風(fēng)機葉片材料、設(shè)計與工藝

秋葉雪紫

復(fù)合材料風(fēng)機葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵動部件，直接影響著整個系統(tǒng)的性能，并要具有長期在戶外自然環(huán)境條件下使用的耐候性和合理的價格。因此，葉片的材料、設(shè)計和制造質(zhì)量水平十分重要，被視為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)水平代表。影響風(fēng)機葉片相關(guān)性能的因素主要有原材料、風(fēng)機葉片設(shè)計及葉片的制造工藝三種。



一 風(fēng)機葉片的原料

目前的風(fēng)力發(fā)電機葉片基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂與E－玻璃纖維、S－玻璃纖維、碳纖維等增強材料，通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復(fù)合而成。

對于同一種基體樹脂來講，采用玻璃纖維增強的復(fù)合材料制造的葉片的強度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強的復(fù)合材料制造的葉片的性能。但是，碳纖維的價格目前是玻璃纖維的10左右。由于價格的因素，目前的葉片制造采用的增強材料主要以玻璃纖維為主。隨著葉片長度不斷增加，葉片對增強材料的強度和剛性等性能也提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸出現(xiàn)性能方面的不足。為了保證葉片能夠安全的承擔(dān)風(fēng)溫度等外界載荷，風(fēng)機葉片可以采用玻璃纖維/碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其是在翼緣等對材料強度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維作為增強材料。這樣，不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導(dǎo)電性，也可以有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。

風(fēng)電機組在工作過程中，風(fēng)機葉片要承受強大的風(fēng)載荷、氣體沖刷、砂石粒子沖擊、紫外線照射等外界的作用。為了提高復(fù)合材料葉片的承擔(dān)載荷、耐腐蝕和耐沖刷等性能，必須對樹脂基體系統(tǒng)進行精心設(shè)計和改進，采用性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂代替不飽和聚酯樹脂，改善玻璃纖維/樹脂界面的粘結(jié)性能，提高葉片的承載能力，擴大玻璃纖維在大型葉片中的應(yīng)用范圍。同時，為了提高復(fù)合材料葉片在惡劣工作環(huán)境中長期使用性能，可以采用耐紫外線輻射的新型環(huán)氧樹脂系統(tǒng)。

二  風(fēng)機葉片的設(shè)計

以最小的葉片重量獲得最大的葉片面積，使得葉片具有更高的捕風(fēng)能力，葉片的優(yōu)化設(shè)計顯得十分重要，尤其是符合空氣動力學(xué)要求的大型復(fù)合材料葉片的最佳外形設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要性尤為突出，它是實現(xiàn)葉片的材料/工藝有效結(jié)合的軟件支撐。另外，計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用也使得葉片的結(jié)構(gòu)與層合板設(shè)計更加細化，有力的支持了最佳工藝參數(shù)的確定。

早在1920年，德國的物理學(xué)家Albert Betz 就對風(fēng)力發(fā)電葉片進行過詳細的計算。基于當(dāng)時的計算條件和對風(fēng)力發(fā)電葉片的認識，Betz 在葉片計算時采用了一些假設(shè)條件。隨著計算機技術(shù)發(fā)展，計算手段的顯著提高，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，人們對風(fēng)力發(fā)電葉片的認識和理解也在逐漸深入。尤其是近十年來，經(jīng)過研究人員對風(fēng)力發(fā)電葉片進行的多次現(xiàn)場載荷、聲音和動力測量以后，發(fā)現(xiàn)葉片的理論預(yù)測值與實際記錄值有較大的偏離。這可能是由于過多的相信了風(fēng)洞實驗，而對葉片服役期間可能遇到的較強動態(tài)環(huán)境和湍流條件考慮不足造成的。因此，一些相關(guān)人員對當(dāng)時的葉片計算采用假設(shè)條件提出了質(zhì)疑。

流體動力學(xué)計算和軟件的改進使得研究人員能夠更精確的模擬葉片實際的受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，進一步改善葉片的空氣動力學(xué)特征，即使葉片在旋轉(zhuǎn)速度降低5％的情況下，捕風(fēng)能力仍可以提高5％；隨著葉片旋轉(zhuǎn)速度的降低，葉片運行的噪音大約可以降低3dB。同時，較低的葉片旋轉(zhuǎn)速度要求的運行載荷也較低，旋轉(zhuǎn)直徑可以相應(yīng)的增加。在此項研究的基礎(chǔ)上，德國的Enercon 公司將風(fēng)力發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)直徑由30米增加到33米，復(fù)合材料葉片也隨著相應(yīng)的增加。由于葉片長度的增加，葉片轉(zhuǎn)動時掃過的面積增大，捕風(fēng)能力大約提高25％。

Enercon 公司還對33米葉片進行了空氣動力實驗，經(jīng)過精確的測定，葉片的實際氣動效率為56％，比按照Betz 計算的最大氣動效率低約3～4個百分點。為此，該公司對大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進行了必要的改進：包括為了抑制生成擾流和旋渦，在葉片端部安裝“小翼”；為改善和提高渦輪發(fā)電機主艙附近的捕風(fēng)能力，對葉片根莖進行重新改進，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長度；對葉片頂部和根部之間的型面進行優(yōu)化設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，Enercon 公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑71米的2MW 風(fēng)力發(fā)電機組，改進后葉片根部的捕風(fēng)能力得異提高。

Enercon 公司在4.5MW風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計中繼續(xù)采用此項技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112米的葉片端部仍安裝的傾斜“小翼”，使得葉片單片的運行噪音小于3個葉片(旋轉(zhuǎn)直徑為66米)運行使產(chǎn)生的噪音。

丹麥的LM公司在61.5米復(fù)合材料葉片樣機的設(shè)計中對其葉片根部固定進行了改進，尤其是固定螺栓與螺栓空周圍區(qū)域。這樣，在保持現(xiàn)有根部直徑的情況下，能夠支撐的葉片長度可比改進前增加20％。另外，LM公司的葉片預(yù)彎曲專有技術(shù)也可以進一步降低葉片重量和提高產(chǎn)能。

wumingsheng

“Enercon 公司還對33米葉片進行了空氣動力實驗，經(jīng)過精確的測定，葉片的實際氣動效率為56％，比按照Betz 計算的最大氣動效率低約3～4個百分點。為此，該公司對大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進行了必要的改進：包括為了抑制生成擾流和旋渦，在葉片端部安裝“小翼”；為改善和提高渦輪發(fā)電機主艙附近的捕風(fēng)能力，對葉片根莖進行重新改進，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長度；對葉片頂部和根部之間的型面進行優(yōu)化設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，Enercon 公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑71米的2MW 風(fēng)力發(fā)電機組，改進后葉片根部的捕風(fēng)能力得異提高。

Enercon 公司在4.5MW風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計中繼續(xù)采用此項技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112米的葉片端部仍安裝的傾斜“小翼”，使得葉片單片的運行噪音小于3個葉片(旋轉(zhuǎn)直徑為66米)運行使產(chǎn)生的噪音。”

原因如上：


至于“丹麥的LM公司在61.5米復(fù)合材料葉片樣機的設(shè)計中對其葉片根部固定進行了改進，尤其是固定螺栓與螺栓空周圍區(qū)域。”
這個比較機密，呵呵。

不給也是可以用圖片獻上的。是一個非常特別的復(fù)合材料預(yù)成型加強......................

[s:2]

wumingsheng

不過對于耐紫外的環(huán)氧樹脂還是比較感興趣的。前不久聽說歐洲的公司推出了耐紫外得環(huán)氧樹脂。沒有仔細研究。

不知道能耐多久。

不知道有沒有人對這個討論一下子阿？