大型海上风电叶片关键技术及创新研究分析

大型海上风电叶片关键技术及创新研究

海上叶片技术挑战

Longer Blade Demanding for Innovative Technologies

材料科学 Material Science

•高模量 High stiffness •轻质 Low weight •性能稳定 Robust •耐腐蚀及紫外线 Anti-erosion/UV

气动设计 Aerodynamics

•高叶尖速 High tip speed ratio •高雷诺数 High Reynolds # •粗糙度敏感性低 Dirt Airfoil •气弹稳定性 Aeroelastic flutter •失速余量 Stall margin •载荷控制 Load control

•气动效率 Performance

结构设计 Structural Design

•高可靠性 High reliability •后缘梁设计TE UD

•三明治结构稳定性

•大厚度主梁帽 Thick Spar Cap •叶根设计 Root connection

工艺设计 Mfg Process •部件预制 Prefabrication •大厚度梁帽制作 Thicker Spar cap •防雷金属网灌注 Copper

mesh application 防护设计 LPS & Anti-erosion

•碳材料防雷 LPS for carbon •前缘防护 LE protection

价格因子/重量因子 Cost & Weight factors

0.0%

20.0%

40.0%

60.0%

80.0% 100.0%

120.0%

0.0%

50.0% 100.0% 150.0% 200.0% 250.0%

300.0% 350.0% 400.0% 常规玻纤布

大克重玻纤布

拉挤玻纤片材

碳纤灌注 碳纤预浸料

碳纤拉挤片材

单位模量价格因子

重量因子

价格因子 重量因子

玻纤织物 Glass Fabrics

•编织过程产生微观褶皱 Micro-waviness due to weaving

•衬纱和捆绑纱是产生起始疲劳裂纹的原因 stitching yarn & cross fibers

initiate cracks

Source： Journal of Composite Materials 0(0) 1–17

碳玻混织物 Hybrid Fabrics

Mismatch of Thermal coefficients

Glass 5~6x10^-6/度 Carbon -0.5~-1 /度 Thermal-induced Residual stress 防雷解决方案

玻纤 Glass

碳纤 Carbon

混编织物 hybrid fabrics

收缩

膨胀

内应力 residual stress

织物混铺 hybrid laminate

玻纤层 Glass

碳纤层 Carbon 玻纤层 Glass 类似的问题

碳纤布 Carbon Fabrics

找不同What’s the difference?

碳预浸料Carbon Prepreg

•粘性导致容易褶皱 easy to have wrinkles

•层间气泡 air bubble between layers

•需要无损检测 demand accurate UT scan

•气动设计考虑叶片扩展需求 Segmented tooling design •提高模具利用率，降低成本 Reduce tooling cost

•叶片系列扩展设计

Blade family design •模具共用率超过60%

Thin airfoils from 60+m

•叶尖薄翼型设计 Thin airfoils at tip •提升叶片效率 •Cp_max=0.486

•粗糙度敏感性低，发电性能更好。 Low surface roughness sensitivity, higher power performance

Span Relative thickness [%] [%] 70 21 90 18

稳态性能：

额定功率：6.0MW ； 最大Cp ：0.486； 最优TSR ：10.8； 最优变桨角：0度；

锯齿尾缘降噪Serration to Reduce Noise

Design to implementation

VG aerodynamic simulation

发电性能提升 Vortex Generator to Enhance Power Generation

Flow separation

X=0.13X=0.14X=0.15X=0.17

X=0.18X=0.19X=0.23X=0.25

-5

5

101520

0.00.40.81.21.62.02.4 baseline

VGs locate 20% chord length

C l

a airfoil thickness=40%

叶片结构设计 Structural Design

碳纤维的应用，与玻纤相比可以降低约30%的叶片质量，降

低整机综合成本

Carbon enables weight reduction of 30%

针对碳纤专门开发的树脂体系

Customized Epoxy resin system for carbon

专门设计的主梁模具

Customized spar cap mould system

缩短叶片成型周期

Reduced blade manufacturing cycle time

降低一体成型工艺难度

Pre-fabricated components to reduce process

difficauties and risks