风机叶片设计制造发展趋势
摘 要：科学技术的不断进步推动着风机叶片的迅速发展。采用合理的设计，性能优异的材料、先进的制造、分析和测试技术可生产出性能优异的叶片。过去十年，发电机装机容量越来越大，但设计者却不能像原来那样通过简单的按比例缩放来增加叶片的重量。本文介绍了叶片设计制造趋势、材料的选择、结构校核。
1 前 言
目前风电已经成为上增长快的的新能源，在过去的15年内，风电成本降低了50%，与传统能源成本相差无几了。现代风机在功率、效率和可靠性都有了很大的提高。在过去的10年里，风电装机总量以每年超过28%的速度增长，而且这种趋势还会持续下去。2006年一年，装机近15000MW，市值约为230亿美元。2006年底，风电总装机容量超过74000MW，足以供应2500万普通欧洲家庭用户电力需求。据国际能源署公布的资料，到2020年，全风电容量将达到12.6亿千瓦，是2002年风电装机容量的38.4倍，总投资约需6300亿美元。
据统计，2001年风机叶片生产用到的玻璃纤维已超过5万t，全的叶片生产总量将会逐年递增。叶片长度的增加以及发电机装机容量的增长导致了叶片在整个风电设备系统中成本的提高。自从叶片成为了风电设备系统的组成部分，叶片的设计、制造和性能就成为了重点研究和大力发展的目标。
经过多年的产品研安、开发以及丰富的实际制造经验，叶片的设计与制造已经上了一个新台阶。目前的研究主要集中在叶片设计和材料的选择上。技术难题包括：如何控制叶片重量的增长，如何提高力学性能以及提高承载能力，如何使运输更加方便，如何使疲劳周期达到108~109次，如何减少设计余量。
2 设计与制造
在风电设计中风力发电机的叶片是极为重要的部件，约占总成本的15~20%。目前大型风力发电机的叶片基本上由复合材料制成，因此叶片技术与复合材料技术密切相关。为降低发电成本，势必要求单机容量越来越大。然而叶片也就越长，据统计叶片每增长6%，捕获的风能可增加12%。叶片大型化的同时还要求轻量化、低成本化和高性能化，即在满足安全、可靠和寿命的前提下质量要轻、成本要低、功率要高。为此要进行设计、材料体系和制造技术上的系列革新。[-page-]
传统的叶片成型工艺多用手工铺糊，又称湿法成型。该法以手工劳动为主、成本低、简便易行、但效率亦底、质量不稳定、工作环境恶劣。干法成型(即预浸料成型)属新兴技术，纤维先制成预浸料、现场铺放、加温(或常温)加压固化、其生产效率高、现场工作环境好。新发展的叶片成型方法是真空灌注成型工艺，将纤维预成型体置于模腔中，然后注入树脂，加温加压成型。真空灌注成型工艺是目前上公认的低成本制造方法发展迅速，应用广泛。
目前，大部分汽轮机制造商都倾向于自己做叶片，以便采用不同的材料和工艺产出满足自己需求的叶片。Norde和GE Wind公司使用玻璃纤维作为增强材料手糊生产35~50m长的叶片。NEG Micon公司用硕纤维增强乙燃基酯树脂材料体系生产40m长的叶片。TPI Composites公司制造30m长的叶片，采用的工艺是SCRIMPTM-真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)。Bonus公司生产30m或更长叶片时采用的是预浸料成型工艺。New Vestas公司生产的V90叶片采用了碳纤维增强的承力梁结构。DeWind公司生产40m长的碳纤维/玻璃纤维混杂的叶片，他们用碳纤维预浸料做主梁，固化之后，加上玻璃纤维蒙皮。
3 叶片材料
材料的选择对于叶片设计至关重要。在过去的20多年里，随着风机叶片向着轻量化、大型化发展，叶片用材料也经历了从钢材、铝材到复合材料的过程。随着叶片长度的增加和设计参数的变化，设计人员不得不考虑其他材料或者对乙有的材料进行创新。碳纤维便是其中一种。碳纤维与玻璃纤维相比模量更高、密度更低、拉伸强度更高。碳纤维主要运用在风机叶片的承力结构中，提高叶片的整体成本效益。也有的叶片全部用碳纤维，是为了提高叶片的整体性能承受更高的载荷。目前叶片中运用的碳纤维主要是在叶片主梁和叶尖部分。采用玻璃纤维增强聚酯树脂作为叶片用复合材料，当叶片长度为19m时，其质量为1800kg，如果叶片长度增加到34m时，叶片质量为5800kg，如叶片长度达到52m，则叶片质量高达21000kg。而采用玻璃纤维增强环氧树脂作为叶片材料时，19m长叶片的质量为1000kg与玻璃纤维增强聚酯树脂相比，可减轻质量800kg。同样是长34m的叶片，玻璃纤维增强环氧树脂叶片是5200kg,而采用碳纤维增强环氧树脂质量只有3800kg。总之，叶片材料发展的趋势是采用碳纤维以及其他高性能纤维作为增强材料，特别是随功率的增大，要求叶片长度增加，必须采用碳纤维以及其他高性能纤维做增强材料。[-page-]
当要求叶片更高的强度和刚度时，也可以使用到高强玻璃纤维即S-玻纤。这种S-玻纤通常应用在舰艇中，虽然力学性能比E-玻纤更好。但过高的价格限制了其在风机叶片中的应用。然而，当叶长度增加时，S-玻纤可以作为替代碳纤维的材料选择使用，它有着与碳纤维的相似的优异性能却又没有碳纤维那么昂贵，并且随着风机叶片产业的发展，更多的S-玻纤会用到风机叶片的生产中，S-玻纤的价格会随之下降。
基体材料目前常用的是不饱和聚酯树(UPR)，其综合性能优良、价格低、流动性能好、易加工。其次还有乙烯基酯树脂(VER)、环氧树脂(EPR)等。乙烯基酯树脂比不饱和聚酯树脂有着更好的耐腐蚀性和水解稳定性。以环氧树脂为基体的复合材料力学性能更好，特别是当使用碳纤维时，树脂以环氧为主。现在也有用热塑性树脂，如GaothTecTea公司，研发所谓的“绿色叶片”(Greenblade)。虽然目前成本较高。但大的优点便是可回收，解决环保问题。
4 叶片设计趋势与结构校核
《风力发电机组风轮叶片》标准中规定：叶片结构设计应使叶片具有足够的强度和刚度，保证叶片在规定的使用环境下，在使用寿命期内不发生损坏。另外，还规定要求叶片重量要轻。叶片结构设计主要须满足以下要求：强度要求、刚度要求、稳定性和重量要求。小型叶片很多采用实心结构，而叶片大型化即意味着转速慢、刚度低、重量大以及巨大惯性载荷与疲劳载荷。对于大型风机叶片来说，挥舞方向载荷为其主要载荷，但摆振方向的载荷已经足够大，必须在设计中予以考虑。在大型叶片设计中，重量是十分重要的一个因素，为了设计出尽可理轻的叶片，大叶片采用中空结构。有些叶片采用没有主梁的硬壳式结构，叶片全部载荷都由蒙皮承担。而一般大叶片都设计有主梁和腹板，比如箱型梁、D型梁，由主梁来承担叶片大部分受力，蒙皮只提供气动外形和承担部分剪切载荷，在结构承载方面叶片蒙皮已经处于次要地位。
为了有效地提高比强度，降低成本，研究人员把研究重点放在了叶片翼型设计上。新的叶片翼型要求叶片在低的雷诺数下的有更高的升力。早期的太阳能研究所(SERI)和美国可再生能源实验室(NREL)研究的叶形就考虑过这一点，近期荷兰代尔伏特理工大学和其他研究机构也在对这一问题做深入研究。利用大面积的平板后缘可提高叶片的大升力，相信在不久的将来，这一设计趋势会更进一步发展。这种设计思想的关键点是满足内转子旋转效应的参数的精确性和有效性，该参数影响大升力系数。随着叶片尺寸的增大，大弦长将会超过运输所能达到的极限长度，因此这种设计趋势势在必行。此设计思想还有可能避免昂贵的施工费用和繁琐的施工过程。图1所示为利用平板后缘设计减小大弦长的叶形图。[-page-]
叶片设计是一个优化设计过程，叶片本身是气动与结构相互妥协的产物。其设计的优化目标从开始的叶素功率输出大化，到年输出功率大化，到现在的性价比优化CoE(Cost of Energy)。丹麦LM公司提出了“Future Blade”的概念。并且已经在其54m和61.5m叶片上使用了这种设计概念。这种叶片细长，叶片所受载荷较低，叶片质量分布更加优化。美国Knight&Carver风电叶片公司成功开发出了新型叶片STAR Blade,这种叶片采用“柔性”设计理念设计，叶片结构刚度有所降低，在外形上与传统叶片风压和风机的驱动扭矩，并大限度捕获所有可用风速段的风能，比传统叶片捕风能力提高了5~10%。
叶片校核分析是对叶片结构设计的一种检验，设计人员根据校核分析结果对结构进行修正，确定叶片终结构形式。目前国内外关于叶片的校核手段比较统一，一般都是通过数值方法中的有限元法进行校核。主要从强度、刚度及稳定性进行校核。叶片主要受气动力、重力和离心力对叶片形成的拉、压、弯和扭力。计算分析主要是要获取应力及其分布、结构变形(大挠度)和疲劳寿命。[-page-] 其中包括屈曲分析、连接计算、频率、模态、动响应分析等。校核结构的强度和刚度，给出疲劳寿命，保证结构的安全、可靠和有效的使用。计算分析中要用到复合材料层压板理论、复合材料连接计算、稳定性计算方法和理论、有限元建模和计算分析方法、专门的计算分析程度和软件。根部的计算分析还会用到三维非线性有限元分析等。进行疲劳寿命分析时要事先建立疲劳载荷谱。图2所示全叶片壳模型。
5 结束语
风能是重要的绿色能源，风能的开发利用受到各国的重视。德国、美国等西方发达正在高速发展风力能源。风力发电的关键是叶片，风力发电将向大功率方向发展，碳纤维、高性能纤维、热塑性树脂和真空灌注成型工艺将成为材料工艺的发展方向，新型合理的叶片翼型也将推动叶片的发展。
