本發(fā)明涉及機(jī)械行業(yè)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水平軸風(fēng)電葉片雷電接閃器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式及其設(shè)計(jì)方法，該方法構(gòu)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(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片雷擊電流的有效接閃。

背景技術(shù)：

風(fēng)電葉片雷擊損傷問(wèn)題是風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行中所關(guān)注的一項(xiàng)重要內(nèi)容。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在野外環(huán)境下，現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片尺寸越來(lái)越長(zhǎng)，葉片塔架也越來(lái)越高。葉片遭受雷擊破壞的概率也越來(lái)越大?，F(xiàn)有大型風(fēng)力機(jī)組雖然都設(shè)計(jì)有防雷系統(tǒng)，但葉片雷擊事故依然時(shí)有發(fā)生。開(kāi)展新型有效的葉片防雷系統(tǒng)及部件研究與設(shè)計(jì)，是伴隨著葉片大型化發(fā)展，而始終關(guān)注的問(wèn)題。

針對(duì)現(xiàn)有雷擊案例的調(diào)研，雷擊損傷發(fā)生的一個(gè)重要原因，是發(fā)生雷擊時(shí)，雷電在葉片的雷擊點(diǎn)并沒(méi)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(guò)接閃器系統(tǒng)導(dǎo)入地下，而是擊穿了葉片結(jié)構(gòu)，造成葉片損壞。

此外，在風(fēng)電葉片上安裝接閃器系統(tǒng)，不可避免地會(huì)對(duì)葉片性能造成影響。葉片性能主要包括氣動(dòng)性能與結(jié)構(gòu)性能，氣動(dòng)性能主要與葉片外形結(jié)構(gòu)有關(guān)，而結(jié)構(gòu)性能方面則要考慮在葉片極限載荷下的強(qiáng)度性能、疲勞載荷下的疲勞壽命、以及結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率等方面。接閃器系統(tǒng)與部件的設(shè)計(jì)方法也需要對(duì)這些方面予以考慮。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

針對(duì)目前風(fēng)力機(jī)葉片，存在由于在發(fā)生雷擊時(shí)，雷電沒(méi)有擊中接閃器而是擊中葉片其它部位，從而導(dǎo)致葉片損傷破壞這一問(wèn)題。通過(guò)分析雷擊發(fā)生情況下，葉片周?chē)妶?chǎng)情況，以及葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)周?chē)妶?chǎng)的影響研究，并對(duì)現(xiàn)有葉片雷電破壞案例進(jìn)行調(diào)研分析，探索葉片雷擊發(fā)生時(shí)，雷電在葉片上落點(diǎn)的分布情況，從而提出與之相適應(yīng)的葉片接閃器結(jié)構(gòu)形式，使得雷電發(fā)生時(shí)，接閃器實(shí)現(xiàn)有效接閃，并將電流導(dǎo)入到地下，以減少對(duì)葉片以及機(jī)組的破壞；此外，本發(fā)明還從導(dǎo)電性能與接閃器對(duì)葉片氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)性能的影響角度入手，提出該類(lèi)型接閃器的設(shè)計(jì)方法。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)其技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為：

一種風(fēng)力機(jī)葉片雷電接閃系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步驟：

ss1.根據(jù)所配套的目標(biāo)葉片型號(hào)及結(jié)構(gòu)尺寸，建立雷電接閃系統(tǒng)初始模型，所述雷電接閃系統(tǒng)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、金屬尾緣段和所述若干個(gè)圓柱接閃器，并且所述金屬葉尖、金屬尾緣段和若干個(gè)圓柱接閃器形成為一整體部件，所述若干個(gè)圓柱接閃器間隔布置在所述金屬尾緣段的內(nèi)側(cè)安裝段上，當(dāng)所述雷電接閃器系統(tǒng)處于安裝狀態(tài)時(shí)，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(tài)，所述下引線及金屬連接件布置在葉片的空腔中；

ss2.根據(jù)導(dǎo)電性能需求，對(duì)所述雷電接閃系統(tǒng)的各部位尺寸進(jìn)行初步預(yù)估；

ss3.根據(jù)步驟ss2所初步預(yù)估確定的雷電接閃系統(tǒng)各部位尺寸，結(jié)合所要配套的目標(biāo)葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立包含雷電接閃系統(tǒng)與葉片其它結(jié)構(gòu)在內(nèi)的完整葉片有限元結(jié)構(gòu)模型；

ss4.根據(jù)葉片廠商所提供的目標(biāo)葉片極限載荷，對(duì)步驟ss3所建立的葉片有限元結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，計(jì)算雷電接閃系統(tǒng)各部位的強(qiáng)度應(yīng)力分布，同時(shí)計(jì)算雷電接閃系統(tǒng)與葉片其它部位連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分布，以及計(jì)算由于安裝了雷電接閃系統(tǒng)，受其影響，葉片其他部位的強(qiáng)度分布情況；

ss5.根據(jù)步驟ss3所建立的葉片有限元結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算安裝了該雷電接閃系統(tǒng)后，葉片的固有頻率與響應(yīng)振型；

ss6.利用步驟ss3所建立的葉片有限元結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)葉片廠商所提供的葉片疲勞載荷，計(jì)算接閃器以及接閃器與葉片其他部分相連接部位的疲勞應(yīng)力情況，并與所選用的金屬材料疲勞性能參數(shù)相對(duì)照，計(jì)算出接閃器以及連接部位的疲勞損傷情況，以及計(jì)算安裝了接閃器后，葉片其他部位受其影響后的疲勞應(yīng)力分布情況以及疲勞損傷分布情況。

ss7.根據(jù)對(duì)極限載荷下接閃器及葉片的強(qiáng)度分析、包含接閃器的葉片整體模態(tài)分析、疲勞載荷下接閃器及葉片的疲勞分析等各項(xiàng)分析結(jié)果，檢驗(yàn)安裝了接閃器后，接閃器與葉片在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)特性、疲勞特性是否滿(mǎn)足安全設(shè)計(jì)要求，如不符合，對(duì)接閃器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，重復(fù)上述工作，直至滿(mǎn)足。

在參數(shù)調(diào)整過(guò)程中，需滿(mǎn)足接閃器尺寸參數(shù)始終滿(mǎn)足導(dǎo)電性能的要求，即始終符合各部件尺寸應(yīng)不低于ss1中所給出的尺寸要求。

本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)葉片雷電接閃器系統(tǒng)型式及其設(shè)計(jì)方法，其原理和方法思路為：

風(fēng)電葉片在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中，當(dāng)運(yùn)行到葉尖垂直向上時(shí)，葉片與雷云之間更易形成雷電先導(dǎo)發(fā)生，隨著雷電先導(dǎo)的逐步發(fā)展，葉片附近的電磁場(chǎng)逐步增強(qiáng)，但由于葉片處于旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，葉片附近的電磁場(chǎng)情況也會(huì)隨葉片旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化，這就導(dǎo)致最后雷擊發(fā)生時(shí)，雷電在葉片上的落點(diǎn)不一定還會(huì)處在葉尖位置上，很有可能會(huì)落在葉片靠近葉尖一定距離范圍的尾緣位置上。而通過(guò)大量對(duì)現(xiàn)有葉片雷擊破壞案例的調(diào)研，也證明了這一點(diǎn)。

然而，現(xiàn)有葉片防雷系統(tǒng)中，所設(shè)計(jì)的葉片接閃系統(tǒng)，主要是由金屬葉尖和在葉片上分布設(shè)置的一系列接閃器組成。在上述情況發(fā)生時(shí)，雷電擊中點(diǎn)將有可能不落在金屬葉尖和其它接閃器上。由于葉片本身并不是良好的絕緣體，此時(shí)，外部的電場(chǎng)與葉片結(jié)構(gòu)，尤其是葉片內(nèi)部的導(dǎo)電材料之間將有可能有雷電流發(fā)生，從而導(dǎo)致雷電流穿透葉片，造成葉片破壞。

通過(guò)設(shè)計(jì)金屬葉尖、金屬尾緣、圓柱接閃器一體化的接閃系統(tǒng)，就可以有效提高葉片旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下對(duì)雷電的接閃率，減少雷擊損壞的發(fā)生。

該接閃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首要考慮的是雷電在葉片多大范圍的擊中概率。根據(jù)現(xiàn)有雷電發(fā)生情況，目前國(guó)際上的現(xiàn)有葉片防雷分區(qū)是，將葉片沿展向分成4個(gè)區(qū)域，可能接受的預(yù)期雷電流強(qiáng)度較大，以及發(fā)生雷擊概率較高的區(qū)域?yàn)榫嗳~尖0-5米范圍。因此本專(zhuān)利金屬尾緣的尺寸范圍，也設(shè)計(jì)為從葉尖開(kāi)始，到距葉尖5米位置。

其次，要考慮的是雷電擊中接閃器后，是否可以有效地將雷電流導(dǎo)入到大地。這方面可以根據(jù)不同金屬材料的導(dǎo)電能力計(jì)算其結(jié)構(gòu)尺寸，不同金屬導(dǎo)電能力有相應(yīng)的規(guī)范可以參考。

由于增加本發(fā)明的接閃器系統(tǒng)后，葉片的氣動(dòng)外形并沒(méi)有發(fā)生改變，因此，對(duì)氣動(dòng)性能的影響可以不予考慮。

由于增加本發(fā)明的接閃器系統(tǒng)后，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的重量、強(qiáng)度、疲勞、振動(dòng)等特性都會(huì)有一定的影響，因此，需要在設(shè)計(jì)中予以考慮。

因此對(duì)該接閃器系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要從導(dǎo)電分析與結(jié)構(gòu)性能分析兩個(gè)方面進(jìn)行。

一、導(dǎo)電分析

依據(jù)導(dǎo)電性能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該接閃器的尺寸進(jìn)行預(yù)估。

其中，金屬葉尖的外形與葉片的氣動(dòng)外形相一致。金屬尾緣的外形與葉片氣動(dòng)外形相一致，根據(jù)現(xiàn)有葉片防雷分區(qū)，將葉片沿展向分成4個(gè)區(qū)域，可能接受的預(yù)期雷電流強(qiáng)度較大，以及發(fā)生雷擊概率較高的區(qū)域?yàn)榫嗳~尖0-5米范圍。因此金屬尾緣的尺寸范圍，也設(shè)計(jì)為從葉尖開(kāi)始，到距葉尖5米位置。

根據(jù)導(dǎo)電能力，接閃器結(jié)構(gòu)尺寸包括金屬葉尖表面積、金屬尾緣的寬度與厚度、圓柱接閃器的數(shù)量和圓柱直徑、下引導(dǎo)線的直徑。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)的相關(guān)規(guī)范，iectr61400-24中對(duì)雷擊保護(hù)系統(tǒng)所用金屬材料在保障雷電流傳導(dǎo)方面的最小尺寸給出要求。據(jù)此規(guī)范，可以對(duì)接閃器各部位的尺寸予以確定。據(jù)此可確定該接閃器系統(tǒng)部件尺寸范圍的下限。

二、結(jié)構(gòu)性能分析：

在滿(mǎn)足導(dǎo)電性能設(shè)計(jì)之后，所要開(kāi)展的設(shè)計(jì)主要是保證接閃器系統(tǒng)與葉片的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，同時(shí)保證葉片重量在合理的范圍。

需分別從強(qiáng)度計(jì)算、模態(tài)評(píng)估、疲勞損傷等方面分別進(jìn)行分析。

首先建立完整的結(jié)構(gòu)有限元模型，計(jì)算在葉片極限氣動(dòng)載荷與慣性載荷下，接閃器的受力情況，以及金屬接閃器與葉片復(fù)合材料連接部位的受力情況。

利用該模型，計(jì)算葉片的固有頻率與振型，評(píng)判是否滿(mǎn)足合理的

對(duì)該模型施加疲勞載荷，計(jì)算接閃器在疲勞載荷下的應(yīng)力變化情況，依據(jù)所選用的金屬材料的疲勞性能曲線，評(píng)估其疲勞性能。

將接閃器金屬葉尖尺寸、金屬尾緣厚度、金屬尾緣在葉片弦向方向?qū)挾?、圓柱接閃器直徑這幾個(gè)參數(shù)作為變量，進(jìn)行多輪迭代分析，可以獲得滿(mǎn)足上述各項(xiàng)力學(xué)性能，同時(shí)對(duì)葉片重量影響較小的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

優(yōu)選的，所述極限載荷下強(qiáng)度計(jì)算，包括對(duì)接閃器中金屬葉尖、金屬尾緣、金屬圓柱的應(yīng)力分布計(jì)算，以及葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與接閃器連接部位處的應(yīng)力分布計(jì)算，此外，還需計(jì)算葉片本體其它部位的應(yīng)力分布計(jì)算。

優(yōu)選的，所述模態(tài)計(jì)算，是指葉片其它部位與接閃器連接后，整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算。

優(yōu)選的，所述疲勞載荷下疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命計(jì)算，包括對(duì)接閃器中金屬葉尖、金屬尾緣、金屬柱的疲勞應(yīng)力分布計(jì)算和疲勞壽命計(jì)算，以及葉片其它部位與接閃器連接部位處的疲勞應(yīng)力分布計(jì)算和疲勞壽命計(jì)算，還需計(jì)算葉片本體其它部位的疲勞應(yīng)力分布計(jì)算和疲勞壽命計(jì)算。

優(yōu)選的，對(duì)接閃器與葉片強(qiáng)度、模態(tài)、疲勞性能的評(píng)估，是根據(jù)如下依據(jù)進(jìn)行的。接閃器的強(qiáng)度與疲勞性能是根據(jù)所選用的金屬材料的許用強(qiáng)度、疲勞壽命等參數(shù)進(jìn)行評(píng)估確定，葉片(包括葉片與接閃器連接部位)的強(qiáng)度、模態(tài)、疲勞性能評(píng)估是按照葉片相關(guān)的行業(yè)規(guī)范的要求進(jìn)行評(píng)估。

(三)有益效果

與現(xiàn)有葉片接閃器系統(tǒng)相比，本發(fā)明的葉片雷電接閃器系統(tǒng)，可以更適合于葉片在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，對(duì)雷電的接引效果，即提高葉片與機(jī)組的雷電接閃率，從而減少葉片與機(jī)組的雷擊破壞，提高葉片與機(jī)組的使用壽命。

附圖說(shuō)明

圖1為雷電接閃系統(tǒng)示意圖。

圖2為雷電接閃系統(tǒng)側(cè)向示意圖。

圖3為雷電接閃系統(tǒng)安裝在葉片后的示意圖。

圖4為雷電接閃系統(tǒng)安裝在葉片后的側(cè)向示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本實(shí)施例中，以當(dāng)前主流的mw級(jí)風(fēng)力機(jī)葉片為例，采用以下步驟進(jìn)行雷電接閃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：

1)根據(jù)所配套的目標(biāo)葉片型號(hào)及結(jié)構(gòu)尺寸，建立雷電接閃器系統(tǒng)初始模型，雷電接閃器系統(tǒng)的初始模型包括金屬葉尖1，金屬尾緣段3、多個(gè)圓柱接閃器4、下引線5以及金屬連接件6，如圖1、2所示。在本實(shí)施例中，其中金屬葉尖1、金屬尾緣段3、圓柱接閃器4、下引線5、金屬連接件6均采用鋁材。其中金屬葉尖1，金屬尾緣段3、圓柱接閃器4為一整體金屬接閃器部件。如圖3、4所示，當(dāng)雷電接閃器系統(tǒng)處于安裝狀態(tài)時(shí)，圓柱接閃器4間隔布置在金屬尾緣段3的內(nèi)側(cè)安裝段上，金屬葉尖1通過(guò)其底部的金屬葉尖尾部2布置在葉片7的尖端，金屬尾緣段3形成為葉片7葉尖部分的葉片尾緣，圓柱接閃器4的兩個(gè)端面與葉片7的外表面平齊并處于裸露狀態(tài)，下引線5及金屬連接件6布置在葉片7的空腔中。

2)根據(jù)導(dǎo)電性能需求，對(duì)該系統(tǒng)的尺寸進(jìn)行初步預(yù)估。其中，金屬葉尖的外形與葉片的氣動(dòng)外形相一致。金屬尾緣的外形與葉片氣動(dòng)外形相一致，根據(jù)現(xiàn)有葉片防雷分區(qū)，發(fā)生雷擊概率較高的區(qū)域?yàn)榫嗳~尖0-5米范圍。因此金屬尾緣的尺寸范圍，設(shè)計(jì)為從葉尖開(kāi)始，到距葉尖5米位置。

其次，需要初步確定接閃器結(jié)構(gòu)尺寸包括金屬葉尖表面積、金屬尾緣的寬度、圓柱接閃器的數(shù)量和圓柱直徑、下引導(dǎo)線的直徑。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)的相關(guān)規(guī)范，iectr61400-24中對(duì)雷擊保護(hù)系統(tǒng)材料的最小尺寸給出要求。據(jù)此規(guī)范，對(duì)接閃器各部位的尺寸予以確定。本例中，根據(jù)材料導(dǎo)電能力確定的尺寸包括，鋁葉尖的長(zhǎng)度尺寸保證金屬葉尖表面積不小于900mm²，金屬尾緣的最小截面積為70mm²，圓柱接閃器共3對(duì)，每個(gè)直徑為30mm,下引線截面積為70mm²,金屬連接件尺寸截面積為200mm²。根據(jù)以上過(guò)程，確定該接閃器系統(tǒng)部件尺寸范圍的下限。

3)根據(jù)上一步所確定的接閃器各部位尺寸，結(jié)合所要配套的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立包含接閃器系統(tǒng)與葉片其它結(jié)構(gòu)的完整葉片有限元結(jié)構(gòu)模型；

4)根據(jù)葉片廠商所提供的葉片極限載荷，對(duì)上述模型進(jìn)行分析，計(jì)算接閃器各部件的強(qiáng)度應(yīng)力分布，同時(shí)計(jì)算接閃器與葉片其它部位連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分布。還需計(jì)算由于安裝了該接閃器，受其影響，葉片其他部位的強(qiáng)度分布情況。

5)依舊利用上述有限元模型，計(jì)算包含了該接閃器系統(tǒng)后，葉片的固有頻率與響應(yīng)振型。

6)同樣，利用上述模型，根據(jù)葉片廠商所提供的葉片疲勞載荷，計(jì)算接閃器以及接閃器與葉片其他部分想連接部位的疲勞應(yīng)力情況，并與所選用的金屬材料疲勞性能參數(shù)相對(duì)照，計(jì)算出接閃器以及連接部位的疲勞損傷情況。此外，還需計(jì)算安裝了接閃器后，葉片其他部位受其影響后的疲勞應(yīng)力分布情況以及疲勞損傷分布情況。

7)根據(jù)對(duì)極限載荷下接閃器及葉片的強(qiáng)度分析、包含接閃器的葉片整體模態(tài)分析、疲勞載荷下接閃器及葉片的疲勞分析等各項(xiàng)分析結(jié)果，檢驗(yàn)安裝了接閃器后，接閃器與葉片在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)特性、疲勞特性是否滿(mǎn)足安全設(shè)計(jì)要求。如不符合，對(duì)接閃器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，重復(fù)上述工作，直至滿(mǎn)足安全設(shè)計(jì)要求。

8)在參數(shù)調(diào)整過(guò)程中，需滿(mǎn)足接閃器尺寸參數(shù)始終滿(mǎn)足導(dǎo)電性能的要求，即始終符合大于1)中所給出的尺寸要求。

通過(guò)以上步驟的實(shí)施，完成了對(duì)該葉片雷電接閃器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。