風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源, 取之不盡, 用之不竭, 越來越受到世界各國的重視. 隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進步, 為了提高風(fēng)能捕獲, 降低度電成本, 風(fēng)電機組的單機容量也從最初的十幾千瓦發(fā)展到現(xiàn)在的兆瓦級,甚至向十兆瓦級、幾十兆瓦級邁進. 目前, 全球運行的最大單機容量風(fēng)電機組, 其額定功率達(dá)到8 MW.
葉片作為風(fēng)電機組轉(zhuǎn)換風(fēng)能的關(guān)鍵部件, 其設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展對于整個機組的性能和可靠性至關(guān)重要. 然而, 葉片大型化也帶來諸多挑戰(zhàn): (1) 質(zhì)量增加; (2) 制造與可靠性; (3) 材料成本; (4) 運輸; (5) 氣彈穩(wěn)定性(顫振); (6) 屈曲; (7) 重力導(dǎo)致的疲勞載荷;(8) 海上風(fēng)況應(yīng)用. 同時, 不斷出現(xiàn)的新技術(shù)也為葉片的大型化提供支撐[1]: 新的翼型、材料以及新的葉片型式; 多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計方法; 主動和被動的降載技術(shù);顫振抑制技術(shù)等.
1、大型風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會統(tǒng)計(GWEC), 2015年全球新增裝機容量首次超過60 GW, 2000–2015年16年間累計裝機容量達(dá)到432.9 GW. 亞洲裝機量繼續(xù)引領(lǐng)全球市場, 歐洲和北美緊隨其后, 其中, 中國自2009年以來, 一直保持全球最大市場地位. 2015年的新增裝機量和至2015年底的累積裝機量均居全球首位(見表1). 基于氣候變化要求, 風(fēng)電價格下降以及美國市場穩(wěn)定的預(yù)期,GWEC預(yù)測在未來五年內(nèi), 亞洲市場仍將保持在50%以上, 歐洲市場穩(wěn)步增加, 北美市場將出現(xiàn)強勁增長,到2020年, 全球累計裝機容量將達(dá)到792.1 GW. 可以看出, 風(fēng)電葉片的市場仍然具有巨大發(fā)展?jié)摿?
隨著全球風(fēng)電市場轉(zhuǎn)向低風(fēng)速和海上風(fēng)場的風(fēng)能開發(fā), 葉片不斷增長. 目前為止, 已經(jīng)生產(chǎn)的全球最長風(fēng)電葉片長88.4 m, 由丹麥LM公司和Adwen公司共同開發(fā), 配套8 MW的海上風(fēng)電機組. 此外, 達(dá)到80 m及以上長度的風(fēng)電葉片包括丹麥SSP technology生產(chǎn)的83.5 m葉片、德國EUROS設(shè)計開發(fā)的81.6 m葉片以及Vestas設(shè)計制造的80 m葉片, 它們將分別用于韓國三星的7 MW海上風(fēng)電機組、日本三菱的7 MW海上風(fēng)電機組和Vestas的8 MW海上風(fēng)電機組. 而更長的葉片已處于設(shè)計階段[1,3,4]. 在氣動性能方面, 目前公開報道的商用風(fēng)機的最大功率系數(shù)超過0.5, 由德國Enercon公司設(shè)計研發(fā), 通過綜合優(yōu)化葉尖、葉根過渡段以及機艙幾何外型得到. 在重量方面, 英國Blade dynamics公司采用模塊化的葉片設(shè)計和制造技術(shù), 生產(chǎn)了一支世界上最輕的49 m葉片, 并已通過GL認(rèn)證, 該技術(shù)將被用于100 m長的風(fēng)電葉片開發(fā), 目前該公司已被美國GE風(fēng)電收購.
在海上風(fēng)電葉片設(shè)計與應(yīng)用方面, 西門子得益于歐洲海上風(fēng)電市場的迅猛發(fā)展和自身的技術(shù)優(yōu)勢, 已經(jīng)走在世界前列, 其采用IntegralBlades葉片設(shè)計制造技術(shù)生產(chǎn)的58.5 m葉片已廣泛用于海上3.6 MW風(fēng)電機組上, 沿用此技術(shù)開發(fā)的75 m葉片將批量生產(chǎn)并配套西門子7 MW機組用于英國東海岸東安格利亞一號海上風(fēng)電場. 我國葉片廠商也緊跟國際海上風(fēng)電發(fā)展腳步, 目前配套海上6 MW風(fēng)電機組的葉片有中材科技的77.7 m葉片, 中復(fù)聯(lián)眾的75 m葉片, 艾朗風(fēng)電的75 m葉片, 但其設(shè)計技術(shù)仍然依賴國外葉片設(shè)計公司, 如Windnovation, Aerodyn等.
在低風(fēng)速葉片開發(fā)和應(yīng)用方面, 得益于國內(nèi)低風(fēng)速區(qū)的大規(guī)模開發(fā)以及葉片設(shè)計制造技術(shù)發(fā)展, 國內(nèi)的葉片制造廠商走在了世界前列. 目前, 中科宇能自主研發(fā)生產(chǎn)了2 MW級最長風(fēng)電葉片, 其長度為59.5 m.其他葉片廠商, 如中材科技、中復(fù)聯(lián)眾、國電聯(lián)合動力、時代新材、中科宇能、艾朗風(fēng)電、吉林重通成飛等都有50m級2 MW的批量產(chǎn)品. 但在低風(fēng)速葉片設(shè)計方面, 一些廠商仍然依賴國外葉片設(shè)計技術(shù), 不具備完全自主設(shè)計能力.
從總體上看, 目前我國提供了全球最大的單一風(fēng)電市場, 國內(nèi)葉片廠商在大型葉片的設(shè)計和制造技術(shù)上取得了長足進步, 尤其是在低風(fēng)速葉片開發(fā)和應(yīng)用上走在世界前列. 但在大型葉片設(shè)計與制造技術(shù)上與國外先進技術(shù)相比還有一定差距, 沒有先進的獨特技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用.
2、大型風(fēng)電葉片設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢
隨著葉片的大型化, 葉片的運行雷諾數(shù)、載荷和重量不斷增大, 設(shè)計高效、低載以及輕質(zhì)的葉片成為葉片廠商和研究者們不斷追求的目標(biāo). 因此, 一些新的翼型、材料、葉片結(jié)構(gòu)、制造工藝及設(shè)計方法不斷出現(xiàn), 并逐漸應(yīng)用到工程實踐中.
2.1 氣動設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢葉片氣動設(shè)計的目標(biāo)是尋求最佳的葉片外形, 使得葉片在具備較高的風(fēng)能捕獲能力的同時, 產(chǎn)生相對較小的載荷.
葉片翼型
作為葉片氣動設(shè)計的基本要素翼型, 對葉片的氣動性能和載荷特性起著非常關(guān)鍵作用. 早期的風(fēng)電葉片翼型選自于航空翼型, 如NACA系列翼型. 但隨著人們逐漸認(rèn)識到風(fēng)力機與航空飛行器在運行環(huán)境以及流場特征方面的差異, 如較低的運行雷諾數(shù)、高來流湍流強度、多工況運行及表面易污染等特點, 開始轉(zhuǎn)向風(fēng)力機專用翼型的開發(fā). 從20世紀(jì)80年代起, 美國、瑞典、荷蘭、丹麥等風(fēng)能技術(shù)發(fā)達(dá)國家紛紛展開了風(fēng)力機專用翼型的研究, 并取得了一定成果. 它們是美國國家可再生能源實驗室(National Renewable EnergyLaboratory, NREL)提出的S系列翼型、瑞典航空研究院設(shè)計的FFA系列翼型、荷蘭Deft大學(xué)設(shè)計的DU系列翼型、丹麥RisØ國家實驗室開發(fā)的RisØ系列翼型. 這些翼型的最大相對厚度達(dá)到53%, 在升力系數(shù)、升阻比、粗燥度敏感、失速特性上均具有較好的性能. 其中, DU系列翼型更是在風(fēng)電行業(yè)中得到廣泛運用. 隨著人們對風(fēng)力機性能要求的提高和流場特征認(rèn)識的加深, 新翼型的開發(fā)正在持續(xù)進行. 近年來, 國內(nèi)多所研究機構(gòu)和大學(xué)也在進行風(fēng)力機專用翼型研發(fā). 如中國科學(xué)院工程熱物理研究所研發(fā)的CAS系列翼型, 其翼型最大相對厚度達(dá)到了60%, 且采用鈍尾緣設(shè)計, 具有較好的結(jié)構(gòu)特性和氣動特性, 對提高葉片過渡段附近的氣動性能具有重要意義; 西北工業(yè)大學(xué)研的NPU-WA系列翼型, 其設(shè)計雷諾數(shù)達(dá)到了5×106, 且在此雷諾數(shù)下具有較好的氣動特性,對開發(fā)大型葉片具有重要價值; 汕頭大學(xué)和重慶大學(xué)分別將噪聲要求引入到翼型的設(shè)計中, 獲得了低噪聲的風(fēng)力機翼型. 總之, 葉片大型化使得翼型運行的雷諾數(shù)不斷提高, 尋求高雷諾數(shù)下, 氣動、結(jié)構(gòu)和噪聲等性能綜合較優(yōu)的翼型是未來風(fēng)力機專用翼型開發(fā)的方向.
氣動設(shè)計方法
除翼型外, 葉片的氣動外形主要由弦長、扭角、厚度及基疊軸位置等參數(shù)沿展向的分布情況決定. 而葉片的氣動外形對葉片的最大功率系數(shù), 年發(fā)電量以及葉片載荷有重要影響, 因此, 葉片的氣動設(shè)計是一個多變量、多目標(biāo)問題.
目前的葉片氣動設(shè)計方法有兩大類, 一類是解析方法, 一類是數(shù)值方法. 其中解析方法主要是根據(jù)動量葉素理論, 即BEM理論, 直接推導(dǎo)得到. 在不考慮阻力損失和葉尖損失的條件下, 根據(jù)BEM 理論可以得到葉片的最優(yōu)氣動外形滿足如下方程:
依據(jù)式(1)和式(2), 通過選取設(shè)計尖速比, 以及各截面設(shè)計升力系數(shù), 可以計算出各截面弦長. 依據(jù)設(shè)計升力系數(shù)對應(yīng)的攻角和入流角計算出截面扭角. 該方法形式簡單, 無需迭代調(diào)整, 設(shè)計速度快. 適合初始設(shè)計. 但由于它沒有考慮各截面弦長、扭角之間的相關(guān)性, 相鄰截面之間很可能不能光順過度, 工藝可操作性差.
數(shù)值方法主要包括正問題方法和反問題方法. 在采用正問題方法設(shè)計時, 設(shè)計者依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗或是采用式(1)得到的葉片弦長、扭角和厚度分布, 利用BEM加修正模型的方法或渦方法或CFD方法(如Aerodyn,Bladed, FOCUS, FLUENT, WT_perf)進行葉片的氣動性能分析, 通過手動迭代或采用優(yōu)化算法進行自動迭代得到滿足各項設(shè)計指標(biāo)的葉片外形參數(shù). 在自動迭代方法中, 設(shè)計者可以對葉片各截面的弦長、扭角等參數(shù)進行光順性約束, 可以對設(shè)計指標(biāo)進行單目標(biāo)和多目標(biāo)設(shè)置. 因此, 設(shè)計的氣動外形具有優(yōu)良的氣動性能和工藝可操作性, 如美國可再生能源實驗室開發(fā)的HARP_Opt軟件. 此外, 為了設(shè)計出更高性能的葉片外形, Fischer等人提出了一種新的氣動設(shè)計方法,它主要是突破了標(biāo)準(zhǔn)翼型限制, 在優(yōu)化設(shè)計過程中不斷修改截面翼型, 采用Xfoil軟件分析得到的參數(shù)化翼型, 計算新翼型的升阻力系數(shù)等氣動性能參數(shù), 以此為基礎(chǔ)進行葉片的氣動性能分析, 最終迭代得到滿足設(shè)計要求的氣動外形. 該方法的最大缺點是修改后的翼型, 其氣動性能數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性難以評估. 在反問題設(shè)計方面, 目前只有PROPID軟件. 它是基于BEM理論開發(fā), 可以設(shè)計出滿足設(shè)計者設(shè)定的徑向升力系數(shù)分布和軸向誘導(dǎo)因子分布要求的葉片, 目前應(yīng)用較少.總的來看, 未來幾年大型葉片的氣動設(shè)計仍將以正問題方法尤其是優(yōu)化設(shè)計方法為主. 隨著葉片的大型化,葉片的氣動與結(jié)構(gòu)耦合愈加明顯, 進行葉片氣動和結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計將成為一種趨勢.
氣動分析方法
大型風(fēng)電葉片的氣動分析方法許多, 根據(jù)求解模型的角度不同, 氣動分析方法可以分成3類: BEM方法、渦方法以及CFD方法.
CFD方法在以上3類方法中精度最高, 能夠得到葉片周圍高精度的三維流場結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié). 常常用于葉片的氣動性能評估、繞流流場分析以及尾流特性分析等. 該方法假設(shè)前提少, 在葉片的非定常計算分析中更具優(yōu)勢. 但由于風(fēng)力機三維流場多尺度性, 來流風(fēng)況的非定常、高湍流特性, 葉片表面的不規(guī)則性, 采用該方法計算非常復(fù)雜耗時, 通常要在并行機或超級計算機上進行, 限制了其在工程設(shè)計中的應(yīng)用.
渦方法的核心思想是將風(fēng)力機三維流場中的渦量分布簡化為集中分布的線渦和面渦等形式, 配合以剛性尾渦或自由尾渦模型進行風(fēng)力機氣動性能的計算. 根據(jù)葉片附著渦量簡化形式不同, 又可分為升力線模型、升力面模型和三維面元模型. 與升力線模型和升力面模型相比, 三維面元模型不需要翼型的二維實驗升阻力系數(shù), 計算精度更高. 同時與CFD模型相比, 其提高了三維流場的計算效率. 中國科學(xué)院工程熱物理研究所]通過將面元模型分別同邊界層模型以及降階模型相結(jié)合, 使面元模型的粘性計算能力得到拓展, 且大分離流的計算精度得以提高.
BEM方法在3類方法中計算時間最短(一般葉片性能的計算只需幾秒鐘). 它將葉片分成多個葉素獨立計算, 容易與葉片的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型融合. 因此, 它是目前工程設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的葉片氣動性能計算方法, 也被目前商用的風(fēng)力機專用軟件GH Bladed和FOCUS所采用. 當(dāng)然, 由于其較大地簡化了實際風(fēng)輪模型, 在非定常模擬以及局部氣動性能分析上, 存在較大誤差. 因此, 為了提高該方法的計算精度, 一些結(jié)合理論推導(dǎo)和經(jīng)驗公式的修正模型不斷產(chǎn)生[31,32].
目前為止, 一些學(xué)者對以上不同的分析方法進行比較, 發(fā)現(xiàn)它們的計算結(jié)果具有較好的一致性. 但由于風(fēng)電葉片的非定常氣動特性求解復(fù)雜, 用于BEM修正的模型往往是基于近似理論或經(jīng)驗修正公式, 其正確性通常在一定條件下成立, 如動態(tài)失速模型. 因此需要進一步研究改進以擴展其適用范圍.
2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢
葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)是尋求保持葉片氣動外形和結(jié)構(gòu)可靠性的前提下, 經(jīng)濟性最優(yōu)的葉片材料鋪層參數(shù).
葉片材料
材料是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ), 同時對葉片的氣彈響應(yīng)特性以及結(jié)構(gòu)性能具有非常重要作用. 風(fēng)電葉片材料在經(jīng)歷了木材、布蒙皮、金屬蒙皮以及鋁合金后, 目前已經(jīng)基本被玻璃鋼復(fù)合材料取代. 這主要是因為其具有以下優(yōu)點: (1) 可根據(jù)風(fēng)力機葉片的受力特點設(shè)計強度與剛度, 最大限度地減輕葉片質(zhì)量; (2)容易成型; (3) 缺口敏感性低, 疲勞性能好; (4) 內(nèi)阻尼大, 抗震性能好; (5) 耐腐蝕性、耐候性好; (6) 維修方便、易于修補. 玻璃纖維復(fù)合材料葉片主要包括以下4類材料: 玻璃纖維、樹脂、黏結(jié)劑及芯材. 根據(jù)葉片各部分的受力特點和功能屬性, 這些材料應(yīng)用在不同的葉片位置, 同時對于不同材料的性能要求也各有側(cè)重. 目前常用的玻璃纖維為E-玻璃纖維, 隨著葉片的長度增加, 對玻璃纖維的強度、模量等屬性提出了更高要求, 因此一些更高性能的玻璃纖維已經(jīng)出現(xiàn), 如法國Saint-Gobain 集團的H玻纖; 中國中材科技股份有限公司的HS2和HS4高強硅-鋁-鎂玻璃纖維; 重慶同際復(fù)合材料有限公司的無硼無氟環(huán)保型TM粗紗等. 為進一步減少葉片質(zhì)量, 碳纖維逐漸應(yīng)用到大型風(fēng)電葉片中, 如Vestas的80 m葉片, SSP的83.5 m葉片, 中材的77.7 m葉片. 已有的研究表明, 碳纖維風(fēng)電葉片相比玻璃纖維葉片減重可達(dá)30%以上. 這主要是因為:碳纖維增強材料的拉伸彈性模量是玻璃纖維增強材料的2–3倍, 其抗拉強度是玻璃纖維的1.12–1.44倍, 且具有較高的抗壓縮強度、抗剪切強度和優(yōu)良的阻尼特性. 此外, 碳纖維的導(dǎo)電性還能避免雷擊. 其缺點主要是: (1) 韌性差, 形變量不足, 耐磨性及止滑性不佳, 脆性較大; (2) 價格昂貴; (3) 容易受工藝影響(如鋪層方向), 浸潤性較差, 對工藝要求較高; (4) 成品透明性差, 且難于進行內(nèi)部檢查. 為了利用碳纖維高強高模的特性優(yōu)勢, 同時控制葉片成本, 碳玻混合技術(shù)已經(jīng)成為大型葉片重要研究和應(yīng)用方向. 目前主要有兩種途徑, 一種是在葉片的主承力位置鋪設(shè)碳纖維, 如梁帽、前后緣等, 而在其他地方仍使用玻璃纖維. 一種是直接將碳纖/玻纖混織成一體, 然后作為一種材料進行鋪設(shè)和制造. 近幾年來, 性能更佳的碳納米管(CNTs)也得到研究人員和原材料廠商重視, 相關(guān)的應(yīng)用研究已經(jīng)開始[34,38], 如果能夠較好地解決CNTs在樹脂中的團聚問題,則該材料有望成為大型葉片的另一種重要材料.
隨著人們對環(huán)保的要求越來越高, 廢棄葉片的處理已經(jīng)逐漸成為一個嚴(yán)重問題. 目前大多數(shù)葉片采用聚酯樹脂、乙烯基脂以及環(huán)氧樹脂等熱固性樹脂基體制成. 這類葉片既難然燒, 又難降解, 占用大量土地.研究低成本、可回收利用的綠色環(huán)保復(fù)合材料已成為目前重要研究方向. 其中熱塑性復(fù)合材料受到了科研人員和葉片廠商的廣泛關(guān)注. 因為, 相比于熱固性復(fù)合材料, 它具有以下優(yōu)點[39]: (1) 可以回收; (2) 成型工藝簡單, 可以焊接; (3) 比強度高; (4) 一些機械性能好, 如比剛度、延伸率、破壞容許極限均較高, 延展性好; (5) 耐腐蝕性好; (6) 固化周期短. 其缺點是熱塑性樹脂的熔融黏度高, 工藝能耗高, 耐疲勞性差. 因此,尋求低熔融黏度高力學(xué)性能的樹脂成為熱塑性復(fù)合材料的研究重點. 此外, 生物質(zhì)纖維材料的相關(guān)研究也已開展并嘗試在葉片生產(chǎn)中進行應(yīng)用[40–43]. 但由于此類材料與玻璃鋼復(fù)合材料相比, 綜合性能較差, 如竹制復(fù)合材料葉片強度低, 亞麻纖維葉片制造成本高. 還有待進一步研究改進.
結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
目前, 大型風(fēng)電葉片主要由殼體, 大梁, 腹板, 葉根增強、前尾緣增強以及防雷系統(tǒng)等部分組成. 因此,葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是依據(jù)以上各部分的功能特點進行合理的材料布置.
葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的因素眾多, 如模態(tài)分析、剛度分析、極限強度分析和疲勞分析. 模態(tài)分析要求葉片的固有頻率避開整機的共振區(qū)間; 剛度分析主要是控制葉片變形, 滿足葉尖與塔筒間隙的設(shè)計要求; 極限強度分析要求葉片在極限載荷作用下, 材料和結(jié)構(gòu)滿足極限強度和屈曲穩(wěn)定性要求; 疲勞分析則是要求葉片各材料滿足20年甚至是更高年限的使用壽命. 隨著葉片設(shè)計技術(shù)的進步, 一些以往不太關(guān)注的結(jié)構(gòu)性能逐漸成為葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的必要設(shè)計指標(biāo),如結(jié)構(gòu)膠的極限與疲勞強度分析、基體材料的IFF分析、非線性屈曲分析和鋪層工藝的可操作性等. 此外,葉片大型化和柔性化帶來一些新的問題, 如葉片的一階扭轉(zhuǎn)頻率越來越低, 葉片氣彈發(fā)散以及顫振穩(wěn)定性邊界逐漸降低[44], 甚至威脅風(fēng)電機組的正常運行, 因此, 葉片氣彈穩(wěn)定性分析將是未來大型葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的必要內(nèi)容, 如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)計提高葉片的氣彈穩(wěn)定性具有重要意義. 還有葉片的幾何非線性問題, 它對葉片的氣彈耦合特性將產(chǎn)生重要影響, 如葉片載荷.總之, 為了設(shè)計更好的葉片, 需要分析的設(shè)計指標(biāo)會越來越全面.
在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法方面, 目前幾乎均采用正問題方法進行葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計. 也就是依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗和材料特性給定鋪層或等比例放大已有的葉片鋪層,利用工程梁模型或有限元模型(如FOCUS, BModes[45],ANSYS, ABAQUS)進行葉片的各項性能分析, 通過手動迭代或自動迭代的方法得到滿足各項設(shè)計指標(biāo)的葉片鋪層信息, 包括各材料位置、厚度、角度、疊放順序等參數(shù). 而在自動迭代分析時, 往往借助智能優(yōu)化算法進行(如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法). 由于葉片結(jié)構(gòu)鋪層參數(shù)多樣, 可設(shè)計性強, 該方法往往針對質(zhì)量占比大的部分, 如梁帽、后緣增強以及尾緣增強.通過建立上述各部分的參數(shù)化模型和相應(yīng)的葉片性能分析方法, 并同優(yōu)化算法耦合起來, 最終達(dá)到優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)的目的, 這也是目前提到的各種葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法. 由于一些與結(jié)構(gòu)有關(guān)的性能分析方法, 如依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)載荷工況的極限載荷計算, 不易建立優(yōu)化設(shè)計模型, 所以此方法得到的鋪層還需進一步檢驗. 但優(yōu)化設(shè)計方法對設(shè)計者的經(jīng)驗依賴度低, 且計算快, 適合初始葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計. 手動迭代方法能夠全面細(xì)致地分析每項設(shè)計指標(biāo), 更適合葉片結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計. 目前, 有關(guān)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究越來越多[46,47], 采用優(yōu)化設(shè)計模型進行大型葉片設(shè)計已經(jīng)成為一種趨勢,但是如何建立更準(zhǔn)確、更高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)分析模型是其重點和難點, 如葉片疲勞分析、葉根預(yù)埋螺栓套與復(fù)合材料的接觸應(yīng)力分析和三維氣彈響應(yīng)分析等. 此外, 反問題設(shè)計方法是一種比較高效的設(shè)計方法, 但由于風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及的參數(shù)眾多, 至今還沒人提出相關(guān)的設(shè)計模型. 隨著研究的深入, 也許它能成為未來大型葉片設(shè)計的新途徑.
新葉片結(jié)構(gòu)
為了更好地解決風(fēng)電大型化帶來的相關(guān)問題, 一些新的葉片結(jié)構(gòu)也不斷提出, 并進行了相應(yīng)分析, 甚至部分已經(jīng)得到商業(yè)應(yīng)用. 如Blade dynamics葉片設(shè)計公司提出了模塊化設(shè)計技術(shù)以降低葉片質(zhì)量, 它將葉片的殼分成多塊設(shè)計和制造, 然后再組裝成型.已完成49 m的葉片設(shè)計. Xie等人[48]提出的可折疊(Folding)葉片, 葉片分成兩段, 葉尖段可折疊以降低載荷. 為了解決大型葉片的運輸問題, Enercon提出了一種分段葉片, 葉根段為鋼結(jié)構(gòu)并在尾緣安裝有尾緣蓋板以保證葉根段氣動外形, 葉尖段為復(fù)合材料葉片, 兩段通過螺栓連接, 目前該葉片已經(jīng)生產(chǎn)并批量裝機. 中國科學(xué)院工程熱物理研究所和保定華翼風(fēng)電葉片研究開發(fā)有限公司共同研發(fā)的分段式風(fēng)電葉片也已完成靜力試驗, 它通過螺栓將兩段復(fù)合材料葉片連接起來.
此外, 隨著對葉片運行可靠性要求的提高, 在線監(jiān)測葉片的運行狀態(tài)和葉片載荷成為必要, 這時需要在葉片內(nèi)部植入光纖等其他應(yīng)變測量元件, 這些都會對葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出新的要求.
隨著葉片的大型化, 針對不同問題的新型葉片結(jié)構(gòu)形式不斷出現(xiàn), 模塊化設(shè)計和智能化設(shè)計因其在減重、運輸及提高運行可靠性方面的優(yōu)點, 具有巨大應(yīng)用潛力.
大型風(fēng)電葉片制造技術(shù)發(fā)展趨勢
葉片的制造技術(shù)主要依據(jù)葉片的材料體系和三維幾何結(jié)構(gòu)發(fā)展. 目前為止, 針對復(fù)合材料葉片的成型工藝主要有手糊工藝、模壓成型、預(yù)浸料鋪放工藝、拉擠工藝、纖維纏繞、樹脂傳遞模塑(RTM)、真空灌注成型工藝. 這些工藝各有優(yōu)缺點, 可以根據(jù)葉片的材料體系、幾何結(jié)構(gòu)、幾何尺寸以及鋪層功能進行綜合運用, 以達(dá)到最佳效果.
手糊工藝是生產(chǎn)復(fù)合材料風(fēng)電葉片的一種傳統(tǒng)工藝. 因為它不必受加熱及壓力影響, 成本較低. 可用于低成本制造大型、形狀復(fù)雜制品. 其主要缺點是生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量波動大、廢品率較高. 手糊工藝往往還會伴有大量有害物質(zhì)和溶劑的釋放, 有一定的環(huán)境污染. 目前主要用于葉片合模后的前尾緣濕法處理; 模壓成型工藝的優(yōu)點在于纖維含量高、孔隙率低、生產(chǎn)周期短、精確的尺寸公差及良好的表面形狀. 適用于生產(chǎn)簡單的復(fù)合材料制品. 其缺點是模具投入成本高, 不適合具有復(fù)雜幾何形狀的葉片. 目前大型葉片基本不采用此工藝; 預(yù)浸料鋪放工藝的主要優(yōu)勢是在生產(chǎn)過程中纖維增強材料排列完好, 可以制造低纖維缺陷以及性能優(yōu)異的部件. 它是生產(chǎn)復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的理想工藝, 碳纖維預(yù)浸料廣泛應(yīng)用于航空業(yè)中. 其主要缺陷是成本高. 此外, 預(yù)浸料需要手工方式鋪放, 生產(chǎn)效率低; 拉擠工藝具有纖維含量高, 質(zhì)量穩(wěn)定, 易于自動化, 適合大批量生產(chǎn)的優(yōu)點. 適用于生產(chǎn)具有相同斷面形狀, 連續(xù)成型制品的生產(chǎn)中.但由于大型葉片的三維幾何彎扭結(jié)構(gòu), 該工藝很少使用. 纖維纏繞工藝能夠控制纖維張力、生產(chǎn)速度及纏繞角度等變量, 制造不同尺寸及厚度的部件. 但應(yīng)用于葉片生產(chǎn)中的一個缺陷是在葉片縱向不能進行纏繞, 長度方向纖維的缺乏使葉片在高拉伸和彎曲載荷下容易產(chǎn)生問題. 另外, 纖維纏繞產(chǎn)生的粗糙外表面可能會影響葉片的空氣動力學(xué)性能, 必須進行表面處理. 最后, 芯模及計算機控制成本很大; 樹脂傳遞模塑(RTM)屬于半機械化的復(fù)合材料成型工藝, 對工人的技術(shù)和環(huán)境的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于手糊工藝并可有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量. RTM缺點是模具設(shè)備非常昂貴, 很難預(yù)測模具內(nèi)樹脂流動狀況, 容易產(chǎn)生缺陷. RTM工藝采用閉模成型工藝, 特別適宜一次成型整體的風(fēng)力發(fā)電機葉片(纖維、夾芯和接頭等可一次模腔中共成型),而無需二次黏接. 真空灌注成型工藝是目前大型風(fēng)機葉片制造的理想工藝, 與RTM相比, 節(jié)約時間, 揮發(fā)物非常少, 工藝操作簡單, 模具成本大大降低. 相對于手糊工藝, 成型產(chǎn)品拉伸強度提高20%以上.
鑒于真空灌注成型工藝在大型葉片應(yīng)用上的優(yōu)勢, 目前大型風(fēng)電葉片制造主要以真空灌注工藝為主. 近幾年的研究也主要以此工藝為基礎(chǔ), 針對葉片鋪層厚度、新的高模材料、制造效率、葉片成型質(zhì)量等方面進行的工藝嘗試與改進. 目前, 具有創(chuàng)新性同時實用性較強的代表性葉片制造工藝有:西門子風(fēng)電集團提出的IntegralBlade技術(shù)[54]. 它使用兩個模具型面和其中的芯模型成一個封閉的型腔, 在型腔里面隨形鋪放纖維材料和芯材. 通過型腔內(nèi)建立起的真空體系將基體材料注入模具內(nèi), 一次成型大型風(fēng)機葉片. 與傳統(tǒng)的真空灌注成型工藝相比, 它具有的優(yōu)點包括: 節(jié)省人力和空間、無需黏接、質(zhì)量可靠性高、不會釋放VOCs, 對環(huán)境污染小. 該工藝已廣泛應(yīng)用于西門子的不同型號葉片制造中; 達(dá)諾巴特公司(DANOBAT)開發(fā)的葉片自動制造系統(tǒng)[55]. 它的主要功能包括自動噴膠衣、自動噴短切纖維、自動鋪層、自動打磨、自動涂膠等. 客戶可以根據(jù)自身需求來選擇整體自動化, 也可以選擇其中一個或幾個功能. 工作單元采用移動式懸臂梁結(jié)構(gòu), 橫梁上安裝有十字滑軌, 相應(yīng)的工作功能頭位于滑軌上, 采用5軸控制, 最終實現(xiàn)各工序的自動化操作. 相對于真空灌注成型工藝, 具有生產(chǎn)效率高, 人工成本低, 葉片質(zhì)量穩(wěn)定性好的優(yōu)點.
除了以上針對現(xiàn)有熱固性復(fù)合材料體系的制造工藝, 針對熱塑性復(fù)合材料開發(fā)的生產(chǎn)工藝也在不斷發(fā)展. 如基于低黏度載液技術(shù)的濕法模塑工藝以及共混雜成型工藝(Co-Mingling): 即熱塑性樹脂纖維與增強纖維共混雜而構(gòu)成共混線紗(Co-Mingling Yarn),共混線紗加熱過程中樹脂纖維熔化并浸漬增強纖維,直到徹底浸漬所有增強纖維. 這些技術(shù)能一定程度上解決熱塑性復(fù)合材料成型能耗高、纖維浸潤差的問題. 但要批量應(yīng)用到大型葉片的實際制造過程中還有待進一步研究實驗.
綜上所述, 大型葉片成型工藝將向著高成型質(zhì)量,高生產(chǎn)效率, 低生產(chǎn)成本和低環(huán)境污染的方向發(fā)展.一體化和自動化制造工藝以其在成型質(zhì)量和效率上的巨大優(yōu)勢, 將會成為大型葉片的制造趨勢. 同時, 用于熱塑性復(fù)合材料的制造工藝技術(shù)具有巨大發(fā)展?jié)摿? 其中, 低黏度熱塑性樹脂的開發(fā)非常關(guān)鍵.
4 總結(jié)
21世紀(jì)以來, 全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展. 隨著人們環(huán)保意識提高及風(fēng)電技術(shù)進步, 風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持高速發(fā)展態(tài)勢. 葉片做為風(fēng)電機組的關(guān)鍵部件, 它的技術(shù)發(fā)展對推進整個風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義. 為了滿足大型葉片發(fā)展要求, 新的翼型、材料、設(shè)計方法以及制造工藝不斷提出, 引領(lǐng)風(fēng)電葉片的設(shè)計與制造技術(shù)向開發(fā)更高性能的葉片邁進. 總的來看, 大型葉片在氣動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制造工藝方面存在如下發(fā)展趨勢:
(1) 在氣動設(shè)計方面, 高雷諾數(shù)下高性能翼型開發(fā)是氣動設(shè)計需要迫切解決的問題. 此外, 發(fā)展高精度且高效的氣動分析方法特別是用于求解大型葉片非定?？諝鈩恿W(xué)特性的方法, 以及多學(xué)科協(xié)調(diào)設(shè)計方法將是風(fēng)電葉片的重要研究方向.
(2) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面, 開發(fā)性能優(yōu)越且環(huán)保的葉片材料將是目前材料研究的重點. 在此基礎(chǔ)上, 優(yōu)化設(shè)計技術(shù)以及反問題設(shè)計方法將是主要研究方向. 此外,針對不同問題的新型葉片結(jié)構(gòu)形式不斷出現(xiàn), 模塊化設(shè)計和智能化設(shè)計因其在減重、運輸及提高運行可靠性方面的優(yōu)點, 具有巨大應(yīng)用潛力.
(3) 在制造工藝方面, 具有高成型質(zhì)量、高生產(chǎn)效率、低生產(chǎn)成本和低環(huán)境污染的成型工藝是未來的發(fā)展方向. 一體化和自動化制造工藝以其在成型質(zhì)量和效率上的巨大優(yōu)勢, 將會成為大型葉片的制造趨勢.同時, 用于熱塑性復(fù)合材料的制造工藝技術(shù)具有巨大發(fā)展?jié)摿? 其中, 低黏度熱塑性樹脂的開發(fā)非常關(guān)鍵.
作者： 徐宇①②③, 廖猜猜①②③, 張淑麗②, 蘇祥穎②, 趙曉路①②③
① 中國科學(xué)院工程熱物理研究所;
② 河北省風(fēng)電葉片工程技術(shù)研究中心;
③ 中國科學(xué)院風(fēng)能利用重點實驗室
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