大型風(fēng)力機(jī)的復(fù)合材料葉片

1、1.大型風(fēng)力機(jī)的復(fù)合材料葉片隨著現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展與日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)容量、減輕單位千瓦重量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。上世紀(jì)末，風(fēng)電機(jī)組主力機(jī)型是750kW。到2002年前后，主力機(jī)型已經(jīng)達(dá)到1.5MW以上。1997年兆瓦級(jí)機(jī)組占當(dāng)年世界新增風(fēng)電裝機(jī)容量的9.7%，而2001年和2003年分別占到52.3%和71.4%。海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)要求單機(jī)容量更大的機(jī)組，，歐洲已批量安裝3.6MW機(jī)組，5MW機(jī)組也已安裝運(yùn)行。

2、葉片是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件之一，涉及氣動(dòng)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、工藝等領(lǐng)域。在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中，葉片更是技術(shù)關(guān)鍵。如1.5MW主力機(jī)型風(fēng)力機(jī)葉片長(zhǎng)34～37m，每片重6t，設(shè)計(jì)制造難度很高。在國(guó)外葉片集中在幾家專業(yè)公司生產(chǎn)。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(chǎn)商。目前在全世界正在運(yùn)行的風(fēng)機(jī)葉片中13以上都是LM的產(chǎn)品。至2000年LM已生產(chǎn)6萬(wàn)片葉片，當(dāng)年生產(chǎn)7200片葉片，占居世界市場(chǎng)的45%，近來(lái)一些著名的風(fēng)力機(jī)制造商

3、也開(kāi)始自己生產(chǎn)葉片。2大型風(fēng)力機(jī)的復(fù)合材料葉片技術(shù)2.1材料目前商品化的大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用玻璃纖維復(fù)合材料(GRP)。長(zhǎng)度大于40m葉片可以采用碳?；祀s復(fù)合材料，但由于碳纖維的價(jià)格，未能推廣應(yīng)用。GRP葉片有以下特點(diǎn)：①可根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片的受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度與剛度風(fēng)力機(jī)葉片主要是縱向受力，即氣動(dòng)彎曲和離心力，氣動(dòng)彎曲荷載比離心力大得多，由剪切與扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪應(yīng)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(dá)到最大氣動(dòng)效率。為了達(dá)到最佳氣動(dòng)效果，葉片具有復(fù)雜的氣動(dòng)外形。在風(fēng)輪的不同半徑處，葉片的弦長(zhǎng)、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(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。③葉片使用20a，要經(jīng)受108次以上疲勞交變，因此材料的疲勞性能要好。GRP疲勞強(qiáng)度較高，缺口敏感性低，內(nèi)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(fēng)力機(jī)安裝在戶外，近年來(lái)又大力發(fā)展離岸風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)力機(jī)安裝在海上，風(fēng)力機(jī)

5、組及葉片要受到各種氣候環(huán)境的影響。它應(yīng)具有耐酸、堿、水汽的性能。2.2氣動(dòng)設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)理論是在機(jī)翼氣動(dòng)理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。19世紀(jì)20年代一些著名氣動(dòng)學(xué)家對(duì)機(jī)翼理論做出了貢獻(xiàn)。Betz、Glauert、Wilson等在此基礎(chǔ)上發(fā)展了風(fēng)輪氣動(dòng)理論。我國(guó)的氣動(dòng)學(xué)家對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)理論也做出過(guò)貢獻(xiàn)。Betz采用一元定常流動(dòng)的動(dòng)量定理，研究理論狀態(tài)下風(fēng)輪的最大風(fēng)能利用系數(shù)。理論假定，風(fēng)輪沒(méi)有錐角風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)沒(méi)有摩擦阻力風(fēng)輪流動(dòng)模型可簡(jiǎn)化為一元流管風(fēng)輪

6、前后氣流靜壓相等作用在風(fēng)輪上推力均勻。應(yīng)用動(dòng)量方程，Betz推導(dǎo)出風(fēng)能利用系數(shù)：Cpmax=1627≈0.593這就是著名的Betz極限。葉片的外形設(shè)計(jì)包括決定風(fēng)輪直徑、葉片數(shù)、葉片剖面弦長(zhǎng)、厚度、扭角及選取葉片剖面的翼型。運(yùn)用Betz理論可建立簡(jiǎn)易葉片外形設(shè)計(jì)方法，但目前不常用。Glauert優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是考慮了風(fēng)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(diǎn)對(duì)葉片外形設(shè)計(jì)影響較小，但對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)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(shè)計(jì)，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求應(yīng)進(jìn)行修正和氣動(dòng)性能的為此本設(shè)計(jì)采用夾層結(jié)構(gòu)。芯層和面層的厚度可采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論進(jìn)行計(jì)算。復(fù)合材料葉片的設(shè)計(jì)計(jì)算可采用經(jīng)典的層合梁理論，葉片簡(jiǎn)化為懸臂梁。初步設(shè)計(jì)計(jì)算可滿足工程要求，但優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)采用有限元方法。有限元強(qiáng)大的建模和結(jié)構(gòu)分析功能適于葉片的應(yīng)力、變形、頻率、屈曲、疲勞及葉根強(qiáng)度的分析。葉片的構(gòu)造較復(fù)雜，由外殼、主梁、夾層等構(gòu)件組成，模型建立較困難。目前

8、有葉片專用前處理軟件，簡(jiǎn)化了葉片的結(jié)構(gòu)分析。2.5工藝制造大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用組裝方式制造。在兩個(gè)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(gè)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(jié)構(gòu)材料。它應(yīng)具有較高的強(qiáng)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(guó)外的葉片成型工藝為手糊工藝，目前已開(kāi)發(fā)出多種較先進(jìn)的工藝，如預(yù)浸料工藝、機(jī)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(lái)的一種改進(jìn)的RTM工藝。真空輔助灌注技術(shù)是應(yīng)用薄膜包覆敞口模具，應(yīng)用真空泵抽真空，借助于鋪在結(jié)構(gòu)層表面的高滲透率的介質(zhì)引導(dǎo)，將樹(shù)脂注入到結(jié)構(gòu)鋪層中。它多用于成型形狀復(fù)雜的大型厚壁制品，在國(guó)外已用于成型大型的GRP葉片。我國(guó)GRP葉片的制造廠家由于受市場(chǎng)、技術(shù)、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(duì)簡(jiǎn)單，不需要加溫加壓裝置。但對(duì)于大型的兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)

10、葉片，由于葉片體形龐大，最寬處達(dá)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(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)衛(wèi)生條件差、產(chǎn)品質(zhì)量不易控制、性能穩(wěn)定性不高、產(chǎn)品力學(xué)性能較低的缺點(diǎn)。真空輔助灌注技術(shù)是解決這一難題的一種新的成型工藝。本文通過(guò)多次試驗(yàn)摸索，解決了一系列技術(shù)問(wèn)題，如布管方式、真空度控制、樹(shù)脂選擇、層板皺折等，取得了很好的效果。為國(guó)內(nèi)的葉片成型工藝技術(shù)水平的提高和今后兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)葉片的產(chǎn)業(yè)化奠定了

11、技術(shù)基礎(chǔ)。2.6產(chǎn)品認(rèn)證風(fēng)力機(jī)及部件的用戶自己很難評(píng)估機(jī)械部件的質(zhì)量和安全性，須經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)和認(rèn)證，如德國(guó)GL、丹麥的RISOE、中國(guó)船級(jí)社等。商業(yè)化風(fēng)力機(jī)機(jī)組的安全等級(jí)評(píng)估是認(rèn)證的最重要的內(nèi)容，對(duì)風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全性進(jìn)行評(píng)估，確認(rèn)是否符合IEC標(biāo)準(zhǔn)或其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?？紤]不同的氣象和地理環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)力機(jī)的安全等級(jí)按50a一遇的極端風(fēng)速及年平均風(fēng)速分類，對(duì)一些特殊情況規(guī)定了S級(jí)。S級(jí)風(fēng)力機(jī)組的設(shè)計(jì)值由設(shè)計(jì)者確定。我國(guó)風(fēng)力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)