大型風力機的復合材料葉片

1、1.大型風力機的復合材料葉片隨著現代風電技術的發(fā)展與日趨成熟，風力發(fā)電機組的技術沿著增大單機容量、減輕單位千瓦重量、提高轉換效率的方向發(fā)展。上世紀末，風電機組主力機型是750kW。到2002年前后，主力機型已經達到1.5MW以上。1997年兆瓦級機組占當年世界新增風電裝機容量的9.7%，而2001年和2003年分別占到52.3%和71.4%。海上風電場的建設要求單機容量更大的機組，，歐洲已批量安裝3.6MW機組，5MW機組也已安裝運行。

2、葉片是風力機的關鍵部件之一，涉及氣動、復合材料結構、工藝等領域。在兆瓦級風電機組中，葉片更是技術關鍵。如1.5MW主力機型風力機葉片長34～37m，每片重6t，設計制造難度很高。在國外葉片集中在幾家專業(yè)公司生產。最著名的葉片公司是丹麥的LM公司，是世界上唯一一家全球葉片生產商。目前在全世界正在運行的風機葉片中13以上都是LM的產品。至2000年LM已生產6萬片葉片，當年生產7200片葉片，占居世界市場的45%，近來一些著名的風力機制造商

3、也開始自己生產葉片。2大型風力機的復合材料葉片技術2.1材料目前商品化的大型風力機葉片大多采用玻璃纖維復合材料(GRP)。長度大于40m葉片可以采用碳?；祀s復合材料，但由于碳纖維的價格，未能推廣應用。GRP葉片有以下特點：①可根據風力機葉片的受力特點設計強度與剛度風力機葉片主要是縱向受力，即氣動彎曲和離心力，氣動彎曲荷載比離心力大得多，由剪切與扭轉產生的剪應力不大。利用纖維受力為主的受力理論，可把主要纖維安排在葉片的縱向，這樣就可減輕葉

4、片的重量。②翼型容易成型，并達到最大氣動效率。為了達到最佳氣動效果，葉片具有復雜的氣動外形。在風輪的不同半徑處，葉片的弦長、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金屬制造十分困難。GRP葉片可實現批量生產。③葉片使用20a，要經受108次以上疲勞交變，因此材料的疲勞性能要好。GRP疲勞強度較高，缺口敏感性低，內阻尼大，抗震性能較好，是制作葉片的理想材料。④GRP耐腐蝕性好。風力機安裝在戶外，近年來又大力發(fā)展離岸風電場，風力機安裝在海上，風力機

5、組及葉片要受到各種氣候環(huán)境的影響。它應具有耐酸、堿、水汽的性能。2.2氣動設計風力機氣動理論是在機翼氣動理論基礎上發(fā)展而來。19世紀20年代一些著名氣動學家對機翼理論做出了貢獻。Betz、Glauert、Wilson等在此基礎上發(fā)展了風輪氣動理論。我國的氣動學家對風輪氣動理論也做出過貢獻。Betz采用一元定常流動的動量定理，研究理論狀態(tài)下風輪的最大風能利用系數。理論假定，風輪沒有錐角風輪旋轉時沒有摩擦阻力風輪流動模型可簡化為一元流管風輪

6、前后氣流靜壓相等作用在風輪上推力均勻。應用動量方程，Betz推導出風能利用系數：Cpmax=1627≈0.593這就是著名的Betz極限。葉片的外形設計包括決定風輪直徑、葉片數、葉片剖面弦長、厚度、扭角及選取葉片剖面的翼型。運用Betz理論可建立簡易葉片外形設計方法，但目前不常用。Glauert優(yōu)化設計方法是考慮了風輪尾流的葉素理論。但該方法忽略了翼型阻力和葉尖損失的影響。這兩點對葉片外形設計影響較小，但對風輪氣動性能影響較大。Glau

7、ert方法是目前常用方法之一。它注重外形的理論設計，根據結構要求應進行修正和氣動性能的為此本設計采用夾層結構。芯層和面層的厚度可采用復合材料夾層結構穩(wěn)定理論進行計算。復合材料葉片的設計計算可采用經典的層合梁理論，葉片簡化為懸臂梁。初步設計計算可滿足工程要求，但優(yōu)化設計應采用有限元方法。有限元強大的建模和結構分析功能適于葉片的應力、變形、頻率、屈曲、疲勞及葉根強度的分析。葉片的構造較復雜，由外殼、主梁、夾層等構件組成，模型建立較困難。目前

8、有葉片專用前處理軟件，簡化了葉片的結構分析。2.5工藝制造大型風力機葉片大多采用組裝方式制造。在兩個陰模上分別成型葉片蒙皮，主梁及其他GRP部件分別在專用模具上成型，然后在主模具上把兩個蒙皮、主梁及其它部件膠接組裝在一起，合模加壓固化后制成整體葉片。膠粘劑是葉片的重要結構材料。它應具有較高的強度和韌性以及良好的操作工藝性，如不坍落、易泵輸及室溫固化特性等。早期國外的葉片成型工藝為手糊工藝，目前已開發(fā)出多種較先進的工藝，如預浸料工藝、機械

9、浸漬工藝及真空輔助灌注工藝。真空輔助灌注成型工藝是最近幾年發(fā)展起來的一種改進的RTM工藝。真空輔助灌注技術是應用薄膜包覆敞口模具，應用真空泵抽真空，借助于鋪在結構層表面的高滲透率的介質引導，將樹脂注入到結構鋪層中。它多用于成型形狀復雜的大型厚壁制品，在國外已用于成型大型的GRP葉片。我國GRP葉片的制造廠家由于受市場、技術、材料及資金等方面的影響，大多采用濕法手糊工藝，常溫固化。工藝相對簡單，不需要加溫加壓裝置。但對于大型的兆瓦級風力機

10、葉片，由于葉片體形龐大，最寬處達300cm左右，最高處大于200cm，傳統(tǒng)的手糊成型工藝已不適用。況且手糊成型具有生產效率低、勞動強度大、勞動衛(wèi)生條件差、產品質量不易控制、性能穩(wěn)定性不高、產品力學性能較低的缺點。真空輔助灌注技術是解決這一難題的一種新的成型工藝。本文通過多次試驗摸索，解決了一系列技術問題，如布管方式、真空度控制、樹脂選擇、層板皺折等，取得了很好的效果。為國內的葉片成型工藝技術水平的提高和今后兆瓦級風力機葉片的產業(yè)化奠定了

11、技術基礎。2.6產品認證風力機及部件的用戶自己很難評估機械部件的質量和安全性，須經權威機構檢驗和認證，如德國GL、丹麥的RISOE、中國船級社等。商業(yè)化風力機機組的安全等級評估是認證的最重要的內容，對風力機的結構設計和安全性進行評估，確認是否符合IEC標準或其他相關標準?？紤]不同的氣象和地理環(huán)境，標準將風力機的安全等級按50a一遇的極端風速及年平均風速分類，對一些特殊情況規(guī)定了S級。S級風力機組的設計值由設計者確定。我國風力機標準委員會