[發明專利]一種風力機葉片雷電接閃器設計方法

有效

• 申請號: 201710663166.5
• 申請日: 2017-08-05
• 公開（公告）號: CN107288829B
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發明（設計）人: 石可重;趙曉路;李蘇威
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: F03D80/30
• 分類號: F03D80/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種風力機葉片雷電接閃系統的設計方法，通過設計金屬葉尖、金屬尾緣與圓柱狀接閃器一體化的葉片接閃器系統，可以實現對葉片雷擊電流的有效接閃。通過所提供的設計方法，在滿足對雷電有效接閃效果同時，也保證接閃系統對葉片氣動、結構性能的影響在允許范圍內。

技術領域

本發明涉及機械行業風力發電技術領域，尤其涉及一種水平軸風電葉片雷電接閃器系統的結構型式及其設計方法，該方法構建了一種包含金屬葉尖、金屬尾緣與柱狀接閃器一體化的葉片接閃器系統及其設計方法，可以實現對葉片雷擊電流的有效接閃。

背景技術

風電葉片雷擊損傷問題是風電葉片設計、制造、運行中所關注的一項重要內容。風電機組運行在野外環境下，現代風力機葉片尺寸越來越長，葉片塔架也越來越高。葉片遭受雷擊破壞的概率也越來越大。現有大型風力機組雖然都設計有防雷系統，但葉片雷擊事故依然時有發生。開展新型有效的葉片防雷系統及部件研究與設計，是伴隨著葉片大型化發展，而始終關注的問題。

針對現有雷擊案例的調研，雷擊損傷發生的一個重要原因，是發生雷擊時，雷電在葉片的雷擊點并沒有擊中在接閃器上，而是擊中在葉片的其它位置，從而使得雷電流不是有效地通過接閃器系統導入地下，而是擊穿了葉片結構，造成葉片損壞。

此外，在風電葉片上安裝接閃器系統，不可避免地會對葉片性能造成影響。葉片性能主要包括氣動性能與結構性能，氣動性能主要與葉片外形結構有關，而結構性能方面則要考慮在葉片極限載荷下的強度性能、疲勞載荷下的疲勞壽命、以及結構模態頻率等方面。接閃器系統與部件的設計方法也需要對這些方面予以考慮。

發明內容

(一)要解決的技術問題

針對目前風力機葉片，存在由于在發生雷擊時，雷電沒有擊中接閃器而是擊中葉片其它部位，從而導致葉片損傷破壞這一問題。通過分析雷擊發生情況下，葉片周圍電場情況，以及葉片旋轉對周圍電場的影響研究，并對現有葉片雷電破壞案例進行調研分析，探索葉片雷擊發生時，雷電在葉片上落點的分布情況，從而提出與之相適應的葉片接閃器結構形式，使得雷電發生時，接閃器實現有效接閃，并將電流導入到地下，以減少對葉片以及機組的破壞；此外，本發明還從導電性能與接閃器對葉片氣動、結構性能的影響角度入手，提出該類型接閃器的設計方法。

(二)技術方案

本發明為實現其技術目的所采用的技術方案為：

一種風力機葉片雷電接閃系統設計方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步驟：

SS1.根據所配套的目標葉片型號及結構尺寸，建立雷電接閃系統初始模型，所述雷電接閃系統包括金屬接閃器、下引線以及金屬連接件，其中，所述金屬接閃器至少包括金屬葉尖、金屬尾緣段和若干個圓柱接閃器，并且所述金屬葉尖、金屬尾緣段和若干個圓柱接閃器形成為一整體部件，所述若干個圓柱接閃器間隔布置在所述金屬尾緣段的內側安裝段上，當所述雷電接閃器系統處于安裝狀態時，所述金屬葉尖布置在葉片的尖端，所述金屬尾緣段形成為葉片葉尖部分的葉片尾緣，所述圓柱接閃器的端面與葉片表面平齊并處于裸露狀態，所述下引線及金屬連接件布置在葉片的空腔中；

SS2.根據導電性能需求，對所述雷電接閃系統的各部位尺寸進行初步預估；

SS3.根據步驟SS2所初步預估確定的雷電接閃系統各部位尺寸，結合所要配套的目標葉片結構參數，建立包含雷電接閃系統與葉片其它結構在內的完整葉片有限元結構數值模型；

SS4.根據葉片廠商所提供的目標葉片極限載荷，對步驟SS3所建立的葉片有限元結構數值模型進行分析，計算雷電接閃系統各部位的強度應力分布，同時計算雷電接閃系統與葉片其它部位連接結構的強度分布，以及計算由于安裝了雷電接閃系統，受其影響，葉片其他部位的強度分布情況；

SS5.根據步驟SS3所建立的葉片有限元結構數值模型，計算安裝了該雷電接閃系統后，葉片的固有頻率與響應振型；