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

關鍵（jiàn）詞: 風電設備; 轉輪葉片;

     製造工藝我國風（fēng）力發（fā）電產量已經躍（yuè）居世界第三, 風電設備製造業已超過70 多家。在（zài）風電機組價格中, 風（fēng）輪機幾乎占了一半, 而葉片又（yòu）是風輪機轉輪的最關鍵部件。葉片的設計、製造對風電設備的輸出功（gōng）率、運行壽命等有重大影響。

1 翼型的（de）優化（huà）

      作為流體機（jī）械的風輪機轉輪葉（yè）片（piàn）斷麵呈流線型( 魚形) , 葉片的過流外表麵( 包括正（zhèng）麵和背（bèi）麵) 的翼型非（fēi）常複雜（zá）。在葉片形狀優化過程中,對型麵升力的優化, 應當線性插入（rù）衝擊（jī）角和雷諾數（shù）; 而對型麵（miàn）的阻力, 則應線性（xìng）插入衝（chōng）擊角（jiǎo）和對數插入雷諾數。對距離的線（xiàn）性（xìng）插值法可以確定最終的升力和（hé）阻力係數值。當翼型的型麵升力（lì）較高時, 可以最大限度地獲得風能; 在（zài）光潔和（hé）粗糙（cāo）性能之間, 優選具有中等升（shēng）力的（de）翼型的型麵是較好（hǎo）的折中方法; 對於1 m以上的大型（xíng）風輪機轉輪葉片, 應按相似法則進行翼型的型麵和（hé）形狀的優化; 對於小型風輪機轉輪葉片, 應在較低的雷諾（nuò）數下進行設計, 此時粗糙度的（de）影響更為重要（yào）。

      轉輪葉片的（de）設計和製造必須保證翼型的型麵、型線的準（zhǔn）確, 葉片表麵粗糙（cāo）度要符合要（yào）求。表（biǎo）麵太光（guāng）亮會造成製（zhì）造成本太高, 表麵太粗糙時蚊蟲、灰塵等會附著, 增大風（fēng）流阻力而影響效率。近年來風輪機轉輪葉片的設計不斷改進, 新一代（dài）的翼型能大幅度增加( 約20%) 捕集（jí）風能的能力提高機組輸出（chū）功率。

     風輪（lún）機轉輪（lún）承受的動（dòng）態負荷計算是一個世界性（xìng）課題, 至今尚無可靠的計算方法。應建（jiàn）立精確的動態模型, 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（xì）的風（fēng）況參數( 空間和時間的關係) 。

( 4) 忽略不穩定（dìng）的（de）空氣動力作用。

      因（yīn）這些條件很難同時滿足, 因此, 翼型優化過程中, 隻能在翼麵升力（lì）和阻力之間、在光亮和（hé）粗糙之間, 選擇折中（zhōng）的（de）方法。為了保證按現有水平設計的葉片實現低成（chéng）本的（de）批量生（shēng）產, 還必須采用現代化的製造工藝。
 

2 結構形式選擇

      葉片斷麵結構（gòu）形（xíng）式基本上分成兩種: 用於（yú）小型葉片的半空心式和（hé）用於大型葉片（piàn）的全空心式。

      2. 1 半（bàn）空心式葉片

     半空心式葉片早（zǎo）期用於中（zhōng）小型的轉輪, 其（qí）特點是葉片的魚形斷麵中部( 相（xiàng）當（dāng）於1/ 3 長度) 設有橢圓形骨架（jià）( 用於承受負載) , 裏麵為中空。葉片基本上由兩種材料（liào）組成, 即玻璃纖維強化塑（sù）料（liào） ( 外殼、骨架和裏襯) 和填充樹脂( 氨基甲醇乙酯係列黏結劑) 。

     2. 2 全空心式葉片

     當風輪機單機容量增大（dà）到1 000 kW以上時,就必須設法減輕質量, 降低（dī）成本, 但是要保（bǎo）證提高機械強度, 此時采用全空心的（de）轉輪葉片。它與半（bàn）空心式斷麵結構的主要區別是, 葉（yè）片的魚形斷麵中部 ( 相當於1/ 3 長度) 設（shè）有加（jiā）厚的方形骨架( 用於承受負載) , 裏麵為中空; 葉片斷麵的出（chū）風側( 也相（xiàng）當於1/ 3 長度) 的外（wài）殼( 包（bāo）括正麵和背麵（miàn）) 裏麵敷設泡沫體（tǐ）的裏襯。葉片（piàn）基本上也由（yóu）兩種材料組成, 即玻璃纖維強化塑料( 外殼、骨架（jià）) 和發泡裏襯。

3 結構材料對比（bǐ）

     3. 1 強化材料

      強化材料包（bāo）括（kuò）:

( 4) 整體性玻璃纖維強化塑料。

     對於葉（yè）片材（cái）料性能（néng）, 除了物理性能以外, 還要從成型性能、大批量生（shēng）產條件和價格等方麵予以綜合考慮。葉（yè）片各種材料性能（néng）綜合對比見表1。

     由表1 可知, 碳素（sù）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強化塑料優（yōu）越（yuè）, 而且轉輪葉片采用碳素纖維時, 運行壽較長; 但是從成型性能和價（jià）格方麵看, 還是整體性玻（bō）璃纖維強化塑料優越。目（mù）前世界上新增風電（diàn）機組, 特別是（shì）大型風輪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

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

     由（yóu）表2 可見, 當葉片長度達30~ 45 m 時, 葉超過2 400 kW時, 單機容（róng）量與轉輪直徑分（fèn）別為: 3 500 kW/ 92 m、5 000 kW/ 120 m 和7 300 kW/122 m 。

      3. 2. 2 樹脂材料

      從（cóng）經濟性（xìng）、作業性、生產性、實用性等多方（fāng）麵（miàn）考慮（lǜ）, 葉片內部填充樹脂（zhī）被廣泛采用的主要是不飽和聚酯樹脂。但隨著風電（diàn）設備的大型化, 對抗（kàng）壓縮強度、抗疲勞強度的要求都很（hěn）高, 長度（dù）超過20 m 的大（dà）型（xíng）葉片已廣泛采用延展（zhǎn）性被改善了的（de）不飽和聚酯樹脂和延展（zhǎn）性（xìng）、黏結（jié）性都很優越的乙烯脂。

4 現（xiàn）代製造工藝

     大型葉片采用高壓真空（kōng）浸漬樹脂的現代製造（zào）工藝。

      4. 1 外殼成型（xíng）

     葉片外殼由三部分（fèn）構成（chéng）:

      ( 1) 能夠承受高壓真空負壓作（zuò）用的薄膜。

      ( 2) 能夠吸入浸漬樹脂的擴散（sàn）層。

      ( 3) 成型（xíng）後容易脫模的剝離層。

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

      4. 2 填充纖維

     固（gù）化成型的（de）葉片內部填（tián）充以作為基材的強（qiáng）化玻璃絲纖（xiān）維（wéi）編織物等材料。對於長度為20 m的（de）小型葉片, 采用手工編織、浸漬方法, 填充纖（xiān）質量含量為40% ~ 50% ; 長度為27 m 的大型葉片（piàn）時, 采用真空（kōng）浸漬法製作（zuò）, 填（tián）充纖維質量含量達到65%~ 75% 。

      填充纖維的編織工藝有:

      ( 1) 當（dāng）葉片長度小於（yú）20 m 時, 廣泛采用的是（shì）將玻璃纖維按縱橫交錯、柵網交叉、相互組合、允許滑動的方法製造。

      ( 2) 當葉片長度大於20 m 時就要（yào）求織成“# ”字形的經線和緯線, 相互之間（jiān）不能滑動, 纖維束和線不再是單一方向的（de）編織, 而是（shì）沿著0°、90°和± 45°多重組合編織, 實現多層化。“× ”字形對角線疊加（jiā）到 “# ”字形經線和緯線上, 使其（qí）固定, 不再竄動, 而（ér）且纖維編織緊密、波浪度小（xiǎo）, 抗壓縮強度較高。

4. 3 真空浸漬

      放置在成型模具上的葉片( 內部已（yǐ）填充基材) 進行密封, 隻在兩端（duān）留（liú）有（yǒu）小（xiǎo）孔, 葉片根（gēn）部小孔作為注入浸漬樹脂（zhī）的入口) ) ) 葉片尖端小孔（kǒng）作為（wéi）抽取真空用的出口。在高真空負壓作用下, 浸（jìn）漬樹脂由（yóu）葉片根部小孔不斷抽入, 穿過內部填充（chōng）的強化玻璃絲纖維（wéi）編織（zhī）物等積層材料, 被（bèi）抽到葉片尖端, 包括葉片外殼內側的浸漬樹脂擴散（sàn）層部（bù）分, 使浸漬樹脂與外殼內層也緊密黏結, 成為沒有任何氣（qì）泡和空隙的密集（jí）實體。

4. 4 烘烤固化

      對（duì）放成型模具上的並經（jīng）過真空浸（jìn）漬的整根葉片進行烘烤, 固（gù）化（huà）成型, 最（zuì）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）機轉輪必須能夠同時（shí）承受（shòu）軸（zhóu）向風的推力和轉輪（lún）葉片自身的離心力, 應能（néng）保證額定（dìng）工況（kuàng）下和強（qiáng）風作用下的機械強度。根據風況條件、紊流強（qiáng）度、紊流頻譜、最大風速、風向變化等工況進行模擬試（shì）驗, 積累真機（jī）運行數據, 並根據（jù）啟動、停機和（hé）緊（jǐn）急（jí）停機（jī）、故障、地震、檢（jiǎn）修維護等狀態下（xià）的運行（háng）特性曲線, 作出風輪機轉輪葉片的振動響應模式圖, 並根據風況曲線和運行特性曲線進行組合, 計算不同時間的（de）風速變化及其轉輪（lún）葉片的響應, 製作有限元模型（xíng）, 對葉片進行應力解析。將解析結果與最大負荷時葉片（piàn）的應力（lì）、材料強度進行比較, 再對（duì）其靜（jìng）態強度（dù）進行評價。在求出設計壽命期（qī）限內的應力譜和疲勞損（sǔn）傷率以後, 再評（píng）價其（qí）疲勞強度, 最後進行真機（jī）試驗驗證。必須根據所積累的真機運（yùn）行數據和（hé）模擬試驗（yàn）驗證結果來進行評價。長達45 m 的轉輪葉片也必須進行（háng）模擬試（shì）驗, 將葉（yè）片根（gēn）部固定在轉盤上, 沿其長（zhǎng）度（dù）方向布置多個懸（xuán）垂負荷, 通過轉盤轉動、葉片擺動,進行模（mó）擬運行試驗。

6 結 語

      當今世界大型風電設備轉輪葉片的製造趨向於專業化生產, 如: 天奇與英國瑞爾合資（zī）, 設立無錫竹風公司, 專門研製竹質複合材料（liào）轉輪葉片; 中航( 保定) 惠騰公司、中複連眾複合（hé）材料公司和上海玻璃鋼研究院（yuàn）、北京玻璃鋼研究院合（hé）作, 專門生產轉輪葉片; 日（rì）本三菱公司委托美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（sī）蘭公司也在天津建廠, 專（zhuān）門生產（chǎn）轉輪葉片及其他部件等。市場上銷售的葉片,不一（yī）定能適應國情和每個（gè）風場的風（fēng）況, 因此必須自主創新解決。