玻璃钢复合材料风力机叶片的开发

     自20世纪90年代起，风力发电机制造业年平均增长率达30％，是当今增长率最快的行业之一。2004年全新增容量为600万kW，累计全凤力发电机组总装机容量为4 600万kw。

     风能事业的发展，促进风电技术的发展。风电技术发展的标志之一是风力机单机容量的增大。新型大型风力机不断出现并得到迅速推广应用，兆瓦级的机组大量投入了应用。1994年以前，上最大量使用的风力机组单机容量在200kW（叶片长10m左右）以下，1996年300 kW（叶片长14 m左右）成为主流机型。1998年600 kW（叶片长21 m左右）机组成为重要机型。1999年以后，大量单机容量在1 MW或1 MW（叶片长30-40 m左右）以上的机型进入风电市场。当年风电市场上，兆瓦机组的市场占有率为27％，到了2000年兆瓦机的市场占有率为40％。预计今后几年，兆瓦级机组将在风电市场上占绝对主导地位。目前己研制成功的最大的风力机为5 MW，叶片长度达60m左右。

     随着风力机单机容量的增大，风力机功率调节方式从较多的采用失速功率调节而转到越来越多的采用变浆距和变速恒频技术，以提高风轮效率。这对风轮叶片的设计提出了相应的要求。
     单机容量的增长对风电开发商带来更大的经济上的好处，主要是风电单位kw成本下降，单位kWh运行成本下降，以及随着单机容量的提高，轮毅高度相应提高，风力资源也随着高度的提高而提高。
     随着风力机单机容量增大，叶片长度也相应增长。叶片的长度增加，则重量也增加。叶片重量与风轮半径R近似成3次方关系。200 kW叶片单片重量约800 kg， 600 kW叶片单片重量约2 t， 1 MW叶片单片重量约4 t， 1.5MW叶片单片重量约6t，2 MW叶片单片重量约st。而5 MW叶片单片重量达10几吨。故对复合材料叶片设计者来说，解决大型风力机复合材料叶片的强刚度与重量的矛盾是一个挑战。风力机复合材料叶片技术的进展也是设计、材料、工艺、装备等综合技术的进展。

复合材料叶片主要在几家著名叶片制造商进行专业化生产，如丹麦的LM公司，Vestas公司则生产与其配套的叶片。LM公司为最大的叶片制造商，产品占据风电市场的45%，叶片供应给一流风力机制造商，如NEGMicon、Bonus、Repower、Nodex及其他风力机制造商。LM公司从 1980年推出首要片叶片（7.5 m长），经过20多年发展，已成为在德国、荷兰、西班牙、美国、印度均有子公司的最具实力的叶片制造商。至2000年已生产6万片叶片，当年生产7 200片叶片。目前上一些著名大风力机制造商也开始生产为自己配套的玻璃钢叶片，如丹麦的Bonus公司，德国的Enercon公司，西班牙的 Gamesa公司。
     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。为了加快我国风电的发展，在较短时间内使我国风电设计、制造技术水平得到大幅度提高，使建设成本和上网电价迅速降低，让风电成为能大规模提供清洁电力的重要能源，国家发改委根据我国风电发展现状，借鉴国外风力发电发展的经验，制定了《风力发电中长期发展规划》。该规划指出，到2010年全国风电总装机容量为400万kW， 2015年1 000万kW，2020年3 000万kw。

     与国外相比，我国在风电设备设计与制造技术上有一定的差距，尤其在兆瓦级风力机技术上，我们还处于起步阶段，不具备与外商竞争的能力。在“十一五”时期我国将继续开展2-3 MW风力机及复合材料叶片的攻关。通过攻关，使我们的风电技术有所突破、有所创新，并形成产业化生产，使我国的风电设备制造技术逐步接近国外先进水平。

      大型风力机关键技术之一是复合材料叶片的研制，它涉及到空气动力学、结构动力学、结构试验、复合材料、工艺制造、模具装备等技术领域，技术难度最大。目前上极大多数叶片采用玻璃钢／复合材料制造，主要考虑玻璃钢／复合材料有一些优点是其他材料所不具备的。

    （1）它可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度，利用纤维受力为主的理论，可把主要纤维安排在叶片的纵向，减少材料用量，减轻叶片的重量。

    （2）容易成型。叶片具有复杂的气动外形，如用金属制造就很困难，而用复合材料制造则容易得多，模具制成后，可以进行批量生产。

    （3）优良的力学性能。叶片使用寿命20年，要求叶片具有良好的疲劳强度。玻璃钢的疲劳强度较高，缺口敏感性低，具有良好的疲劳性能。此外，玻璃钢的内阻尼大，抗震性能较好。

    （4）耐腐蚀性好。风力机安装在外，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，要具有耐酸、碱、水汽的性能。而玻璃钢复合材料具有这种优良的性能，能在这种恶劣环境下较长时间的工作。

      风力机叶片开发的首要任务是进行气动设计。叶片的气动设计很重要，涉及到风力机组能否获得所需的功率。叶片气动设计包括气动外形设计及气动性能计算。根据风力机总体性能要求确定风轮直径、叶片数、转速，叶片弦长、叶厚、扭角分布。气动外形设计可采用气动性能优化理论。该理论基于叶片的每一剖面输出功率最大，从而导出最佳气动外形。理论设计外形需结合考虑叶片构造、工艺要求进行修正。当气动外形确定后，可进行气动性能计算。对于定桨距失速控制风力机组，应进行不同安装角的风轮输出功率、Cp值、推力等参数，以确定叶片初始安装角及风轮失速性能。对于变距变速风轮，要计算不同安装角及不同转速的风轮性能，以确定风轮运行调节方案。风力机叶片采用的翼型，以前大多采用传统的NACA44， NACA230等飞机翼型，目前己采用专用于风力机组的专用翼型，如NACA63、FX77等，以希望得到高的风能利用系数，使风轮的能量损失尽可能小。

     在复合材料叶片结构设计方面，我们首先要进行叶片构造设计。而叶片根端连接形式与叶片剖面形式是构造设计的重点。

     叶片与轮箍连接，使叶片成悬臂梁形式。作用在叶片上的载荷通过叶片根端连接传到轮箍上，因此叶根的载荷最大。叶片上的载荷通过根端结构的剪切强度、挤压强度、或玻璃钢与金属的胶结强度传递到轮箍上的，而玻璃钢的这些强度均低于其拉弯强度，因而叶片的根端是危险的部位，设计时应予以重视。大型风力机玻璃钢叶片根端形式主要有：金属法兰、预埋金属杆、T型螺栓等连接方式。金属法兰与叶根复合材料柱壳胶结，而不是用传统的螺栓连接，以减轻根部的重量，也使得外形流畅，但对胶结工艺技术要求很高。国内自主开发的大型风力机叶片大多采用预埋金属杆根端形式。金属预埋杆与壳体的结合是关键。为确保根端结构的安全可靠，须进行金属杆与玻璃钢壳体结合强度的模拟试验。

      叶片剖面基本上采用蒙皮加主梁的构造形式。主梁可采用整体箱型梁形式，或用双槽钢形式，或用加强肋结构。在后缘空腹处，采用夹层结构。叶片上大部分弯曲荷载由主梁承担，蒙皮起气动外形作用，并可承担部分荷载。这种剖面构造，可以减轻叶片重量，提高叶片的强度与刚度，避免叶片由弯曲产生的局部失稳。叶片蒙皮通常采用毡或双向织物增强的层板结构，也有采用夹层结构，以提高蒙皮的强刚度。主梁用单向程度较高的织物增强，以提高强度与刚度。夹芯材料可采用PVC泡沫或Balsa轮廓板。这些芯材有较高的剪切模量，组成的夹层结构有良好的刚度特性。为减轻叶片重量，提高强度与刚度，可采用碳／玻混杂纤维增强叶片，如用炭纤维增强主梁，或全炭纤维增强叶片。

国外有专家指出，叶片大于40 m ，应采用炭纤维。如Nodex己开发了43.8 m碳／玻混杂叶片，重9.6t。Enercon研发的风轮直径112 m炭纤维叶片，用于4.5 MW陆上和海上风场。NOI公司、Vestas公司也正进行炭纤维叶片的研发，用于3-5MW风力机。据国外专家分析指出，对于兆瓦级大型风力机叶片，采用碳／玻混杂纤维增强，可以降低叶片重量30％，减少叶尖挠度18%-29%。目前由于炭纤维价格高，限制了它在大型叶片上的应用。今后炭纤维能形成较大规模的生产，价格降到人们可接受的心理价位，炭纤维必将在兆瓦级大型风力机叶片生产中得到广泛应用。

     叶片结构设计主要考虑：制订荷载规范、荷载计算、极限强度与疲劳强度验算、变形计算、固有频率计算、屈曲稳定计算。

     根据风力机风轮叶片规范，对于风力机组的叶片，要求能承受瞬时风速50-70 m/s的暴风，使用寿命达20 a。叶片结构设计要考虑的安全系数有荷载局部安全系数、材料局部安全系数。对于大型风力机叶片，要承受如此大的极限荷载和长期复杂的疲劳荷载，同时要求有足够的安全系数，其重量与强度、刚度的矛盾势必特出。要在满足叶片的强度与刚度的条件下，减轻叶片的重量，要求我们对叶片进行结构优化设计，选择性能良好的增强材料，以提高玻璃钢层板的强度与模量，必要时要采用炭纤维增强复合材料。

     风力机叶片的固有频率是重要的动态性能参数。作用在叶片上气动荷载是动荷载，其频率为风轮转速的整倍数。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与3倍转速频率20％。通过叶片复合材料铺层设计，气动外形的优化，可以使叶片的频率满足动态性能要求。

     大型风力机叶片采用空腔结构形式，在气动荷载作用下，在叶片局部受压区域可能发生突然损坏，我们称为曲屈失稳现象。叶片后缘空腔较宽，易发生失稳。为此我们采用夹层结构。芯层的厚度、面层的厚度可采用复合材料夹层结构稳定理论进行设计计算。

     风轮叶片国家标准及中国船级社关于风力机的认证规范，均要求进行叶片结构试验，以验证设计的准确性及制造工艺的质量。结构试验内容主要为设计荷载下叶片的静态强度与刚度测试、叶片一阶挥舞与摆振频率测试、疲劳试验。国外风力机制造业发达国家如丹麦、荷兰、美国，均有国家级叶片测试中心，并获得政府授权，可进行叶片认证。我国还未建国家级风力机测试中心，叶片的结构试验在船级社指导下在厂家进行。全尺寸叶片疲劳试验是重要试验内容，在实验室里验证叶片能否使用20年。根据叶片疲劳荷载谱，在20 a使用期，疲劳荷载交变次数达10 8 次量级。对于大型叶片，试验加载速度1次/s左右。为加速疲劳试验速度，应加大荷载，减少试验次数，一般加载次数达500万次，需2-3个月。试验荷载谱应根据损伤等效原则确定。我们在实验室进行了300 kW、660 kW、1MW叶片疲劳试验，试验进行了500万次，通过了船级社的认证。

     国际上极大多数国家要求所安装的风力机得到认证，以保证其质量。欧盟建议采用IEC标准统一认证规则和要求。IEC有关叶片技术标准：IEC 1400-1《风力机系统安全》。此标准规定了叶片荷载工况、局部安全系数、检验要求等；IEC 1400-23《风轮叶片测量技术》，规定了叶片静态强刚度测量、频率测量及疲劳测试方法。我国风力机标准委员会组织制订了一系列标准规范，其中关于大型风力机叶片的标准：《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、结构设计等方面均做出规定。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，使我们的产品能在一个高的起点上参与国内与国际竞争。

     大型风力机叶片大多采用组装方式制造。分别在两个阴模上成型叶片蒙皮，主梁及其他玻璃钢部件分别在专用模具上成型，然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其他部件胶接组装在一起，合模加压固化后成整体叶片。胶粘剂是叶片的重要结材料，直接关系到叶片的强刚度。要求胶粘剂具有较高的强度和良好的韧性，要有良好的操作工艺性，如具有不坍塌、易泵输、低温固化特性。

      在国外叶片成型工艺由早期的手糊工艺发展到目前的比较先进的工艺。如LM公司采用VARTM工艺，Vestas采用预浸料工艺，以及真空辅助灌注工艺。

      预浸料在国外运用非常广泛，而且其工艺及装备也发展到了相当成熟的地步。在这方面丹麦的Vestas是一个成功的应用先例。Vestas用于生产大型风力叶片的玻璃纤维增强环氧树脂是一种低温固化预浸料。实际叶片生产中，由于叶片的蒙皮、主梁、根部等各个部位的力学性能及工艺的要求各不相同，因而为降低成本，充分发挥各部分的优点，各部分使用各种不同的预浸料制品。

     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的一种工艺技术，多用于成型形状复杂的大型厚壁制品，国外在成型大型玻璃钢产品中有所应用。我国玻璃钢叶制造厂家由于受市场，技术、材料、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。但对于兆瓦级大型的风力机叶片，由于叶片体形庞大，如1.5 MW风力机叶片，最宽处达3 100 mm，应用传统的手糊成型工艺已很难实施，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。我们在研制“863”项目MW风力机叶片时采用了真空辅助灌注工艺。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，使我们的叶片成型工艺技术水平提高了一个层次。目前1.5 MW叶片的生产也应用该技术。