摘 要: 介紹了風輪機轉輪葉片的結構型式、翼型的優化（huà）和材料性能, 以及大型風輪機葉（yè）片的製造工藝,包括外殼（ké）成型、添（tiān）充纖維的製作、真空浸漬和（hé）烘烤固（gù）化, 指出風輪機的設計製造必須經過模擬試（shì）驗。

關鍵詞: 風電設備; 轉輪葉片;

     製造工藝我國風力發電產量已（yǐ）經躍居世界第（dì）三, 風電設備製造業已（yǐ）超過70 多（duō）家。在風電機組價格中, 風輪機幾乎占了一半, 而葉片又是風輪機轉輪的最關鍵部件。葉片的設計、製造對風電設備的輸出功率、運行壽命等有重（chóng）大影響。

1 翼型的優化

      作為流體機械的風輪機轉輪葉片斷麵呈流線型（xíng）( 魚形) , 葉片的過流外（wài）表麵( 包括正麵（miàn）和背麵) 的翼型非常複雜。在葉片形狀優化過程中,對型麵升力的優化（huà）, 應當（dāng）線性插入衝擊角和雷諾數; 而對型麵（miàn）的阻力（lì）, 則應線性插入衝擊角和對數插入雷諾數。對距離的線性插值法可以確定最終（zhōng）的升力和阻力係數值。當翼型的型麵升力（lì）較高時, 可以最大限度地（dì）獲（huò）得風能; 在（zài）光潔和粗（cū）糙性能之間, 優選具有中等（děng）升力的翼型的型麵是較好的折中方法; 對於1 m以上的大（dà）型（xíng）風輪機轉輪葉片, 應按相似法則進行（háng）翼型的型麵和形狀的優化; 對於小型風輪機（jī）轉輪葉（yè）片, 應在較低的雷（léi）諾數（shù）下進行設計, 此時（shí）粗糙度的影響更為重要。

      轉輪葉片的設計和製造必須保證翼型的型麵、型線的準確, 葉片表麵粗糙度要符合要求。表麵太（tài）光亮會造成製造成本（běn）太高, 表麵太粗糙時蚊蟲、灰塵等會附著, 增大風流阻力（lì）而影響效率。近年（nián）來（lái）風輪機轉（zhuǎn）輪葉片的設計不斷改進, 新一代（dài）的翼型能大幅度增加( 約20%) 捕集（jí）風能的能力提（tí）高機組輸出功率。

     風輪機轉（zhuǎn）輪承受的（de）動態負荷計算是一個世界性課題, 至今尚無可靠（kào）的計算方法。應建立精確的動態模型, 其要（yào）求的條件是（shì）:

( 1) 適當的自由度。

( 2) 葉片截麵的靜態特性。

( 3) 詳細的風況參數( 空間和時間的關係) 。

( 4) 忽略不穩定的空氣動（dòng）力作用。

      因這些條件很難同時滿足（zú）, 因此, 翼型優化（huà）過程中, 隻能在翼（yì）麵升力和阻力（lì）之間、在光亮和粗糙之間, 選擇折中的方法。為了保（bǎo）證按現有水平設計的葉片（piàn）實現低成本的批（pī）量生產, 還必須采用現代化的（de）製造工藝。
 

2 結構形（xíng）式選擇

      葉片斷麵結構形式基本上分成兩種: 用於小型葉片的半空（kōng）心式和用於大（dà）型葉片的全空心式（shì）。

      2. 1 半空（kōng）心式葉片

     半空心式葉片早期用於中小型的轉輪, 其特點是葉片的魚形斷麵中部( 相當於1/ 3 長度) 設有橢圓形骨架( 用於承（chéng）受負載) , 裏麵為中空。葉片基本上由兩種材料組成, 即玻璃纖維強化塑料 ( 外殼、骨架和裏襯) 和填（tián）充樹脂( 氨基甲醇乙酯係列黏結劑) 。

     2. 2 全（quán）空心式葉片

     當風輪機單機容量增大（dà）到1 000 kW以上時,就必須設法減輕質量, 降低成本, 但是要保證提高機（jī）械強度（dù）, 此時（shí）采用全空心的轉輪葉（yè）片（piàn）。它與（yǔ）半空心式斷麵結構的主（zhǔ）要區別是, 葉片的魚形斷麵中部 ( 相當（dāng）於1/ 3 長（zhǎng）度) 設有加厚的（de）方形（xíng）骨架( 用於承受負載（zǎi）) , 裏麵為中空; 葉片斷麵的出風側( 也相當於1/ 3 長（zhǎng）度) 的外殼( 包括正麵和背麵) 裏麵敷設泡沫體的（de）裏襯。葉（yè）片基本上也由兩種材料組成, 即（jí）玻璃纖維強（qiáng）化塑料( 外殼、骨架) 和發泡裏襯。

3 結構材料對比

     3. 1 強化材料

      強化材料包括:

( 4) 整體性玻璃纖維強（qiáng）化（huà）塑料（liào）。

     對於葉片材料性能, 除了物理性能以外（wài）, 還要從成型性能、大批量生產條件和價（jià）格等方麵予以綜（zōng）合考慮。葉片各種材料性能綜合對比見表1。

     由表1 可知, 碳素纖維和聚酰亞胺纖維強化塑料的機械性能都（dōu）比整體性玻璃纖維強化塑料優越, 而且轉輪葉片采用碳素纖維時, 運行壽較長; 但是從成型性能和價格方麵看, 還是整體性玻璃纖維強化（huà）塑（sù）料優越。目前世界上新增風電機組, 特（tè）別（bié）是大型風輪機組還（hái）是以整體性玻璃纖維強化塑料為主流。

     3. 2 填充（chōng）材料

     3. 2. 1 纖維材（cái）料

     早期的風輪葉片曾經采用木材、竹子、鋁合金等, 後來都改用人造（zào）材料。現代風輪機（jī）轉輪葉片的填充纖（xiān）維材料和機械性能對比見表2。

     由表2 可見, 當葉片長度達30~ 45 m 時, 葉超過2 400 kW時, 單機容量與（yǔ）轉輪（lún）直徑分別為: 3 500 kW/ 92 m、5 000 kW/ 120 m 和（hé）7 300 kW/122 m 。

      3. 2. 2 樹脂材（cái）料

      從經濟性、作（zuò）業性、生產性、實用性（xìng）等多方麵考慮, 葉片內部填充樹脂被廣泛采用的主要是（shì）不飽和聚酯樹脂。但隨著風電設備的大型化, 對抗壓縮強度、抗疲勞（láo）強度的要求都很高（gāo）, 長（zhǎng）度超過20 m 的大型（xíng）葉片已廣泛采用延展性被改善了的不飽和聚酯樹脂和延展性、黏結性（xìng）都很優越的（de）乙烯脂。

4 現代製造工（gōng）藝

     大型（xíng）葉片（piàn）采用高壓真空浸漬樹脂的現代製造（zào）工藝。

      4. 1 外殼成型（xíng）

     葉片外（wài）殼由（yóu）三部分構成:

      ( 1) 能夠承受高壓真空負壓作用的薄膜。

      ( 2) 能夠吸入浸漬樹脂的擴（kuò）散層。

      ( 3) 成（chéng）型後容易脫模的剝離層。

      大型葉片外殼可（kě）以（yǐ）分半（bàn）製作, 即兩個半瓣的葉片分別（bié）在模具上成型固化。

      4. 2 填充纖維

     固（gù）化成型的葉片內部填充以（yǐ）作為基材的強化玻璃絲（sī）纖維編織物等材料。對於長度為20 m的（de）小型葉片, 采用手工編織、浸（jìn）漬方法, 填充纖質量含量（liàng）為40% ~ 50% ; 長度（dù）為27 m 的大（dà）型葉片時, 采用真空浸漬法製作, 填充纖維質量含量達到65%~ 75% 。

      填充纖維（wéi）的編織工（gōng）藝有:

      ( 1) 當葉片（piàn）長（zhǎng）度小於20 m 時, 廣泛采用的是將玻璃纖維按縱橫交錯、柵網交叉、相互組合、允許滑動的（de）方法製造（zào）。

      ( 2) 當葉片長度大於20 m 時（shí）就要求織成“# ”字形的（de）經線和緯線, 相（xiàng）互之間不能滑動, 纖維束和線不再是單一方向的（de）編織, 而是沿著0°、90°和± 45°多重組合編織, 實現多層化。“× ”字形對角線疊（dié）加到 “# ”字形（xíng）經線和緯（wěi）線上, 使其固定, 不再竄動, 而且纖維編織緊密、波浪度小, 抗壓縮強度較高。

4. 3 真空浸漬

      放置在（zài）成型模具上的葉片( 內部已填充基材) 進行密封, 隻在（zài）兩端留有小孔, 葉（yè）片根部小孔作為注入浸漬樹脂（zhī）的入口) ) ) 葉片尖端小孔作為抽取真空用的出口。在高真空負壓作用下, 浸漬樹脂（zhī）由葉片根部小孔不斷抽入, 穿過內部填充的強（qiáng）化玻璃絲纖維編織物等積層材（cái）料, 被抽到葉片尖端, 包括葉片外殼內側的浸漬樹脂擴散層部分, 使浸漬樹脂與（yǔ）外殼（ké）內（nèi）層也緊密黏結, 成為沒有任何氣泡（pào）和空隙的密集實體。

4. 4 烘烤固化

      對放成型模具上的並經過真空浸漬的整根葉片進行烘烤, 固（gù）化成型, 最後葉片表麵塗以性能較高的防蝕塗料。

5 葉片模擬試驗（yàn）

      風輪（lún）機轉輪（lún）必須能夠同時（shí）承受軸向風的推力和轉輪葉片自身（shēn）的離心力（lì）, 應能保證額定工況下（xià）和（hé）強風（fēng）作用下的（de）機械強度。根據風況條件、紊（wěn）流強度、紊流頻譜、最大風速、風向變化等（děng）工況進行模擬試驗, 積累真機運行數據, 並根據（jù）啟動、停（tíng）機和緊急停機、故障、地震、檢修維護等狀（zhuàng）態下的運行特性曲（qǔ）線, 作出風輪機轉（zhuǎn）輪葉片（piàn）的振動響應模式圖, 並根據風況曲（qǔ）線和運行特性曲線進行（háng）組合, 計算不同時間的風（fēng）速變化及其轉輪葉片的響（xiǎng）應, 製作有限元模型（xíng）, 對葉片進行應力（lì）解析。將解析結果與（yǔ）最大（dà）負荷時葉片的應力、材料強度進行比較, 再對其靜態強度進行評價。在（zài）求出設計壽命（mìng）期限內（nèi）的應力譜和疲勞損（sǔn）傷率以後, 再評價其疲勞強度, 最後進行真機試驗驗證。必須根（gēn）據所積累的真機運行數據和模擬試驗驗證（zhèng）結果來進行評價。長達45 m 的轉輪葉（yè）片也必須進行模（mó）擬試（shì）驗, 將葉片根部固定在轉盤（pán）上, 沿其長度方向布置多個懸垂負荷, 通過轉盤轉動、葉片擺動,進行模擬運行試驗。

6 結 語

      當（dāng）今世界大型風電設備轉輪葉片的製（zhì）造趨向於專業化生產, 如: 天奇與英（yīng）國瑞爾合資, 設立無錫竹風（fēng）公司, 專（zhuān）門研製竹質複合材料轉輪葉片; 中航( 保（bǎo）定) 惠騰公司、中複連眾複（fù）合材料公司和上海玻璃鋼研究院、北京（jīng）玻璃鋼研究院合作, 專（zhuān）門生產轉輪葉（yè）片; 日本三菱公司委托美國纖維強（qiáng）化塑料（liào）廠在加拿大建廠, 可（kě）年產大型葉片1 000件; 印（yìn）度蘇司蘭公司也在天津建廠, 專門生產轉輪葉片及其他部件等。市場上銷售的葉片,不一定能適應國情和每個風場的風況, 因此必須自主創（chuàng）新解決。