风力机叶片设计制造的趋势和评价.pdf

风力机叶片设计、制造的趋势和评价 风 力 机 叶 片 设 计 、 制 造 的 趋 势 和 评 价 美 国 Sandia 国 家 试 验 室 Paul S.Veers,Thomas D.Ashwill,,Herbert J. Sutherland,Daniel.L.Laird and Donald.W Lobitz 等著 前言 风力机叶片的尺寸和产量都巳稳定增大，现在主流产品功率为 1MW 至3MW。80 米直径的转子巳在生产，90 米至 120 米直径的 转子已有样机。2001 年生产风力机叶片共用了5 万吨成品玻璃纤维 层合板，今后几年还会增加。叶片变长叶轮变大，都会增加叶片在整 机成本中的比重。因为叶片是整台风机的关键部件之一,改进叶片的 设计、制造及性能，一直是研究开发的主要目标。 叶片设计和制造的改进基于多年的生产经验和工业研发。有的 研发是欧美政府资助的项目。研究的重点是,多种叶片设计和材料技 术。技术挑战包括:尺寸加大但抑制重量增加、改进功率性能和减轻 载荷、方便运输、使疲劳循环达1 亿至10 亿次、和降低设计裕度。 叶片只占风机成本的10% ~ 15%，所以靠叶片来降低能源价 格(COE)，其作用是有限度的。如果创新的叶片设计,能降低 10% ~ 20%载荷，则能从几个主要部件(如塔、传动轴系、叶片本身)都得到 好处。适当的叶片成本降低，和带来的其它系统造价降低，可降低能 源价格。 设计和制造 历史上的叶片结构和制造方法 图1 是切面图，表示风机叶片的典型结构。翼缘(大梁盖)为较 厚的主要是单向纤维铺层组成，以承担拍打方向的弯矩。叶片蒙皮是 典型的双轴向的(double-bias)或三轴向的(triaxial)玻璃纤维;轻木或 泡沫塑料芯是抗屈曲用的。过去，叶片用全玻璃纤维铺层或个别情况 用碳纤维局部加强制造。当叶片长度到30 米时，最普通的制造方法 是湿法手工铺放敞模成型。值得注意的例外是Vestas,她造叶片一直 用预浸料玻璃纤维。 !--[if !vml]-- !--[endif]-- 图 1. 风力机叶片结构图 叶片质量增加的趋势 图2 给出750KW 至4.5MW 风机叶片质量与风机转子半径的 关系。简单地放大叶片，其质量将按转子半径的立方增加。但图2 并 非如此，仅是半径2.3 次方的关系。从图2 还可看到叶片质量有较大 分散度。这主要因为材料、制造方法及设计准则的变化。 对某一设计等级的某个制造厂,还可发现其质量增大另一种趋 势。Vestas 的V66 和V80 叶片的质量差就是半径的2.7 次方的关 系。此指数值很接近立方放大关系。因为 V66 巳用了高性能预浸材 料，己是轻重量设计,再降低重量(假定未改变纤维种类)的空间不大 了。质量增长指数低于立方关系，很可能是采用较厚截面的翼型的结 果。LM35.0 和LM43.8,在IEC 二级,的质量差放大指数为半径的1.7 次方,这大大低于其它各家的。这是因为 LM 设计中已在材料性能上 采 取 了 重 大 改 进 , 和 使 用 较 厚 截 面 的 翼 型 。 !--[if !vml]-- !--[endif]-- 图2. 商用MW 级叶片设计的质量增长(基本为玻璃纤维) 参考文献2 详细介绍了，商业叶片质量增长趋势，和气动力、结构 设计、材料、制造工艺的基本评价。数据表明抑制重量增加的主要办 法是，对大叶片采用有较大厚度-- 弦长比(t/c)的翼型。大于 20 米至 50 米的叶片，雷诺数增加,允许使用高厚弦比翼型，而对气动性能无 大不利。用较厚翼型，可能也会进一步改善结构功能，但也必须综合 考虑气动性能。 图2 的数据仅限基本是玻璃纤维(指全玻璃纤维或有选择的使 用碳纤维)叶片。用碳纤维梁的叶片，如Vestas V90