風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

王紅衛(wèi)

【摘 要】現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片是風(fēng)力機(jī)最重要的部件，如何提高葉片壽命、減少意外的折斷、嚴(yán)重開裂等損壞，有著極其重要的意義。從結(jié)構(gòu)、材料、工藝方面進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，并提出葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的修改設(shè)計(jì)方法和措施，由此提高葉片的剛度和強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力機(jī)葉片；機(jī)構(gòu)改進(jìn)；損壞預(yù)防

風(fēng)力機(jī)葉片折斷等損壞的原因可能是一種或幾種原因共同作用的結(jié)果，需要增強(qiáng)其振動(dòng)節(jié)點(diǎn)等地方的葉片的強(qiáng)度。以1.5MW葉片為例，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和損壞預(yù)防進(jìn)行研究。復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件[1]，它的性能決定了風(fēng)力機(jī)的性能，它的強(qiáng)度和可靠性是風(fēng)力機(jī)可靠性的關(guān)鍵。因此，葉片的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)被視為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[2]。本文從結(jié)構(gòu)和材料方面局部使用碳纖維加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)和工藝方面采用粘接膠接縫處加復(fù)合材料加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)和制造方面從主梁上增加合適的托膠板加強(qiáng)這三個(gè)方面來提出葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的修改設(shè)計(jì)方法和措施。

1.使用碳纖維材料加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

1.1用碳纖維材料加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的必要性

我們知道，振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)區(qū)域應(yīng)該適當(dāng)加強(qiáng)，既減少葉片的損壞幾率，又能不增加太多的重量，并且不至于導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的過大改變。這樣就可以增加葉片抵抗臺(tái)風(fēng)的襲擊，減少葉片折斷的發(fā)生概率。

隨著發(fā)電機(jī)功率的增大，要求葉片長度不斷增加。對(duì)葉片來講，剛度也是一個(gè)十分重要的指標(biāo)。自70 年代以來，大多數(shù)水平軸風(fēng)力機(jī)葉片都是由復(fù)合材料制成的，最常用的復(fù)合材料是預(yù)應(yīng)力玻璃剛塑料（GRP）[3]。始于上世紀(jì)末的相關(guān)研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當(dāng)與樹脂材料混合時(shí)，則成為了風(fēng)力機(jī)適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一，碳纖維復(fù)合材料葉片的剛度是玻璃鋼復(fù)合葉片的兩至三倍。碳纖維作為輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，能滿足葉片強(qiáng)度的需要。

1.2碳纖維結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的加強(qiáng)技術(shù)

如果將極少量的碳纖維用于葉片的敏感振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處，從成本上來講是劃算的。如果所有的表面都用碳纖維，則將增加整個(gè)風(fēng)力機(jī)葉片的成本。如果僅僅在距翼根三分之一處的區(qū)域，即2米范圍內(nèi)；和距翼尖三分之一處的區(qū)域2米范圍內(nèi)，在葉片的內(nèi)表面和外表面進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料加強(qiáng)，就可以提高葉片的敏感振動(dòng)區(qū)域的強(qiáng)度，并增加葉片的抗折斷能力。

另外，如果結(jié)合生產(chǎn)工藝，提前將加強(qiáng)層在鋪設(shè)復(fù)合材料前進(jìn)行鋪設(shè)，會(huì)減少后續(xù)的復(fù)合材料敞開式工藝過程時(shí)間和葉片輪廓的符合性修理時(shí)間和成本。

2.粘結(jié)膠接縫處加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

2.1粘接工藝的缺點(diǎn)和加強(qiáng)的必要性

從葉片損壞的一般情況來看，葉片開裂的地方是粘接層面，正好是粘接膠的膠線。如何減少和避免這種情況的發(fā)生，需要認(rèn)真的分析探討。

現(xiàn)階段葉片的絕大多數(shù)工藝都采用上下半模葉片膠粘成一體。這樣葉片殼體是由上下兩部分組成的，中間存在一定厚度的粘結(jié)膠。但是這種工藝存在先天性的不足：

（1）如果工藝過程中使用了質(zhì)量不太好的膠或質(zhì)量不太好的硬化劑，就會(huì)導(dǎo)致膠的粘接強(qiáng)度不夠。

（2）涂膠工藝的局限性。即使使用了合格的粘接原材料，那么在涂膠過程中，無論是手動(dòng)涂膠還是自動(dòng)設(shè)備涂膠，都難免存在氣泡問題，或者說涂抹不均問題。甚至種種原因?qū)е麓竺娣e缺膠，例如合模過程中的某些地方不合適將已經(jīng)涂好的膠給部分或大部分擦去。

（3）如果發(fā)生了膠的硬化質(zhì)量問題，而且沒有及時(shí)在出廠前發(fā)現(xiàn)，或者質(zhì)量人員檢查出了膠的內(nèi)部含有氣泡，或膠線上缺少粘結(jié)膠，但是由于葉片的形狀問題，葉片的維修人員和生產(chǎn)人員很難到達(dá)葉片的尖部方向的前半部分。使得葉片不容易處理，甚至報(bào)廢。

（4）當(dāng)發(fā)生運(yùn)輸時(shí)的巨大顛簸振動(dòng)，或運(yùn)行中的較大風(fēng)力載荷，抑或使用中的疲勞因素等等，都有可能造成膠線開膠，裂紋，甚至嚴(yán)重開裂。由于葉片的上下半翼不是一個(gè)有機(jī)的整體，是人為的粘接起來的，所以難免發(fā)生開裂的問題。遇到這樣的問題往往會(huì)造成很大的麻煩或巨大損失。

（5）葉片嚴(yán)重開裂會(huì)造成極嚴(yán)重的后果。如果出廠的葉片大面積出現(xiàn)開膠的問題，或開膠的隱患，往往給葉片生產(chǎn)廠造成致命的打擊，甚至停產(chǎn)倒閉。即使發(fā)現(xiàn)及時(shí)，報(bào)廢的只能無奈接受巨額的損失或賠償，如何能夠修理的也需要召回重修或原地重修。由于葉片維修的特設(shè)性，這往往會(huì)給葉片生產(chǎn)廠帶來天文數(shù)字級(jí)別的費(fèi)用。

2.2粘接膠處糊布改進(jìn)粘接工藝技術(shù)概述

鑒于上述葉片粘接工藝的缺點(diǎn)，須針對(duì)性地做一些改進(jìn)。核心思路是在葉片外面的整個(gè)的粘接線上沿線上下20CM 左右的范圍內(nèi)人工糊上2層玻璃纖維和聚酯層，然后在做相應(yīng)的膠衣涂層處理，輪廓打磨處理等和葉片的其他工藝處理。

2.3糊布加強(qiáng)的具體的施工工藝

（1）兩層復(fù)合材料一般來講不易寬度一致，最好下層稍長，上層稍短，這樣易于形成一定程度的過度角，在后續(xù)的葉片輪廓核對(duì)中比較容易達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，也可以不影響葉片的空氣動(dòng)力學(xué)的性能。

（2）如果葉片另一側(cè)的粘接線增加復(fù)合材料層難以實(shí)施，可以在實(shí)際的生產(chǎn)工藝過程中再增加一層用于打磨出葉片的輪廓時(shí)保證仍然有足夠的復(fù)合材料層留在葉片上。

（3）實(shí)際的施工過程中，難免會(huì)有氣味的揮發(fā)。所以這一過程因該在正常生產(chǎn)工藝后續(xù)的工段中結(jié)合這一增強(qiáng)層的要求進(jìn)行。也就是在后續(xù)工段的開始前先進(jìn)行上下半翼膠粘線的加強(qiáng)層的涂敷，然后再進(jìn)行后續(xù)的工藝過程。

（4）結(jié)合成本的要求，具體的實(shí)施過程可能需要生產(chǎn)廠家來平衡增加的重量所增加的整機(jī)方面的符合性和使用輕型的碳纖維所增加的成本方面的承受度這兩者之間的關(guān)系。一般來講，增加的重量不會(huì)對(duì)整個(gè)葉片和整個(gè)機(jī)組造成實(shí)質(zhì)性的影響。因?yàn)椋麄€(gè)加強(qiáng)層的面積和重量相對(duì)于整個(gè)葉片來講很小，對(duì)整體剛度影響不大，但對(duì)局部區(qū)域的剛度、強(qiáng)度都會(huì)有明顯加強(qiáng)。

3.主梁上增加托膠板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

3.1主梁上沒有合適的托膠板引發(fā)的問題和加強(qiáng)的必要性

前面提到過葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的粘結(jié)膠脫落的問題，如果不以關(guān)注可能會(huì)有大的麻煩，直到葉片的開裂，甚至報(bào)廢。前面已有說明，這里僅就對(duì)這一問題的避免和葉片的結(jié)構(gòu)改良作一探討。

原有的主梁上結(jié)構(gòu)，使得大家不得不面對(duì)這樣一個(gè)難題：將膠少涂一些，可以避免多余的膠溢出，但是又會(huì)面臨缺膠的危險(xiǎn)，導(dǎo)致粘接面不良， 給將來的葉片質(zhì)量留下隱患。一旦安裝到風(fēng)力機(jī)的塔筒上面，再進(jìn)行維修是非常困難的，況且，那樣的翼尖三分之一的區(qū)域內(nèi)維修人員是很難到達(dá)去維修的。如果將膠多涂一些，又會(huì)導(dǎo)致多余的壓出的膠被擠出粘接面，因?yàn)橛袑⒔簧侔氲牡胤讲僮魅藛T無法到達(dá)，所以，這些被擠出來的膠就會(huì)掉落到葉片的內(nèi)部，或者呈圓弧狀而不是粘接面的平面狀存在，在葉片的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)中非常容易脫落，導(dǎo)致一系列的問題。我們知道，人們很難在涂膠時(shí)去準(zhǔn)確掌握膠量，即使膠量可以由自控設(shè)備涂抹時(shí)精準(zhǔn)掌握，由于葉片的上下半翼和主梁的粘結(jié)膠層的間隙是存在較大的誤差的，也無法準(zhǔn)確確定膠量。最終的結(jié)果是我們只能將其控制在一定的誤差范圍內(nèi)。

3.2主梁上增加托膠板的結(jié)構(gòu)改進(jìn)技術(shù)

如果說接近翼根的多半個(gè)葉片長度的地方可以通過人工的方法去掉脫落的膠，但是接近翼尖的三分之一處如何去掉多余的容易脫落的膠呢？必須通過一定的方法來避免易脫膠的存在。具體的設(shè)想是在主梁上增加支撐多余膠的薄薄的復(fù)合板，并安裝在主梁上。改造方案如圖1（a）、（b）。

總之，通過部分使用碳纖維，粘接膠接縫處加復(fù)合材料，主梁上增加合適的托膠板這三個(gè)方面的改進(jìn)可以增加結(jié)構(gòu)方面葉片的強(qiáng)度，因而增加葉片抗折斷等損壞的能力，減少折斷，開裂等嚴(yán)重的破壞。

參考文獻(xiàn)：

[1]段耀新，RTM工藝制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，國家科技部創(chuàng)新基金項(xiàng)目網(wǎng)， 2005-6-9.

[2]李巨峰，張?jiān)迫A.風(fēng)力發(fā)電與我國復(fù)合材料葉片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[J]，玻璃鋼學(xué)會(huì)第十五屆全國玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2003：331～334.

[3]陳宇奇，馬輝，陳欣，風(fēng)機(jī)葉片在臺(tái)風(fēng)中結(jié)構(gòu)破壞的分析，中國新能源網(wǎng)，2006-5-22.