺设在模具60中。纤维层片堆70可以包括缝合或以其他方式附接在一起作为套件的多个纤维层片。纤维层片堆70可以被预切割以适合模具60的形状，使得纤维层片堆70容易地符合模具60的形状，并且多个层片可以容易地并且在短时间内铺设在模具60中，优选地不需要一旦在模具60中就对这些层片进行任何切割或详细成形。替代地，可在模具60中切割层片。纤维层片堆70可以包括随后用树脂灌注的干纤维，或者替代地，纤维层片可以是湿的或半干的纤维层片，在模具60内固结和固化之前不需要或仅需要部分灌注树脂。替代地，纤维层片堆70可在模具60中逐层地铺设。纤维层片堆70可以在模具外部的平坦或接近平坦的表面上在模具60外制备，使得纤维层片堆70在被放置在模具60中时呈现其形式或形状。替代地，纤维层片堆70可以铺设在模具外部的适当成形的表面上，使得纤维层片堆70在铺设在模具60中之前在模具外部呈现其(接近最终)形式或形状。在下文中，在模具外部的任何表面上铺设的纤维层片堆被称为“预制件”。

每个纤维层片堆70可以具有朝向叶片20的根部端22的内侧边缘71、朝向叶片的末梢端24的外侧边缘72、朝向叶片的前缘26的前边缘73以及朝向叶片的后缘28的后边缘74。

纤维层片堆70布置成使得堆70中的一个的内侧边缘71和相邻堆70的外侧边缘72重叠，以限定大致横向延伸跨过翼梁帽46的位置的重叠区域75。这通常被称为预制件或纤维层片堆70的“弦向层叠”。每个纤维层片堆70可以延伸跨过模具60的整个弦向宽度，使得每个纤维层片堆70的前边缘73在叶片的前缘26处，并且每个纤维层片堆70的后边缘74在叶片的后缘28处。通常，在前边缘73和后边缘74之间的每个纤维层片堆70的长度大于在内侧边缘71和外侧边缘72之间的堆的宽度。注意，该“弦向层叠”不涉及构成纤维层片堆70的任何层片的任何纤维方向，并且任何单个层片可具有纤维方向。

为了避免翼梁帽46的第二导电材料与金属箔32或其他雷电引线的第一导电材料之间电弧放电的危险，等电位结合元件58用来将雷电引线等电位地结合到翼梁帽46的第二导电材料，如图7所示。通过将雷电引线32电结合到翼梁帽46，翼梁帽46可以被保持在与雷电引线相同的电位，使得在雷击事件中可以避免雷电引线32和翼梁帽46之间的不期望的放电或电弧。

相邻的纤维层片堆70的重叠边缘可以通过连续地终止堆中的各个层片以形成阶梯或斜坡而形成。有利地，在重叠区域75处的堆中的各个层片的这种连续终止可以在一个堆70的外侧边缘72与相邻堆70的内侧边缘71之间产生阶梯式路径，等电位结合元件58可以延伸通过该路径，以便将金属箔32或其他雷电引线电结合到翼梁帽46。

翼梁帽46的第二导电材料可以不同于雷电引线32的第一导电材料。例如，如上所述，翼梁帽46可包括用作第二导电材料的碳纤维。相反，雷电引线32的金属箔通常可以是由例如铝制成的金属网或扩展金属箔。碳和铝具有非常不同的标准电极电位。例如，碳(石墨，在溶液中)相对于标准氢电极具有+0.13V的标准电极电位，而铝相对于标准氢电极具有-2.31V的标准电极电位。第一导电材料的铝可以远离第二导电材料的碳，如图7的示例性布置所示，因此即使在存在电解质材料的情况下，由于这两种材料之间的相对大的物理距离，电偶腐蚀的风险也不大。

然而，等电位结合元件58用于将雷电引线32的第一导电材料等电位地结合到翼梁帽46的第二导电材料。如图7至图9所示，等电位结合元件58具有邻近雷电引线(例如金属箔32)的第一导电材料的第一端部58a、与第一端部相对并邻近翼梁帽46的第二导电材料的第二端部58b以及中间部分58c。第一端部58a具有第一金属材料59a，并且第二端部58b具有第二金属材料59b。

通过提供作为双金属部件的等电位结合元件58，可以使相邻的雷电引线32的第一导电材料和等电位结合元件58的第一金属材料的标准电极电位紧密匹配；并且可以使也相邻的翼梁帽46的第二导电材料和等电位结合元件58的第二金属材料的标准电极电位紧密匹配。

第一金属材料可以具有与雷电引线的第一导电材料相似的标准电极电位，第二金属材料可以具有与翼梁帽的第二导电材料相似的标准电极电位。标准电极电位可以是相似的，使得电偶腐蚀即使在电解质存在的情况下也可以是最小的。在本文中，“相似”可意指标准电极相位(E0)相对于氢的标准电极电位具有相同的数量级。

参考上面的示例(其中，第一导电材料是铝，而第二导电材料是碳)，等电位结合元件58的第一金属材料可以是铝，而第二金属材料可以是铜。在第一导电材料和第一金属材料都是铝的情况下，这两种导电材料的标准电极电位可以基本上相同地匹配，并且在这两个部件相邻的情况下应该没有电偶腐蚀的问题。在第二导电材料是碳而第二金属材料是铜的情况下，这两种导电材料的标准电极电位可以相似但不相同。例如，碳相对于标准氢电极具有+0.13V的标准电极电位，而铜相对于标准氢电极具有+0.1V的标准电极电位。虽然这些值不相同，但是它们具有相同的数量级，因此在这些材料相邻处的电偶腐蚀的风险显著降低，达到在部件的工作寿命期间可以安全地忽略任何电偶腐蚀的程度。

虽然等电位结合元件58可以形成为双金属部件，但是这将电偶腐蚀问题从邻近第一导电材料和第二导电材料的等电位结合元件的端部58a和58b转移到等电位结合元件58的中间部分58c。为了用作等电位结合元件以将雷电引线32的第一导电材料等电位地结合到翼梁帽46的第二导电材料，第一金属材料在中间部分58c内的接头处接合到第二金属材料。如图9所示，绝缘体59c封装接头以防止接头暴露于电解质材料。

在叶片壳40内，在等电位结合元件58附近存在电解质材料是不可避免的，例如，当风力涡轮机转子叶片20或叶片部分作为风力涡轮机10的一部分正常运行时来自自然环境的电离水。

通过使用绝缘体59c防止接头暴露于电解质材料，可以防止在第一金属材料59a和第二金属材料59b之间形成电流路径而不是经由接头。避免这种电流路径或电弧有助于防止彼此靠近的第一金属材料或第二金属材料的电偶腐蚀，在这些金属材料是不相似的金属的情况下，例如在它们的标准电极电位方面彼此远离的两种金属材料，例如铜和铝，如在上面的示例中。

第一金属材料59a可以附接到金属箔32的第一导电材料或其他雷电引线并与其电接触。第二金属材料59b可附接到翼梁帽46的第二导电材料并与其电接触。这些电接触可以通过在树脂注入以形成叶片壳之前在叶片叠层上的真空压力来实现。如果需要，可以添加导电羊毛状物以帮助形成这些电触点。

绝缘体59c可仅覆盖等电位结合元件58的一小部分。绝缘体59c可以在接头的任一侧延伸足够的距离，以防止在第一金属材料59a和第二金属材料59b之间形成电流路径而不是经由接头。

第一金属材料59a和第二金属材料59b可以在等电位结合元件58的中间部分58c中机械地和电气地接合在一起，并且接头由绝缘体59c封装。

等电位结合元件58可以形成为条或带。在安装到叶片壳40中之前，等电位结合元件58可以是大致矩形的。等电位结合元件58可以是大致薄的和柔性的。这使得等电位结合元件58能够在制造叶片壳期间例如以上述的阶梯状方式变形。如图7所示，翼梁帽46具有最接近叶片20的外表面29的外侧46a和最接近叶片20的中空内部42的内侧46b。等电位结合元件58的第二金属材料59b可附接到翼梁帽46的外侧46a并与其电接触。通过使平带在相邻的纤维层片堆70的边缘之间呈“阶梯状”，该带尽可能保持平。

等电位结合元件58的第一金属材料59a和/或第二金属材料59b可以各自形成为导电层片，例如一片导电网，例如金属网或箔；或者，第一金属材料59a和/或第二金属材料59b可包括编织成织物材料(例如玻璃纤维织物)的导电材料线(例如金属线)。

翼梁帽46和雷电引线32之间的纤维层片堆70的玻璃纤维材料主要分布机械负载，但是玻璃纤维还有助于避免翼梁帽的碳(第二导电材料)与金属箔32的铝(第一导电材料)之间的电流响应。当然，应当理解，雷电引线32可以由其他合适的材料(例如铜)形成，并且可以根据其他材料选择来选定用于等电位结合元件58的第一金属材料59a和第二金属材料59b的选择。

翼梁帽46可以布置为在翼梁帽中的导电材料层之间等电位地结合。翼梁帽46可包括包含多个导电材料层的堆。导电材料可以包括拉挤纤维复合材料，例如碳纤维增强聚合物。拉挤纤维可以定向在翼梁帽46的纵向方向上，该纵向方向与叶片20的纵向方向或翼展方向对齐。通过等电位地结合相邻的导电材料层80，在雷击叶片20的情况下可以避免来自翼梁帽46的不希望的放电或电弧。

翼梁帽46可以基本上在叶片20的整个长度上延伸并且具有最靠近叶片20的根部端22的第一端82和邻近叶片的末梢端24的第二端84。翼梁帽46在导电材料层80的堆叠方向上具有可沿着翼梁帽46的长度变化的厚度。

回到图3，可以看出金属箔32型雷电引线可以基本上在整个叶片表面上延伸。多个等电位结合元件58可在沿叶片长度的不同位置处连接到翼梁帽46。特别地，第一等电位结合元件58可以在翼梁帽46的末梢端84处连接到翼梁帽46，并且第二等电位结合元件58可以将金属箔32连接到翼梁帽46的第一(根部)端82。另外的中间等电位结合元件58将金属箔32型雷电引线分别连接到翼梁帽46的中跨区域。

通过由在叶片的根部端和末梢端处的等电位结合元件58提供的电连接，在翼梁帽46的第一端82和第二端84之间将存在电压降。根据叶片20的长度，特别是翼梁帽46中的最长导电材料层80的长度，翼梁帽46的第一端82和第二端84之间的电压降的值将变化。如果该电压降低于可能发生从雷电引线到一个或更多个导电材料层80的飞弧的阈值，则仅在翼梁帽46的端82，84处提供等电位结合元件58就足够了。然而，如果翼梁帽46的端82，84之间的电压降高于阈值，则可能需要一个或更多个另外的等电位结合元件58来将金属箔32电结合到翼梁帽46的第一端82和第二端84之间的中间点。

图9示出了第一金属材料59a和第二金属材料59b都形成为有孔的箔或网的示例。

第一金属材料59a和第二金属材料59b之间的接头被绝缘体59c封装，以防止接头暴露于电解质材料。绝缘体59c可以具有已知的介电强度。绝缘体可以是聚合物。优选地，聚合物可以为热塑性材料。热塑性材料可具有高表面张力，因此注入到相邻的纤维层片堆70的树脂注入物可粘附到聚合物。聚合物可以是聚乙烯(PE)，或聚酯对苯二甲酸酯(PET)，或其他合适的聚合物。聚合物可以在外表面上进行电晕处理，以改善对树脂注入物(例如环氧树脂)的粘附性。

第一金属材料59a和第二金属材料59b的网眼条可以是大约50mm宽。绝缘体59c可以形成面积为大约60mm×60mm和厚为大约2mm的封装区域。等电位结合元件58的封装区域可以位于纤维层片堆70的玻璃纤维织物层之间，并且不与雷电引线32的第一导电材料和翼梁帽46的第二导电材料直接接触。绝缘体59c优选地仅覆盖等电位结合元件58的长度的相对小的部分。

如上所述，第一金属材料59a和第二金属材料59b是不相似的金属，例如铜和铝。当将不相似的金属用于等电位结合元件58的第一金属材料59a和第二金属材料59b时，每种不相似的金属材料可能具有不同的屈服强度。重要的是考虑这些材料的屈服强度，因为叶片壳在使用中可能经历显著的拍打方向弯曲偏转，即叶片在翼展方向上弯曲出转子平面。需要适应作用在叶片上的应变，以防止由于应变硬化导致的劣化，从而导致潜在的疲劳失效。在等电位结合元件58具有在叶片的翼展方向上延伸的长度的情况下(如图8所示)，这可能是特别考虑的，因为这些应变大于等电位结合元件58在叶片的弦向方向上延伸时的应变。应当注意，弦向延伸的等电位结合元件58可以适用于纤维层片堆70沿翼展方向而不是如图5所示的弦向铺设的情况。

在等电位结合元件58具有在叶片的翼展方向上延伸的长度的情况下，第一金属材料59a和第二金属材料59b都需要能够承受作用在叶片中的应变。第一金属材料59a和第二金属材料59b的形式可具有弹性或“可拉伸”设计，以减小金属材料中所吸收的应变。因此，具有Z字形路径的“可拉伸的”金属网、编织带或金属线可以是优选的，以避免第一金属材料和/或第二金属材料吸收全部叶片应变。

为了适应不相似的第一金属材料59a和第二金属材料59b的不同屈服强度，第一金属材料59a和第二金属材料59b可以具有不同的形式。第一金属材料59a和第二金属材料59b可以均具有被构造成在不屈服的情况下适应观察到的应变的形式，该应变大于对应材料的实心直形的屈服强度。

等电位结合元件58是内部电结构，并且可以位于叶片结构的最高应变区域之一中。重要的是避免等电位结合元件58的疲劳，否则它会引起电弧和对叶片的主要结构的冲击。

图10示出了一个示例，其中，第一金属材料59a具有比第二金属材料59b的杨氏模量更低的杨氏模量，并且其中，第一金属材料59a的网孔图案具有比第二金属材料59b的网孔图案的纵横比更高的网孔(或“眼”)的纵横比。纵横比被认为是条(等电位结合元件58)宽度和长度方向上的孔“眼”的宽度/长度。

在一个示例中，第一金属材料59a包括具有0.5的孔“眼”纵横比(AR)的可拉伸铝网，并且第二金属材料59b包括具有0.4的AR的可拉伸铜网。纵横比越小，网在短轴方向(即等电位结合元件58的长度尺寸)上具有的刚度越小。金属网也可以在该方向上承受更大的应变而没有疲劳。铝具有比铜更低的杨氏模量。铝的弹性模量为约70GPA，铜的弹性模量为125GPa。在叶片中，应变可达到4000微应变，施加到铝上的应力为280MPa，施加到铜上的应力为500MPa。对于这些实心形式的金属(即没有孔)，这种应力会太高。通过将金属材料59a，59b设置为可拉伸的网或箔，然后使网的孔“眼”的AR适合于所选择的特定材料，金属材料的形式允许防止金属看到全部量的应变，并因此防止看到较低的应力。

如果等电位结合元件58沿翼展方向而不是沿弦向取向，即纤维层片堆70沿翼展方向而不是沿弦向铺设，则网孔眼纵横比的取向可能需要适应翼展方向叶片应变。

为了简化制造，可能希望第一金属材料59a和第二金属材料59b具有相同的形式，例如，两者都是具有相同AR但不相似金属材料的“可拉伸”网。例如，如果如前所述选择铝和铜，则可以为第一金属材料59a和第二金属材料59b选择0.4的较低AR。

现在看中间部分58c中的第一金属材料59a和第二金属材料59b之间的电连接，电接头可以通过焊接或铸造形成。第一金属材料59a和第二金属材料59b中的至少一个可能需要被处理以进行焊接。例如，铝网应被处理以进行焊接。锌涂覆的铝易于焊接。铜易于焊接。对铜进行镀锡可提供额外的腐蚀保护。可以仅在第一金属材料59a或第二金属材料59b的最靠近接头的端部施加处理。然而，也可能希望对第二金属材料59b的邻近第二导电材料的端部施加处理。可以对第一金属材料59a和第二金属材料59b的整个区域施加处理。

作为焊料的替代，铸件(例如锡或锌)可用于连接中间部分58c中的第一金属材料59a和第二金属材料59b。

对于焊接铝和铜，示例性焊料可以是98％锌/2％AL合金或88AL/12Si合金。锌合金焊料可提供良好的强度，这是因为熔点(约420℃)离铝网的熔点最远并因此焊接工艺对使铝过热的风险较小。铝合金焊料可提供良好的耐腐蚀接头，但具有约577℃的较高熔点。两种焊料都提供可接受的电化响应并且相对耐腐蚀。

另一种合适的焊料可以是78％Zn/22％Al。该产品具有低熔点，因此它特别适合于焊接网。网具有薄截面而表面大，因此容易过热，因此优选低熔点合金。在封装接头之前，可能需要去除焊剂残留物。

可以选择焊料金属以提供良好的机械和电强度。焊料本身对于电化腐蚀不是特别敏感，因为它将驻留在绝缘体59c内。

为了便于第一金属材料59a和第二金属材料59b在中间部分58c中的接合，接合可以不是网对网，而是板对板。网由板材料形成，并且在形成网之前，起始点可以具有板的一部分。

图11示出了示例，其中，第一金属材料59a形成为网，除了在中间部分58c处的形成为板条59d的端部区域之外。类似地，第二金属材料59b形成为网，除了在中间部分58c处的形成为板条59d的端部区域之外。在第一金属材料59a和第二金属材料59b的端部上具有板条允许接头是板对板的。

图12的A)示出了中间部分58c中的第一金属材料59a和第二金属材料59b之间的示例接头的侧视图，其中，第一金属材料59a的板条59c简单地与第二金属材料59b的板条59d重叠，以形成准备用于焊接或铸造或以其他方式接合第一金属材料59a和第二金属材料59b的搭接接头。

图12的B)示出了中间部分58c中的第一金属材料59a和第二金属材料59b之间的另一示例接头的替代侧视图，其中，板条59c和59d中的每一个弯曲以形成返回部或“钩”。第一金属材料59a的板条59c上的钩与第二金属材料59b的板条59d上的相反旋向的钩机械接合，以形成准备用于焊接或铸造或以其他方式接合第一金属材料59a和第二金属材料59b的双钩接头。

图12的C)和图13的A)和B)示出了中间部分58c中的第一金属材料59a和第二金属材料59b之间的另一替代的示例接头。虽然第一金属材料59a再次形成为网，除了在中间部分58c处的形成为板条59e的端部区域之外，并且第二金属材料59b形成为网，除了在中间部分58c处的形成为板条59f的端部区域之外，但是板59e和59f的不同之处在于它们具有各自的接片59g和槽59h。如图13的A)所示，在形成接头之前，板条59e和59f最初基本上是平面的。板条59e具有至少一个从最靠近板条59f的边缘突出的接片59g，并且板条59f具有至少一个对应的槽59h，槽59h的尺寸设置成接收相应的接片59g。在接头的形成过程中，接片59g通过槽59h接收，然后弯曲以形成返回部或“钩”。完成的单钩接头在图13的B)中示出，侧视图在图12的C)中示出，准备用于焊接或铸造或以其他方式接合第一金属材料59a和第二金属材料59b。

图14示出了中间部分58c中的第一金属材料59a和第二金属材料59b之间的又一替代的示例接头，其中，接头是网对网的，没有任何端板。第一金属材料和第二金属材料之一的网被切割穿过“眼”以提供叉状倒钩，该叉状倒钩将配合穿过另一网材料的“眼”。两个网材料聚集在一起以提供重叠区域59i，例如有大约3个棋盘格行的眼；然后所述一个网状物的叉状倒钩59j穿过另一网材料的眼并弯曲以形成围绕所述一个网的相邻眼之间的节点固定的返回部或“钩”。重叠可能是重要的，因为倒钩单独的程度可能提供不充分的区域(即，围绕眼的金属)用于焊接。优选地，这两个网的AR和间距是相同的，以增加这两个网的重叠区域。一旦形成返回部，接头就准备好焊接或铸造或以其他方式接合第一金属材料59a和第二金属材料59b。

在每种情况下(搭接接头、双钩接头或单钩接头)，接头基于将金属焊接或铸造在一起以实现完全的机械和电接触。图12的A)的搭接接头是最简单的，并且应当在焊接或铸造期间被夹紧。图12的B)的双钩接头可以在焊接或铸造期间将其自身保持在一起，并且需要成形工具来弯曲返回部。图12的C)的单钩接头需要冲孔工具并且可以将其自身保持在一起。图14的具有相等孔距的网对网接头可以定位在彼此上以允许焊接，这允许条被支撑成没有实心板端部。板端部的缺失还可以提供较小的刚度增加，并且因此可能对遭受由于刚度跳跃引起的应变峰值的疲劳较不敏感。

优选地，接合区域的长度应尽可能短。这可以帮助减小例如在从板到网的过渡处的应变峰值。接合区域的长度可以是大约10mm。可以添加玻璃纤维增强垫，以在接合区域上提供一些应变消除。

图15示出了以与上述示例完全相同的方式使用的等电位结合元件58的另一示例。所示的等电位结合元件58具有邻近雷电引线(例如金属箔32)的第一导电材料的第一端部58a、与第一端部相对并邻近翼梁帽46的第二导电材料的第二端部58b以及中间部分58c。第一端部58a具有第一金属材料59a，第二端部58b具有第二金属材料59c。第一金属材料在中间部分58c内的接头处接合到第二金属材料。绝缘体59c封装接头以防止接头暴露于电解质材料。与前述实施例的关键区别在于，第一金属材料和/或第二金属材料是作为线而不是网提供的。

金属线可以设置在基底59k(例如织物材料，特别是玻璃纤维织物)上，从而它可以在不使用附加部件的情况下合并到玻璃纤维织物层片堆70中，并且在制造叶片壳40的过程中注入树脂而不会有空隙。金属线可缝合到基底59k的表面上。以与前述示例相同的方式将等电位结合元件58设置为条或带。第一金属材料59a和第二金属材料59b的材料选择可以与前述相同。

金属线可以具有横跨基底59k的表面的起伏形式，例如之字形图案，其中，节距大致在等电位结合元件58的长度尺寸上延伸。如前所述，金属线中的起伏可以适应叶片应变而不会由于疲劳而劣化，这是由于起伏的节距可以随着叶片应变而伸长和缩短，伴随着起伏的幅度的相应增加或减小。可以选择起伏的标称节距，使得在最大预期应变下，线不会变形，使得线伸直并在伸直状态下变得过度应变，否则它们将观察到可能发生全部叶片应变和线的疲劳。第一金属材料的起伏的线的标称节距可以不同于第二金属材料的起伏的线的节距。可以基于第一金属材料和第二金属材料的材料选择来选择该差别节距。

尽管上面已经参照一个或更多个优选实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变或修改。

Claims (16)

1.一种风力涡轮机转子叶片部分，该风力涡轮机转子叶片部分具有根部端和末梢端，所述风力涡轮机转子叶片部分包括：

风力涡轮机叶片壳，该风力涡轮机叶片壳限定所述叶片部分的吸力侧、压力侧、前缘和后缘，其中，所述叶片壳包括雷电引线，该雷电引线包括第一导电材料；以及

至少一个翼梁帽，该翼梁帽与所述叶片壳相关联并且包括不同于所述第一导电材料的第二导电材料；

等电位结合元件，该等电位结合元件将所述雷电引线电结合到所述翼梁帽，其中，所述等电位结合元件包括：

第一端部，该第一端部具有邻近所述雷电引线的第一导电材料的第一金属材料；

第二端部，该第二端部与所述第一端部相对并且具有邻近所述翼梁帽的第二导电材料的第二金属材料；以及

中间部分，在该中间部分中，所述第一金属材料在接头处接合到所述第二金属材料，并且该中间部分具有绝缘体，该绝缘体封装所述接头，用于防止所述接头暴露于电解质材料。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述第一金属材料和所述第二金属材料在所述接头处机械地和电气地接合在一起。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述等电位结合元件形成为条或带。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述第一金属材料和所述第二金属材料均具有被构造成在不屈服的情况下适应观察到的应变的形式，所述应变大于相应材料的实心直形的屈服强度。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述第一金属材料具有与所述第二金属材料不同的形式。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述第一金属材料和/或所述第二金属材料形成为有孔的箔或网。

7.根据权利要求5和6所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述第一金属材料的孔的纵横比不同于所述第二金属材料的孔的纵横比。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述第一金属材料和/或所述第二金属材料在基底上形成为线。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述线具有在平行于所述基底的平面中带有起伏的起伏形式，优选地，其中，所述第一金属材料的起伏的线的节距不同于所述第二金属材料的起伏的线的节距。

10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述叶片壳包括多个纤维层片堆，并且所述等电位结合元件在一个堆的边缘与相邻堆的边缘之间延伸，所述一个堆的边缘和所述相邻堆的边缘重叠以限定延伸跨越所述翼梁帽的重叠边缘区域。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述等电位结合元件的中间部分位于所述重叠区域中，远离所述翼梁帽和所述雷电引线。

12.根据权利要求10或11所述的风力涡轮机转子叶片，其中，每个纤维层片堆具有朝向所述叶片的根部端的内侧边缘、朝向所述叶片的末梢端的外侧边缘、朝向所述叶片的前缘的前边缘以及朝向所述叶片的后缘的后边缘，并且其中，所述等电位结合元件在一个堆的外侧边缘与相邻堆的内侧边缘之间延伸，所述一个堆的外侧边缘和所述相邻堆的内侧边缘重叠。

13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述等电位结合元件的第一端部附接到所述雷电引线并与所述雷电引线电接触，并且所述等电位结合元件的第二端部附接到所述翼梁帽并与所述翼梁帽电接触。

14.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述第一金属材料具有与所述雷电引线的第一导电材料的标准电极电位相似的标准电极电位，并且其中，所述第二金属材料具有与所述翼梁帽的第二导电材料的标准电极电位相似的标准电极电位。

15.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述雷电引线是防雷系统的金属箔。

16.一种制造风力涡轮机转子叶片部分的方法，该风力涡轮机转子叶片部分具有根部端和末梢端，该方法包括：

铺设风力涡轮机转子叶片的壳，该壳限定所述叶片部分的吸力侧、压力侧、前缘和后缘，所述壳包括雷电引线，该雷电引线包括第一导电材料；

铺设翼梁帽，使得所述雷电引线在所述翼梁帽上延伸，其中，所述翼梁帽包括第二导电材料；以及

提供等电位结合元件以将所述雷电引线电结合到所述翼梁帽，所述等电位结合元件包括：

第一端部，该第一端部具有邻近所述雷电引线的第一导电材料的第一金属材料；

第二端部，该第二端部与所述第一端部相对并且具有邻近所述翼梁帽的第二导电材料的第二金属材料；以及

中间部分，在该中间部分中，所述第一金属材料在接头处接合到所述第二金属材料，并且该中间部分具有绝缘体，该绝缘体封装所述接头，用于防止所述接头暴露于电解质材料。