大型风力机的叶片技术和进展 zz

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1　引　言

       目前风能仍然是增长最快的能源。在近5年中，风力发电机组装机容量年平均增长率大于35%。据世界风能协会的统计资料，截至2003年底，世界风力发电机组总装机容量为39151.3MW，比上年增长了22%，2003年度新增容量为7981MW。5个主要风电市场装机占全世界新增容量的80%。其中德国新增装机2608MW，美国新增装机1685MW，西班牙新增装机1372MW，印度新增装机408MW，后起之秀奥地利新增276MW(200%的增长率)。预计到2008年，全世界风电装机总容量将达到100000MW。2020年风力发电量将占世界总发电量的11.81%。

        随着现代风电技术的发展与日趋成熟，风力发电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。上世纪末，风电机组主力机型是750kW。到2002年前后，主力机型已经达到1.5MW以上。1997年兆瓦级机组占当年世界新增风电装机容量的9.7%，而2001年和2003年分别占到52.3%和71.4%。海上风电场的建设要求单机容量更大的机组，，欧洲已批量安装 3.6MW机组，5MW机组也已安装运行。

        叶片是风力机的关键部件之一，涉及气动、复合材料结构、工艺等领域。在兆瓦级风电机组中，叶片更是技术关键。如1.5MW主力机型风力机叶片长 34～37m，每片重6t，设计制造难度很高。在国外叶片集中在几家专业公司生产。最著名的叶片公司是丹麦的LM公司，是世界上唯一一家全球叶片生产商。目前在全世界正在运行的风机叶片中1/3以上都是LM的产品。至2000年LM已生产6万片叶片，当年生产7200片叶片，占居世界市场的45%，近来一些著名的风力机制造商也开始自己生产叶片。

        我国可开发利用的风能资源有10亿kW。其中陆地2.5亿kW，现在仅开发了不到0.2%；近海地区有7.5亿kW，风能资源十分丰富。风能资源丰富的地区主要分布在“三北”(东北、西北、华北)地区及东南沿海地区。三北地区可开发利用的风力资源有2亿kW，占全国陆地可开发利用风能的79%。根据风力发电中长期发展规划，到2005年全国风电总装机容量为100万kW，2010年400万kW，2015年1000万kW，2020年2000万kW。 2020年以后石化燃料资源减少，火电成本增加，风电具备市场竞争能力，发展更快。2030年后水能资源基本开发完毕，海上风电将进入大规模开发期。我国在风力机复合材料叶片设计与制造技术方面与国外有一定的差距。为使复合材料叶片能国产化，政府有关部门很重视叶片的研发，把叶片列入攻关项目予以支持所研发的200～750kW系列风力机复合材料叶片已形成批量生产，兆瓦级风力机正在开发中，尚不具备规模化生产能力。

2　大型风力机的复合材料叶片技术

2.1　材　料

        目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料(GRP)。长度大于40m叶片可以采用碳/玻混杂复合材料，但由于碳纤维的价格，未能推广应用。GRP叶片有以下特点：

①可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲荷载比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用纤维受力为主的受力理论，可把主要纤维安排在叶片的纵向，这样就可减轻  叶片的重量。

②翼型容易成型，并达到最大气动效率。为了达到最佳气动效果，叶片具有复杂的气动外形。在风轮的不同半径处，叶片的弦长、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金属制造十分困难。GRP叶片可实现批量生产。

③叶片使用20a，要经受108次以上疲劳交变，因此材料的疲劳性能要好。GRP疲劳强度较高，缺口敏感性低，内阻尼大，抗震性能较好，是制作叶片的理想材料。

④GRP耐腐蚀性好。风力机安装在户外，近年来又大力发展离岸风电场，风力机安装在海上，风力机组及叶片要受到各种气候环境的影响。它应具有耐酸、碱、水汽的性能。

2.2　气动设计

        风力机气动理论是在机翼气动理论基础上发展而来。19世纪20年代一些著名气动学家对机翼理论做出了贡献。Betz、Glauert、Wilson等在此基础上发展了风轮气动理论。我国的气动学家对风轮气动理论也做出过贡献。

Betz采用一元定常流动的动量定理，研究理论状态下风轮的最大风能利用系数。理论假定，风轮没有锥角;风轮旋转时没有摩擦阻力;风轮流动模型可简化为一元流管;风轮前后气流静压相等;作用在风轮上推力均匀。应用动量方程，Betz推导出风能利用系数：

Cpmax=16/27≈0.593

       这就是著名的Betz极限。叶片的外形设计包括决定风轮直径、叶片数、叶片剖面弦长、厚度、扭角及选取叶片剖面的翼型。运用Betz理论可建立简易叶片外形设计方法，但目前不常用。Glauert优化设计方法是考虑了风轮尾流的叶素理论。但该方法忽略了翼型阻力和叶尖损失的影响。这两点对叶片外形设计影响较小，但对风轮气动性能影响较大。Glauert方法是目前常用方法之一。它注重外形的理论设计，根据结构要求应进行修正和气动性能的计算，以达到优化。Wilson气动优化设计理论是目前常用的方法。该理论对Glauert设计方法进行了改进。研究了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及风轮在非设计状态下的气动性能。为使风轮Cp值最大，须使每个叶素dCP值最大。理论建立了dCP与气动参数的关系式，从而得到最佳气动参数和气动外形。确定气动外形后计算气动性能，主要包括轴向推力、转矩、功率及相对应的系数。上述气动理论有其局限性，理论设计须结合风场运行验证更精确的理论应考虑3D效应及动态失速影响。

2.3　风力机复合材料叶片构造设计

        设计GRP叶片的构造时主要考虑叶片根端连接与叶片剖面形式。叶片与轮箍连接使叶片成悬臂梁形式。作用在叶片上的荷载通过叶片根端连接传到轮毂上，因此叶根的荷载最大。根端必须具有足够的剪切强度、挤压强度，与金属的胶结强度也要足够高。上述强度均低于其拉弯强度，因而叶片的根端设计应予以重视。大型风力机的GRP叶片根端形式主要有金属法兰(法兰与叶根螺栓连接或胶结)、预埋金属杆及T型螺栓。金属法兰与叶根柱壳胶结，而不是传统的螺栓连接，这可减轻根部的重量。大型风力机的GRP叶片剖面采用蒙皮与主梁构造形式。蒙皮的功能主要提供叶片的气动外形同时承担部分弯曲荷载和大部的剪切荷载。蒙皮由双向玻纤织物增强，以提高蒙皮的剪切强度。蒙皮的后缘部分采用夹层结构，以提高后缘空腹结构的抗屈曲失稳能力。主梁为主要承力结构，承载叶片的大部弯曲荷载，它采用单向程度较高的玻纤织物增强，以提高主梁的强度及刚度。

2.4　结构设计

        叶片结构设计主要考虑制订荷载规范、荷载计算、极限强度及疲劳强度验算、变形计算、固有频率计算和屈曲稳定计算。作用在叶片上的荷载主要有惯性力和重力、气动力、运行荷载。荷载工况要考虑正常设计工况和正常外部条件、正常设计工况和极端外部条件、故障设计工况和允许的外部条件、运输安装和维修设计工况等组合工况。对每种荷载工况要区分极限荷载与疲劳荷载。对于极限荷载，至少要计算50a一遇的极端风速，要求叶片在极限荷载  下满足强度、变形、稳定条件。叶片的疲劳荷载较复杂，规范提供了简化疲劳荷载谱。根据叶片材料的S N曲线，应用Palmgren miner线性累积损伤准则进行叶片的疲劳强度计算。

        风力机叶片的固有频率是重要的动态性能参数。作用在叶片上的气动荷载是动荷载，其频率为风轮转速的整数倍。对于3叶片风力机组，频率为转速3倍的动荷载分量最大。为避免叶片共振或产生较大的动应力，规范要求叶片的一阶频率高于3倍转速频率的20%。通过复合材料铺层设计及气动外形的优化使叶片的频率满足动态性能要求。叶片的频率计算较复杂。叶片是变截面的，各截面的扭角是不同的。振动时各个截面可分解为两个方向的位移，产生了两个方向互相耦合的弯曲振动，计算时应考虑耦合影响。叶片的弯曲耦合振动方程：

    (EIyu″+EIxyv″)″-mw2u=0

    (EIxyu″+EIxv″)″-mw2v=0

       上述方程可采用数值方法求解。大型风力机叶片采用空腔结构形式，在气动荷载作用下叶片局部受压区域可能发生突然损坏，称为曲屈失稳现象。叶片后缘空腔较宽，易发生失稳。为此本设计采用夹层结构。芯层和面层的厚度可采用复合材料夹层结构稳定理论进行计算。复合材料叶片的设计计算可采用经典的层合梁理论，叶片简化为悬臂梁。初步设计计算可满足工程要求，但优化设计应采用有限元方法。有限元强大的建模和结构分析功能适于叶片的应力、变形、频率、屈曲、疲劳及叶根强度的分析。叶片的构造较复杂，由外壳、主梁、夹层等构件组成，模型建立较困难。目前有叶片专用前处理软件，简化了叶片的结构分析。

2.5　工艺制造

        大型风力机叶片大多采用组装方式制造。在两个阴模上分别成型叶片蒙皮，主梁及其他GRP部件分别在专用模具上成型，然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起，合模加压固化后制成整体叶片。胶粘剂是叶片的重要结构材料。它应具有较高的强度和韧性以及良好的操作工艺性，如不坍落、易泵输及室温固化特性等。

        早期国外的叶片成型工艺为手糊工艺，目前已开发出多种较先进的工艺，如预浸料工艺、机械浸渍工艺及真空辅助灌注工艺。真空辅助灌注成型工艺是最近几年发展起来的一种改进的RTM工艺。真空辅助灌注技术是应用薄膜包覆敞口模具，应用真空泵抽真空，借助于铺在结构层表面的高渗透率的介质引导，将树脂注入到结构铺层中。它多用于成型形状复杂的大型厚壁制品，在国外已用于成型大型的GRP叶片。

        我国GRP叶片的制造厂家由于受市场、技术、材料及资金等方面的影响，大多采用湿法手糊工艺，常温固化。工艺相对简单，不需要加温加压装置。但对于大型的兆瓦级风力机叶片，由于叶片体形庞大，最宽处达300cm左右，最高处大于200cm，传统的手糊成型工艺已不适用。况且手糊成型具有生产效率低、劳动强度大、劳动卫生条件差、产品质量不易控制、性能稳定性不高、产品力学性能较低的缺点。真空辅助灌注技术是解决这一难题的一种新的成型工艺。本文通过多次试验摸索，解决了一系列技术问题，如布管方式、真空度控制、树脂选择、层板皱折等，取得了很好的效果。为国内的叶片成型工艺技术水平的提高和今后兆瓦级风力机叶片的产业化奠定了技术基础。

2.6　产品认证

       风力机及部件的用户自己很难评估机械部件的质量和安全性，须经权威机构检验和认证，如德国 GL、丹麦的RISOE、中国船级社等。商业化风力机机组的安全等级评估是认证的最重要的内容，对风力机的结构设计和安全性进行评估，确认是否符合IEC 标准或其他相关标准。考虑不同的气象和地理环境，标准将风力机的安全等级按50a一遇的极端风速及年平均风速分类，对一些特殊情况规定了S级。S级风力机组的设计值由设计者确定。

                        

        我国风力机标准委员会组织制订了一系列标准，其中关于大型风力机叶片的标准为“风力机组风轮叶片”。该标准基本上参照了IEC标准与德国劳埃德船级社规范。标准对复合材料叶片的材料选择、制造工艺、结构设计等方面均作出规定。中国船级社组织制订了风力机认证规范。国家标准及认证规范的颁布实施使国内生产厂家可按与国际标准等效的技术要求进行整机及部件的设计、生产与质量控制。

3　风力机复合材料叶片发展趋势

        风电技术发展的一个重要标志是单机容量的增加。在欧洲，尤其是德国、丹麦、西班牙，自 1997年以来，风力机组的平均单机容量已经增加了一倍多目前世界平均单机容量为1MW，主力机型是1.5～3MW。海上风电是风电发展的新领域。欧洲有十多个国家计划在近海增加装机容量2000万kW以上。我国也将进行海上风电的开发。第一个海上风电项目的装机容量为2万kW，采用8台2.5MW机组。在近海建立风电场的主要原因是海上的风速相对较高，大部分海上风场的发电量会比陆上风场高20～40%，其次是减少风场对陆上景观的影响。为适应海上风电的需求，制造商已制造出单机容量为2～5MW的风力机组，与其配套的复合材料叶片长40～60m。在未来10年，还有可能出现大于5MW机组用的更长的叶片。丹麦RISOE实验室新筹建的叶片试验中心能进行长度100m的叶片结构试验，为今后风电技术发展做准备。

        叶片长度增加势必增加叶片的重量。对10--60m长度的叶片进行了统计研究，发现叶片重量按长度的三次方增加。

        叶片重量对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。由于叶片运行，重力产生交变荷载，使叶片本身及机组产生疲劳。叶片减重可相应减少轮毂、机舱、塔架等结构的重量。

       对于大型叶片，刚度成为主要问题。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强。碳纤维复合材料的弹性模量是GRP的2～3倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。据分析，采用碳/玻混杂增强方案，叶片可减重20～30%。目前世界上最大碳/玻混杂风力机叶片是Nodex公司为海上风电5MW机组配套研制的，叶片长56m。Nodex公司还开发了43m (9.6t)碳/玻叶片，可用于陆上2.5MW机组。Enercon公司开发了4.5MW风力机组用碳纤维增强叶片。对于大型叶片是否需用碳纤维增强，目前还有争议。LM公司开发的60m叶片是GRP的。目前大多数人认为这应有一个临界尺度，大于此尺度的叶片须使用碳纤维增强。

        用真空灌注工艺生产碳纤维复合材料存在困难。碳纤维比玻纤更细，表面更大，更难有效浸渍，适用的树脂粘度更低。SP公司的SPRINT工艺技术采用树脂膜交替夹在碳纤维中，经加热和真空使树脂向外渗透。树脂沿铺层的厚度方向浸渍，浸渍快且充分，同时采用真空加速树脂的流动。该工艺技术也适用于铺层较厚的叶片根部。另外，目前常用的碳纤维主要是小丝束(24k以下)，价格较高。价格是制约碳纤维在大型风力机叶片应用的主要因素。大丝束碳纤维的价格相对低廉，但其应用还存在一些技术问题。例如大丝束碳纤维较粗，且不易展开，有粘连断丝现象，使强度及刚度等性能受影响，性能的分散性相应较大。今后大型风力机复合材料叶片对碳纤维的需求将是很大的。但推广应用碳纤维必须先解决技术和成本问题。大丝束碳纤维的应用技术研究、真空灌注工艺用树脂体系的配套研究和碳/玻混杂复合材料的研究还有待进一步深入。

sheldy

风力机的制造技术可能是最关键的

yiqix

想问一下风力机最新的设计方法是基于什么理论