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大型風力機復合材料葉片技術及進展 zund G3 XL-3200-道路標誌台中雷射雕刻
2022/01/13 14:50:06瀏覽13|回應0|推薦0

   陳宗來,陳余擊
                    (上海玻璃鋼研究所,上海200126)
    摘要:本文介紹了大型風力機復合材料葉片技術現狀,敘述葉片氣動、結構、工藝等關健技術。隨著風力機組向大容童方
向發展及海上風能的開發利用,將對風力機復合材料葉片的設計、材料及制造提出了挑戰。
    關鍵詞:復合材料;風力機;葉片
    中圖分類號:TQ327.1; TK83文獻標識碼:A文章編號:1003-0999 (2005) 03-0053-04

1  引言
    目前風能仍然是增長快的能源。在近5年中,風力發電機組裝機容量年平均增長率大于35%。據風能協會的統計資料,截至2003年底,風力發電機組總裝機容量為39151. 3MW,比上年增長了22%a,2003年度新增容量為7981 MW。5個主要風電市場裝機占全新增容量的80%。其中德國新增裝機2608MW,美國新增裝機1685 M W,西班牙新增裝機1372MW,印度新增裝機408 MW,后起之秀奧地利新增276MW(200%的增長率)。預計到2008年,全風電裝機總容量將達到l00000MW。2020年風力發電量將占總發電量的I1.81%。
    隨著現代風電技術的發展與日趨成熟,風力發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。
    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。在北瓦級風電機組中,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公司生產。著名的葉片公司是丹麥的LM公司,是上唯一一家葉片生產商。目前在全正在運行的風機葉片中1乃以上都是LM的產品。至2000年LM已生產6萬片葉片,當年生產7200片葉片,占居市場的45%,近來一些著名的風力機制造商也開始自己生產葉片。
    我國可開發利用的風能資源有10億Me其中陸地2.5億kW,現在僅開發了不到0.2%;近海地區有7.5億kW,風能資源十分豐富。風能資源豐富的地區主要分布在“三北”(東北、西北、華北)地區及東南沿海地區。三北地區可開發利用的風力資源有2億kW,占全國陸地可開發利用風能的79%。根據風力發電中長期發展規劃,到2005年全國風電總裝機容量為100萬kW,2010年400萬kW,2015年1000萬kW,2020年2000萬kW。2020年以后石化燃料資源減少,火電成本增加,風電具備市場競爭能力,發展更快。2030年后水能資源基本開發完畢,海上風電將進人大規模開發期。我國在風力機復合材料葉片設計與制造技術方面與國外有一定的差距。為使復合材料葉片能國產化,政府有關部門很重視葉片的研發,把葉片列人攻關項目予以支持。所研發的200 -750kW系列風力機復合材料葉片已形成批量生產,兆瓦級風力機正在開發中,尚不具備規模化生產能力。
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/玻混雜復合材料,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J合力,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,這樣就可減輕葉片的重量。②翼型容易成型,并達到大氣動效率。為了達到佳氣動效果,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,缺日敏感性低,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,近年來又大力發展離岸風電場,風力機安裝在海上,風力機組及葉片要受到各種氣候環境的影響。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展而來。19世紀20年代一些著名氣動學家對機翼理論作出T貢獻。Betz、Glauert, Wilson等在此基礎上發展了風輪氣動理論。我國的氣動學家對風輪氣動理論也作出過貢獻。
   Betz采用一元定常流動的動量定理,研究理論狀態下風輪的大風能利用系數。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:

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。Glauert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計算,以達到優化。Wilson氣動優化設計理論是目前常用的方法。該理論對Glauert設計方法進行了改進。研究了葉尖損失和升阻比對葉片性能的影響以及風輪在非設計狀態下的氣動性能。為使風輪你值大,須使每個葉素dCP值大。理論建立了dCP與氣動參數的關系式,從而得到佳氣動參數和氣動外形。確定氣動外形后計算氣動性能,主要包括軸向推力、轉矩、功率及相對應的系數。上述氣 動理論有其局限性,理論設計須結合風場運行驗證。 更精確的理論應考慮3D效應及動態失速影響。
  2.3風力機復合材料葉片構造設計
    設計GRP葉片的構造時主要考慮葉片根端連接與葉片剖面形式。葉片與輪箍連接使葉片成懸臂梁形式。作用在葉片上的荷載通過葉片根端連接傳到輪毅上,因此葉根的荷載大。根端必須具有足夠的剪切強度、擠壓強度,與金屬的膠結強度也要足夠高。上述強度均低于其拉彎強度,因而葉片的根端設計應予以重視。大型風力機的GRP葉片根端形式主要有金屬法蘭(法蘭與葉根螺栓連接或膠結)、預埋金屬桿及T型螺栓。金屬法蘭與葉根柱殼膠結,而不是傳統的螺栓連接,這可減輕根部的重量。大型風力機的GRP葉片剖面采用蒙皮與主梁構造形式。蒙皮的功能主要提供葉片的氣動外形,同時承擔部分彎曲荷載和大部的剪切荷載。蒙皮由雙向玻纖織物增強,以提高蒙皮的剪切強度。蒙皮的后緣部分采用夾層結構,以提高后緣空腹結構的抗屈曲失穩能力。主梁為主要承力結構,承載葉片的大部彎曲荷載,它采用單向程度較高的玻纖織物增強,以提高主梁的強度及剛度。

2.4結構設計
    葉片結構設計主要考慮制訂荷載規范、荷載計算、極限強度及疲勞強度驗算、變形計算、固有頻率計算和屈曲穩定計算。作用在葉片上的荷載主要有慣性力和重力、氣動力、運行荷載。荷載工況要考慮正常設計工況和正常外部條件、正常設計工況和極端外部條件、故障設計工況和允許的外部條件、運輸安裝和維修設計工況等組合工況。對每種荷載工況要區分極限荷載與疲勞荷載。對于極限荷載,至少要計算50a一遇的極端風速,要求葉片在極限荷載

    風力機葉片的固有頻率是重要的動態性能參數。作用在葉片上的氣動荷載是動荷載,其頻率為風輪轉速的整數倍。對于3葉片風力機組,頻率為轉速3倍的動荷載分量大。為避免葉片共振或產生較大的動應力,規范要求葉片的一階頻率高于3倍轉速頻率的20%。通過復合材料鋪層設計及氣動外形的優化使葉片的頻率滿足動態性能要求。葉片的頻率計算較復雜。葉片是變截面的,各截面的扭角是不同的。振動時各個截面可分解為兩個方向的位移,產生了兩個方向互相藕合的彎曲振動,計算時應考慮禍合影響。葉片的彎曲藕合振動方程:

   上述方程可采用數值方法求解。大型風力機葉片采用空腔結構形式,在氣動荷載作用下葉片局部
受壓區域可能發生突然損壞,稱為曲屈失穩現象。葉片后緣空腔較寬,易發生失穩。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,目前已開發出多種較先進的工藝,如預浸料工藝、機械浸漬工藝及真空輔助灌注工藝。真空輔助灌注成型工藝是近兒年發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,將樹脂注人到結構鋪層中。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葉片,由于葉片體形龐
大,寬處達300cm左右,高處大于200cm,傳統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、勞動衛生條件差、產品質量不易控制、性能穩定性不高、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。為國內的葉斤成堅上藝技術水平的提高和今后兆瓦級風力機葉片的產業化奠定了技術基礎。
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,船級社等。商業化風力機機組的安全等級評估是認證的重要的內容,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。考慮不同的氣象和地理環境,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組織制訂了一系列標準,其中關于大型風力機葉片的標準為“風力機組風輪葉片”。該標準基本上參照了IEC標準與德國勞埃德船級社規范。標準對復合材料葉片的材料選擇、制造工藝、結構設計等方面均作出規定。船級社組織制訂了風力機認證規范。標準及認證規范的頒布實施使國內生產廠家可按與國際標準等效的技術要求進行整機及部件的設計、生產與質量控制。
3  風力機復合材料葉片發展趨勢
    風電技術發展的一個重要標志是單機容量的增加。在歐洲,尤其是德國、丹麥、西班牙,自1997年以來,風力機組的平均單機容量已經增加了一倍多。目前平均單機容量為IMW,主力機型是1.5-3MW。海上風電是風電發展的新領域。歐洲有十多個計劃在近海增加裝機容量2000萬kW以上。我國也將進行海上風電的開發。個海上風電項目的裝機容量為2萬kW,采用8臺2.5MW機組。在近海建立風電場的主要原因是海上的風速相對較高,大部分海上風場的發電量會比陸上風場高20-40%,其次是減少風場對陸上景觀的影響。為適應海上風電的需求,制造商已制造出單機容量為2~5MW的風力機組,與其配套的復合材料葉片長40~60m。在未來10年,還有可能出現大于5MW機組用的更長的葉片。丹麥RISOE實驗室新籌建的葉片試驗中心能進行長度loom的葉片結構試驗,為今后風電技術發展作準備。
    葉片長度增加勢必增加葉片的重量。對10--60m長度的葉片進行了統計研究,發現葉片重量按長度的三次方增加,如圖3所示。


                   圖3葉片重量與葉片長度的關系
    葉片重量對運行、疲勞壽命、能量輸出有重要的影響。由于葉片運行,重力產生交變荷載,使葉片本身及機組產生疲勞。葉片減重可相應減少輪毅、機艙、塔架等結構的重量。
    對于大型葉片,剛度成為主要問題。為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架,葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的重量,又要滿足強度與剛度要求,有效的辦法是采用碳纖維增強。碳纖維復合材料的彈性模量是GRP的2一3倍。大型葉片采用碳纖維增強可充分發揮其高彈輕質的優點。據分析,采用碳/玻混雜增強方案,葉片可減重20一30%。目前上大碳/玻混雜風力機葉片是Nodex公司為海上風電5MW機組配套研制的,葉片長56m,Nodex公司還開發了43m(9.6t)碳/玻葉片,可用于陸上2.5MW機組。 Enercon公司開發了4.5MW風力機組用碳纖維增強葉片。對于大型葉片是否需用碳纖維增強,目前還有爭議。LM公司開發的60m葉片是GRP的。目前大多數人認為這應有一個臨界尺度,大于此尺度的葉片須使用碳纖維增強。
    用真空灌注工藝生產碳纖維復合材料存在困難。碳纖維比玻纖更細,表面更大,更難有效浸漬,適用的樹脂粘度更低。SP公司的SPRINT工藝技術采用樹脂膜交替夾在碳纖維中,經加熱和真空使樹脂向外滲透。樹脂沿鋪層的厚度方向浸漬,浸漬快且充分,同時采用真空加速樹脂的流動。該工藝技術也適用于鋪層較厚的葉片根部。另外,目前常用的碳纖維主要是小絲束(24k以下),價格較高。價格是制約碳纖維在大型風力機葉片應用的主要因素。大絲束碳纖維的價格相對低廉,但其應用還存在一些技術問題。例如大絲束碳纖維較粗,且不易展開,有粘連斷絲現象,使強度及剛度等性能受影響,性能的分散性相應較大。今后大型風力機復合材料葉片對碳纖維的需求將是很大的。但推廣應用碳纖維必須先解決技術和成本問題。大絲束碳纖維的應用技術研究、真空灌注工藝用樹脂體系的配套研究和碳/玻混雜復合材料的研究還有待進一步
深人。
                    參考文獻

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[2 ]朱頤齡玻璃鋼結構設計[M]建筑工業出版社,1981。

[3] Montoya M. Coupled bending and torsional vibration in a twisted rotating blade[J]. The Brown Boview,1966,53(3):216-230
                           

               LARGE COMPOSITE BLADES FOR  WIND TURBINES
                                  CHEN Zong-lai,CHEN Yu-yue
                      (Shanghai FRP Research Institute,Shanghai 200126,China)

    Abstract:This paper presents aerodynamic design,structural design,materials and manufacturing technolo-
gy of large composite blades for wind turbines. With the progress in larger wind turbines and offshore wind energy,
composite blades for wind generation must meet the challenge in design,materials and manufacturing.
    Key words:composite;wind turbines;blades。

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