海上巨型风机的研究

1、超级工程观后感 关于海上巨型风机的认识与探究超级工程是中央电视台重磅打造的一部记录中国最震撼的伟大工程的纪录片，他主要展现了五个重大工程项目：港珠澳大桥、上海中心大厦、北京地铁网络、海上巨型风机和超级LNG船。这些伟大的工程项目涉及能源、交通、建筑各个方面，关系到国计民生，不论是科技含量还是建造水平，它们都体现了国内乃至世界最高标准，向世界展示了一个充满活力与创造力的中国。在这五个工程项目中，我最感兴趣的是海上巨型风机。正如纪录片中所陈诉的那样：从工业革命以来，石油和煤炭加速消耗的趋势越来越显著，按照这种速度，这些不可再生的矿物资源，将在不久的将来消耗殆尽。而在人类目前开发利用的清洁能源中，风

2、能是在可知范围内对环境影响最小的绿色能源。在中国市场，一部5兆瓦的风力发电机可以不消耗任何燃料，从空气中最终获取超过4亿人民币的电能，按照上海市政府2011年的报告，这个数字相当于上海这个超级大都市一天的用电总量。节能环保是世界永恒的主题，也是我所关注的内容，这样一台巨型风机在给人们带来便利的同时也为世界的节能环保做出了巨大贡献。以下是风能发电机在国内的发展概况：我国从70年代开始进行并网型风力发电的尝试。1996年底总装机容量为5.7676万kW；1997年在国家有关优惠政策和国家计委“乘风计划”的推动下，年总装机容量跃至10.88万kW，到1998年底，全国19个风力发电场共安装了530台

3、风力发电机组，装机容量为22.36万kW，机组容量从30kW到600kW，以600kW机组为主。安装最多的是新疆自治区达坂城风电场，共安装了137台机组，总装机容量为6.6万kW。总的来说我国利用风能并网发电历时已近30年，尽管风电上网的装机已发展到50多万kW，然而从风电在能源结构中的比重、发电设备制造水平等方面看，风电仍未走出“试验”阶段。2007年6月，国务院通过可再生能源中长期发展计划，目标为2010年可再生能源消费达到能源消费总量的10%，2020年达到15%，针对风电的具体目标为：2010年风电总装机容量达到5，000MW，2020年达到30，000MW。【以上摘自中国产业研究报告

4、网】2010年，中国风电装机容量超越美国成为世界第一风电大国。由此可见，风能发电机越来越受到世界的重视，我国的风能发电机也发展迅速，而海上巨型风机的建立，向世界展示了中国的实力和雄心。海上巨型风机SL5000是世界上最大型的海上风力发电机，海上巨无霸，它的机舱上可以起降直升机，它的风轮高度超过40层，它的诞生是对自然的挑战和对工程极限的挑战。按计划，SL5000的各个部件在中国的不同省份生产，最后再运到上海洋山港附近的陆上安装基地进行组装。他的三个主要部件为主机架、叶片和轴承。下面分别对这三个部件进行分析和探究。主机架风力机上几乎所有载荷都要通过主机架传递到塔架上，对于承受如此复杂载荷的部件，

5、其强度问题显得尤为重要，因此主机架必须坚不可摧。在主机架的制造过程中遇到的一个难题就是焊接时焊接点内部的气泡，超标的气泡将极大地降低主机架的强度，其结果将是灾难性的。主机架采用的材料是大型特厚钢板，用强力切割机进行切割，对误差进行精确控制，切割过程中采用高灵敏度的超声波测试仪，力求做到完美。使主机架的强度得到了最大程度的保证。轴承如果在运行的过程中出现需要更换像轴承这种主要部件的情况，获利的希望就会落空，轴承因为既要受力又要运动而成为最易损坏的部分，SL5000所需要的轴承将挑战轴承制造的最高难度，到目前为止，全世界只有3家工厂有能力接受这种挑战。精密轴承对平滑度和均匀度有非常苛刻的标准。随着

6、尺寸的变大，保证轴承达到精密标准的难度也随之成倍增加。SL5000这种巨型发电机需要巨大的轴承来支撑，而实际上，这个轴承是有史以来尺寸最大的精密轴承。为了检测它的精度，采用了世界上最大的三维精密检测仪，它的所有测头，都采用了昂贵的红宝石；这台检测仪的检测范围超过3米，而检测精度达到了0.8微米，有了如此强大的设备，SL5000就可以随心所欲的转动，寻找风的方向！叶片要制造海上巨型风机，叶片的质量是其中重中之重的一环。SL5000的叶片是目前世界上投入商业运行的最大最长的叶片，这意味着它要承受的力量也是前所未有的。要知道无论什么规格和形状的叶片，都必须满足两个要求，最大的强度和最轻的质量，而这恰

7、恰是两个互相矛盾的要求。要解决这两个冲突，唯一的解决办法就是找到一种合适的材料。因此，材料是决定风机成本和质量的关键因素。下面着重对风机的制造材料进行一些探究。随着风力发电机功率的不断提高，叶片的质量也越来越大，SL5000作为世界上最大型的海上风力发电机，对叶片的要求也必然十分苛刻。所以SL5000叶片的材料必须具备以下性能：质量轻且分布均匀，外形尺寸精度控制准确；具有最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；叶片旋转时的振动频率特性曲线正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好；耐腐蚀、抗紫外线照射和抗雷击的性能好；发电成本较低，维护费用最低。叶片的材料越轻、强度和刚

8、度越高，叶片抵御载荷的能力就越强，叶片就可以做得越大，它的捕风能力也就越强。因此，轻质高强、耐蚀性好、具有可设计性的复合材料是目前大型风机叶片的首选材料。目前风能发电机的叶片普遍采用的是以下四种材料：玻璃纤维复合材料叶片 玻璃纤维增强聚脂树脂和玻璃纤维增强环氧树脂是目前制造风机叶片的主要材料，E一玻纤则是主要的增强材料。美国的研究表明，采用射电频率等离子体沉积去涂覆E一玻纤，可降低纤维间的微振磨损，其耐拉伸疲劳强度就可以达到碳纤维的水平。为了更好的发挥E一玻纤在结构中的强度和刚度作用，使其能与树脂进行良好匹配，目前已经开发了单轴向、双轴向、三轴向、四轴向甚至三维立体结构编织形式，以满足不同的需

9、要，使灵活的结构设计得到更好的体现。但是，E一玻纤密度较大，随着叶片长度的增加，叶片的质量也越来越重。碳纤维复合材料叶片 研究表明，碳纤维(CF)复合材料叶片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的23倍，但由于其价格昂贵（碳纤维的价格是玻璃纤维的10倍左右），限制了它在风力发电上的大规模应用。因此，全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面进行深入研究，以求降低成本。碳纤维轻木玻纤混杂复合材料叶片在制造大型叶片时，采用玻纤、轻木和PVC相结合的方法可以在保证刚度和强度的同时减轻叶片的质量。目前，碳纤维玻璃纤维与轻木PVC混杂使用制造复合材料叶片已被各大叶片公司所采用，轻木PVC作为填

10、充材料，不仅增加了叶片的结构刚度和承受载荷的能力，而且还最大程度地减轻了叶片的质量，为叶片向长且轻的方向提供了有利条件。热塑性复合材料叶片与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有密度小、质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优点，但该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大，制造成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力机叶片的关键问题。那么，海上巨型风机SL5000的叶片采用的正是其中的第一种材料：玻璃纤维复合材料。科学家在环氧树脂中加入了一些编织物，是的环氧树脂这种材料的厚度和质量只有原来的四分之一，但是强度却增加了十几倍。SL5000所采用的材料无疑是一种非常好的材

11、料。而玻璃钢存在的显著的缺点有以下几点：1、弹性模量低FRP的弹性模量比木材大两倍，但比钢（E=2.1E5）小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。2、长期耐温性差一般FRP不能在高温下长期使用，通用聚酯FRP在50以上强度就明显下降，一般只在100以下使用。3、老化现象老化现象是塑料的共同缺陷，FRP也不例外，在紫外线、风沙雨雪、化学介质、机械应力等作用下容易导致性能下降。4、剪切强度低层间剪切强度是靠树脂来承担的，所以很低。当然，只是玻璃钢这种材料存在的普遍缺点。SL5000的叶片材料进行了一定的改进。并且材料的缺点不一定全部都对叶片的的性能产生影响。玻璃纤维材料是目前世界上采

12、用最多的风机叶片材料，但是其的不足主要体现在叶片的质量上，叶片的质量会影响发电机组的性能和效率。因此单纯从叶片的性能来看，碳纤维复合材料叶片是所有材料中最好的，而这种材料也需要进行一定的改进以充分发挥它的性能。目前，Blade Dynamics公司已经开发出一些专利技术，可以制造出12到20米的碳纤维叶片片段，之后把这些叶片无缝粘连起来，这样就不需要大型成型设备了，他生产的是完全不使用玻璃纤维的叶片，而早先的一些尝试使用螺栓将叶片一段段连接起来，但是这么做会在连接处产生压力点，这个问题使叶片很容易被损坏。通过分段生产叶片的方法，可以制造出更精确的空气动力学结构，从而提高风机性能。此外，碳纤维比

13、玻璃纤维要轻很多，这样就可能在现有的风机设计上应用更长的叶片。例如采用这种方法研制的49米叶片的重量比传统标配的45米叶片还轻。更长的叶片能从风中捕获更多的能量，从而在低风速时发出更多电能，增加利润。因此这种新型材料也是技术上的一次突破。丹麦的LM Glasfiber A/S公司使用真空注射成型法，并采用被称为“智能工程”的技术生产聚酯风机叶片。这比环氧树脂叶片成本低，并且性能仍然保持在很高的水平上。“该工艺经过优化，能够生产出强度高、均一性好的层状制品，同时硬化速度快，可将生产周期减少几个小时。他们使用机械手和其他自动化设备，将玻纤毡铺展到模具中，然后用胶将叶片外壳粘接在一起。流水线作业能够

14、缩短成型周期。此外，随着纳米技术的不断发展，给叶片发展带来了新的机遇。法国Nanoledge Asia公司在第十三届中国国际复合材料工业技术展览会的“技术创新与复合材料发展”专题高层研讨会上指出，Nanoledge碳纳结构材料将引领复合材料领域的一场革命，纳米技术能够增加产品的抗冲击性、抗弯强度、防裂纹扩展性、导电性等多种功能，可以使新产品的发展成倍增加。所以纳米材料很有可能在新型材料上产生一次革命。因此我们大胆想象巨型风机叶片所苛刻要求的材料将会随着纳米技术的逐渐成熟有新的突破，那么制造出更大容量、新型结构和材料的海上风机将指日可待。综上可得，纳米材料的新型叶片材料有很大的前景，但是还有待技术进步和进一步开发；碳纤维材料叶片具有最好的性能，是最适合作为风机叶片的材料，但是综合海上巨型风机SL5000的使用寿命，制作成本和性能要求，我国工程师选择的这种玻璃纤维复合材料是综合了所有因素的最明智之选。从中我们可以感受到，选择合适的机械工程材料是任何一项伟大的工程成功的关键基础。“超级工程”成功的背后，是中国工程机械巨大的创新和技术进步