[发明专利]一种风力机叶片雷电接闪器设计方法

说明书

本发明公开了一种风力机叶片雷电接闪系统的设计方法，通过设计金属叶尖、金属尾缘与圆柱状接闪器一体化的叶片接闪器系统，可以实现对叶片雷击电流的有效接闪。通过所提供的设计方法，在满足对雷电有效接闪效果同时，也保证接闪系统对叶片气动、结构性能的影响在允许范围内。

技术领域

本发明涉及机械行业风力发电技术领域，尤其涉及一种水平轴风电叶片雷电接闪器系统的结构型式及其设计方法，该方法构建了一种包含金属叶尖、金属尾缘与柱状接闪器一体化的叶片接闪器系统及其设计方法，可以实现对叶片雷击电流的有效接闪。

背景技术

风电叶片雷击损伤问题是风电叶片设计、制造、运行中所关注的一项重要内容。风电机组运行在野外环境下，现代风力机叶片尺寸越来越长，叶片塔架也越来越高。叶片遭受雷击破坏的概率也越来越大。现有大型风力机组虽然都设计有防雷系统，但叶片雷击事故依然时有发生。开展新型有效的叶片防雷系统及部件研究与设计，是伴随着叶片大型化发展，而始终关注的问题。

针对现有雷击案例的调研，雷击损伤发生的一个重要原因，是发生雷击时，雷电在叶片的雷击点并没有击中在接闪器上，而是击中在叶片的其它位置，从而使得雷电流不是有效地通过接闪器系统导入地下，而是击穿了叶片结构，造成叶片损坏。

此外，在风电叶片上安装接闪器系统，不可避免地会对叶片性能造成影响。叶片性能主要包括气动性能与结构性能，气动性能主要与叶片外形结构有关，而结构性能方面则要考虑在叶片极限载荷下的强度性能、疲劳载荷下的疲劳寿命、以及结构模态频率等方面。接闪器系统与部件的设计方法也需要对这些方面予以考虑。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对目前风力机叶片，存在由于在发生雷击时，雷电没有击中接闪器而是击中叶片其它部位，从而导致叶片损伤破坏这一问题。通过分析雷击发生情况下，叶片周围电场情况，以及叶片旋转对周围电场的影响研究，并对现有叶片雷电破坏案例进行调研分析，探索叶片雷击发生时，雷电在叶片上落点的分布情况，从而提出与之相适应的叶片接闪器结构形式，使得雷电发生时，接闪器实现有效接闪，并将电流导入到地下，以减少对叶片以及机组的破坏；此外，本发明还从导电性能与接闪器对叶片气动、结构性能的影响角度入手，提出该类型接闪器的设计方法。

(二)技术方案

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：

一种风力机叶片雷电接闪系统设计方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：

SS1.根据所配套的目标叶片型号及结构尺寸，建立雷电接闪系统初始模型，所述雷电接闪系统包括金属接闪器、下引线以及金属连接件，其中，所述金属接闪器至少包括金属叶尖、金属尾缘段和若干个圆柱接闪器，并且所述金属叶尖、金属尾缘段和若干个圆柱接闪器形成为一整体部件，所述若干个圆柱接闪器间隔布置在所述金属尾缘段的内侧安装段上，当所述雷电接闪器系统处于安装状态时，所述金属叶尖布置在叶片的尖端，所述金属尾缘段形成为叶片叶尖部分的叶片尾缘，所述圆柱接闪器的端面与叶片表面平齐并处于裸露状态，所述下引线及金属连接件布置在叶片的空腔中；

SS2.根据导电性能需求，对所述雷电接闪系统的各部位尺寸进行初步预估；

SS3.根据步骤SS2所初步预估确定的雷电接闪系统各部位尺寸，结合所要配套的目标叶片结构参数，建立包含雷电接闪系统与叶片其它结构在内的完整叶片有限元结构数值模型；

SS4.根据叶片厂商所提供的目标叶片极限载荷，对步骤SS3所建立的叶片有限元结构数值模型进行分析，计算雷电接闪系统各部位的强度应力分布，同时计算雷电接闪系统与叶片其它部位连接结构的强度分布，以及计算由于安装了雷电接闪系统，受其影响，叶片其他部位的强度分布情况；

SS5.根据步骤SS3所建立的叶片有限元结构数值模型，计算安装了该雷电接闪系统后，叶片的固有频率与响应振型；