葉片的工作原理

      起初葉片葉型的設(shè)計通常采用航空上先進(jìn)的飛機(jī)機(jī)翼翼型設(shè)計方法。

      利用航空翼型來設(shè)計葉片的形狀，起初應(yīng)用最多的是NACA系列的航空翼型，比如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS等。但是這些翼型對前緣粗糙度非常敏感，一旦前緣由于污染變得粗糙，會導(dǎo)致翼型性能大幅度下降，年輸出功率損失最高達(dá)30%。在認(rèn)識到航空翼型不太適合于風(fēng)電葉片后，上世紀(jì)80年代中期后，風(fēng)電發(fā)達(dá)國家開始對葉片專用翼型進(jìn)行研究，并成功開發(fā)出風(fēng)電葉片專用翼型系列，比如美國Seri和NREL系列、丹麥RISO-A系列、瑞典FFA-W系列和荷蘭DU系列。這些翼型各有優(yōu)勢，Seri系列對翼型表面粗糙度敏感性低；RISO-A系列在接近失速時具有良好的失速性能且對前緣粗糙度敏感性低；FFA-W系列具有良好的后失速性能。風(fēng)機(jī)專用翼型將會在風(fēng)電葉片設(shè)計中廣泛應(yīng)用。

 

    目前在大型葉片中DU翼型和FFA-W翼型應(yīng)用較多。DU翼型對上表面厚度進(jìn)行限制，有低粗糙敏感性和低噪聲等性能特點(diǎn)。該翼型是應(yīng)用廣泛，從直徑29m～100m，最大功率從350kW到3.5MW，如GE，Repower，Dewind, Suzlon, Gamesa, LM, NEG Mico，以及國內(nèi)的東方電氣等多個廠家的風(fēng)機(jī)組都應(yīng)用過該翼型。FFA-W翼型具有最大升力系數(shù)和升阻比，且在失速工況下具有良好的氣動性能，并且對前緣粗糙度不敏感。如目前LM公司已在大型風(fēng)機(jī)葉片上采用瑞典FFA-W翼型。

       不同的翼型各有自己的特點(diǎn)，因此在實(shí)際使用的葉片中不同部位采取不同的翼型設(shè)計。如AAERPAC公司開發(fā)生產(chǎn)APX45 葉片，適用于失速調(diào) 節(jié)和變槳控制的機(jī)型 , 葉尖翼型為 NACA632xx, 葉片中部為FFA 翼型 ,葉根部分采用 DU翼型。明陽風(fēng)電集團(tuán)設(shè)計開發(fā)了一款3MW葉片,葉片長度為48.25 米,翼型采用FFA-W翼型和NACA翼型混合式，葉根部分到距葉根24 米的地方用FFA-W翼型，葉尖部分采用NACA63翼型。

某葉型示意圖
 

     風(fēng)電作為一種清潔的新能源，發(fā)展迅速。而葉片也越來越長。

      目前超過100米的葉片已經(jīng)出現(xiàn)。如在LM風(fēng)電公司的法國瑟堡的工廠，為GE's Haliade-X12兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)的第一支葉片有107米之長，它是世界上第一支超過100米的風(fēng)機(jī)葉片。

     葉輪直徑的增加對葉片的質(zhì)量及抗拉強(qiáng)力提出了更輕、更高的要求。葉片是一個細(xì)長的受力結(jié)構(gòu)。這一點(diǎn)有點(diǎn)類似于梁。

 

        主梁承擔(dān)大部分彎曲載荷，是葉片的主要承載結(jié)構(gòu)，常用的形式有D型,0型、矩形和雙拼槽鋼等。隨著技術(shù)成熟度的提高，雙拼槽鋼結(jié)構(gòu)逐漸成為主體。目前大型風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)都為蒙皮主梁形式（見下圖），蒙皮主要由雙軸復(fù)合材料層增強(qiáng)，提供氣動外形并承擔(dān)大部分剪切載荷。后緣空腔較寬，采用夾芯結(jié)構(gòu)，提高其抗失穩(wěn)能力。結(jié)構(gòu)主梁主要為單向復(fù)合材料層增強(qiáng)，是葉片的主要承載結(jié)構(gòu)。腹板為夾芯結(jié)構(gòu)，對主梁起到支撐作用。

       風(fēng)電的100多年發(fā)展很快，不僅形狀，結(jié)構(gòu)等變化很大，材料的變化也很大。從最初的木制葉片及布蒙皮葉片開始，經(jīng)歷了鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片、玻璃鋼葉片、玻璃鋼復(fù)合材料葉片，目前已經(jīng)采用高強(qiáng)輕質(zhì)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。玻璃鋼復(fù)合材料葉片強(qiáng)度高、重量輕、耐老化，因此在大、中型風(fēng)力機(jī)葉片一中被廣泛采用。玻璃鋼葉片的性能還可以通過表面改性、上漿和涂覆加以改進(jìn)。

      但隨著風(fēng)機(jī)的功率的增加，葉片長度的不斷增大，自身重量也不斷增加，在很多場合已不能滿足要求。在這種情況下，具備高強(qiáng)高模、低密度的碳纖維復(fù)合材料，成為了人們的重點(diǎn)考慮的對象。

   技術(shù)人員嘗試在葉片多個部位應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料。隨著葉片長度的增加，剛度是一個十分重要的指標(biāo)，為了加強(qiáng)葉片剛度同時減輕葉片的重量，在大型和超大型風(fēng)力機(jī)葉片中的局部高應(yīng)力區(qū)域，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料逐漸被采用，這就是葉片的梁。葉片的大梁相當(dāng)于人的脊梁骨，長長的葉片就是靠大梁支撐起來！

 

   例如LM公司開發(fā)的應(yīng)用于5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的61.5m長的大型風(fēng)機(jī)葉片，其重量為17.7t，在橫梁和端部就使用了碳纖維增強(qiáng)材料。Vestas公司在其3MW機(jī)型44m的葉片主梁上也使用了碳纖維，使得葉片重量降至6t，與2MW機(jī)型使用的39m葉片質(zhì)量相同。中材葉片在2014年成功研制出國內(nèi)最長的6MW風(fēng)機(jī)葉片，該葉片全長77.7m，質(zhì)量28t，其中主梁由5t的國產(chǎn)CFRP制成，而如采用GFRP設(shè)計，則該葉片質(zhì)量將約達(dá)36t。吉林重通于2018年2月推出的長83.6米的風(fēng)機(jī)葉片，采取了灌注工藝制備的碳纖維的大梁，該葉片重量25.2噸，減輕了接近11噸的重量。

      目前碳纖維主梁的工藝主要有三種：預(yù)浸料工藝、碳布灌注工藝和拉擠碳板工藝。這是基于風(fēng)電傳統(tǒng)工藝和碳纖維工藝特點(diǎn)形成的。預(yù)浸料工藝是最傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料加工工藝，因此最初制作葉片大梁也使用預(yù)浸料。碳布灌注工藝是目前多家風(fēng)機(jī)及葉片廠家使用的工藝，普通葉片的玻纖大梁就采取該工藝。該工藝比較成熟。拉擠工藝是復(fù)材一種傳統(tǒng)工藝，近幾年新開發(fā)的用于風(fēng)電大梁。

      因?yàn)槿~片都很長，因此沒有辦法采取傳統(tǒng)的高溫固化。如此制作葉片大梁使用的碳纖維預(yù)浸料是一種低溫固化預(yù)浸料，加工工藝采取的真空袋壓的方式，該工藝對手工操作要求較高，而且固化時間也較長。預(yù)浸料工藝制備碳纖維大梁，以手工方式鋪放，生產(chǎn)復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的理想工藝，工藝及設(shè)備也成熟， 勞動環(huán)境比較差，效率低，成本很高，目前多在樣機(jī)中使用，無法滿足批量化使用的要求。灌注工藝對模具要求不高，模具制作簡單，甚至可以利用現(xiàn)有模具，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高，重復(fù)性能好，制品表觀質(zhì)量好，相同鋪層厚度薄，強(qiáng)度高。但該工藝對碳布要求較高，且生產(chǎn)效率不高，成本也較高，而且一旦出問題，就會導(dǎo)致整個碳梁報廢，因此制約了其推廣。

      拉擠工藝是復(fù)合材料工藝中效率最高、成本最低的，而且纖維含量高，質(zhì)量穩(wěn)定，連續(xù)成型易于自動化，適合大批量生產(chǎn)。

某玻璃鋼拉擠工藝示意圖
 

   利用碳纖維拉擠板材制備葉片大梁可以和葉片一起制作，鋪層工藝簡單，利用該工藝制作葉片的時間只有灌注工藝的一半，但對葉型設(shè)計有較高要求。該工藝由維斯塔斯首先開發(fā)應(yīng)用于風(fēng)電大梁，該公司開發(fā)成功后，開始大規(guī)模推廣。該工藝?yán)美弥谱骱玫奶祭w維拉擠板材，在特定的工裝輔助下，進(jìn)行鋪疊就可以了，簡化了工藝，縮短了時間。目前維斯塔斯兆瓦級以上風(fēng)機(jī)葉片都使用碳纖維復(fù)合材料，極大的推動了碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用，2016年全球碳纖維用量首次超過航空航天，成為碳纖維用量最大的領(lǐng)域，2017年風(fēng)電使用的碳纖維2萬4千多噸，維斯塔斯一家用量就在2萬噸左右。預(yù)計近幾年還會保持20%的增長。而在這期間，國內(nèi)企業(yè)把握時機(jī)，涌現(xiàn)出光威復(fù)材，澳盛科技等生產(chǎn)風(fēng)電用碳纖維拉擠板材的規(guī)模化生產(chǎn)企業(yè)。

      碳纖維制作葉片大梁的不同工藝受到了多家公司的研究，而隨著風(fēng)電的快速發(fā)展，大葉片的趨勢也越來越明顯，碳纖維在葉片中應(yīng)用也成了必然。但三種工藝差異明顯，如何選擇就是一個問題。下表是某家公司對三種工藝的分析對比。

 

   碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用的快速增長，可以說是應(yīng)用領(lǐng)域這些年最大的成功，極大的推動了行業(yè)的進(jìn)步。我們反思成功的原因，其設(shè)計的進(jìn)步是重點(diǎn)。碳纖維性能優(yōu)越，但成本高，加工工藝復(fù)雜多樣，這是行業(yè)內(nèi)共知的。但如何更好的應(yīng)用碳纖維，卻一直是一個行業(yè)公認(rèn)的問題。之所以碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域成功應(yīng)用，首先源于風(fēng)力的設(shè)計創(chuàng)新，并堅持不懈。最初風(fēng)電葉片用碳纖維預(yù)浸料，后來用碳布灌注工藝，最后選擇了碳纖維拉擠工藝。可以想象，這個過程中一定遇到很多問題和麻煩。如果真的很挑剔或沒有耐心，估計就黃了。而堅持下去，再加上設(shè)計創(chuàng)新，使效率高，成本低的碳纖維拉擠工藝可以利用的得上。正是這種設(shè)計創(chuàng)新，帶動材料創(chuàng)新，工藝創(chuàng)新，使碳纖維在風(fēng)電中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化，簡化了后加工工藝，才有該領(lǐng)域應(yīng)用的爆發(fā)性增長。