摘 要: 介紹了風輪機轉（zhuǎn）輪葉片（piàn）的結構型式、翼（yì）型的優化和材料性能, 以及大型風輪機葉片的製造（zào）工（gōng）藝,包括外殼成型、添充纖維的製作、真空浸漬（zì）和（hé）烘烤固化, 指出風輪機的設計製造必（bì）須經過模擬試驗。

關鍵詞: 風電設備; 轉輪葉片;

     製造工（gōng）藝我國（guó）風力發電產量已經躍居世界第三, 風電設備製造（zào）業已超過70 多家。在風電機組價格中, 風輪機（jī）幾乎占了一半, 而葉片又是風輪機轉輪的最關（guān）鍵部件。葉片的設計、製造對（duì）風電設（shè）備的輸出（chū）功率、運行壽命等有重大影響。

1 翼型的優化

      作為流體機械（xiè）的（de）風輪機轉輪葉（yè）片斷麵呈（chéng）流線型( 魚形) , 葉（yè）片的過流外表麵( 包括正麵和背麵) 的翼型非（fēi）常複雜。在葉片形狀優化過程中,對型麵升力（lì）的優（yōu）化, 應當線性插（chā）入衝（chōng）擊角和雷諾數; 而對型麵的阻力, 則應線性插入衝擊角和對數插入（rù）雷諾數。對距離的線性插值法可以確定最終的（de）升（shēng）力和阻力係數值（zhí）。當翼型的型麵升力較高時, 可以最大限度地獲得（dé）風能; 在光潔和粗糙性能（néng）之間, 優選具有中等升力的翼型的型麵是較好的折中方法; 對於（yú）1 m以（yǐ）上的大型風輪（lún）機轉輪葉片, 應（yīng）按相似法則進（jìn）行（háng）翼（yì）型的型麵和形狀的優化; 對於小型風輪機轉輪葉片, 應在較低的雷諾數下進行設計, 此時粗（cū）糙度的影響更為重要。

      轉輪葉片的設（shè）計和製（zhì）造必須保證翼型（xíng）的型麵、型線的準確, 葉（yè）片表麵粗糙（cāo）度要符合要求。表麵（miàn）太光（guāng）亮會造成製造成本太高, 表麵太粗糙時蚊蟲、灰塵（chén）等（děng）會附著, 增（zēng）大（dà）風（fēng）流阻力而影響效率。近（jìn）年來風輪機轉輪葉（yè）片的設計不斷改進, 新一代的翼型能（néng）大幅度增加( 約20%) 捕集風能的能（néng）力提（tí）高機組輸出功率。

     風輪機轉輪承受的動態負荷計算是一個世界性課題, 至今尚（shàng）無可靠的計算方法。應建立精確的動（dòng）態模型, 其要求的條件是:

( 1) 適當的自由度。

( 2) 葉片截麵的靜態特性。

( 3) 詳細的風（fēng）況參（cān）數( 空間和時間的關係) 。

( 4) 忽略不穩定的空氣（qì）動力作用（yòng）。

      因這些（xiē）條件很難同時滿足（zú）, 因此, 翼型（xíng）優化過程中, 隻能在翼麵升力和阻力之間、在光（guāng）亮和粗糙之（zhī）間, 選擇折中的方法。為了保證按現有水平設計的葉片實現低成本的批量（liàng）生產, 還必須采用（yòng）現代化的製造工藝。
 

2 結構形式選擇

      葉片斷麵結（jié）構形式基本上分成兩種: 用於小型葉（yè）片的（de）半空心式和用於大型葉片的全空心式。

      2. 1 半空心式葉片

     半空（kōng）心（xīn）式葉片早期用於中小型的轉輪, 其特點是葉片的魚形斷麵中部( 相當於1/ 3 長度) 設有橢圓形骨架( 用於承受負載) , 裏（lǐ）麵（miàn）為中空。葉片基本上由兩種材料組成, 即玻璃纖維強化塑料 ( 外殼（ké）、骨架和裏（lǐ）襯（chèn）) 和填充樹脂( 氨基甲醇乙酯係（xì）列黏結劑) 。

     2. 2 全空心式葉片

     當風輪機單機容量增大到1 000 kW以上時,就必須設法（fǎ）減輕質量, 降（jiàng）低成本（běn）, 但是要保證提高機械強度, 此時采（cǎi）用全空心的轉輪葉（yè）片。它與半空心式（shì）斷麵結構的（de）主要區別是, 葉片的魚形斷麵（miàn）中部 ( 相當於1/ 3 長度) 設有加厚的方形骨架( 用（yòng）於承受負載) , 裏麵為中空; 葉片斷麵的出風側( 也相當於1/ 3 長度) 的外殼( 包（bāo）括正麵和背麵) 裏麵敷（fū）設泡沫體的裏襯。葉片基本上也由兩種材料組成, 即玻璃纖維強化塑料( 外殼、骨架) 和發（fā）泡裏襯。

3 結（jié）構材料對（duì）比

     3. 1 強化材料

      強（qiáng）化材料包括:

( 4) 整體性（xìng）玻璃纖維強化塑料。

     對於葉片材料（liào）性能, 除了物理性能以外, 還要從成型性能、大批量生產條（tiáo）件和價格等方麵予以綜合考（kǎo）慮。葉片各種（zhǒng）材料性能（néng）綜（zōng）合對比見表1。

     由表1 可（kě）知, 碳素纖維和聚酰亞胺纖維強化塑料的（de）機械性能都比整體性玻璃纖維（wéi）強化塑料優（yōu）越, 而且轉輪葉片采用碳素（sù）纖維時, 運行（háng）壽較長; 但是從成型（xíng）性能和價（jià）格方麵（miàn）看, 還是整體性玻璃纖維強化塑料優越。目前世界上（shàng）新增風電機組, 特別是大型風輪（lún）機組還是以整體性玻璃纖維強化塑料為主流。

     3. 2 填充材料

     3. 2. 1 纖維材料（liào）

     早期的風輪（lún）葉（yè）片曾經采用木材（cái）、竹（zhú）子、鋁合金等, 後來都改用人造材（cái）料。現代風輪機轉輪葉片的填充纖維材料和機械性能對比見表2。

     由表2 可（kě）見, 當（dāng）葉片長度達（dá）30~ 45 m 時, 葉超過2 400 kW時, 單機容量與轉輪直徑分別為: 3 500 kW/ 92 m、5 000 kW/ 120 m 和（hé）7 300 kW/122 m 。

      3. 2. 2 樹脂材料

      從經濟性、作業性、生產性、實用性等多方麵考慮, 葉片內部填充樹脂被廣泛采用的主要（yào）是不飽和（hé）聚酯樹脂。但隨著風電設備的大（dà）型化, 對（duì）抗壓縮強（qiáng）度、抗疲勞強度（dù）的要求都很高, 長度超過20 m 的大型葉片已廣泛采用延展性被改善了的不飽和聚酯樹（shù）脂和延（yán）展性、黏（nián）結性都很優越的乙烯脂。

4 現代製造（zào）工藝

     大型葉片采用高壓真空浸漬樹脂的現代製造工藝。

      4. 1 外殼成型

     葉片外殼由三部分構成（chéng）:

      ( 1) 能夠承受高壓真空負壓作用的薄膜。

      ( 2) 能夠吸入浸漬樹脂的擴散（sàn）層。

      ( 3) 成型後容（róng）易脫模的剝離層。

      大型葉片外殼可以分半製作, 即兩個半瓣的葉片分（fèn）別在模具上成型固化。

      4. 2 填充纖維

     固化成型的葉片內部填充以（yǐ）作（zuò）為基材的（de）強化（huà）玻璃絲（sī）纖維編織物等材料。對於長度為20 m的小型葉片, 采用手（shǒu）工編織、浸漬方法, 填充纖（xiān）質量含量為40% ~ 50% ; 長度為27 m 的大型（xíng）葉（yè）片時, 采用真空浸漬法製（zhì）作, 填充纖維質量含（hán）量達到65%~ 75% 。

      填充纖維的編織工藝有:

      ( 1) 當葉片長度小（xiǎo）於20 m 時, 廣泛采用的（de）是將玻璃纖維按縱橫交錯、柵網交叉、相互組合、允許滑（huá）動的方（fāng）法（fǎ）製（zhì）造。

      ( 2) 當葉片長（zhǎng）度大於20 m 時就要求織成（chéng）“# ”字形的經線和緯線, 相互之間（jiān）不能（néng）滑動, 纖維束和線不再是單一方向的編織, 而是沿著0°、90°和± 45°多重組合編織, 實現多層化。“× ”字形對角線疊加到（dào） “# ”字形經線和緯線上, 使其固定, 不再竄動, 而且（qiě）纖維編織緊密、波浪度小, 抗壓縮強（qiáng）度（dù）較高。

4. 3 真空浸漬

      放置在成型模具上的葉片( 內部已填充基材) 進行密（mì）封, 隻在（zài）兩端留有小孔（kǒng）, 葉片（piàn）根部小孔作為注入（rù）浸漬樹脂的入口) ) ) 葉片尖端小孔作為抽取真空用（yòng）的（de）出（chū）口。在高真（zhēn）空負壓作用下, 浸漬（zì）樹脂由葉片根（gēn）部小孔不斷抽入, 穿過內部（bù）填（tián）充的強化玻（bō）璃絲纖維編（biān）織物等積層材料, 被抽到葉片尖端（duān）, 包括葉（yè）片外殼內側的浸漬樹脂擴散層部分, 使浸漬樹（shù）脂與外殼內層也緊密黏結, 成為沒有任何（hé）氣泡（pào）和空隙的密集實體。

4. 4 烘烤固（gù）化

      對放成型模具上的並經過真空浸漬的整根葉片（piàn）進行烘烤, 固化成型, 最後葉片表麵塗以性能較高的防蝕塗料。

5 葉片模擬試驗

      風輪（lún）機轉（zhuǎn）輪必須能（néng）夠同時承受軸（zhóu）向風的推力（lì）和轉（zhuǎn）輪葉片自身的離心力, 應能保證額定工況下和強風作用下的機械（xiè）強度。根據風況條（tiáo）件、紊（wěn）流強度、紊流頻譜、最大風速（sù）、風向變化（huà）等工況進行模擬試（shì）驗, 積累（lèi）真機運行數據, 並根據（jù）啟動、停機和緊急停機、故障、地震、檢修維護等狀態下的運行特性曲線, 作出風輪機轉輪葉片的振動響應模式圖（tú）, 並根據風況曲線（xiàn）和運行特性曲（qǔ）線進（jìn）行組合, 計算不同時間的風速變化及其轉輪葉片的（de）響應（yīng）, 製作有限元模型, 對葉片進行應力解（jiě）析。將解析結果與最大負荷時葉片（piàn）的應力、材料強度進行比較, 再對其靜態強度進（jìn）行評價。在求出設計壽命期限內的應力譜和疲勞損傷率以後, 再評價其疲勞強度, 最後進行真機試驗驗證。必（bì）須根據（jù）所積累的（de）真機運行數據和模擬試驗驗（yàn）證結果（guǒ）來進（jìn）行評價。長達45 m 的轉（zhuǎn）輪葉（yè）片也必（bì）須進行模擬試驗, 將葉片（piàn）根部（bù）固定在轉盤上, 沿其長度方向布置多個懸垂負荷, 通過轉盤轉（zhuǎn）動、葉片擺動,進行（háng）模擬運行試驗。

6 結（jié） 語

      當今世界大型風電設備轉輪葉（yè）片的製造（zào）趨向於專業化生產, 如（rú）: 天奇與英國瑞爾合（hé）資, 設立無錫竹風公司, 專門研製竹（zhú）質複合材料轉輪葉片; 中航( 保定（dìng）) 惠騰公（gōng）司、中複連眾複合材料公司和上海玻璃鋼研究院、北京玻璃鋼研（yán）究院合作, 專門生產轉輪葉（yè）片; 日（rì）本三菱公（gōng）司委托美（měi）國纖維強化塑料廠在加拿大建廠, 可年產大型葉片1 000件; 印度蘇司蘭公司也在天津建廠, 專門生產轉輪葉片（piàn）及其他部件等。市場上銷售的葉片,不一定能適應國（guó）情和每個風場的風況, 因此必（bì）須（xū）自主創新（xīn）解決。