葉片作為風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)換風(fēng)能的關(guān)鍵部件, 其設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展對于整個(gè)機(jī)組的性能和可靠性至關(guān)重要。 然而, 葉片大型化也帶來諸多挑戰(zhàn): (1) 質(zhì)量增加； (2) 制造與可靠性； (3) 材料成本； (4) 運(yùn)輸； (5) 氣彈穩(wěn)定性(顫振)； (6) 屈曲； (7) 重力導(dǎo)致的疲勞載荷；(8) 海上風(fēng)況應(yīng)用。 同時(shí), 不斷出現(xiàn)的新技術(shù)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(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法； 主動(dòng)和被動(dòng)的降載技術(shù)；顫振抑制技術(shù)等。

1 大型風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)(GWEC), 2015年全球新增裝機(jī)容量首次超過60 GW, 2000–2015年16年間累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到432.9 GW. 亞洲裝機(jī)量繼續(xù)引領(lǐng)全球市場, 歐洲和北美緊隨其后, 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(jī)量和至2015年底的累積裝機(jī)量均居全球首位。 基于氣候變化要求, 風(fēng)電價(jià)格下降以及美國市場穩(wěn)定的預(yù)期,GWEC預(yù)測在未來五年內(nèi), 亞洲市場仍將保持在50%以上, 歐洲市場穩(wěn)步增加, 北美市場將出現(xiàn)強(qiáng)勁增長,到2020年, 全球累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到792.1 GW. 可以看出, 風(fēng)電葉片的市場仍然具有巨大發(fā)展?jié)摿?

隨著全球風(fēng)電市場轉(zhuǎn)向低風(fēng)速和海上風(fēng)場的風(fēng)能開發(fā), 葉片不斷增長。 目前為止, 已經(jīng)生產(chǎn)的全球最長風(fēng)電葉片長88.4 m, 由丹麥LM公司和Adwen公司共同開發(fā), 配套8 MW的海上風(fēng)電機(jī)組. 此外, 達(dá)到80 m及以上長度的風(fēng)電葉片包括丹麥SSP technology生產(chǎn)的83.5 m葉片、德國EUROS設(shè)計(jì)開發(fā)的81.6 m葉片以及Vestas設(shè)計(jì)制造的80 m葉片, 它們將分別用于韓國三星的7 MW海上風(fēng)電機(jī)組、日本三菱的7 MW海上風(fēng)電機(jī)組和Vestas的8 MW海上風(fēng)電機(jī)組. 而更長的葉片已處于設(shè)計(jì)階段。 在氣動(dòng)性能方面, 目前公開報(bào)道的商用風(fēng)機(jī)的最大功率系數(shù)超過0.5, 由德國Enercon公司設(shè)計(jì)研發(fā), 通過綜合優(yōu)化葉尖、葉根過渡段以及機(jī)艙幾何外型得到。 在重量方面, 英國Blade dynamics公司采用模塊化的葉片設(shè)計(jì)和制造技術(shù), 生產(chǎn)了一支世界上最輕的49 m葉片, 并已通過GL認(rèn)證, 該技術(shù)將被用于100 m長的風(fēng)電葉片開發(fā), 目前該公司已被美國GE風(fēng)電收購。

在海上風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面, 西門子得益于歐洲海上風(fēng)電市場的迅猛發(fā)展和自身的技術(shù)優(yōu)勢, 已經(jīng)走在世界前列, 其采用IntegralBlades葉片設(shè)計(jì)制造技術(shù)生產(chǎn)的58.5 m葉片已廣泛用于海上3.6 MW風(fēng)電機(jī)組上, 沿用此技術(shù)開發(fā)的75 m葉片將批量生產(chǎn)并配套西門子7 MW機(jī)組用于英國東海岸東安格利亞一號海上風(fēng)電場. 我國葉片廠商也緊跟國際海上風(fēng)電發(fā)展腳步, 目前配套海上6 MW風(fēng)電機(jī)組的葉片有中材科技的77.7 m葉片, 中復(fù)聯(lián)眾的75 m葉片, 艾朗風(fēng)電的75 m葉片, 但其設(shè)計(jì)技術(shù)仍然依賴國外葉片設(shè)計(jì)公司, 如Windnovation, Aerodyn等。

在低風(fēng)速葉片開發(fā)和應(yīng)用方面, 得益于國內(nèi)低風(fēng)速區(qū)的大規(guī)模開發(fā)以及葉片設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展, 國內(nèi)的葉片制造廠商走在了世界前列。 目前, 中科宇能自主研發(fā)生產(chǎn)了2 MW級最長風(fēng)電葉片, 其長度為59.5 m.其他葉片廠商, 如中材科技、中復(fù)聯(lián)眾、國電聯(lián)合動(dòng)力、時(shí)代新材、中科宇能、艾朗風(fēng)電、吉林重通成飛等都有50m級2 MW的批量產(chǎn)品. 但在低風(fēng)速葉片設(shè)計(jì)方面, 一些廠商仍然依賴國外葉片設(shè)計(jì)技術(shù), 不具備完全自主設(shè)計(jì)能力。

從總體上看, 目前我國提供了全球最大的單一風(fēng)電市場, 國內(nèi)葉片廠商在大型葉片的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上取得了長足進(jìn)步, 尤其是在低風(fēng)速葉片開發(fā)和應(yīng)用上走在世界前列. 但在大型葉片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)上與國外先進(jìn)技術(shù)相比還有一定差距, 沒有先進(jìn)的獨(dú)特技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用。

2 大型風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著葉片的大型化, 葉片的運(yùn)行雷諾數(shù)、載荷和重量不斷增大, 設(shè)計(jì)高效、低載以及輕質(zhì)的葉片成為葉片廠商和研究者們不斷追求的目標(biāo)。 因此, 一些新的翼型、材料、葉片結(jié)構(gòu)、制造工藝及設(shè)計(jì)方法不斷出現(xiàn), 并逐漸應(yīng)用到工程實(shí)踐中。

2.1 氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢

葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是尋求最佳的葉片外形, 使得葉片在具備較高的風(fēng)能捕獲能力的同時(shí), 產(chǎn)生相對較小的載荷。

葉片翼型

作為葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)的基本要素翼型, 對葉片的氣動(dòng)性能和載荷特性起著非常關(guān)鍵作用。早期的風(fēng)電葉片翼型選自于航空翼型, 如NACA系列翼型。 但隨著人們逐漸認(rèn)識到風(fēng)力機(jī)與航空飛行器在運(yùn)行環(huán)境以及流場特征方面的差異, 如較低的運(yùn)行雷諾數(shù)、高來流湍流強(qiáng)度、多工況運(yùn)行及表面易污染等特點(diǎn), 開始轉(zhuǎn)向風(fēng)力機(jī)專用翼型的開發(fā)。 從20世紀(jì)80年代起, 美國、瑞典、荷蘭、丹麥等風(fēng)能技術(shù)發(fā)達(dá)國家紛紛展開了風(fēng)力機(jī)專用翼型的研究, 并取得了一定成果。 它們是美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable EnergyLaboratory, NREL)提出的S系列翼型、瑞典航空研究院設(shè)計(jì)的FFA系列翼型、荷蘭Deft大學(xué)設(shè)計(jì)的DU系列翼型、丹麥Ris?國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Ris?系列翼型。 這些翼型的最大相對厚度達(dá)到53%, 在升力系數(shù)、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(fēng)電行業(yè)中得到廣泛運(yùn)用. 隨著人們對風(fēng)力機(jī)性能要求的提高和流場特征認(rèn)識的加深, 新翼型的開發(fā)正在持續(xù)進(jìn)行。 近年來, 國內(nèi)多所研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也在進(jìn)行風(fēng)力機(jī)專用翼型研發(fā). 如中國科學(xué)院工程熱物理研究所研發(fā)的CAS系列翼型, 其翼型最大相對厚度達(dá)到了60%, 且采用鈍尾緣設(shè)計(jì), 具有較好的結(jié)構(gòu)特性和氣動(dòng)特性, 對提高葉片過渡段附近的氣動(dòng)性能具有重要意義; 西北工業(yè)大學(xué)研的NPU-WA系列翼型, 其設(shè)計(jì)雷諾數(shù)達(dá)到了5×106, 且在此雷諾數(shù)下具有較好的氣動(dòng)特性,對開發(fā)大型葉片具有重要價(jià)值; 汕頭大學(xué)和重慶大學(xué)分別將噪聲要求引入到翼型的設(shè)計(jì)中, 獲得了低噪聲的風(fēng)力機(jī)翼型。總之, 葉片大型化使得翼型運(yùn)行的雷諾數(shù)不斷提高, 尋求高雷諾數(shù)下, 氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)和噪聲等性能綜合較優(yōu)的翼型是未來風(fēng)力機(jī)專用翼型開發(fā)的方向。

氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法

除翼型外, 葉片的氣動(dòng)外形主要由弦長、扭角、厚度及基疊軸位置等參數(shù)沿展向的分布情況決定。 而葉片的氣動(dòng)外形對葉片的最大功率系數(shù), 年發(fā)電量以及葉片載荷有重要影響, 因此, 葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)是一個(gè)多變量、多目標(biāo)問題。

目前的葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法有兩大類, 一類是解析方法, 一類是數(shù)值方法。 其中解析方法主要是根據(jù)動(dòng)量葉素理論, 即BEM理論, 直接推導(dǎo)得到. 在不考慮阻力損失和葉尖損失的條件下, 根據(jù)BEM 理論可以得到葉片的最優(yōu)氣動(dòng)外形滿足如下方程:

依據(jù)式(1)和式(2), 通過選取設(shè)計(jì)尖速比, 以及各截面設(shè)計(jì)升力系數(shù), 可以計(jì)算出各截面弦長。 依據(jù)設(shè)計(jì)升力系數(shù)對應(yīng)的攻角和入流角計(jì)算出截面扭角. 該方法形式簡單, 無需迭代調(diào)整, 設(shè)計(jì)速度快， 適合初始設(shè)計(jì)。 但由于它沒有考慮各截面弦長、扭角之間的相關(guān)性, 相鄰截面之間很可能不能光順過度, 工藝可操作性差。

數(shù)值方法主要包括正問題方法和反問題方法。 在采用正問題方法設(shè)計(jì)時(shí), 設(shè)計(jì)者依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或是采用式(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(jìn)行葉片的氣動(dòng)性能分析, 通過手動(dòng)迭代或采用優(yōu)化算法進(jìn)行自動(dòng)迭代得到滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的葉片外形參數(shù). 在自動(dòng)迭代方法中, 設(shè)計(jì)者可以對葉片各截面的弦長、扭角等參數(shù)進(jìn)行光順性約束, 可以對設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行單目標(biāo)和多目標(biāo)設(shè)置. 因此, 設(shè)計(jì)的氣動(dòng)外形具有優(yōu)良的氣動(dòng)性能和工藝可操作性, 如美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的HARP_Opt軟件。 此外, 為了設(shè)計(jì)出更高性能的葉片外形, Fischer等人提出了一種新的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法,它主要是突破了標(biāo)準(zhǔn)翼型限制, 在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中不斷修改截面翼型, 采用Xfoil軟件分析得到的參數(shù)化翼型, 計(jì)算新翼型的升阻力系數(shù)等氣動(dòng)性能參數(shù), 以此為基礎(chǔ)進(jìn)行葉片的氣動(dòng)性能分析, 最終迭代得到滿足設(shè)計(jì)要求的氣動(dòng)外形。 該方法的最大缺點(diǎn)是修改后的翼型, 其氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性難以評估。 在反問題設(shè)計(jì)方面, 目前只有PROPID軟件。 它是基于BEM理論開發(fā), 可以設(shè)計(jì)出滿足設(shè)計(jì)者設(shè)定的徑向升力系數(shù)分布和軸向誘導(dǎo)因子分布要求的葉片, 目前應(yīng)用較少?？偟膩砜? 未來幾年大型葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)仍將以正問題方法尤其是優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為主. 隨著葉片的大型化,葉片的氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)耦合愈加明顯, 進(jìn)行葉片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)將成為一種趨勢。

氣動(dòng)分析方法

大型風(fēng)電葉片的氣動(dòng)分析方法許多, 根據(jù)求解模型的角度不同, 氣動(dòng)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(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié). 常常用于葉片的氣動(dòng)性能評估、繞流流場分析以及尾流特性分析等。 該方法假設(shè)前提少, 在葉片的非定常計(jì)算分析中更具優(yōu)勢。 但由于風(fēng)力機(jī)三維流場多尺度性, 來流風(fēng)況的非定常、高湍流特性, 葉片表面的不規(guī)則性, 采用該方法計(jì)算非常復(fù)雜耗時(shí), 通常要在并行機(jī)或超級計(jì)算機(jī)上進(jìn)行, 限制了其在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

渦方法的核心思想是將風(fēng)力機(jī)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(jìn)行風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的計(jì)算。 根據(jù)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(shí)驗(yàn)升阻力系數(shù), 計(jì)算精度更高. 同時(shí)與CFD模型相比, 其提高了三維流場的計(jì)算效率。 中國科學(xué)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(jié)合, 使面元模型的粘性計(jì)算能力得到拓展, 且大分離流的計(jì)算精度得以提高。

BEM方法在3類方法中計(jì)算時(shí)間最短(一般葉片性能的計(jì)算只需幾秒鐘)。 它將葉片分成多個(gè)葉素獨(dú)立計(jì)算, 容易與葉片的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型融合。 因此, 它是目前工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的葉片氣動(dòng)性能計(jì)算方法, 也被目前商用的風(fēng)力機(jī)專用軟件GH Bladed和FOCUS所采用。 當(dāng)然, 由于其較大地簡化了實(shí)際風(fēng)輪模型, 在非定常模擬以及局部氣動(dòng)性能分析上, 存在較大誤差. 因此, 為了提高該方法的計(jì)算精度, 一些結(jié)合理論推導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)公式的修正模型不斷產(chǎn)生。

目前為止, 一些學(xué)者對以上不同的分析方法進(jìn)行比較, 發(fā)現(xiàn)它們的計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性。 但由于風(fēng)電葉片的非定常氣動(dòng)特性求解復(fù)雜, 用于BEM修正的模型往往是基于近似理論或經(jīng)驗(yàn)修正公式, 其正確性通常在一定條件下成立, 如動(dòng)態(tài)失速模型。 因此需要進(jìn)一步研究改進(jìn)以擴(kuò)展其適用范圍。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢

葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是尋求保持葉片氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)可靠性的前提下, 經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的葉片材料鋪層參數(shù)。

葉片材料

材料是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ), 同時(shí)對葉片的氣彈響應(yīng)特性以及結(jié)構(gòu)性能具有非常重要作用. 風(fēng)電葉片材料在經(jīng)歷了木材、布蒙皮、金屬蒙皮以及鋁合金后, 目前已經(jīng)基本被玻璃鋼復(fù)合材料取代。 

這主要是因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn):

 (1) 可根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片的受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度與剛度, 最大限度地減輕葉片質(zhì)量；

 (2)容易成型；

 (3) 缺口敏感性低, 疲勞性能好；

 (4) 內(nèi)阻尼大, 抗震性能好；

 (5) 耐腐蝕性、耐候性好；

 (6) 維修方便、易于修補(bǔ)。

 玻璃纖維復(fù)合材料葉片主要包括以下4類材料: 玻璃纖維、樹脂、黏結(jié)劑及芯材。 根據(jù)葉片各部分的受力特點(diǎn)和功能屬性, 這些材料應(yīng)用在不同的葉片位置, 同時(shí)對于不同材料的性能要求也各有側(cè)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(qiáng)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(jīng)出現(xiàn), 如法國Saint-Gobain 集團(tuán)的H玻纖; 中國中材科技股份有限公司的HS2和HS4高強(qiáng)硅-鋁-鎂玻璃纖維; 重慶同際復(fù)合材料有限公司的無硼無氟環(huán)保型TM粗紗等。 為進(jìn)一步減少葉片質(zhì)量, 碳纖維逐漸應(yīng)用到大型風(fēng)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(fēng)電葉片相比玻璃纖維葉片減重可達(dá)30%以上。 這主要是因?yàn)?碳纖維增強(qiáng)材料的拉伸彈性模量是玻璃纖維增強(qiáng)材料的2–3倍, 其抗拉強(qiáng)度是玻璃纖維的1.12–1.44倍, 且具有較高的抗壓縮強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度和優(yōu)良的阻尼特性。 此外, 碳纖維的導(dǎo)電性還能避免雷擊. 其缺點(diǎn)主要是: (1) 韌性差, 形變量不足, 耐磨性及止滑性不佳, 脆性較大; (2) 價(jià)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, 且難于進(jìn)行內(nèi)部檢查. 為了利用碳纖維高強(qiáng)高模的特性優(yōu)勢, 同時(shí)控制葉片成本, 碳?；旌霞夹g(shù)已經(jīng)成為大型葉片重要研究和應(yīng)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(shè)碳纖維, 如梁帽、前后緣等, 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, 然后作為一種材料進(jìn)行鋪設(shè)和制造. 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(guān)的應(yīng)用研究已經(jīng)開始, 如果能夠較好地解決CNTs在樹脂中的團(tuán)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(huán)保的要求越來越高, 廢棄葉片的處理已經(jīng)逐漸成為一個(gè)嚴(yán)重問題. 目前大多數(shù)葉片采用聚酯樹脂、乙烯基脂以及環(huán)氧樹脂等熱固性樹脂基體制成。 這類葉片既難然燒, 又難降解, 占用大量土地.研究低成本、可回收利用的綠色環(huán)保復(fù)合材料已成為目前重要研究方向。 其中熱塑性復(fù)合材料受到了科研人員和葉片廠商的廣泛關(guān)注. 因?yàn)? 相比于熱固性復(fù)合材料, 它具有以下優(yōu)點(diǎn)[39]: (1) 可以回收; (2) 成型工藝簡單, 可以焊接; (3) 比強(qiáng)度高; (4) 一些機(jī)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(diǎn)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(xué)性能的樹脂成為熱塑性復(fù)合材料的研究重點(diǎn). 此外, 生物質(zhì)纖維材料的相關(guān)研究也已開展并嘗試在葉片生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用。 但由于此類材料與玻璃鋼復(fù)合材料相比, 綜合性能較差, 如竹制復(fù)合材料葉片強(qiáng)度低, 亞麻纖維葉片制造成本高. 還有待進(jìn)一步研究改進(jìn)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

目前, 大型風(fēng)電葉片主要由殼體, 大梁, 腹板, 葉根增強(qiáng)、前尾緣增強(qiáng)以及防雷系統(tǒng)等部分組成. 因此,葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是依據(jù)以上各部分的功能特點(diǎn)進(jìn)行合理的材料布置。

葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的因素眾多, 如模態(tài)分析、剛度分析、極限強(qiáng)度分析和疲勞分析。模態(tài)分析要求葉片的固有頻率避開整機(jī)的共振區(qū)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(shè)計(jì)要求; 極限強(qiáng)度分析要求葉片在極限載荷作用下, 材料和結(jié)構(gòu)滿足極限強(qiáng)度和屈曲穩(wěn)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(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步, 一些以往不太關(guān)注的結(jié)構(gòu)性能逐漸成為葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要設(shè)計(jì)指標(biāo),如結(jié)構(gòu)膠的極限與疲勞強(qiáng)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(zhuǎn)頻率越來越低, 葉片氣彈發(fā)散以及顫振穩(wěn)定性邊界逐漸降低, 甚至威脅風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行, 因此, 葉片氣彈穩(wěn)定性分析將是未來大型葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要內(nèi)容, 如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高葉片的氣彈穩(wěn)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(chǎn)生重要影響, 如葉片載荷.總之, 為了設(shè)計(jì)更好的葉片, 需要分析的設(shè)計(jì)指標(biāo)會(huì)越來越全面。

在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法方面, 目前幾乎均采用正問題方法進(jìn)行葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 也就是依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行葉片的各項(xiàng)性能分析, 通過手動(dòng)迭代或自動(dòng)迭代的方法得到滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)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(shù). 而在自動(dòng)迭代分析時(shí), 往往借助智能優(yōu)化算法進(jìn)行(如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法). 由于葉片結(jié)構(gòu)鋪層參數(shù)多樣, 可設(shè)計(jì)性強(qiáng), 該方法往往針對質(zhì)量占比大的部分, 如梁帽、后緣增強(qiáng)以及尾緣增強(qiáng).通過建立上述各部分的參數(shù)化模型和相應(yīng)的葉片性能分析方法, 并同優(yōu)化算法耦合起來, 最終達(dá)到優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)的目的, 這也是目前提到的各種葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 由于一些與結(jié)構(gòu)有關(guān)的性能分析方法, 如依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)載荷工況的極限載荷計(jì)算, 不易建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型, 所以此方法得到的鋪層還需進(jìn)一步檢驗(yàn). 但優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)依賴度低, 且計(jì)算快, 適合初始葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 手動(dòng)迭代方法能夠全面細(xì)致地分析每項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo), 更適合葉片結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。 目前, 有關(guān)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究越來越多, 采用優(yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行大型葉片設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種趨勢,但是如何建立更準(zhǔn)確、更高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)分析模型是其重點(diǎn)和難點(diǎn), 如葉片疲勞分析、葉根預(yù)埋螺栓套與復(fù)合材料的接觸應(yīng)力分析和三維氣彈響應(yīng)分析等。 此外, 反問題設(shè)計(jì)方法是一種比較高效的設(shè)計(jì)方法, 但由于風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的參數(shù)眾多, 至今還沒人提出相關(guān)的設(shè)計(jì)模型. 隨著研究的深入, 也許它能成為未來大型葉片設(shè)計(jì)的新途徑。

新葉片結(jié)構(gòu)

為了更好地解決風(fēng)電大型化帶來的相關(guān)問題, 一些新的葉片結(jié)構(gòu)也不斷提出, 并進(jìn)行了相應(yīng)分析, 甚至部分已經(jīng)得到商業(yè)應(yīng)用. 如Blade dynamics葉片設(shè)計(jì)公司提出了模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)以降低葉片質(zhì)量, 它將葉片的殼分成多塊設(shè)計(jì)和制造, 然后再組裝成型.已完成49 m的葉片設(shè)計(jì)。 Xie等人提出的可折疊(Folding)葉片, 葉片分成兩段, 葉尖段可折疊以降低載荷. 為了解決大型葉片的運(yùn)輸問題, Enercon提出了一種分段葉片, 葉根段為鋼結(jié)構(gòu)并在尾緣安裝有尾緣蓋板以保證葉根段氣動(dòng)外形, 葉尖段為復(fù)合材料葉片, 兩段通過螺栓連接, 目前該葉片已經(jīng)生產(chǎn)并批量裝機(jī). 中國科學(xué)院工程熱物理研究所和保定華翼風(fēng)電葉片研究開發(fā)有限公司共同研發(fā)的分段式風(fēng)電葉片也已完成靜力試驗(yàn), 它通過螺栓將兩段復(fù)合材料葉片連接起來。

此外, 隨著對葉片運(yùn)行可靠性要求的提高, 在線監(jiān)測葉片的運(yùn)行狀態(tài)和葉片載荷成為必要, 這時(shí)需要在葉片內(nèi)部植入光纖等其他應(yīng)變測量元件, 這些都會(huì)對葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)形式不斷出現(xiàn), 模塊化設(shè)計(jì)和智能化設(shè)計(jì)因其在減重、運(yùn)輸及提高運(yùn)行可靠性方面的優(yōu)點(diǎn), 具有巨大應(yīng)用潛力。

大型風(fēng)電葉片制造技術(shù)發(fā)展趨勢

葉片的制造技術(shù)主要依據(jù)葉片的材料體系和三維幾何結(jié)構(gòu)發(fā)展. 目前為止, 針對復(fù)合材料葉片的成型工藝主要有手糊工藝、模壓成型、預(yù)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(yōu)缺點(diǎn), 可以根據(jù)葉片的材料體系、幾何結(jié)構(gòu)、幾何尺寸以及鋪層功能進(jìn)行綜合運(yùn)用, 以達(dá)到最佳效果。

手糊工藝是生產(chǎn)復(fù)合材料風(fēng)電葉片的一種傳統(tǒng)工藝。 因?yàn)樗槐厥芗訜峒皦毫τ绊? 成本較低. 可用于低成本制造大型、形狀復(fù)雜制品. 其主要缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大、廢品率較高。 手糊工藝往往還會(huì)伴有大量有害物質(zhì)和溶劑的釋放, 有一定的環(huán)境污染。 目前主要用于葉片合模后的前尾緣濕法處理; 模壓成型工藝的優(yōu)點(diǎn)在于纖維含量高、孔隙率低、生產(chǎn)周期短、精確的尺寸公差及良好的表面形狀. 適用于生產(chǎn)簡單的復(fù)合材料制品. 其缺點(diǎn)是模具投入成本高, 不適合具有復(fù)雜幾何形狀的葉片. 目前大型葉片基本不采用此工藝; 預(yù)浸料鋪放工藝的主要優(yōu)勢是在生產(chǎn)過程中纖維增強(qiáng)材料排列完好, 可以制造低纖維缺陷以及性能優(yōu)異的部件。 它是生產(chǎn)復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的理想工藝, 碳纖維預(yù)浸料廣泛應(yīng)用于航空業(yè)中. 其主要缺陷是成本高. 此外, 預(yù)浸料需要手工方式鋪放, 生產(chǎn)效率低; 拉擠工藝具有纖維含量高, 質(zhì)量穩(wěn)定, 易于自動(dòng)化, 適合大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn). 適用于生產(chǎn)具有相同斷面形狀, 連續(xù)成型制品的生產(chǎn)中.但由于大型葉片的三維幾何彎扭結(jié)構(gòu), 該工藝很少使用. 纖維纏繞工藝能夠控制纖維張力、生產(chǎn)速度及纏繞角度等變量, 制造不同尺寸及厚度的部件. 但應(yīng)用于葉片生產(chǎn)中的一個(gè)缺陷是在葉片縱向不能進(jìn)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(chǎn)生問題. 另外, 纖維纏繞產(chǎn)生的粗糙外表面可能會(huì)影響葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能, 必須進(jìn)行表面處理. 最后, 芯模及計(jì)算機(jī)控制成本很大; 樹脂傳遞模塑(RTM)屬于半機(jī)械化的復(fù)合材料成型工藝, 對工人的技術(shù)和環(huán)境的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于手糊工藝并可有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量. RTM缺點(diǎn)是模具設(shè)備非常昂貴, 很難預(yù)測模具內(nèi)樹脂流動(dòng)狀況, 容易產(chǎn)生缺陷. RTM工藝采用閉模成型工藝, 特別適宜一次成型整體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)機(jī)葉片制造的理想工藝, 與RTM相比, 節(jié)約時(shí)間, 揮發(fā)物非常少, 工藝操作簡單, 模具成本大大降低. 相對于手糊工藝, 成型產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度提高20%以上。

鑒于真空灌注成型工藝在大型葉片應(yīng)用上的優(yōu)勢, 目前大型風(fēng)電葉片制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(chǔ), 針對葉片鋪層厚度、新的高模材料、制造效率、葉片成型質(zhì)量等方面進(jìn)行的工藝嘗試與改進(jìn). 目前, 具有創(chuàng)新性同時(shí)實(shí)用性較強(qiáng)的代表性葉片制造工藝有:西門子風(fēng)電集團(tuán)提出的IntegralBlade技術(shù). 它使用兩個(gè)模具型面和其中的芯模型成一個(gè)封閉的型腔, 在型腔里面隨形鋪放纖維材料和芯材. 通過型腔內(nèi)建立起的真空體系將基體材料注入模具內(nèi), 一次成型大型風(fēng)機(jī)葉片. 與傳統(tǒng)的真空灌注成型工藝相比, 它具有的優(yōu)點(diǎn)包括: 節(jié)省人力和空間、無需黏接、質(zhì)量可靠性高、不會(huì)釋放VOCs, 對環(huán)境污染小. 該工藝已廣泛應(yīng)用于西門子的不同型號葉片制造中; 達(dá)諾巴特公司(DANOBAT)開發(fā)的葉片自動(dòng)制造系統(tǒng). 它的主要功能包括自動(dòng)噴膠衣、自動(dòng)噴短切纖維、自動(dòng)鋪層、自動(dòng)打磨、自動(dòng)涂膠等. 客戶可以根據(jù)自身需求來選擇整體自動(dòng)化, 也可以選擇其中一個(gè)或幾個(gè)功能. 工作單元采用移動(dòng)式懸臂梁結(jié)構(gòu), 橫梁上安裝有十字滑軌, 相應(yīng)的工作功能頭位于滑軌上, 采用5軸控制, 最終實(shí)現(xiàn)各工序的自動(dòng)化操作. 相對于真空灌注成型工藝, 具有生產(chǎn)效率高, 人工成本低, 葉片質(zhì)量穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

除了以上針對現(xiàn)有熱固性復(fù)合材料體系的制造工藝, 針對熱塑性復(fù)合材料開發(fā)的生產(chǎn)工藝也在不斷發(fā)展。 如基于低黏度載液技術(shù)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(qiáng)纖維共混雜而構(gòu)成共混線紗(Co-Mingling Yarn),共混線紗加熱過程中樹脂纖維熔化并浸漬增強(qiáng)纖維,直到徹底浸漬所有增強(qiáng)纖維. 這些技術(shù)能一定程度上解決熱塑性復(fù)合材料成型能耗高、纖維浸潤差的問題. 但要批量應(yīng)用到大型葉片的實(shí)際制造過程中還有待進(jìn)一步研究實(shí)驗(yàn)。

綜上所述, 大型葉片成型工藝將向著高成型質(zhì)量,高生產(chǎn)效率, 低生產(chǎn)成本和低環(huán)境污染的方向發(fā)展.一體化和自動(dòng)化制造工藝以其在成型質(zhì)量和效率上的巨大優(yōu)勢, 將會(huì)成為大型葉片的制造趨勢。 同時(shí), 用于熱塑性復(fù)合材料的制造工藝技術(shù)具有巨大發(fā)展?jié)摿Α?其中, 低黏度熱塑性樹脂的開發(fā)非常關(guān)鍵。

3 總結(jié)

21世紀(jì)以來, 全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。 隨著人們環(huán)保意識提高及風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步, 風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持高速發(fā)展態(tài)勢。 葉片做為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件, 它的技術(shù)發(fā)展對推進(jìn)整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義. 為了滿足大型葉片發(fā)展要求, 新的翼型、材料、設(shè)計(jì)方法以及制造工藝不斷提出, 引領(lǐng)風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)向開發(fā)更高性能的葉片邁進(jìn)。 總的來看, 大型葉片在氣動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造工藝方面存在如下發(fā)展趨勢:

(1) 在氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面, 高雷諾數(shù)下高性能翼型開發(fā)是氣動(dòng)設(shè)計(jì)需要迫切解決的問題。此外, 發(fā)展高精度且高效的氣動(dòng)分析方法特別是用于求解大型葉片非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)特性的方法, 以及多學(xué)科協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)方法將是風(fēng)電葉片的重要研究方向。

(2) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面, 開發(fā)性能優(yōu)越且環(huán)保的葉片材料將是目前材料研究的重點(diǎn)。 在此基礎(chǔ)上, 優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)以及反問題設(shè)計(jì)方法將是主要研究方向。 此外,針對不同問題的新型葉片結(jié)構(gòu)形式不斷出現(xiàn), 模塊化設(shè)計(jì)和智能化設(shè)計(jì)因其在減重、運(yùn)輸及提高運(yùn)行可靠性方面的優(yōu)點(diǎn), 具有巨大應(yīng)用潛力。

(3) 在制造工藝方面, 具有高成型質(zhì)量、高生產(chǎn)效率、低生產(chǎn)成本和低環(huán)境污染的成型工藝是未來的發(fā)展方向。 一體化和自動(dòng)化制造工藝以其在成型質(zhì)量和效率上的巨大優(yōu)勢, 將會(huì)成為大型葉片的制造趨勢.同時(shí), 用于熱塑性復(fù)合材料的制造工藝技術(shù)具有巨大發(fā)展?jié)摿?。其? 低黏度熱塑性樹脂的開發(fā)非常關(guān)鍵。