摘 要: 介（jiè）紹了風輪機轉輪葉片的結構型式、翼型的優化（huà）和材料性能, 以及大型風輪機葉片的製造工藝,包括外殼（ké）成型、添充纖維的製作、真空浸漬和（hé）烘烤固化, 指出風輪機的設計製造（zào）必須經過模擬試驗。

關鍵詞: 風電（diàn）設備; 轉輪葉片;

     製造工藝我國風力發電產量已經躍居世界第三, 風電設備製造業已超過70 多家。在風電機組價格中, 風輪機幾乎占了一半, 而葉片又是（shì）風輪機轉輪（lún）的最（zuì）關鍵（jiàn）部件。葉片的設計、製造對（duì）風（fēng）電（diàn）設備的輸出功率、運行壽命等有重（chóng）大影響。

1 翼型的優化

      作為流體機械（xiè）的風輪機轉輪葉片斷麵呈流線型( 魚形) , 葉片的過流外表麵( 包括正麵和背（bèi）麵) 的（de）翼型非常複（fù）雜。在葉片形狀優化過（guò）程（chéng）中,對型麵（miàn）升力的優化, 應當線性插入衝擊角和雷諾數; 而對型麵的阻力, 則應線性插入衝擊（jī）角和對數插入雷諾數。對距（jù）離的線性插值法可以（yǐ）確定最終的升力（lì）和阻力係數值。當翼型的型麵升力較高（gāo）時, 可以最大限度地獲得（dé）風能（néng）; 在（zài）光（guāng）潔和粗糙性能之間, 優選具有（yǒu）中等升力（lì）的翼型的型（xíng）麵是較好的折中方（fāng）法; 對於1 m以上的大（dà）型風輪機轉輪葉片, 應按相似法則（zé）進行翼型的（de）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, 此時粗糙度的影響更為重要（yào）。

      轉（zhuǎn）輪葉片的設計和製造必須保證翼型的型麵、型線的準確, 葉（yè）片表麵粗糙（cāo）度要符合要求。表麵（miàn）太光亮會造成製造成本太高, 表麵太粗糙時蚊蟲、灰塵等會附著, 增大風流阻力（lì）而影響效率。近年來風輪機轉輪葉片的設計不斷改進, 新一代的翼型能大幅度增加( 約20%) 捕（bǔ）集風能（néng）的能力提高機（jī）組輸出功率。

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

( 1) 適當的自由度。

( 2) 葉片截麵的靜態（tài）特性。

( 3) 詳（xiáng）細的風（fēng）況參（cān）數( 空間和時間的關係) 。

( 4) 忽略不（bú）穩（wěn）定的（de）空氣動（dòng）力作用（yòng）。

      因這些條件很難同時滿足, 因此, 翼型優化（huà）過程中, 隻能在翼麵升力和阻力之間、在光（guāng）亮和粗糙之間, 選擇折中的方法。為了保證按現（xiàn）有水平設計的葉片實（shí）現低成（chéng）本的批量生產, 還必須采（cǎi）用現代化的製造（zào）工藝。
 

2 結構形式（shì）選擇

      葉片斷麵結（jié）構（gòu）形式基本上分成兩種（zhǒng）: 用於小型葉片的半空心式和用於大（dà）型（xíng）葉片的全（quán）空心式。

      2. 1 半空心（xīn）式（shì）葉片

     半空心式葉片早期用於中小型的轉輪, 其特點是葉片（piàn）的魚形斷（duàn）麵中部( 相當於1/ 3 長度（dù）) 設有橢圓形骨架( 用於承受負（fù）載) , 裏麵為中空。葉片基本上由兩種材料組（zǔ）成, 即（jí）玻璃纖（xiān）維（wéi）強化塑料 ( 外殼、骨架（jià）和裏襯) 和填充樹脂( 氨（ān）基甲醇乙酯係列黏結劑) 。

     2. 2 全空心式葉片

     當風輪（lún）機單機容量增大到（dào）1 000 kW以上時,就必須設法減輕質量, 降低成本, 但是（shì）要保證提高機械強度, 此時采（cǎi）用全空心的轉輪葉片。它與半空心式斷麵結構的主要區（qū）別是, 葉（yè）片的（de）魚形斷麵中部 ( 相當於1/ 3 長度（dù）) 設有加厚的方形骨架( 用於承受負載) , 裏麵為中空; 葉片斷麵的出（chū）風側( 也相當於1/ 3 長度) 的外殼( 包括正麵和背麵) 裏麵敷設泡沫體的裏襯。葉片基本上也由兩種材料組成, 即玻璃（lí）纖維強化塑料( 外殼、骨架) 和（hé）發泡（pào）裏襯。

3 結構（gòu）材料（liào）對比

     3. 1 強化材料

      強化材料（liào）包括:

( 4) 整（zhěng）體性玻璃纖維強化塑料。

     對於葉片材（cái）料性能, 除了物理性能以（yǐ）外（wài）, 還要從成型性能、大批量生產條件和價格等方麵予以綜合（hé）考（kǎo）慮。葉片各種材料性能綜合對比見表1。

     由表1 可知, 碳素纖維和聚酰亞胺纖維強化塑料的機械性能都比整體性玻璃纖維強化塑料優越, 而且轉輪葉片采用碳素纖維時, 運行壽較長; 但是從（cóng）成型性能和價格方（fāng）麵看, 還是整體性（xìng）玻璃纖維強化塑料優越。目前世界上新增風電機組, 特別是大型風輪（lún）機組還是以（yǐ）整體性（xìng）玻璃纖維強化塑料為主流。

     3. 2 填充材料（liào）

     3. 2. 1 纖維材料

     早期的風輪葉片曾經采用木材（cái）、竹（zhú）子、鋁合金等, 後來都改用人造材料。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（yóu）表2 可見, 當葉片長（zhǎng）度（dù）達30~ 45 m 時, 葉超過2 400 kW時, 單（dān）機容量與轉（zhuǎn）輪直徑分別為: 3 500 kW/ 92 m、5 000 kW/ 120 m 和7 300 kW/122 m 。

      3. 2. 2 樹脂材料

      從經濟性、作業性、生產性、實用（yòng）性等多方麵考（kǎo）慮, 葉片內部填充樹脂被廣泛采用的主要是不飽（bǎo）和聚酯樹脂。但隨著風電設（shè）備的大型化, 對抗壓縮強度、抗疲勞強度的要（yào）求都很（hěn）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脂和延展性、黏結性都很優越的乙烯脂。

4 現代製造工藝

     大（dà）型葉片采用高壓真空浸漬樹（shù）脂的現代製（zhì）造工藝。

      4. 1 外（wài）殼（ké）成型

     葉片外殼由三部分構成:

      ( 1) 能夠承受高壓真空負壓作（zuò）用的（de）薄膜。

      ( 2) 能夠吸入浸漬（zì）樹脂的擴（kuò）散層。

      ( 3) 成型後容易脫模（mó）的剝（bāo）離層。

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

      4. 2 填充纖維

     固化成型的葉片內部填充以作（zuò）為基材的強化玻璃絲纖維編（biān）織物等材料。對於長度為20 m的（de）小型葉片, 采用手（shǒu）工編織、浸漬方法, 填充纖質量含量為40% ~ 50% ; 長度為27 m 的大型葉片時, 采用真空（kōng）浸漬法製作, 填充纖維質量含量達到65%~ 75% 。

      填充纖維的編織工藝有:

      ( 1) 當葉片長度（dù）小於20 m 時, 廣泛采用的是將（jiāng）玻璃纖（xiān）維按縱橫交錯、柵網交叉、相（xiàng）互組合、允許滑動的（de）方（fāng）法製造。

      ( 2) 當葉片（piàn）長度大於20 m 時就要求織成“# ”字形的經線（xiàn）和緯線, 相互之間不能（néng）滑（huá）動, 纖維（wéi）束和線不再是單（dān）一方向的編織, 而是（shì）沿著0°、90°和（hé）± 45°多重組合編織, 實（shí）現多層化。“× ”字形對角線疊加到 “# ”字形經線和緯線（xiàn）上, 使其固定, 不（bú）再竄動, 而且纖維編織緊密、波浪度（dù）小, 抗壓縮強度較高。

4. 3 真空浸漬

      放置在成型模（mó）具上的葉片（piàn）( 內部已填充基材) 進行（háng）密封, 隻在兩端留有小（xiǎo）孔, 葉片根部小孔作為注入浸漬樹脂（zhī）的入口) ) ) 葉片尖端小孔作為抽取真空用（yòng）的出口。在高真空負壓作用下, 浸（jìn）漬（zì）樹脂由葉片（piàn）根（gēn）部小孔不斷抽入, 穿過（guò）內部填充的強化玻璃絲纖維編織（zhī）物等積層材料, 被抽到葉片尖端, 包括葉（yè）片外殼內側的浸漬樹脂（zhī）擴散層部分, 使浸漬樹脂與外殼內層也（yě）緊密黏結（jié）, 成為沒有任何氣泡和（hé）空隙的密集實體（tǐ）。

4. 4 烘烤（kǎo）固（gù）化

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

5 葉片模擬試驗

      風輪機轉輪必須能夠同時承受軸向風的推力和轉輪葉片（piàn）自（zì）身的離心力, 應能保證額定工況下和強風作用下的機械強度。根據（jù）風況條件、紊流強度、紊流頻譜（pǔ）、最大（dà）風（fēng）速、風向變（biàn）化等工況進行模擬試驗, 積累真機運行數據, 並根據啟動、停（tíng）機和緊急停機、故障（zhàng）、地震、檢修維（wéi）護等狀態下的運行特性曲線, 作出風輪（lún）機轉輪葉片（piàn）的振動響應模式圖, 並根據風況曲線和運（yùn）行特性曲（qǔ）線（xiàn）進行組合, 計算不同時間（jiān）的風速變化（huà）及其轉輪葉片的響應, 製作（zuò）有限元模型（xíng）, 對葉片進行（háng）應力解析。將解析結（jié）果與最大負荷時葉（yè）片的應力、材料強度進行比較, 再（zài）對其靜態強（qiáng）度進行評價。在求出（chū）設計壽命期限內的應力譜和疲勞損傷率以後, 再評（píng）價其疲勞強度, 最後進行真機試驗驗證（zhèng）。必須根據所積累的真機運行數據和（hé）模擬（nǐ）試驗驗證結果來進行評價。長達45 m 的（de）轉輪葉片也必須（xū）進行模擬試驗, 將葉（yè）片根部固（gù）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（dòng）、葉片擺動,進（jìn）行模擬運（yùn）行（háng）試（shì）驗。

6 結 語

      當今世（shì）界大型風電設備轉輪（lún）葉片的製造趨向於專業（yè）化生（shēng）產, 如: 天奇與英國瑞爾合資, 設立無錫竹風公司, 專門研製（zhì）竹質複（fù）合（hé）材料轉輪葉片（piàn）; 中航( 保定) 惠騰公（gōng）司、中（zhōng）複連眾複（fù）合材料（liào）公司（sī）和上海玻璃鋼研究院、北京玻璃（lí）鋼研（yán）究院合作, 專門生（shēng）產轉輪葉片; 日本三菱公司委托美（měi）國纖維強化（huà）塑料廠在加拿（ná）大（dà）建廠, 可年產大型葉片1 000件; 印度蘇司蘭公司也（yě）在天津建廠, 專門生產轉輪葉片及其他部件等。市（shì）場上銷售的葉片（piàn）,不一定能適應國情和每個風場的風況（kuàng）, 因此必須自主創新解決。