叶片模具制造

风力发电机叶片模具制造
作者：李良君
单位：天津轻工职业技术学院
摘要：风力发电在世界和中国能源战略中占据重要地位，风力发电叶片是关键部件之一，叶片模具的设计制造是决定叶片的空气动力性能关键技术之一。

模具分阳模和阴模，从阳模和阴模的制造工艺和过程阐述叶片模具的生产，并指出其存在问题和发展方向。

关键词：风力发电、风电叶片、模具设计、模具制造
一、概述
1、风电行业背景
随着全球应对气候变化呼声的日益高涨，以及能源短缺、能源供应安全形势的日趋严峻，可再生能源以其清洁、安全、永续的特点，在各国能源战略中的地位不断提高。

风能作为可再生能源中成本较低、技术较成熟、可靠性较高的新能源，近年来发展很快并开始在能源供应中发挥重要作用。

国际上利用风力发电是本世纪发展壮大起来的，随着风电技术不断进步，容量逐步增大。

我国幅员辽阔、海岸线长、风能资源丰富，特别是新疆、内蒙古与沿海地区。

我国可开发的风能潜力巨大，陆上加海上的总的风能可开发量约有1000～
1500GW。

我国风力发电在八十年代开始发展，2003年开始迅猛增长，2006年至2009年累计风电装机容量连续四年保持翻番增长。

2010年新增装机增长率为37.1%，累计装机增长率为73.3%，首次低于100%。

2011、2012两年由于世界经济大环境的影响，风电行业也比较低迷。

但据BTM预测，今后全球风电年新增装机平均增速将保持在10％～15%。

风力发电是新能源中比较成熟的一种，如果充分利用，可成为仅次于火电、水电的第三大电源。

随着风电经济性的进一步提升和风电并网消纳问题的逐步解决，未来五年，由于政府政策的强力支持，中国将继续引领世界风电的发展。

2、国内风电叶片模具制造现状
风力发电机是一种将风能转化为机械能，再由机械能转化为电能的机组和系统，叶片是将风能转化为机械能的唯一关键部件。

叶片的空气动力外形决定了整个机组的空气动力性能，一个具有良好空气动力外形的叶片，可以使机组的能量转换效率更高，获得更多的风能。

叶片的材料和结构保证叶片的强度和刚度，还要有合适的工艺和方法，保证能够做出带有复杂的外形、符合空气动力学原理的外形的大尺寸构件。

叶片模具是保证外形的直接方法，模具的设计与制造是叶片的关键技术之一。

目前，风电叶片的模具设计与制造技术基本上掌握在国外几家公司手中，尤其是设计技术。

国内仅有极少数单位如上海玻璃钢研究所、北京玻璃钢研究所等，能够自行独立设计，但并不十分成熟，设计指标与实际生产要求有一定的偏差，而且由于工艺方面的研究相对滞后，产品工艺流程远没有达到批量生产的要求。

国内企业叶片模具的技术来源主要有两个：一是仿制。

通过购买所需要的产品成品，进行打磨修整，使其光滑顺畅并符合叶面曲线要求，在其上翻制模具。

在目前的国际环境下，仿制的路子是走不通的；二是购买国外公司的技术许可。

购买技术许可需要支付高额费用，并且时间进度也不能保证，要花费很长的时间排队等待。

购买技术又分为两种：购买使用权或者所有权，一般而言，国外较少将所有权卖出，使用权也仅限于某个很具体的产品，稍有改动就必须另行购买。

风力发电是对国家能源战略和环保战略有积极影响的新兴大产业，叶片设计技术和制造技术的突破，将打破国外公司的技术垄断，降低整机成本，对风电设备技术进步起到有力的推动作用，对风电产业的持续、良性发展有着重要的意义。

二、风电叶片模具制造
1、概念
叶片模具通常指的是阴模，阴模用于生产糊制叶片。

制造阴模前还需先制造用于制作阴模的阳模。

叶片主模具（即上、下型面模具，也俗称叶壳模具）阳模和阴模的制造方法和模具结构很复杂，是叶片制造的关键技术之一。

2、阳模制作
叶片前后大梁、上下翼梁阳模的制造方法和模具结构较为简单，在此不赘述，
下面仅介绍叶壳阳模的制作。

通常，阳模有两种制作方法，一种是购买成品叶片进行打磨修整，使其光滑顺畅并符合叶面曲线要求；一种是自行设计，并按照设计要求的曲面，采取数控加工法或手工样板控制法制作。

叶壳阳模就是构成叶片上、下型面几何型面的模胎，结构上需要有一定的强度和刚度，表面有一定的硬度，但主要是几何曲面加工精度要高。

国外先进的阳模制造工艺是大型数控加工设备加工型面，因为叶片很长，需分段加工，然后组装成一体。

先是在易加工的硬质泡沫体上粗加工，加工到一定尺寸，在泡沫体表面喷涂一定厚度的硬壳，再加工这一硬壳到尺寸，再抛光，达到翻制阴模所需的尺寸精度和表面光洁度。

这种加工设备国内还很少，采用这种方法困难较大。

另一种制造阳模的方法，是使用大量数控加工的精确切面样板，控制手工修理型面，这样也可达到精度要求。

3、叶片模具（阴模）制造
主模具是指生产叶片叶壳的模具（阴模）。

叶壳模具的总体形式为：“玻璃钢壳体+钢结构框架”，上、下型面分体结构形式。

“玻璃钢壳体”形成叶片所需的几何形面，具有一定的强度和刚度，表面采用模具胶衣层。

在壳体内放置加热系统，保证叶片成型时所需的温度。

“钢结构框架”为模具提供主要的强度和刚度，并为模具的定位系统和夹紧/顶出系统提供安装基础。

合、启模方式采用下模固定不动，与地面紧固，上模由天车移动与下模合或启的方法，由两部天车吊起上模两端，与下模合在一起，或与下模和叶片分离。

吊起前应用顶起系统进行初始分离操作。

总体来说，主模具的制作工艺过程是：糊制上下模壳体（在模胎即阳模上）、焊接上下模钢架、上下模钢架与上下模壳体糊制成一体、喷聚氨酯保温材料、上下模起模，下模调平、安装上下模定位装置、安装翻转机构、上下模型面打磨、检验。

糊制壳体时还要考虑加热带的布线和固定。

主模具的结构如图2所示。

图2 模具切面示意图
1 定位系统
2 夹紧/顶起系统
3 钢架
4 模具胶衣
5 FRP层
6 加热层
7 FRP层
8 木夹芯层
9 FRP层
4、前后大梁、上下翼梁模具制作
前后大梁、上下翼梁模具的制作相比主模具的制作要简单，只需要在阳模（模胎）上糊制模具，焊接支撑钢架，并将钢架与模具糊制成一体，然后进行调平，对模型面进行打磨、检验，不需要起吊机构、定位装置、翻转机构和加温系统。

三、存在问题及发展展望
目前，国内叶片自主研发能力薄弱，是影响我国风电设备技术进步的瓶颈之一。

随着技术的发展，风电机组的单机容量越来越大，而海上风场的开发利用，更需要大型的机组。

越来越大的机组需要越来越大的叶片，叶片及模具的技术难度会越来越大。

如果现在不跟上世界发展的速度，以后会更加困难。

仿制的路子走不通，购买技术的代价越来越高昂，如果现在开始迎头赶上，占领技术的制高点，会在今后风电产业的发展中占有一席之地，确立市场竞争中的优势，发展空间将会越来越大。

随着风电对我国能源和环境保护贡献的逐步显现，相信我国的风力发电产业的发展规模会大大超过预期。

风电产业的经济效益、社会效益，和中国目前奉行的可持续发展和节能战略，都为风电行业提供了很大的发展空间，为风电设备制造企业，包括模具设计和制造企业的持续长久发展，迎来了千载难逢的历史机遇。