乾貨 | 大型風電葉片設計技術發展趨勢

06-23

風能作為一種清潔的可再生能源, 取之不盡, 用之不竭, 越來越受到世界各國的重視。隨著風力發電技術的進步, 為了提高風能捕獲, 降低度電成本, 風電機組的單機容量也從最初的十幾千瓦發展到現在的兆瓦級,甚至向十兆瓦級、幾十兆瓦級邁進。目前, 全球運行的最大單機容量風電機組, 其額定功率達到8 MW。

葉片作為風電機組轉換風能的關鍵部件, 其設計與製造技術的發展對於整個機組的性能和可靠性至關重要。然而, 葉片大型化也帶來諸多挑戰: (1) 質量增加； (2) 製造與可靠性； (3) 材料成本； (4) 運輸； (5) 氣彈穩定性(顫振)； (6) 屈曲； (7) 重力導致的疲勞載荷；(8) 海上風況應用。同時, 不斷出現的新技術也為葉片的大型化提供支撐: 新的翼型、材料以及新的葉片型式；多學科優化設計方法；主動和被動的降載技術；顫振抑制技術等。

1 大型風電葉片產業現狀

據全球風能協會統計(GWEC), 2015年全球新增裝機容量首次超過60 GW, 2000–2015年16年間累計裝機容量達到432.9 GW. 亞洲裝機量繼續引領全球市場, 歐洲和北美緊隨其後, 其中, 中國自2009年以來, 一直保持全球最大市場地位. 2015年的新增裝機量和至2015年底的累積裝機量均居全球首位。基於氣候變化要求, 風電價格下降以及美國市場穩定的預期,GWEC預測在未來五年內, 亞洲市場仍將保持在50%以上, 歐洲市場穩步增加, 北美市場將出現強勁增長,到2020年, 全球累計裝機容量將達到792.1 GW. 可以看出, 風電葉片的市場仍然具有巨大發展潛力.

隨著全球風電市場轉向低風速和海上風場的風能開發, 葉片不斷增長。目前為止, 已經生產的全球最長風電葉片長88.4 m, 由丹麥LM公司和Adwen公司共同開發, 配套8 MW的海上風電機組. 此外, 達到80 m及以上長度的風電葉片包括丹麥SSP technology生產的83.5 m葉片、德國EUROS設計開發的81.6 m葉片以及Vestas設計製造的80 m葉片, 它們將分別用於韓國三星的7 MW海上風電機組、日本三菱的7 MW海上風電機組和Vestas的8 MW海上風電機組. 而更長的葉片已處於設計階段。在氣動性能方面, 目前公開報道的商用風機的最大功率係數超過0.5, 由德國Enercon公司設計研發, 通過綜合優化葉尖、葉根過渡段以及機艙幾何外型得到。在重量方面, 英國Blade dynamics公司採用模塊化的葉片設計和製造技術, 生產了一支世界上最輕的49 m葉片, 並已通過GL認證, 該技術將被用於100 m長的風電葉片開發, 目前該公司已被美國GE風電收購。

在海上風電葉片設計與應用方面, 西門子得益於歐洲海上風電市場的迅猛發展和自身的技術優勢, 已經走在世界前列, 其採用IntegralBlades葉片設計製造技術生產的58.5 m葉片已廣泛用於海上3.6 MW風電機組上, 沿用此技術開發的75 m葉片將批量生產並配套西門子7 MW機組用於英國東海岸東安格利亞一號海上風電場. 我國葉片廠商也緊跟國際海上風電發展腳步, 目前配套海上6 MW風電機組的葉片有中材科技的77.7 m葉片, 中復聯眾的75 m葉片, 艾朗風電的75 m葉片, 但其設計技術仍然依賴國外葉片設計公司, 如Windnovation, Aerodyn等。

在低風速葉片開發和應用方面, 得益於國內低風速區的大規模開發以及葉片設計製造技術發展, 國內的葉片製造廠商走在了世界前列。目前, 中科宇能自主研發生產了2 MW級最長風電葉片, 其長度為59.5 m.其他葉片廠商, 如中材科技、中復聯眾、國電聯合動力、時代新材、中科宇能、艾朗風電、吉林重通成飛等都有50m級2 MW的批量產品. 但在低風速葉片設計方面, 一些廠商仍然依賴國外葉片設計技術, 不具備完全自主設計能力。

從總體上看, 目前我國提供了全球最大的單一風電市場, 國內葉片廠商在大型葉片的設計和製造技術上取得了長足進步, 尤其是在低風速葉片開發和應用上走在世界前列. 但在大型葉片設計與製造技術上與國外先進技術相比還有一定差距, 沒有先進的獨特技術和產品應用。

2 大型風電葉片設計技術發展趨勢

隨著葉片的大型化, 葉片的運行雷諾數、載荷和重量不斷增大, 設計高效、低載以及輕質的葉片成為葉片廠商和研究者們不斷追求的目標。因此, 一些新的翼型、材料、葉片結構、製造工藝及設計方法不斷出現, 並逐漸應用到工程實踐中。

2.1 氣動設計技術發展趨勢

葉片氣動設計的目標是尋求最佳的葉片外形, 使得葉片在具備較高的風能捕獲能力的同時, 產生相對較小的載荷。

葉片翼型

作為葉片氣動設計的基本要素翼型, 對葉片的氣動性能和載荷特性起著非常關鍵作用。早期的風電葉片翼型選自於航空翼型, 如NACA系列翼型。但隨著人們逐漸認識到風力機與航空飛行器在運行環境以及流場特徵方面的差異, 如較低的運行雷諾數、高來流湍流強度、多工況運行及表面易污染等特點, 開始轉向風力機專用翼型的開發。從20世紀80年代起, 美國、瑞典、荷蘭、丹麥等風能技術發達國家紛紛展開了風力機專用翼型的研究, 並取得了一定成果。它們是美國國家可再生能源實驗室(National Renewable EnergyLaboratory, NREL)提出的S系列翼型、瑞典航空研究院設計的FFA系列翼型、荷蘭Deft大學設計的DU系列翼型、丹麥Ris?國家實驗室開發的Ris?系列翼型。這些翼型的最大相對厚度達到53%, 在升力係數、升阻比、粗燥度敏感、失速特性上均具有較好的性能. 其中, DU系列翼型更是在風電行業中得到廣泛運用. 隨著人們對風力機性能要求的提高和流場特徵認識的加深, 新翼型的開發正在持續進行。近年來, 國內多所研究機構和大學也在進行風力機專用翼型研發. 如中國科學院工程熱物理研究所研發的CAS系列翼型, 其翼型最大相對厚度達到了60%, 且採用鈍尾緣設計, 具有較好的結構特性和氣動特性, 對提高葉片過渡段附近的氣動性能具有重要意義; 西北工業大學研的NPU-WA系列翼型, 其設計雷諾數達到了5×106, 且在此雷諾數下具有較好的氣動特性,對開發大型葉片具有重要價值; 汕頭大學和重慶大學分別將雜訊要求引入到翼型的設計中, 獲得了低雜訊的風力機翼型。總之, 葉片大型化使得翼型運行的雷諾數不斷提高, 尋求高雷諾數下, 氣動、結構和雜訊等性能綜合較優的翼型是未來風力機專用翼型開發的方向。

氣動設計方法

除翼型外, 葉片的氣動外形主要由弦長、扭角、厚度及基疊軸位置等參數沿展向的分布情況決定。而葉片的氣動外形對葉片的最大功率係數, 年發電量以及葉片載荷有重要影響, 因此, 葉片的氣動設計是一個多變數、多目標問題。

目前的葉片氣動設計方法有兩大類, 一類是解析方法, 一類是數值方法。其中解析方法主要是根據動量葉素理論, 即BEM理論, 直接推導得到. 在不考慮阻力損失和葉尖損失的條件下, 根據BEM 理論可以得到葉片的最優氣動外形滿足如下方程:

依據式(1)和式(2), 通過選取設計尖速比, 以及各截面設計升力係數, 可以計算出各截面弦長。依據設計升力係數對應的攻角和入流角計算出截面扭角. 該方法形式簡單, 無需迭代調整, 設計速度快，適合初始設計。但由於它沒有考慮各截面弦長、扭角之間的相關性, 相鄰截面之間很可能不能光順過度, 工藝可操作性差。

數值方法主要包括正問題方法和反問題方法。在採用正問題方法設計時, 設計者依據設計經驗或是採用式(1)得到的葉片弦長、扭角和厚度分布, 利用BEM加修正模型的方法或渦方法或CFD方法(如Aerodyn,Bladed, FOCUS, FLUENT, WT_perf)進行葉片的氣動性能分析, 通過手動迭代或採用優化演算法進行自動迭代得到滿足各項設計指標的葉片外形參數. 在自動迭代方法中, 設計者可以對葉片各截面的弦長、扭角等參數進行光順性約束, 可以對設計指標進行單目標和多目標設置. 因此, 設計的氣動外形具有優良的氣動性能和工藝可操作性, 如美國可再生能源實驗室開發的HARP_Opt軟體。此外, 為了設計出更高性能的葉片外形, Fischer等人提出了一種新的氣動設計方法,它主要是突破了標準翼型限制, 在優化設計過程中不斷修改截面翼型, 採用Xfoil軟體分析得到的參數化翼型, 計算新翼型的升阻力係數等氣動性能參數, 以此為基礎進行葉片的氣動性能分析, 最終迭代得到滿足設計要求的氣動外形。該方法的最大缺點是修改後的翼型, 其氣動性能數據準確性難以評估。在反問題設計方面, 目前只有PROPID軟體。它是基於BEM理論開發, 可以設計出滿足設計者設定的徑向升力係數分布和軸向誘導因子分布要求的葉片, 目前應用較少。總的來看, 未來幾年大型葉片的氣動設計仍將以正問題方法尤其是優化設計方法為主. 隨著葉片的大型化,葉片的氣動與結構耦合愈加明顯, 進行葉片氣動和結構的協同優化設計將成為一種趨勢。

氣動分析方法

大型風電葉片的氣動分析方法許多, 根據求解模型的角度不同, 氣動分析方法可以分成3類: BEM方法、渦方法以及CFD方法。

CFD方法在以上3類方法中精度最高, 能夠得到葉片周圍高精度的三維流場結構和細節. 常常用於葉片的氣動性能評估、繞流流場分析以及尾流特性分析等。該方法假設前提少, 在葉片的非定常計算分析中更具優勢。但由於風力機三維流場多尺度性, 來流風況的非定常、高湍流特性, 葉片表面的不規則性, 採用該方法計算非常複雜耗時, 通常要在並行機或超級計算機上進行, 限制了其在工程設計中的應用。

渦方法的核心思想是將風力機三維流場中的渦量分布簡化為集中分布的線渦和面渦等形式, 配合以剛性尾渦或自由尾渦模型進行風力機氣動性能的計算。根據葉片附著渦量簡化形式不同, 又可分為升力線模型、升力面模型和三維面元模型。與升力線模型和升力面模型相比, 三維面元模型不需要翼型的二維實驗升阻力係數, 計算精度更高. 同時與CFD模型相比, 其提高了三維流場的計算效率。中國科學院工程熱物理研究所]通過將面元模型分別同邊界層模型以及降階模型相結合, 使面元模型的粘性計算能力得到拓展, 且大分離流的計算精度得以提高。

BEM方法在3類方法中計算時間最短(一般葉片性能的計算只需幾秒鐘)。它將葉片分成多個葉素獨立計算, 容易與葉片的結構動力學模型融合。因此, 它是目前工程設計中應用最廣泛的葉片氣動性能計算方法, 也被目前商用的風力機專用軟體GH Bladed和FOCUS所採用。當然, 由於其較大地簡化了實際風輪模型, 在非定常模擬以及局部氣動性能分析上, 存在較大誤差. 因此, 為了提高該方法的計算精度, 一些結合理論推導和經驗公式的修正模型不斷產生。

目前為止, 一些學者對以上不同的分析方法進行比較, 發現它們的計算結果具有較好的一致性。但由於風電葉片的非定常氣動特性求解複雜, 用於BEM修正的模型往往是基於近似理論或經驗修正公式, 其正確性通常在一定條件下成立, 如動態失速模型。因此需要進一步研究改進以擴展其適用範圍。

2.2 結構設計技術發展趨勢

葉片結構設計的目標是尋求保持葉片氣動外形和結構可靠性的前提下, 經濟性最優的葉片材料鋪層參數。

葉片材料

材料是葉片結構設計的基礎, 同時對葉片的氣彈響應特性以及結構性能具有非常重要作用. 風電葉片材料在經歷了木材、布蒙皮、金屬蒙皮以及鋁合金後, 目前已經基本被玻璃鋼複合材料取代。

這主要是因為其具有以下優點:

(1) 可根據風力機葉片的受力特點設計強度與剛度, 最大限度地減輕葉片質量；

(2)容易成型；

(3) 缺口敏感性低, 疲勞性能好；

(4) 內阻尼大, 抗震性能好；

(5) 耐腐蝕性、耐候性好；

(6) 維修方便、易於修補。

玻璃纖維複合材料葉片主要包括以下4類材料: 玻璃纖維、樹脂、黏結劑及芯材。根據葉片各部分的受力特點和功能屬性, 這些材料應用在不同的葉片位置, 同時對於不同材料的性能要求也各有側重。目前常用的玻璃纖維為E-玻璃纖維, 隨著葉片的長度增加, 對玻璃纖維的強度、模量等屬性提出了更高要求, 因此一些更高性能的玻璃纖維已經出現, 如法國Saint-Gobain 集團的H玻纖; 中國中材科技股份有限公司的HS2和HS4高強硅-鋁-鎂玻璃纖維; 重慶同際複合材料有限公司的無硼無氟環保型TM粗紗等。為進一步減少葉片質量, 碳纖維逐漸應用到大型風電葉片中, 如Vestas的80 m葉片, SSP的83.5 m葉片, 中材的77.7 m葉片。已有的研究表明, 碳纖維風電葉片相比玻璃纖維葉片減重可達30%以上。這主要是因為:碳纖維增強材料的拉伸彈性模量是玻璃纖維增強材料的2–3倍, 其抗拉強度是玻璃纖維的1.12–1.44倍, 且具有較高的抗壓縮強度、抗剪切強度和優良的阻尼特性。此外, 碳纖維的導電性還能避免雷擊. 其缺點主要是: (1) 韌性差, 形變數不足, 耐磨性及止滑性不佳, 脆性較大; (2) 價格昂貴; (3) 容易受工藝影響(如鋪層方向), 浸潤性較差, 對工藝要求較高; (4) 成品透明性差, 且難於進行內部檢查. 為了利用碳纖維高強高模的特性優勢, 同時控制葉片成本, 碳玻混合技術已經成為大型葉片重要研究和應用方向. 目前主要有兩種途徑, 一種是在葉片的主承力位置鋪設碳纖維, 如梁帽、前後緣等, 而在其他地方仍使用玻璃纖維. 一種是直接將碳纖/玻纖混織成一體, 然後作為一種材料進行鋪設和製造. 近幾年來, 性能更佳的碳納米管(CNTs)也得到研究人員和原材料廠商重視, 相關的應用研究已經開始, 如果能夠較好地解決CNTs在樹脂中的團聚問題,則該材料有望成為大型葉片的另一種重要材料。

隨著人們對環保的要求越來越高, 廢棄葉片的處理已經逐漸成為一個嚴重問題. 目前大多數葉片採用聚酯樹脂、乙烯基脂以及環氧樹脂等熱固性樹脂基體製成。這類葉片既難然燒, 又難降解, 佔用大量土地.研究低成本、可回收利用的綠色環保複合材料已成為目前重要研究方向。其中熱塑性複合材料受到了科研人員和葉片廠商的廣泛關注. 因為, 相比於熱固性複合材料, 它具有以下優點[39]: (1) 可以回收; (2) 成型工藝簡單, 可以焊接; (3) 比強度高; (4) 一些機械性能好, 如比剛度、延伸率、破壞容許極限均較高, 延展性好; (5) 耐腐蝕性好; (6) 固化周期短. 其缺點是熱塑性樹脂的熔融黏度高, 工藝能耗高, 耐疲勞性差. 因此,尋求低熔融黏度高力學性能的樹脂成為熱塑性複合材料的研究重點. 此外, 生物質纖維材料的相關研究也已開展並嘗試在葉片生產中進行應用。但由於此類材料與玻璃鋼複合材料相比, 綜合性能較差, 如竹製複合材料葉片強度低, 亞麻纖維葉片製造成本高. 還有待進一步研究改進。

結構設計方法

目前, 大型風電葉片主要由殼體, 大梁, 腹板, 葉根增強、前尾緣增強以及防雷系統等部分組成. 因此,葉片的結構設計主要是依據以上各部分的功能特點進行合理的材料布置。

葉片結構設計需要考慮的因素眾多, 如模態分析、剛度分析、極限強度分析和疲勞分析。模態分析要求葉片的固有頻率避開整機的共振區間; 剛度分析主要是控制葉片變形, 滿足葉尖與塔筒間隙的設計要求; 極限強度分析要求葉片在極限載荷作用下, 材料和結構滿足極限強度和屈曲穩定性要求; 疲勞分析則是要求葉片各材料滿足20年甚至是更高年限的使用壽命. 隨著葉片設計技術的進步, 一些以往不太關注的結構性能逐漸成為葉片結構設計的必要設計指標,如結構膠的極限與疲勞強度分析、基體材料的IFF分析、非線性屈曲分析和鋪層工藝的可操作性等. 此外,葉片大型化和柔性化帶來一些新的問題, 如葉片的一階扭轉頻率越來越低, 葉片氣彈發散以及顫振穩定性邊界逐漸降低, 甚至威脅風電機組的正常運行, 因此, 葉片氣彈穩定性分析將是未來大型葉片結構設計的必要內容, 如何通過結構設計提高葉片的氣彈穩定性具有重要意義. 還有葉片的幾何非線性問題, 它對葉片的氣彈耦合特性將產生重要影響, 如葉片載荷.總之, 為了設計更好的葉片, 需要分析的設計指標會越來越全面。

在葉片結構設計方法方面, 目前幾乎均採用正問題方法進行葉片的結構設計。也就是依據設計經驗和材料特性給定鋪層或等比例放大已有的葉片鋪層,利用工程梁模型或有限元模型(如FOCUS, BModes,ANSYS, ABAQUS)進行葉片的各項性能分析, 通過手動迭代或自動迭代的方法得到滿足各項設計指標的葉片鋪層信息, 包括各材料位置、厚度、角度、疊放順序等參數. 而在自動迭代分析時, 往往藉助智能優化演算法進行(如遺傳演算法、粒子群優化演算法). 由於葉片結構鋪層參數多樣, 可設計性強, 該方法往往針對質量佔比大的部分, 如梁帽、後緣增強以及尾緣增強.通過建立上述各部分的參數化模型和相應的葉片性能分析方法, 並同優化演算法耦合起來, 最終達到優化葉片結構的目的, 這也是目前提到的各種葉片結構優化設計方法。由於一些與結構有關的性能分析方法, 如依據標準載荷工況的極限載荷計算, 不易建立優化設計模型, 所以此方法得到的鋪層還需進一步檢驗. 但優化設計方法對設計者的經驗依賴度低, 且計算快, 適合初始葉片結構設計. 手動迭代方法能夠全面細緻地分析每項設計指標, 更適合葉片結構的詳細設計。目前, 有關葉片結構優化設計的研究越來越多, 採用優化設計模型進行大型葉片設計已經成為一種趨勢,但是如何建立更準確、更高效的結構設計指標分析模型是其重點和難點, 如葉片疲勞分析、葉根預埋螺栓套與複合材料的接觸應力分析和三維氣彈響應分析等。此外, 反問題設計方法是一種比較高效的設計方法, 但由於風電葉片結構設計涉及的參數眾多, 至今還沒人提出相關的設計模型. 隨著研究的深入, 也許它能成為未來大型葉片設計的新途徑。

新葉片結構

為了更好地解決風電大型化帶來的相關問題, 一些新的葉片結構也不斷提出, 並進行了相應分析, 甚至部分已經得到商業應用. 如Blade dynamics葉片設計公司提出了模塊化設計技術以降低葉片質量, 它將葉片的殼分成多塊設計和製造, 然後再組裝成型.已完成49 m的葉片設計。 Xie等人提出的可摺疊(Folding)葉片, 葉片分成兩段, 葉尖段可摺疊以降低載荷. 為了解決大型葉片的運輸問題, Enercon提出了一種分段葉片, 葉根段為鋼結構並在尾緣安裝有尾緣蓋板以保證葉根段氣動外形, 葉尖段為複合材料葉片, 兩段通過螺栓連接, 目前該葉片已經生產並批量裝機. 中國科學院工程熱物理研究所和保定華翼風電葉片研究開發有限公司共同研發的分段式風電葉片也已完成靜力試驗, 它通過螺栓將兩段複合材料葉片連接起來。

此外, 隨著對葉片運行可靠性要求的提高, 在線監測葉片的運行狀態和葉片載荷成為必要, 這時需要在葉片內部植入光纖等其他應變測量元件, 這些都會對葉片的結構設計提出新的要求。

隨著葉片的大型化, 針對不同問題的新型葉片結構形式不斷出現, 模塊化設計和智能化設計因其在減重、運輸及提高運行可靠性方面的優點, 具有巨大應用潛力。

大型風電葉片製造技術發展趨勢

葉片的製造技術主要依據葉片的材料體系和三維幾何結構發展. 目前為止, 針對複合材料葉片的成型工藝主要有手糊工藝、模壓成型、預浸料鋪放工藝、拉擠工藝、纖維纏繞、樹脂傳遞模塑(RTM)、真空灌注成型工藝。這些工藝各有優缺點, 可以根據葉片的材料體系、幾何結構、幾何尺寸以及鋪層功能進行綜合運用, 以達到最佳效果。

手糊工藝是生產複合材料風電葉片的一種傳統工藝。因為它不必受加熱及壓力影響, 成本較低. 可用於低成本製造大型、形狀複雜製品. 其主要缺點是生產效率低、產品質量波動大、廢品率較高。手糊工藝往往還會伴有大量有害物質和溶劑的釋放, 有一定的環境污染。目前主要用於葉片合模後的前尾緣濕法處理; 模壓成型工藝的優點在於纖維含量高、孔隙率低、生產周期短、精確的尺寸公差及良好的表面形狀. 適用於生產簡單的複合材料製品. 其缺點是模具投入成本高, 不適合具有複雜幾何形狀的葉片. 目前大型葉片基本不採用此工藝; 預浸料鋪放工藝的主要優勢是在生產過程中纖維增強材料排列完好, 可以製造低纖維缺陷以及性能優異的部件。它是生產複雜形狀結構件的理想工藝, 碳纖維預浸料廣泛應用於航空業中. 其主要缺陷是成本高. 此外, 預浸料需要手工方式鋪放, 生產效率低; 拉擠工藝具有纖維含量高, 質量穩定, 易於自動化, 適合大批量生產的優點. 適用於生產具有相同斷面形狀, 連續成型製品的生產中.但由於大型葉片的三維幾何彎扭結構, 該工藝很少使用. 纖維纏繞工藝能夠控制纖維張力、生產速度及纏繞角度等變數, 製造不同尺寸及厚度的部件. 但應用於葉片生產中的一個缺陷是在葉片縱向不能進行纏繞, 長度方向纖維的缺乏使葉片在高拉伸和彎曲載荷下容易產生問題. 另外, 纖維纏繞產生的粗糙外表面可能會影響葉片的空氣動力學性能, 必須進行表面處理. 最後, 芯模及計算機控制成本很大; 樹脂傳遞模塑(RTM)屬於半機械化的複合材料成型工藝, 對工人的技術和環境的要求遠遠低於手糊工藝並可有效地控制產品質量. RTM缺點是模具設備非常昂貴, 很難預測模具內樹脂流動狀況, 容易產生缺陷. RTM工藝採用閉模成型工藝, 特別適宜一次成型整體的風力發電機葉片(纖維、夾芯和接頭等可一次模腔中共成型),而無需二次黏接. 真空灌注成型工藝是目前大型風機葉片製造的理想工藝, 與RTM相比, 節約時間, 揮發物非常少, 工藝操作簡單, 模具成本大大降低. 相對於手糊工藝, 成型產品拉伸強度提高20%以上。

鑒於真空灌注成型工藝在大型葉片應用上的優勢, 目前大型風電葉片製造主要以真空灌注工藝為主。近幾年的研究也主要以此工藝為基礎, 針對葉片鋪層厚度、新的高模材料、製造效率、葉片成型質量等方面進行的工藝嘗試與改進. 目前, 具有創新性同時實用性較強的代表性葉片製造工藝有:西門子風電集團提出的IntegralBlade技術. 它使用兩個模具型面和其中的芯模型成一個封閉的型腔, 在型腔裡面隨形鋪放纖維材料和芯材. 通過型腔內建立起的真空體系將基體材料注入模具內, 一次成型大型風機葉片. 與傳統的真空灌注成型工藝相比, 它具有的優點包括: 節省人力和空間、無需黏接、質量可靠性高、不會釋放VOCs, 對環境污染小. 該工藝已廣泛應用於西門子的不同型號葉片製造中; 達諾巴特公司(DANOBAT)開發的葉片自動製造系統. 它的主要功能包括自動噴膠衣、自動噴短切纖維、自動鋪層、自動打磨、自動塗膠等. 客戶可以根據自身需求來選擇整體自動化, 也可以選擇其中一個或幾個功能. 工作單元採用移動式懸臂樑結構, 橫樑上安裝有十字滑軌, 相應的工作功能頭位於滑軌上, 採用5軸控制, 最終實現各工序的自動化操作. 相對於真空灌注成型工藝, 具有生產效率高, 人工成本低, 葉片質量穩定性好的優點。

除了以上針對現有熱固性複合材料體系的製造工藝, 針對熱塑性複合材料開發的生產工藝也在不斷發展。如基於低黏度載液技術的濕法模塑工藝以及共混雜成型工藝(Co-Mingling): 即熱塑性樹脂纖維與增強纖維共混雜而構成共混線紗(Co-Mingling Yarn),共混線紗加熱過程中樹脂纖維熔化並浸漬增強纖維,直到徹底浸漬所有增強纖維. 這些技術能一定程度上解決熱塑性複合材料成型能耗高、纖維浸潤差的問題. 但要批量應用到大型葉片的實際製造過程中還有待進一步研究實驗。

綜上所述, 大型葉片成型工藝將向著高成型質量,高生產效率, 低生產成本和低環境污染的方向發展.一體化和自動化製造工藝以其在成型質量和效率上的巨大優勢, 將會成為大型葉片的製造趨勢。同時, 用於熱塑性複合材料的製造工藝技術具有巨大發展潛力。其中, 低黏度熱塑性樹脂的開發非常關鍵。

3 總結

21世紀以來, 全球風電產業迅猛發展。隨著人們環保意識提高及風電技術進步, 風電產業將繼續保持高速發展態勢。葉片做為風電機組的關鍵部件, 它的技術發展對推進整個風電產業發展具有重要意義. 為了滿足大型葉片發展要求, 新的翼型、材料、設計方法以及製造工藝不斷提出, 引領風電葉片的設計與製造技術向開發更高性能的葉片邁進。總的來看, 大型葉片在氣動設計、結構設計以及製造工藝方面存在如下發展趨勢:

(1) 在氣動設計方面, 高雷諾數下高性能翼型開發是氣動設計需要迫切解決的問題。此外, 發展高精度且高效的氣動分析方法特別是用於求解大型葉片非定常空氣動力學特性的方法, 以及多學科協調設計方法將是風電葉片的重要研究方向。

(2) 在結構設計方面, 開發性能優越且環保的葉片材料將是目前材料研究的重點。在此基礎上, 優化設計技術以及反問題設計方法將是主要研究方向。此外,針對不同問題的新型葉片結構形式不斷出現, 模塊化設計和智能化設計因其在減重、運輸及提高運行可靠性方面的優點, 具有巨大應用潛力。

(3) 在製造工藝方面, 具有高成型質量、高生產效率、低生產成本和低環境污染的成型工藝是未來的發展方向。一體化和自動化製造工藝以其在成型質量和效率上的巨大優勢, 將會成為大型葉片的製造趨勢.同時, 用於熱塑性複合材料的製造工藝技術具有巨大發展潛力。其中, 低黏度熱塑性樹脂的開發非常關鍵。

●

▓

▓來源：《中國科學》作者:徐宇廖猜猜張淑麗趙曉路