大型风力机复合材料叶片技术及进展
碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用
碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用风力发电机叶片是风力发电机的重要组成部分，主要用于将风能转化为机械能。
传统的风力发电机叶片通常由玻璃钢材料制成，然而，随着碳纤维复合材料的发展，越来越多的风力发电机叶片开始采用碳纤维复合材料制造。
碳纤维复合材料具有轻质化、高强度、高刚度等优点，使得其在风力发电机叶片中具有广泛的应用前景。
首先，碳纤维复合材料具有轻质化的优点。
相对于传统的金属材料，碳纤维材料的密度较低，可以实现材料的轻量化设计。
在风力发电机叶片中，轻质化的材料可以减小自重，提高转动效率，提高整个风力发电机的发电效率。
其次，碳纤维复合材料具有高强度和高刚度的优点。
碳纤维具有高强度和高模量的特性，使得碳纤维复合材料具有出色的抗拉、抗压和抗弯能力。
风力发电机叶片在运转过程中需要承受巨大的动力负荷，碳纤维复合材料可以有效地抵抗这些负荷，提高叶片的结构强度，降低材料疲劳和断裂的风险。
此外，碳纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性能。
风力发电机通常被安装在海洋或者高海拔地区，受到气候和环境的影响较大。
传统的金属材料容易受到氧化、腐蚀等不良因素的影响，导致材料的寿命缩短。
而碳纤维复合材料具有耐腐蚀性能，能够有效地抵御海洋环境的侵蚀，提高叶片的使用寿命。
另外，碳纤维复合材料还具有优良的疲劳性能。
风力发电机叶片在运转过程中需要不断地承受风力的冲击和振动，对材料的疲劳性能要求较高。
而碳纤维复合材料具有良好的抗疲劳性能，能够有效地抵抗风力的冲击和振动，提高叶片的使用寿命。
最后，碳纤维复合材料在制造过程中具有良好的可塑性和可成型性。
碳纤维复合材料可以根据不同的设计要求进行定制，灵活度高，可以满足不同尺寸和形状的风力发电机叶片的需求。
综上所述，碳纤维复合材料在风力发电机叶片中具有轻质化、高强度、高刚度、耐腐蚀性能优良，并且具有良好的疲劳性能等优点，可以提高风力发电机叶片的性能和使用寿命。
随着碳纤维复合材料制造工艺的不断改进和成本的不断降低，碳纤维复合材料在风力发电机领域的应用前景将更加广阔。
材料122风力发电机叶片材料的发展ppt课件
变弦长的叶片没办法挤拉出来，因此
玻璃钢叶片
其是以牺牲空气动力效率为前提的
所谓玻璃钢(glass fiber reinforced plastic，简称GFRP)就是环氧树
脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成
的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻
璃纤维及涂环氧树脂，其它部分填固化问题。 一般而言，复合材料制品在固化过程中放热不易控制， 特别是在产品结构局部厚度较大处，放热峰温度过高，局部热量不易散去，易 产生焦化。为了避免发生放热过多，固化过程通常分阶段进行，但延长了固化 周期。为了缩短整个固化周期，Hexcel研发了一种专门用于叶片根部的低放热 预混料HexPly M19。据介绍HexPly M19是一种低毒性，环境友好型预混料其最 大的优点就是容易控制固化反应过程中的放热。HexPly M19与玻璃纤维和碳纤 维一起使用，比同样条件下的一般预混料固化快巧-20%。由于固化反应放热易 控制，因此较传统预浸料在高温条件下固化时间短，从而缩短了固化周期。 随着固化周期的缩短，模具成本和加工成本也相应地降低。据估算其模具成本 可降低10%，模具使用寿命可延长30%。
为满足上述要求，提高机组的经济性，叶片的尺寸增大可以改善风 力发电的经济性，降低成本。叶片长度从1980年的4.5m发展到今天 的61.5m，容量从当初的55kW发展到今天的5MW。1970年的风力机 叶片主要有钢材、铝材或木材制成，今天选择的材料以E-玻纤增强 塑料(GFRP)居多，目前已开始采用碳纤维复合材料(CFRP)，叶片材料 的开发顺应了叶片大型化和轻量化的方向发展
复合材料制作叶片的主要优势 可根据风力机叶片的受力特点设计强度 和刚度 翼型容易成型，并达到最大气动效率 抗振性好，自振频率可自行设计 疲劳度较高 耐腐蚀性和耐气候性好 维修简便，易于修补
大型风力机复合材料叶片的气动外形和载荷设计
级风
率。 知道了平均风速和风速的频度 , 就可以按一定的原则来确定风速的大小 , 一般由风电机 组整机厂商根据风场的勘测数据确定。 风轮直径 。由叶片适用的风区 , 如果是 正 会较小 相反 , 如果是 正 类风区 , 额定风速较高 , 风轮直径 类风区或更差 , 要求额定风速会更低 , 风轮直径更大。 确定了
气动设计的基础参数 , 风力机叶片的运行迎角范围是一 。 一
动量理论
动量理论似
淀 义了一个通过风轮平面的理想流管 , 见图 ,
、
、
矶 分别表示来流风速 、 流过风轮风速 、 风轮后尾流速度 。
图
动量理论理想流管
应用动量方程和伯努力方程可以推导出轴向力
和风轮转矩
的表达式
咸 ’’ 一 叭 威‘ 一。 。 吞 式中 轴向 诱导因子
讥 祝
这时 , 作用在风轮平面
沐 声
, 。
’
圆环上的轴向力 推力 和转距可表示为
‘ ’
一 ,
乡 不
沐 ‘ 叹心习
动量叶素理论
动量一叶素理论毋
导因子 和周向诱导因子
结合动量理论和叶素理论 , 计算出风轮旋转面中的轴向诱
兰‘
一 二 必
屏
‘, ,
必
普朗特修正因子
加人普朗特叶尖和叶根修正因子
,式
变成
一口
刀 子,
切向诱导速度
为空气密度 为风轮平面风的角速度 为风轮的角速度 为风轮平面的半径 。 叶素理论
一 叭
山
叶素理论毋
、
的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微 即将叶素看成二维翼型 , 这时 将作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分 , 就可以求得作用在风轮上的力和力矩 。
复合材料在风机叶片中的应用及能力认可现状
摘要本文简述了风机叶片用复合材料中不同纤维增强复合材料的优缺点，以及未来增强体和基体应用的发展趋势，同时总结了CNAS认可的风机叶片以及叶片中材料性能检测的认可现状。
认为碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维、高性能纤维等增强体，以及聚氨酯树脂、热塑性树脂或可回收树脂等基体是未来风机叶片用复合材料的研究方向；同时通过总结分析风机叶片检测实验室在认可过程中的常见问题，为后续相关实验室认可提供了关注点。
风能是可再生的清洁能源，风力发电作为一种优质的发电方式，能够有效改善电力行业对石油、煤炭等不可再生能源的依赖，对于生态环境保护和适应时代发展具有重要的意义。
风力发电非常环保，且风能蕴量巨大，因此日益受到世界各国的重视。
根据国家能源局的统计数据显示，截止到2023年7月底我国风电装机容量约3.9亿kW，同比增长14.3%。
随着风机单机容量的不断扩大，风机叶片的长度也要求不断增加。
风力机叶片作为风能发电机中的核心部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常运行的重要因素。
叶片在工作中要承受多种外部环境的影响，因此要求叶片材质具有良好的强度、刚度和韧性以及抗风沙、抗冲击、耐腐蚀等性能。
目前，纤维增强复合材料在风力机叶片上得到了广泛的应用，其质量轻、强度高、耐久性好，已成为大型风力发电机叶片的首选材料。
1玻璃钢复合材料玻璃纤维增强热固性树脂复合材料，俗称玻璃钢，是一种以玻璃纤维或其制品为增强体，以热固性树脂为基体，并通过一定的成型工艺复合成的材料。
玻璃钢具有成本低、强度高、重量轻、耐腐蚀、易加工等特点，被广泛应用于风力发电机叶片的制造。
常见的玻璃纤维分为E型和S型，E型玻璃纤维也称无碱玻璃纤维，是一种硼硅酸盐玻璃，因其良好的电气绝缘性和机械性能，被大量用于生产玻璃钢。
S型玻璃纤维是一种特制的抗拉强度极高的硅酸铝-镁玻璃纤维，它的模量比E型玻璃纤维材料高出了18%；它的纤维拉伸强度为4600MPa，比E型玻璃纤维的3450MPa 增加了33%。
风电叶片复合材料专利发展态势分析
风电叶片复合材料专利发展态势分析风电叶片是风力发电机组中的核心部件之一，其性能直接影响着风力发电机组的发电效率和可靠性。
传统的风电叶片多采用金属材料制造，但随着复合材料技术的快速发展，越来越多的风电叶片开始采用复合材料制造，以提高叶片的轻量化、强度和耐久性等性能。
复合材料由两个或两个以上不同性质的材料组成，具有优异的物理、力学和化学性能，在航空航天、汽车、建筑和能源等领域得到广泛应用。
在风电叶片领域，复合材料的应用可以有效降低叶片的重量，提高叶片的刚度和强度，同时具有较好的耐腐蚀和抗疲劳性能，适应了风电叶片的特殊工作环境。
1.专利数量分析：通过统计风电叶片复合材料相关专利的数量，可以了解该技术的发展速度和趋势。
可以通过专利数据库进行检索，获取一定的时间段内风电叶片复合材料专利的数量情况，并分析其发展趋势。
若专利数量逐年递增，则表明该技术受到了广泛的关注和研究。
2.专利技术领域分析：风电叶片复合材料涉及多个技术领域，如材料研发、加工工艺、结构设计等。
通过分析专利的技术领域分布，可以了解到风电叶片复合材料研究的热点和重点所在，同时也可以看出不同领域之间的技术交叉和融合情况。
3.专利申请人分析：专利申请人的分析可以了解到不同公司、科研机构和个人在风电叶片复合材料领域的技术积累和创新能力。
通过分析专利申请人的数量和类型，可以判断相关企业和机构在该领域的发展优势和竞争态势。
5.国际比较分析：将国内外的风电叶片复合材料专利进行对比分析，可以了解到不同国家和地区在该领域的技术水平和发展趋势。
通过对国际专利的比较，可以为国内相关企业和机构提供技术参考和指导，促进技术创新和产业升级。
通过以上几个方面的分析，可以全面了解风电叶片复合材料专利的发展态势，为相关企业、机构和研究人员提供技术参考和决策支持，推动风电叶片复合材料技术的进一步发展和应用。
碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用
碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用随着全球对可再生能源的需求不断增加，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式正逐渐得到广泛应用。
而风力发电机叶片作为风能转换的关键部件，其性能的提升对整个风力发电系统的效率和可靠性具有重要影响。
在叶片的材料选择中，碳纤维复合材料由于其独特的优势而成为首选材料。
碳纤维复合材料具有优异的强度和刚度。
相比传统的金属材料，碳纤维复合材料具有更高的比强度和比刚度，能够承受更大的载荷，并且具有更好的抗疲劳性能。
这使得风力发电机叶片能够在恶劣的环境条件下长期稳定运行，大大延长了叶片的使用寿命。
碳纤维复合材料具有较低的密度。
相比金属材料，碳纤维复合材料的密度较低，使得叶片的重量得到有效控制。
轻量化的叶片能够减轻整个风力发电机的负荷，提高发电效率。
此外，较轻的叶片还能减小叶片的转动惯量，提高系统的动态响应能力。
碳纤维复合材料还具有优异的抗腐蚀性能和耐候性。
风力发电机叶片经常暴露在潮湿、腐蚀的环境中，传统的金属材料容易受到腐蚀而影响叶片的性能。
而碳纤维复合材料具有良好的抗腐蚀性能，能够有效地抵御潮湿和腐蚀的侵蚀，保持叶片的稳定性能。
碳纤维复合材料还具有良好的设计自由度。
由于碳纤维复合材料可以根据需要进行定向增强，因此可以根据叶片的设计要求进行灵活的组合和布局，实现叶片结构的优化。
这种灵活的设计能够提高叶片的气动性能和动态特性，进一步提高风力发电机的效率和稳定性。
然而，碳纤维复合材料也存在一些挑战和限制。
首先，碳纤维复合材料的制造成本较高。
相比传统的金属材料，碳纤维复合材料的制造过程更为复杂，需要较高的技术和设备投入，从而导致制造成本的增加。
其次，碳纤维复合材料的回收和再利用也存在一定的难度，这对环境保护和可持续发展提出了一定的挑战。
碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用具有广阔的前景和潜力。
其优异的强度、刚度、轻量化、抗腐蚀性能和设计自由度使得风力发电机叶片能够具备更高的效率、更长的使用寿命和更好的稳定性能。
先进铸造技术制造风力涡轮机大型铸造叶片
先进铸造技术制造风力涡轮机大型铸造叶片先进铸造技术制造风力涡轮机大型铸造叶片随着可再生能源的快速发展，风力发电作为一种清洁能源成为了人们关注的焦点。
而风力涡轮机作为风力发电的核心设备，其性能和效率直接影响着风力发电的利用率。
而大型铸造叶片是风力涡轮机的核心组成部分之一，其材料和制造工艺的进展对于提升风力涡轮机的性能至关重要。
本文将介绍通过先进铸造技术制造大型铸造叶片的进展和应用。
一、背景风力涡轮机叶片是将风能转化为机械能的关键部件，其在设计和制造过程中，需要考虑多种因素，如叶片的长度、形状、质量等。
这些要求需要材料和制造工艺具备高强度、轻质量和高精确度。
然而，传统的叶片制造方法存在材料利用率低、加工复杂和制造周期长的问题。
二、先进铸造技术的应用1. 针对材料选择的创新传统的大型铸造叶片通常采用铸铁材料，但随着高性能复合材料的发展，如碳纤维增强树脂基复合材料，其具备高强度、轻质量等优点，更适合用于风力涡轮机叶片的制造。
这种材料不仅具备抗风压能力较强，同时具备良好的耐腐蚀性和疲劳寿命。
2. 复合材料铸造技术的创新采用复合材料的铸造技术，可以通过预浸料模塑法或注射模塑法，将树脂基复合材料注入模具，经过固化和热处理后，制造出带有复杂内部结构的大型铸造叶片。
这种技术能够提高叶片的精度和复杂度，使得叶片更加适应不同的工况。
3. 人工智能技术在铸造工艺中的应用借助人工智能技术，可以对叶片的铸造工艺进行优化和模拟，通过数据分析和模型训练，达到了提高叶片性能和效率的目的。
例如，在模具设计过程中，可以利用机器学习算法快速优化模具形状和结构，减少生产周期。
此外，通过智能监测和控制系统，可以实时监测和调整铸造工艺参数，确保叶片的质量和一致性。
三、先进铸造技术的优势1. 提高风力涡轮机叶片的性能和效率先进铸造技术可以制造出轻量化、高强度和复杂结构的铸造叶片，这些叶片具备更好的气动性能和抗风压能力，提高了风力涡轮机的性能和效率。
中复连众40.3叶片技术参数
中复连众40.3叶片技术参数中复连众40.3叶片技术参数提供了一种用于大型风力发电机的叶片设计方案。
以下是对该技术参数的详细描述，以及对其优势和适用范围的讨论。
中复连众40.3叶片是由中国复合材料科学与技术研究院（中复科院）开发的一种新型叶片设计方案，用于大型风力发电机的叶片。
其主要技术参数包括长度、宽度、厚度、材料、重量以及性能等方面。
首先，中复连众40.3叶片的长度为XX米，宽度为XX米，厚度为XX米。
这种叶片采用了复合材料制造，主要材料包括玻璃纤维和环氧树脂。
这些材料具有优良的机械性能和耐候性，使得叶片能够承受恶劣的气候条件和较大的载荷。
其次，中复连众40.3叶片的重量为XX千克。
相比于传统的金属叶片，复合材料叶片具有较低的密度，可以减轻整个风力发电机系统的重量，降低了风机运行时的振动和噪音。
中复连众40.3叶片在性能方面也有显著的优势。
首先，它具有较高的效率和较低的功率损失。
叶片采用了独特的空气动力学设计，能够提高转化风能为电能的效率。
其次，它具有较高的抗风荷载能力和较好的动力性能。
叶片的结构设计使得它能够在高风速和恶劣气候条件下保持稳定运行，避免因风力超负荷而发生破裂或损坏。
此外，中复连众40.3叶片还具有较好的适用范围。
它适用于中等和大型风力发电机，能够满足发电机功率在1000千瓦至5000千瓦之间的需求。
叶片的设计考虑了不同风速和风向条件下的性能表现，以确保在广泛的环境条件下都能够实现高效发电。
总结起来，中复连众40.3叶片是一种性能优良、结构合理的叶片设计方案，适用于中等和大型风力发电机。
通过采用复合材料制造，该叶片具有轻质、高强度和耐候性的特点，能够提高风力发电机的效率和可靠性。
它的技术参数满足了现代风力发电的需求，能够有效地转化风能为电能，为可持续能源发展做出贡献。
国内外风电叶片技术现状与发展
国内外风电叶片技术现状与发展一、叶片朝大型化、轻量化、高效率方向发展二、可选择的复合材料原材料品种多样1、叶片用树脂基体1）不饱和聚酯树脂工艺性良好，价格低，在中小型叶片的生产中占有绝对优势，但固化时收缩率大，放热剧烈，成型时有一定的气味和毒性。
2）环氧树脂具有良好的力学性能，耐化学腐蚀性能和尺寸稳定性，是目前大型风电叶片的首选树脂，缺点是成本较高。
3）乙烯基树脂性能介于二者之间，目前在大型叶片中应用较少，随着各厂家对成本的要求越来越高，乙烯基树脂可能会进入兆瓦级叶片的选材。
2、叶片用增强材料3、碳纤维材料在大型叶片中具有较好的应用前景采用碳纤维，可增加叶片临界长度，提高叶片刚度，减轻叶片重量。
研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比玻璃纤维的轻约30％，以目前的成本估算，成本增加可控制在3 0％以内。
4、碳纤维在叶片中应用的主要部位碳纤维在风电叶片中应用实例公司产品技术状态Gamesa GAMESA在其直径为87米、90米叶轮的叶片制造中包含了碳纤维。
LM 61.5米叶片采用了玻纤／碳纤维混杂复合材料结构，在横梁和翼缘等要求较高的部位使用碳纤维作为增强材料，单片叶片质量达17.7 t。
Vestas VESTAS V-90型风力机3.0MW叶片长44m，其样品试验采用了碳纤维制造。
Vestas为V903.OMW机型配套的44m系列叶片主梁上使用了碳纤维，叶片自重只有6t，与V802MW,39m叶片自重一样。
GE 7MW GE公司的7MW机组研发，将使用碳纤维NEG Micon 40m叶片40米的叶片中采用了碳纤维增强环氧树脂Nordex Rotor 44m叶片56m叶片44 m长CFRP叶片质量为9.6t, 可用于2．5 MW的风电机组。
此外，还开发了56 m长的CFRP叶片，他们认为叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片的制作成本并不比玻纤的高。
Repower 5MW叶片转轮直径126米，该叶片由碳纤和玻纤混杂而成，单个叶片重量达18吨，可用于海上及陆地使用。
碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用进展_图文
碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用进展_图文随着全球对清洁能源的需求不断增长，风能作为一种可再生能源正得到越来越多的重视。
在风能转化过程中，风电叶片作为关键部件，对于风能的捕捉和转换起到了至关重要的作用。
因此，提高风电叶片的性能和寿命，成为了风能行业发展的关键问题。
碳纤维及复合材料作为一种轻质、高强度、耐腐蚀的材料，在风电叶片中的应用得到了广泛关注和研究。
碳纤维及复合材料具有很多优点。
首先，它们的重量轻，比传统的金属材料如钢铁要轻很多。
这使得风电叶片更加轻巧，可以更高效地转动，捕捉更多的风能。
其次，碳纤维及复合材料具有较高的强度和刚度，能够承受高风速和复杂的工况要求。
此外，碳纤维及复合材料还具有耐腐蚀性能和良好的疲劳寿命，可以延长风电叶片的使用寿命。
因此，将碳纤维及复合材料应用于风电叶片中，能够提高叶片的性能和可靠性，降低维护成本，推动风能行业的发展。
目前，碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用已经取得了一些成果。
首先，碳纤维及复合材料的比强度和比刚度优于传统的玻璃纤维及复合材料，因此可以减少材料的使用量，降低制造成本。
另外，将碳纤维及复合材料应用于叶片的表面涂层处理，可以提高叶片的抗风沙、抗紫外线和减少水分腐蚀等性能，延长叶片的使用寿命。
此外，通过使用碳纤维及复合材料制造更大尺寸的风电叶片，可以提高风能的捕捉效率。
然而，碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用还面临一些挑战。
首先，碳纤维及复合材料的制造技术和成本仍然较高，需要进一步的研发和完善。
其次，风电叶片在使用过程中会受到高风速和复杂工况的影响，对材料的疲劳和耐久性也有更高的要求。
因此，需要深入研究碳纤维及复合材料的疲劳性能和寿命预测，以确保叶片的安全和可靠性。
综上所述，碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用具有广阔的前景。
通过不断的研究和发展，可以进一步提高碳纤维及复合材料的制造工艺和性能，降低制造成本，延长叶片的使用寿命，为风能行业的可持续发展做出更大的贡献。
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收稿日期:2005202218作者简介:陈宗来(19672),男,工程师,硕士,从事复合材料应用研究。
大型风力机复合材料叶片技术及进展陈宗来,陈余岳(上海玻璃钢研究所,上海 200126)摘要:本文介绍了大型风力机复合材料叶片技术现状,叙述叶片气动、结构、工艺等关键技术。
随着风力机组向大容量方向发展及海上风能的开发利用,将对风力机复合材料叶片的设计、材料及制造提出了挑战。
关键词:复合材料;风力机;叶片中图分类号:T Q32711;TK83 文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2005)03-0053-041 引 言目前风能仍然是增长最快的能源。
在近5年中,风力发电机组装机容量年平均增长率大于35%。
据世界风能协会的统计资料,截至2003年底,世界风力发电机组总装机容量为39151.3MW ,比上年增长了22%,2003年度新增容量为7981MW 。
5个主要风电市场装机占全世界新增容量的80%。
其中德国新增装机2608MW ,美国新增装机1685MW ,西班牙新增装机1372MW ,印度新增装机408MW ,后起之秀奥地利新增276MW (200%的增长率)。
预计到2008年,全世界风电装机总容量将达到100000MW 。
2020年风力发电量将占世界总发电量的11.81%。
随着现代风电技术的发展与日趋成熟,风力发电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。
上世纪末,风电机组主力机型是750k W 。
到2002年前后,主力机型已经达到1.5MW 以上。
1997年兆瓦级机组占当年世界新增风电装机容量的9.7%,而2001年和2003年分别占到52.3%和71.4%。
海上风电场的建设要求单机容量更大的机组,欧洲已批量安装3.6MW 机组,5MW 机组也已安装运行。
叶片是风力机的关键部件之一,涉及气动、复合材料结构、工艺等领域。
在北瓦级风电机组中,叶片更是技术关键。
如1.5MW 主力机型风力机叶片长34～37m ,每片重6t,设计制造难度很高。
在国外叶片集中在几家专业公司生产。
最著名的叶片公司是丹麦的LM 公司,是世界上唯一一家全球叶片生产商。
目前在全世界正在运行的风机叶片中1/3以上都是LM 的产品。
至2000年LM 已生产6万片叶片,当年生产7200片叶片,占居世界市场的45%,近来一些著名的风力机制造商也开始自己生产叶片。
我国可开发利用的风能资源有10亿k W 。
其中陆地2.5亿k W ,现在仅开发了不到0.2%;近海地区有7.5亿k W ,风能资源十分丰富。
风能资源丰富的地区主要分布在“三北”(东北、西北、华北)地区及东南沿海地区。
三北地区可开发利用的风力资源有2亿k W ,占全国陆地可开发利用风能的79%。
根据风力发电中长期发展规划,到2005年全国风电总装机容量为100万k W ,2010年400万k W ,2015年1000万k W ,2020年2000万k W 。
2020年以后石化燃料资源减少,火电成本增加,风电具备市场竞争能力,发展更快。
2030年后水能资源基本开发完毕,海上风电将进入大规模开发期。
我国在风力机复合材料叶片设计与制造技术方面与国外有一定的差距。
为使复合材料叶片能国产化,政府有关部门很重视叶片的研发,把叶片列入攻关项目予以支持。
所研发的200～750k W 系列风力机复合材料叶片已形成批量生产,兆瓦级风力机正在开发中,尚不具备规模化生产能力。
2 大型风力机的复合材料叶片技术2.1 材 料目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料(GRP )。
长度大于40m 叶片可以采用碳/玻混杂复合材料,但由于碳纤维的价格,未能推广应用。
GRP 叶片有以下特点:①可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度。
风力机叶片主要是纵向受力,即气动弯曲和离心力,气动弯曲荷载比离心力大得多,由剪切与扭转产生的剪应力不大。
利用纤维受力为主的受力理论,可把主要纤维安排在叶片的纵向,这样就可减轻叶片的重量。
②翼型容易成型,并达到最大气动效率。
为了达到最佳气动效果,叶片具有复杂的气动外形。
在风轮的不同半径处,叶片的弦长、厚度、扭角和翼型都是不同的,如用金属制造十分困难。
GRP叶片可实现批量生产。
③叶片使用20a,要经受108次以上疲劳交变,因此材料的疲劳性能要好。
GRP疲劳强度较高,缺口敏感性低,内阻尼大,抗震性能较好,是制作叶片的理想材料。
④GRP耐腐蚀性好。
风力机安装在户外,近年来又大力发展离岸风电场,风力机安装在海上,风力机组及叶片要受到各种气候环境的影响。
它应具有耐酸、碱、水汽的性能。
212 气动设计风力机气动理论是在机翼气动理论基础上发展而来。
19世纪20年代一些著名气动学家对机翼理论作出了贡献。
Betz、Glauert、W ils on等在此基础上发展了风轮气动理论。
我国的气动学家对风轮气动理论也作出过贡献。
Betz采用一元定常流动的动量定理,研究理论状态下风轮的最大风能利用系数。
理论假定,风轮没有锥角;风轮旋转时没有摩擦阻力;风轮流动模型可简化为一元流管;风轮前后气流静压相等;作用在风轮上推力均匀。
应用动量方程,Betz推导出风能利用系数:C pmax=1627≈0.593这就是著名的Betz极限。
叶片的外形设计包括决定风轮直径、叶片数、叶片剖面弦长、厚度、扭角及选取叶片剖面的翼型。
运用Betz理论可建立简易叶片外形设计方法,但目前不常用。
Glauert优化设计方法是考虑了风轮尾流的叶素理论。
但该方法忽略了翼型阻力和叶尖损失的影响。
这两点对叶片外形设计影响较小,但对风轮气动性能影响较大。
Glauert方法是目前常用方法之一。
它注重外形的理论设计,根据结构要求应进行修正和气动性能的计算,以达到优化。
W ils on气动优化设计理论是目前常用的方法。
该理论对Glauert设计方法进行了改进。
研究了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及风轮在非设计状态下的气动性能。
为使风轮Cp值最大,须使每个叶素d CP值最大。
理论建立了d CP与气动参数的关系式,从而得到最佳气动参数和气动外形。
确定气动外形后计算气动性能,主要包括轴向推力、转矩、功率及相对应的系数。
上述气动理论有其局限性,理论设计须结合风场运行验证。
更精确的理论应考虑3D效应及动态失速影响。
2.3 风力机复合材料叶片构造设计设计GRP叶片的构造时主要考虑叶片根端连接与叶片剖面形式。
叶片与轮箍连接使叶片成悬臂梁形式。
作用在叶片上的荷载通过叶片根端连接传到轮毂上,因此叶根的荷载最大。
根端必须具有足够的剪切强度、挤压强度,与金属的胶结强度也要足够高。
上述强度均低于其拉弯强度,因而叶片的根端设计应予以重视。
大型风力机的GRP叶片根端形式主要有金属法兰(法兰与叶根螺栓连接或胶结)、预埋金属杆及T型螺栓。
金属法兰与叶根柱壳胶结,而不是传统的螺栓连接,这可减轻根部的重量。
大型风力机的GRP叶片剖面采用蒙皮与主梁构造形式。
蒙皮的功能主要提供叶片的气动外形,同时承担部分弯曲荷载和大部的剪切荷载。
蒙皮由双向玻纤织物增强,以提高蒙皮的剪切强度。
蒙皮的后缘部分采用夹层结构,以提高后缘空腹结构的抗屈曲失稳能力。
主梁为主要承力结构,承载叶片的大部弯曲荷载,它采用单向程度较高的玻纤织物增强,以提高主梁的强度及刚度。
图1 典型的叶根形式图2 典型的叶剖面2.4 结构设计叶片结构设计主要考虑制订荷载规范、荷载计算、极限强度及疲劳强度验算、变形计算、固有频率计算和屈曲稳定计算。
作用在叶片上的荷载主要有惯性力和重力、气动力、运行荷载。
荷载工况要考虑正常设计工况和正常外部条件、正常设计工况和极端外部条件、故障设计工况和允许的外部条件、运输安装和维修设计工况等组合工况。
对每种荷载工况要区分极限荷载与疲劳荷载。
对于极限荷载,至少要计算50a一遇的极端风速,要求叶片在极限荷载下满足强度、变形、稳定条件。
叶片的疲劳荷载较复杂,规范提供了简化疲劳荷载谱。
根据叶片材料的S2N曲线,应用Pal m gren2m iner线性累积损伤准则进行叶片的疲劳强度计算D=∑n iN i≤1风力机叶片的固有频率是重要的动态性能参数。
作用在叶片上的气动荷载是动荷载,其频率为风轮转速的整数倍。
对于3叶片风力机组,频率为转速3倍的动荷载分量最大。
为避免叶片共振或产生较大的动应力,规范要求叶片的一阶频率高于3倍转速频率的20%。
通过复合材料铺层设计及气动外形的优化使叶片的频率满足动态性能要求。
叶片的频率计算较复杂。
叶片是变截面的,各截面的扭角是不同的。
振动时各个截面可分解为两个方向的位移,产生了两个方向互相耦合的弯曲振动,计算时应考虑耦合影响。
叶片的弯曲耦合振动方程:(E Iyu″+E I xy v″)″-mw2u=0(E Ixyu″+E I x v″)″-mw2v=0上述方程可采用数值方法求解。
大型风力机叶片采用空腔结构形式,在气动荷载作用下叶片局部受压区域可能发生突然损坏,称为曲屈失稳现象。
叶片后缘空腔较宽,易发生失稳。
为此本设计采用夹层结构。
芯层和面层的厚度可采用复合材料夹层结构稳定理论进行计算。
复合材料叶片的设计计算可采用经典的层合梁理论,叶片简化为悬臂梁。
初步设计计算可满足工程要求,但优化设计应采用有限元方法。
有限元强大的建模和结构分析功能适于叶片的应力、变形、频率、屈曲、疲劳及叶根强度的分析。
叶片的构造较复杂,由外壳、主梁、夹层等构件组成,模型建立较困难。
目前有叶片专用前处理软件,简化了叶片的结构分析。
215 工艺制造大型风力机叶片大多采用组装方式制造。
在两个阴模上分别成型叶片蒙皮,主梁及其他GRP部件分别在专用模具上成型,然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起,合模加压固化后制成整体叶片。
胶粘剂是叶片的重要结构材料。
它应具有较高的强度和韧性以及良好的操作工艺性,如不坍落、易泵输及室温固化特性等。
早期国外的叶片成型工艺为手糊工艺,目前已开发出多种较先进的工艺,如预浸料工艺、机械浸渍工艺及真空辅助灌注工艺。
真空辅助灌注成型工艺是最近几年发展起来的一种改进的RT M工艺。
真空辅助灌注技术是应用薄膜包覆敞口模具,应用真空泵抽真空,借助于铺在结构层表面的高渗透率的介质引导,将树脂注入到结构铺层中。
它多用于成型形状复杂的大型厚壁制品,在国外已用于成型大型的GRP叶片。
我国GRP叶片的制造厂家由于受市场、技术、材料及资金等方面的影响,大多采用湿法手糊工艺,常温固化。
工艺相对简单,不需要加温加压装置。
但对于大型的兆瓦级风力机叶片,由于叶片体形庞大,最宽处达300c m左右,最高处大于200c m,传统的手糊成型工艺已不适用。
况且手糊成型具有生产效率低、劳动强度大、劳动卫生条件差、产品质量不易控制、性能稳定性不高、产品力学性能较低的缺点。