風(fēng)機葉片輔梁布定長裁剪

于莎莎

摘 要：隨著國家對能源重視程度日益增加，在煤炭、石油等常規(guī)能源以外還在不斷的開發(fā)研究新型能源，風(fēng)能作為新興的清潔高效的可再生能源，在當(dāng)今社會受到越來越多的關(guān)注，風(fēng)機葉片作為風(fēng)力發(fā)電機中最重要的組成部分，對發(fā)電功率起著至關(guān)重要的作用。本文主要敘述風(fēng)機葉片的生產(chǎn)工藝及定長裁剪相關(guān)工藝。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電；葉片；定長裁剪

中圖分類號：TP391.73 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）02-0086-01

傳統(tǒng)能源資源的大量使用帶來了許多的環(huán)境問題和社會問題，并且其存儲量大大降低，因而風(fēng)能作為一種清潔的可循環(huán)再生的能源，越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電機葉片是接受風(fēng)能的最主要部件，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證發(fā)電機組正常穩(wěn)定運行的決定因素，其成本約為整個機組成本的15%-20%。根據(jù)“風(fēng)機功價比法則”，風(fēng)力發(fā)電機的功率與葉片長度的平方成正比，增加長度可以提高單機容量，但同時會造成發(fā)電機的體積和質(zhì)量的增加，使其造價大幅度增加。并且，隨著葉片的增大，剛度也成為主要問題。為了實現(xiàn)風(fēng)力的大功率發(fā)電，既要減輕葉片的重量，又要滿足強度與剛度要求，這就對葉片材料提出了很高的要求。

葉片材料發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段：木質(zhì)葉片、鋁合金葉片，直到現(xiàn)在普遍應(yīng)用的纖維復(fù)合材料。纖維復(fù)合材料之所以被采納應(yīng)用，是因為其質(zhì)量比重輕，機械能效好，抗疲勞強度高，在惡劣環(huán)境條件下也能正常承載負荷?，F(xiàn)在市面上普遍采用的纖維材料是玻璃纖維增強聚酯（環(huán)氧）樹脂，風(fēng)機葉片基本上是由聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂等碳纖維與玻璃纖維與熱固性基體樹脂等增強材料，通過手工鋪放、樹脂注入成型等工藝制造成型。根據(jù)葉片長度的不斷增加，對同一種基體樹脂，提高玻璃纖維的模量和拉伸強度要求也越來越高?，F(xiàn)如今，市場上強度較高的增強材料有兩種，一是玻璃纖維材料，二是碳纖維復(fù)合材料。玻璃纖維材料主要用于大型風(fēng)機葉片方向，碳纖維復(fù)合材料主要用于翼緣等對材料強度和剛度要求較高的部位作為增強材料。因為碳纖維復(fù)合材料還具有良好的導(dǎo)電性，所以碳纖維復(fù)合材料不僅可以提高葉片的承載能力，還能夠有效的避免雷擊對葉片的傷害。

現(xiàn)如今風(fēng)機生產(chǎn)制造材料不僅僅為樹脂纖維復(fù)合材料，越來越多的采用碳纖維復(fù)合材料，碳纖維的密度比玻璃纖維的優(yōu)勢有：密度比玻璃纖維小約百分之三十， 比玻璃纖維強度大百分之四十，尤其是模量高三到八倍。大型葉片采用碳纖維增強的優(yōu)點是可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)。有國外科學(xué)家研究表明，一個旋轉(zhuǎn)直徑為120m的風(fēng)機的葉片，采用全碳纖維材料與采用全玻璃纖維材料相比，質(zhì)量能減輕百分之四十左右；而且作為葉片材料，碳纖維復(fù)合材料的剛度是玻璃纖維復(fù)合材料剛度葉片的2倍。據(jù)分析，如采用碳纖維于玻璃纖維混和增強方案，葉片可減輕百分之二十-百分之三十。如葉片采用碳纖維與玻璃纖維混合材料作為構(gòu)件那么，3.0 MW發(fā)電機的葉片長44m的葉片質(zhì)量與常規(guī)材料作為構(gòu)件的2.0MW發(fā)電機且為39m長的葉片質(zhì)量相同。同樣，研究表明長約34m的葉片，采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂時質(zhì)量、采用玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂時質(zhì)量及采用玻璃纖維增強聚脂樹脂時質(zhì)量分別為3800kg、5200kg及5800kg?？梢钥闯鲈谫|(zhì)量方面，在同等強度的情況下碳纖維增強環(huán)氧樹脂質(zhì)量比其它兩種材料的質(zhì)量要輕的多。還有一些研究表明，采用碳纖維所制得的風(fēng)機葉片的質(zhì)量比采用玻璃纖維制得的風(fēng)機葉片的質(zhì)量輕約百分之三十二，而且成本下降約百分之十六。風(fēng)機總是處在條件惡劣的環(huán)境中，并且24h處于工作狀態(tài)。這就使材料易于受到損害。相關(guān)研究表明，碳纖維合成材料具有良好的抗疲勞特性，當(dāng)與樹脂材料混合時，則成為了風(fēng)力機適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一。碳纖維的應(yīng)用可以減少負載和增加葉片長度，從而制造適合于低風(fēng)速地區(qū)的大直徑風(fēng)葉，使風(fēng)能成本下降。可制造自適應(yīng)葉片。葉片裝在發(fā)電機的輪軸上，葉片的角度可調(diào)。目前主動型調(diào)節(jié)風(fēng)機的設(shè)計風(fēng)速為13～15m/s（29～33英里/h），當(dāng)風(fēng)速超過時，則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜度來分散超過的風(fēng)力，防止對風(fēng)機的損害。斜度控制系統(tǒng)對逐步改變的風(fēng)速是有效的。但對狂風(fēng)的反應(yīng)太慢了，自適應(yīng)的各向異性葉片可幫助斜度控制系統(tǒng)，在突然的、瞬間的和局部的風(fēng)速改變時保持電流的穩(wěn)定。自適應(yīng)葉片充分利用了纖維增強材料的特性，能產(chǎn)生非對稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設(shè)計，使葉片在強風(fēng)中旋轉(zhuǎn)時可減少瞬時負載。由于減少了材料的應(yīng)用，所以纖維和樹脂的應(yīng)用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運輸成本都會下降，可縮小工廠的規(guī)模和運輸設(shè)備。碳纖維的振動阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔架短頻率間發(fā)生任何共振的可能性。

當(dāng)前，葉片生產(chǎn)使用的是整卷的玻纖布，在葉片生產(chǎn)時根據(jù)葉片形狀現(xiàn)場修剪。其中輔梁是很規(guī)則的，可以提前裁剪。之前一直是人工使用卷尺測量，剪刀裁剪，裁剪效率低，尺寸誤差大。因此，很有必要設(shè)計研發(fā)一種結(jié)構(gòu)合理，操作方便，自動化程度高的裁剪設(shè)備，提高生產(chǎn)效率，減少尺寸誤差。和山東理工大學(xué)合作開發(fā)輔梁裁剪機，根據(jù)鋪層數(shù)據(jù)編制輔梁裁剪程序，用電機放布和收卷，提高輔梁裁剪效率，且尺寸精確（誤差正負5cm），裁剪效率提高了1倍，大大提高了輔梁布裁剪效率。如圖1所示。

隨著國家節(jié)能減排工作的開展，新能源利用率在逐年提高，風(fēng)電裝機容量在我國也是逐年遞增的趨勢。葉片作為風(fēng)力發(fā)電機組最為重要的部件，作為風(fēng)力葉片制造企業(yè)，其材料工藝與制作工藝的選擇直接決定了企業(yè)的經(jīng)濟效益。