风力机叶片设计

风力机叶片设计、制造的趋势和评价

风力机叶片设计、制造的趋势和评价

风力机叶片设计、制造的趋势和评价风力机叶片设计、制造的趋势和评价美国Sandia 国家试验室 Paul S.Veers,Thomas D.Ashwill,,Herbert J. Sutherland,ird and Donald.W Lobitz 等著前言风力机叶片的尺寸和产量都巳稳定增大，现在主流产品功率为 1MW 至 3MW。80 米直径的转子巳在生产，90 米至 120 米直径的转子已有样机。2001 年生产风力机叶片共用了5 万吨成品玻璃纤维层合板，今后几年还会增加。叶片变长叶轮变大，都会增加叶片在整机成本中的比重。因为叶片是整台风机的关键部件之一,改进叶片的设计、制造及性能，一直是研究开发的主要目标。叶片设计和制造的改进基于多年的生产经验和工业研发。有的研发是欧美政府资助的项目。研究的重点是,多种叶片设计和材料技术。技术挑战包括:尺寸加大但抑制重量增加、改进功率性能和减轻载荷、方便运输、使疲劳循环达 1 亿至 10 亿次、和降低设计裕度。叶片只占风机成本的 10% ~ 15%，所以靠叶片来降低能源价格(COE)，其作用是有限度的。如果创新的叶片设计,能降低 10% ~ 20%载荷，则能从几个主要部件(如塔、传动轴系、叶片本身)都得到好处。适当的叶片成本降低，和带来的其它系统造价降低，可降低能源价格。设计和制造历史上的叶片结构和制造方法图1 是切面图，表示风机叶片的典型结构。翼缘(大梁盖)为较厚的主要是单向纤维铺层组成，以承担拍打方向的弯矩。叶片蒙皮是典型的双轴向的(double-bias)或三轴向的(triaxial)玻璃纤维;轻木或泡沫塑料芯是抗屈曲用的。过去，叶片用全玻璃纤维铺层或个别情况用碳纤维局部加强制造。当叶片长度到 30 米时，最普通的制造方法是湿法手工铺放敞模成型。值得注意的例外是 Vestas,她造叶片一直用预浸料玻璃纤维。 图 1. 风力机叶片结构图叶片质量增加的趋势图 2 给出 750KW 至 4.5MW 风机叶片质量与风机转子半径的关系。简单地放大叶片，其质量将按转子半径的立方增加。但图 2 并非如此，仅是半径 2.3 次方的关系。从图 2 还可看到叶片质量有较大分散度。这主要因为材料、制造方法及设计准则的变化。对某一设计等级的某个制造厂,还可发现其质量增大另一种趋势。Vestas 的 V66 和 V80 叶片的质量差就是半径的 2.7 次方的关系。此指数值很接近立方放大关系。因为 V66 巳用了高性能预浸材料，己是轻重量设计,再降低重量(假定未改变纤维种类)的空间不大了。质量增长指数低于立方关系，很可能是采用较厚截面的翼型的结果。LM35.0 和 LM43.8,在 IEC 二级,的质量差放大指数为半径的 1.7 次方,这大大低于其它各家的。这是因为 LM 设计中已在材料性能上采取了重大改进 , 和使用较厚截面的翼型。

图 2. 商用 MW 级叶片设计的质量增长(基本为玻璃纤维) 参考文献 2 详细介绍了，商业叶片质量增长趋势，和气动力、结构设计、材料、

制造工艺的基本评价。数据表明抑制重量增加的主要办法是，对大叶片采用有较大厚度--弦长比(t/c)的翼型。大于 20 米至 50 米的叶片，雷诺数增加,允许使用高厚弦比翼型，而对气动性能无大不利。用较厚翼型，可能也会进一步改善结构功能，但也必须综合考虑气动性能。图 2 的数据仅限基本是玻璃纤维(指全玻璃纤维或有选择的使用碳纤维)叶片。用碳纤维梁的叶片，如 Vestas V90 和 DeWind 40 米叶片不在内。与材料有关的抑制质量增加的方法主要在，改进铺层的一致性、较好的纤维平直度和增多纤维含量份额。制造趋势不少风机制造厂正走向自己配套生产叶片,并使用多种多样的材料和制造方法。Nordex 和 GE 生产 30 米至 50 米叶片，都是敞模湿法成型，用手工铺放基本为玻璃纤维的结构。NEG Micon 制 40 米叶片用碳增强环氧复合材料(woodsolepoxy)。TPI Composites 制造 30 米叶片用它的 SCRIMP 真空辅助树脂造型工艺(VARTM)。Bonus 现在制造大叶片,有种更新颖的方法，制造 30 米以上长叶片，用单注射浸渍干成型,不再需要上部叶片和下部叶片的第二次粘接。近来，有些叶片在承重梁结构混用碳纤维。Vestas 新 V90 叶片用碳纤维梁。DeWind 用革新方法生产 40 米碳纤维玻璃纤维混合叶片。此工艺中翼缘用预浸碳纤维。固化后，翼缘作为半成品砌入玻璃纤维的叶片蒙皮。大叶片的设计和限制常规玻璃纤维叶片，成品叶片的制造成本为 9 至 11 美元/公斤。评价风机任何设计和制造改动的价值，基本数字是系统的电价。一般说，叶片占整台风机费用的 10%至 15%。叶片更改材料和工艺所增加的成本,必须由系统的其它改进得到补偿，如发电性能和负荷。要将现在叶片经济地放大到叶轮直径大于80 米至 120 米,巳了解到叶片设计和工艺有几项基本困难。最现实的约束是运费,大于 46 米运费就猛增，超过 61 米就禁止长途拖运。就制造言，环保可能禁止继续使用有挥发气体高排放的工艺，如湿法手工铺放敞模成型，它曾经是风机业的常规。制造大叶片遇到的另一个问题是胶接。叶片大了，配合与胶结部分间的缝隙也会大些。适用于小叶片的粘结剂，也不大适用于胶接大缝隙，而且制造叶片的工具和生产成本也会因其尺寸公差的要求严格而增加。重力载荷也是设计应考虑的，但这不是采用现有材料而放大叶片设计的绝对约束。当然，采用轻材料和轻型设计而减轻叶片重量，对 MW 级叶片是有利的。因为这可不加强尾缘和根部过渡处,就可适应重量增加引起的尾缘方向(edgewise)疲劳载荷。改进设计的动力 1992 年是设计直径为 40 米转子的 500KW 风机。现在是设计直径为 100 米转子的 3MW 级风机。如前面讨论的，转子尺寸的增加并未导致叶片重量按立方增加。这归功于设计，设计改进了叶片材料和结构的安全裕度。在降低安全系数情况下进行可靠的设计，在设计过程中必须应用更先进的技术。载荷分析巳大大提高了精确度，故障分析是需要的，屈曲稳定性预测要用非线性有限元分析法。极限载荷风力机的极限载荷是从风场 50 年极端风速和最大瞬时运行状态得出的。早期的较小的转子,主要按 50 年最大风载作为极限载荷。转子增大后，瞬时运行风载成为极限载荷。经过多年经验，运行载荷的分析巳相当准确。叶根由于转子大了，叶根联接部分的疲劳寿命成为关键。现在大叶片根部直径加大,相对厚度降低，叶根联接部需用三维非线性分析。现用的大直径变浆矩轴承,比小转子的灵活些，对滚珠轴承必须用非线性接触间隙(contact gap)模型模拟。铺层转子直径大了，由于塔隙的要求,叶片铺层的疲劳不是关键了。在叶片过渡区和 50%翼展之间，往往是叶片铺层疲劳寿命最低的。塔隙(tower clearance) 转子直径增大，塔隙成为决定叶片铺层尺寸设计的支配因素。基本的上风式转子--塔架的布置，没有因转子增大而改变。