大型风电设备转轮叶片的制造工艺

1、大型风电设备转轮叶片的制造工艺发电设备(2010No.4)材料与工艺技术大型风电设备转轮叶片的制造工艺童文波(哈尔滨大电机研究所,哈尔滨150040)摘󰀁要:介绍了风轮机转轮叶片的结构型式、翼型的优化和材料性能,以及大型风轮机叶片的制造工艺,包括外壳成型、添充纤维的制作、真空浸渍和烘烤固化,指出风轮机的设计制造必须经过模拟试验。关键词:风电设备;转轮叶片;制造工艺中图分类号:TM614󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1671󰀁086X(2010)04𘀀

2、1;0289󰀁03ManufacturingTechnologyofRotorBladesforLargeWindTurbinesTONGWen󰀁bo(HarbinInstituteofLargeElectricalMachinery,Harbin150040,China)Abstract:Structureandairfoiloptimizationofrotorbladesforwindturbinesarebeingpresented,whilematerialsandmanufacturingtechnologiestakenforlargewindtu

3、rbinebladesdescribed,includingtheenclosuremolding,fiberfillerfabrication,vacuumimpregnationandepoxycuringetc.Itispointedoutthatwindturbinedesignsshouldbeperformedbasedonsimulationexperiments.Keywords:windpowerequipment;rotorblade;manufacturingtechnology󰀁󰀁我国风力发电产量已经跃居世界第三,风电设备制造业已超过70

4、多家。在风电机组价格中,风轮机几乎占了一半,而叶片又是风轮机转轮的最关键部件。叶片的设计、制造对风电设备的输出功率、运行寿命等有重大影响。轮叶片,应按相似法则进行翼型的型面和形状的优化;对于小型风轮机转轮叶片,应在较低的雷诺数下进行设计,此时粗糙度的影响更为重要。转轮叶片的设计和制造必须保证翼型的型面、型线的准确,叶片表面粗糙度要符合要求。表面太光亮会造成制造成本太高,表面太粗糙时蚊虫、灰尘等会附着,增大风流阻力而影响效率。近年来风轮机转轮叶片的设计不断改进,新一代的翼型能大幅度增加(约20%)捕集风能的能力,提高机组输出功率。风轮机转轮承受的动态负荷计算是一个世界性课题,至今尚无可靠的计算方

5、法。应建立精确的动态模型,其要求的条件是:(1)适当的自由度。(2)叶片截面的静态特性。(3)详细的风况参数(空间和时间的关系)。(4)忽略不稳定的空气动力作用。1󰀁翼型的优化󰀁󰀁作为流体机械的风轮机转轮叶片断面呈流线型(鱼形),叶片的过流外表面(包括正面和背面)的翼型非常复杂。在叶片形状优化过程中,对型面升力的优化,应当线性插入冲击角和雷诺数;而对型面的阻力,则应线性插入冲击角和对数插入雷诺数。对距离的线性插值法可以确定最终的升力和阻力系数值。当翼型的型面升力较高时,可以最大限度地获得风能;在光洁和粗糙性能之间,优选具有中等升力的翼型的型面是较

6、好的折中方法;对于1m以上的大型风轮机转收稿日期:2010󰀁02󰀁03作者简介:童文波(1968,女,工程师,从事水轮机科研开发工作。289󰀂发电设备(2010No.4)大型风电设备转轮叶片的制造工艺󰀁󰀁因这些条件很难同时满足,因此,翼型优化过程中,只能在翼面升力和阻力之间、在光亮和粗糙之间,选择折中的方法。为了保证按现有水平设计的叶片实现低成本的批量生产,还必须采用现代化的制造工艺。󰀁󰀁由表1可知,碳素纤维和聚酰亚胺纤维强化早期的风轮叶片曾经采用木材、竹子、铝合金等,后来都改用人造

7、材料。现代风轮机转轮叶片的填充纤维材料和机械性能对比见表2。表2󰀁风轮机转轮叶片的填充纤维材料和机械性能对比单机容量/kW项目转轮直径/m叶片长度/m填充纤维含量Wi/%󰀁i/%抗张强度/MPa扬氏弹性模量/MPa401412012526028422025647245543545725492045725492045250300<321245060032451820100045602630200024002󰀁结构形式选择󰀁󰀁叶片断面结构形式基本上分成两种:用于小型叶片的半空心式和用于大型叶片的全空心式。2.1半

8、空心式叶片󰀁󰀁半空心式叶片早期用于中小型的转轮,其特点是叶片的鱼形断面中部(相当于1/3长度)设有椭圆形骨架(用于承受负载),里面为中空。叶片基本上由两种材料组成,即玻璃纤维强化塑料(外壳、骨架和里衬)和填充树脂(氨基甲醇乙酯系列黏结剂)。2.2全空心式叶片󰀁󰀁当风轮机单机容量增大到1000kW以上时,就必须设法减轻质量,降低成本,但是要保证提高机械强度,此时采用全空心的转轮叶片。它与半空心式断面结构的主要区别是,叶片的鱼形断面中部(相当于1/3长度)设有加厚的方形骨架(用于承受负载),里面为中空;叶片断面的出风侧(也相当于1/3

9、长度)的外壳(包括正面和背面)里面敷设泡沫体的里衬。叶片基本上也由两种材料组成,即玻璃纤维强化塑料(外壳、骨架)和发泡里衬。607474903645200360750920󰀁󰀁由表2可见,当叶片长度达3045m时,叶片的填充材料和机械性能不再变化。如果容量超过2400kW时,单机容量与转轮直径分别为:从经济性、作业性、生产性、实用性等多方面考虑,叶片内部填充树脂被广泛采用的主要是不饱和聚酯树脂。但随着风电设备的大型化,对抗压缩强度、抗疲劳强度的要求都很高,长度超过20m的大型叶片已广泛采用延展性被改善了的不饱和聚酯树脂和延展性、黏结性都很优越的乙烯脂。3b

10、3041;结构材料对比3.1强化材料󰀁󰀁强化材料包括:(1)玻璃纤维强化塑料。(2)碳素纤维强化塑料。(3)聚酰亚胺纤维强化塑料。(4)整体性玻璃纤维强化塑料。对于叶片材料性能,除了物理性能以外,还要从成型性能、大批量生产条件和价格等方面予以综合考虑。叶片各种材料性能综合对比见表1。表1󰀁风轮机叶片结构材料各种性能综合对比项目碳素纤维强化塑料聚酰亚胺纤维强化塑料整体性玻璃纤维强化塑料机械成型量产价格性能性能条件高高低差差好少少多贵贵贱综合评价好良优4󰀁现代制造工艺󰀁󰀁大型叶片采用高压真空浸渍树脂的现

11、代制造工艺。4.1外壳成型󰀁󰀁叶片外壳由三部分构成:󰀂大型风电设备转轮叶片的制造工艺发电设备(2010No.4)(1)能够承受高压真空负压作用的薄膜。(2)能够吸入浸渍树脂的扩散层。(3)成型后容易脱模的剥离层。大型叶片外壳可以分半制作,即两个半瓣的叶片分别在模具上成型固化。4.2填充纤维󰀁󰀁固化成型的叶片内部填充以作为基材的强化玻璃丝纤维编织物等材料。对于长度为20m的小型叶片,采用手工编织、浸渍方法,填充纤维质量含量为40%50%;长度为27m的大型叶片时,采用真空浸渍法制作,填充纤维质量含量达到65%75%。

12、填充纤维的编织工艺有:(1)当叶片长度小于20m时,广泛采用的是将玻璃纤维按纵横交错、栅网交叉、相互组合、允许滑动的方法制造。(2)当叶片长度大于20m时就要求织成 #!字形的经线和纬线,相互之间不能滑动,纤维束和线不再是单一方向的编织,而是沿着0、90和#45多重组合编织,实现多层化。 !字形对角线叠加到 #!字形经线和纬线上,使其固定,不再窜动,而且纤维编织紧密、波浪度小,抗压缩强度较高。4.3真空浸渍󰀁󰀁放置在成型模具上的叶片(内部已填充基材)进行密封,只在两端留有小孔,叶片根部小孔作为注入浸渍树脂的入口%叶片尖端小孔作为抽取真空用的出口。在高真空负压作用

13、下,浸渍树脂由叶片根部小孔不断抽入,穿过内部填充的强化玻璃丝纤维编织物等积层材料,被抽到叶片尖端,包括叶片外壳内侧的浸渍树脂扩散层部分,使浸渍树脂与外壳内层也紧密黏结,成为没有任何气泡和空隙的密集实体。4.4烘烤固化󰀁󰀁对放成型模具上的并经过真空浸渍的整根叶片进行烘烤,固化成型,最后叶片表面涂以性能较高的防蚀涂料。5󰀁叶片模拟试验󰀁󰀁风轮机转轮必须能够同时承受轴向风的推力和转轮叶片自身的离心力,应能保证额定工况下和强风作用下的机械强度。根据风况条件、紊流强度、紊流频谱、最大风速、风向变化等工况进行模拟试验,积累真机

14、运行数据,并根据启动、停机和紧急停机、故障、地震、检修维护等状态下的运行特性曲线,作出风轮机转轮叶片的振动响应模式图,并根据风况曲线和运行特性曲线进行组合,计算不同时间的风速变化及其转轮叶片的响应,制作有限元模型,对叶片进行应力解析。将解析结果与最大负荷时叶片的应力、材料强度进行比较,再对其静态强度进行评价。在求出设计寿命期限内的应力谱和疲劳损伤率以后,再评价其疲劳强度,最后进行真机试验验证。必须根据所积累的真机运行数据和模拟试验验证结果来进行评价。长达45m的转轮叶片也必须进行模拟试验,将叶片根部固定在转盘上,沿其长度方向布置多个悬垂负荷,通过转盘转动、叶片摆动,进行模拟运行试验。6b

15、3041;结󰀁语󰀁󰀁当今世界大型风电设备转轮叶片的制造趋向于专业化生产,如:天奇与英国瑞尔合资,设立无锡竹风公司,专门研制竹质复合材料转轮叶片;中航(保定)惠腾公司、中复连众复合材料公司和上海玻璃钢研究院、北京玻璃钢研究院合作,专门生产转轮叶片;日本三菱公司委托美国纤维强化塑料厂在加拿大建厂,可年产大型叶片1000件;印度苏司兰公司也在天津建厂,专门生产转轮叶片及其他部件等。市场上销售的叶片,不一定能适应国情和每个风场的风况,因此必须自主创新解决。(上接第267页)3岑可法.锅炉燃烧试验研究方法及测量技术M北京:水利电力出版社,1987.4胡志宏,杨兴森,王军,等