【正文】 景的項目之一，目前在國內(nèi)外發(fā)展迅速。而風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子葉片則是風力發(fā)電機組的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計、材料和工藝決定風力發(fā)電裝置的性能和功率。隨著聯(lián)網(wǎng)型風力發(fā)電機的出現(xiàn)，風力發(fā)電進入高 速發(fā)展時期，傳統(tǒng)材料的葉片在日益大型化的風力發(fā)電機上使用時某些性能已達不到要求，于是具有高比強度的復合材料葉片發(fā)展起來。本課題主要采用 ANSYS 軟件對某風電機組葉片進行三維建模，并在此基礎(chǔ)上對其進行強度分析，從而為優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。 近些年，隨著世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對能源的需求持續(xù)增加，與此同時帶來的全球油價維持高位，天然氣價格不斷攀升等問題日益突出。為解決能源危機，從 20世紀 70年代開始，各國政府和國際組織為新能源、可再生能源的開發(fā)和研究投入大 量資金，目的在于尋求一條經(jīng)濟有效、可持續(xù)的發(fā)展道路。 共 37 頁 第 3 頁 與核能、太陽能、生物質(zhì)等各類新能源相比較，風力發(fā)電具備技術(shù)相對成熟，大規(guī)模開發(fā)門檻低、成本相對偏下等特點，在市場上具有一定的競爭力，受到普遍重視，成為行之有效的解決能源和環(huán)境問題的重要措施之一 [4]。 目前，全球風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，年平均增長率保持在 29%左右 。據(jù)全球風能協(xié)會(GWEC)公布的數(shù)據(jù)， 2020 年全球新增風電總投資達 475億美元，新增裝機容量達 27. 26 GW，比上年增長 36%。到 2020 年底，全球裝機容量已達到 億千瓦，平均增長 30%。據(jù)國際能源署公布的預測資料，到 2020年全世界風力發(fā)電容量將達到 ，是 2020年世界風力發(fā)電裝機容量的 倍。由此可見，風力發(fā)電正在受到越來越多的重視，且以勢不可擋的發(fā)展態(tài)勢在經(jīng)濟市場中占據(jù)著一定的地位。 從裝機容量方面來看，世界風能協(xié)會 (WWEA)發(fā)布的《 2020 世界風能報告》公布的一系列數(shù)據(jù)和資料表明風力發(fā)電的迅速發(fā)展 :2020 年世界風電總裝機容量達到 159213 MW，當年新增容量 38312MW，增長率達 %，達到 2020 年以來最高的年增長率 。風電容量繼續(xù)每 3 年翻 1番， 至 2020 年底全球風力發(fā)電量達到 340TWh，相當于意大利全年總需電量或全球全年總用電量的 2%。 2020 年全球風力發(fā)電行業(yè)的營業(yè)額達 500 億歐元，共雇員 55 萬人，預計在 2020 年風力發(fā)電行業(yè)將首次提供 100 萬個工作崗位 。中國在風力發(fā)電行業(yè)占據(jù)著重要位置，將繼續(xù)發(fā)揮火車頭的作用， 2020 年新增裝機容量 13800MW，連續(xù) 4 年翻番 2 倍以上，成為風力發(fā)電機的最大市場 。美國、中國、德國、西班牙、印度五大風力發(fā)電國家共占全球風電容量的 %，略高于 2020 年的 %。隨著巴西和墨西哥的發(fā)展，拉丁美洲風力發(fā)電 也出現(xiàn)令人鼓舞的增長 .根據(jù)主要風力發(fā)電國家的規(guī)劃，風電在未來仍有巨大的發(fā)展空間。以歐洲為例，計劃到 2020 年實現(xiàn)風力發(fā)電占總發(fā)電量的 12%，而目前各國風電覆蓋率水平較低，全球平均風力發(fā)電量僅占總發(fā)電量的 %，要實現(xiàn) 12%的目標，還需增長近十倍。風電發(fā)展較好大國中， 2020 年底德國風力發(fā)電量占總發(fā)電量的 %，西班牙為 %，屬于歐洲較高水平，而美國的風電覆蓋率僅有 %?？偠灾?，風力發(fā)電在美國、中國、印度以及歐洲部分國家的增長仍將非常迅速。根據(jù)丹麥 BTM 公司觀測，未來五年內(nèi)風電機組裝機 容量仍呈現(xiàn)上漲趨勢。 中國由于其龐大的消費人口以及近 20 年經(jīng)濟的迅速發(fā)展己成為世界第二大能源消費國，面臨著嚴重的能源問題，電力持續(xù)短缺便是其主要問題之一，因此新能源發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)與發(fā)展迫在眉捷。自 2020 年以來，我國風電產(chǎn)業(yè)開始駛?cè)氚l(fā)展的快車道，到 2020 年，已建有 40 個風力發(fā)電站，發(fā)電量達到 萬千瓦，其中以新疆的達坂城發(fā)電站規(guī)模最大。“十五”期間，我國風電并網(wǎng)迅速發(fā)展，全國裝機總?cè)萘窟_到 126萬千瓦，位居世界第 10 位，亞洲第三位，成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)展風力發(fā)電的主要市場之一。 2020 年是 中國發(fā)電設(shè)備容量規(guī)模歷史性突破的一年，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，除臺 共 37 頁 第 4 頁 灣省外新增風電機組 592 臺，累計風電機組 1864 臺，新增裝機容量 萬 kw，累計裝機容量 萬 kw。近幾年，為滿足我國持續(xù)持續(xù)增長的經(jīng)濟要求，國家發(fā)改革委制定了中長期能源戰(zhàn)略規(guī)劃，力爭到 2020 年，使風電裝機容量達到 3000 萬 kw，相當于替代了 2200 萬噸標準煤，同時使我國的風電設(shè)計、制造和管理技術(shù)達到國際先進水平。此外還將陸續(xù)出臺各項可再生能源管理和實施辦法，為風電等各種新能源提供良好的政策保障。 發(fā)展風電已是不 可逆轉(zhuǎn)的潮流，當今世界風電發(fā)展的趨勢是大型化、海洋化、調(diào)速化。 l)單機容量增大 :為提高風能利用率，降低使用成本， 5一 6MW 的海上風電機組已經(jīng)推向市場，風力發(fā)電機組正趨向大型化。 2)風電機組通過不同的調(diào)節(jié)方式提高風電效率，目前比較普遍的是定槳距失速調(diào)節(jié)和變速變槳距調(diào)節(jié) 。 3)風電機組發(fā)電機驅(qū)動方式多樣化，主要有雙饋式、直驅(qū)式和混合式。其中直驅(qū)式由于其節(jié)約投資、減少傳動鏈損失和停機時間以及維護費用低、可靠性好等特點，在市場上占有越來越大的份額 [5]。從國際趨勢來看，風電機組發(fā)電機驅(qū)動方式由直驅(qū)式和混合式取代 雙饋式己成為主流。 4)海上風能資源豐富，因此海上風電的大規(guī)模開發(fā)與發(fā)展將是一種必然趨勢。 葉片技術(shù)現(xiàn)狀 風力發(fā)電機裝機容量不斷增長的大趨勢要求單機容量越來越大，隨著風電機組向大型化發(fā)展，葉片長度也不斷增加。德國 RePower 公司和 Enercon 公司首先供應了 SMW 和6Mw的風力渦輪機。 ReP0wer的 SMw渦輪機的轉(zhuǎn)子直徑為 126m，葉片長度為 。Enereon的 6MW渦輪機轉(zhuǎn)子直徑 127m，葉片長度 58m。然而，這樣大的尺寸還不是極限。 Enercon己在調(diào)研 能否達到 SMw 的發(fā)電量，其他設(shè)計人員正在考慮 12 甚至巧 MW 的渦輪機，2020 年的目標是 20MW。葉片作為接收風能的主要部件，在整個風電設(shè)備系統(tǒng)中的地位尤顯重要，要求其具有合理的翼型設(shè)計、優(yōu)質(zhì)的材料和先進的工藝，其設(shè)計、制造和性能成為了重點研究和大力發(fā)展的目標。目前對于葉片的研究集中在翼型、結(jié)構(gòu)、材料和工藝制造方面 [6]。 l)翼型選擇 共 37 頁 第 5 頁 風力機葉片翼型的性能直接影響風能轉(zhuǎn)換的效率，傳統(tǒng)的風力機葉片翼型一般沿用航空低速葉片翼型，但是相較于風力發(fā)電機的特殊性以及粉塵污染、風蝕的工作環(huán)境，航空低速葉片不能滿足 風電需求。從 80年代中期開始，風電發(fā)達國家開始研究風機葉片專用翼型，通過風洞實驗和數(shù)值計算的方法成功開發(fā)出許多專用翼型系列，比如美國Seri 和 NREL 系列，能有效減小由于葉片表面粗糙度增加而造成的風輪性能下降 。丹麥RISO 一 A 系列，能在接近失速時具有最大升阻比 。瑞典 FFA 一 W 系列，具有較高最大升力系數(shù)和升阻比 。荷蘭 DU系列，具有限制的上表面厚度，低的粗糙度。 2)材料研究 玻璃纖維增強材料葉片 :由于葉片長度加倍后掠風面積可達 4 倍，以致捕獲 4 倍的能量，所以葉片長度也在不斷增加。據(jù)計算，葉片重量與風輪半徑 R 近 似成 3 次方關(guān)系。鑒于此，復合材料以其材料輕，剛度好，抗疲勞性好，抗腐蝕性強，易于處理等特點成為風電葉片使用最普遍的材料。一般情況下， 22m 以下的葉片采用玻璃纖維，大于 42m的葉片采用碳纖維或碳?；祀s纖維，如 NEGMicon 長葉片， 長葉片都在高應力區(qū)使用了碳纖維。碳纖維增強材料葉片 :對于大型葉片，為保證在極端風載下葉尖不碰塔架，葉片必須具備足夠的剛度，剛度標準已成為新一代 MW 級葉片設(shè)計的關(guān)鍵。既要減輕葉片質(zhì)量，又要滿足剛度與強度的要求，采用碳纖維增強材料是行之有效的途徑。碳纖 維增強材料的拉伸模量是玻璃纖維增強材料的 2 一 3 倍，其性能遠遠優(yōu)于玻璃纖維。美國 zoltek 公司生產(chǎn)的隊 NEX33(48K)大絲束碳纖維具有良好的抗疲勞性能，使葉片質(zhì)量減輕 40%，成本降低 14%，并使整個風力發(fā)電裝置成本降低 45%。鑒于碳纖維價格是玻璃纖維的 10 倍左右，制造大型仆卜片時，采用玻璃纖維與碳纖維混雜增強的方案可在保證剛度和強度、降低成本的同時減輕葉片質(zhì)量。 目前世界上最大的碳纖維與玻璃纖維混雜增強材料風機葉片是 Nodex 公司為海上風電 SMW機組研制的長度為 56m 的葉片，此外還開發(fā)了 43m()的碳纖維 /玻璃纖維風機計卜片，用于陸上 機組。 3)制造工藝研究 大型風力機葉片大多采用組裝方式制造，分別在兩個陰模上成型葉片蒙皮，分別在專用模具上成型主梁及其他玻璃鋼部件，然后在主模具上把兩個蒙皮、主梁及其它部件膠接組裝在一起，合模加壓固化后形成整體葉片。 FRP 葉片的成型工藝大致有 :手糊工藝、真空輔助注射、樹脂傳遞模塑 (RTM)、 SCRIMp 浸漬工藝、纖維纏繞藝 (Fw)、纖維鋪放工藝 (FP)、木纖維環(huán)氧飽和工藝 (wEsT)、模壓工藝，這些方法各有側(cè)重。手糊工藝 :屬于傳統(tǒng)葉片成型工藝，也稱作濕法成 型，將纖維基材鋪設(shè)放在單模中，然后用滾或毛刷涂覆玻璃布和樹脂，常溫固化后脫膜，該法以手工勞動為主，成本低，用于低成本、形狀復 共 37 頁 第 6 頁 雜制品。干法成型屬于新興技術(shù)，先將纖維制成浸料，現(xiàn)場鋪放，加溫 (或常溫 )加壓固化，其生產(chǎn)效率高，由丹麥的 Vestas 公司首創(chuàng)并大量應用。樹脂傳遞模塑 (RTM):屬于最新發(fā)展的葉片成型方法，將纖維預成型體置于模腔中，注入樹脂后加溫成型。該法是目前世界上公認的低成本制造方法，發(fā)展迅速，應用廣泛，并衍生出多種方法，主要有生產(chǎn)大型葉片用的 VARTM 和 SCRIMP 法。 VARTM 即真空輔助灌注技術(shù) 是近幾年由 RTM 改進發(fā)展起來的一種工藝。應用真空，以高滲透率介質(zhì)作引導將樹脂注入結(jié)構(gòu)鋪層中，多用于形狀復雜的大型制品。國外在成型大型玻璃鋼產(chǎn)品中有所應用，在我國，由于受到市場、技術(shù)、材料、資金等方面的限制和影響，復合材料葉片制造廠家多采用濕法手糊工藝，該工藝己難以實現(xiàn)兆瓦級大型風力機葉片， VARTM 則是解決這一問題的新型工藝。上海玻璃鋼研究院在研制 IMW 風力機葉片時采用該工藝，通過多次試驗，摸索解決了布管方式、真空度控制、樹脂選擇、鋪層皺折等一系列技術(shù)問題，使葉片成型工藝技術(shù)水平得到大幅提高。纖維纏繞工藝 :借鑒復合材料管道纏繞成型工藝而成，較其它各類成型工藝而言，制品強度高、質(zhì)量穩(wěn)定、可重復性好。其技術(shù)參數(shù)主要涉及纖維張力控制、纏繞速率和纏繞角的控制等。由于葉片典型的非回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)特點，應用該方法成本高，線性設(shè)計復雜，有待進一步發(fā)展。 綜上所述，葉片制造工藝正在向著多樣化、綜合化的方向發(fā)展，除以上介紹的工藝方法外，還有熱融性環(huán)氧預浸料、硬質(zhì)泡沫發(fā)泡和多軸鋪層技術(shù)等。目前，國外已實現(xiàn)先進工藝的產(chǎn)業(yè)化應用，而我國 RTM 工藝還仍外于試驗階段。 葉片研究現(xiàn)狀 葉片設(shè)計是一個優(yōu)化設(shè)計的過程，它本身是一個氣動 與結(jié)構(gòu)相互妥協(xié)的產(chǎn)物，設(shè)計優(yōu)化目標是從最開始的葉素功率輸出最大化到年輸出功率最大化再到現(xiàn)在的性價比最優(yōu)化。葉片氣動設(shè)計包括氣動外形設(shè)計及氣動性能計算，根據(jù)風力機總體性能要求確定風輪直徑、葉片數(shù)、轉(zhuǎn)速、葉片弦長、葉厚、扭角分布。為有效提高比強度并降低成本，葉片的研究重點集中在葉片翼型設(shè)計上。丹麥 LM公司提出了 Future Blade”的概念，且己在其 54m 和 巨型葉片上使用了這種設(shè)計概念。 LM公司研發(fā)部經(jīng)理 Frank V. Nielsen 認為未來葉片設(shè)計的關(guān)鍵已從效率最大化轉(zhuǎn)移到能量成本 (COE)最 優(yōu)化，葉片將會更加細長，這種設(shè)計技術(shù)將會降低葉片載荷，葉片質(zhì)量分布更加優(yōu)化，材料成本將會降低，產(chǎn)品質(zhì)量將更加得到保證 [7]。 目前，國外有關(guān)葉片的相關(guān)研究主要集中在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的數(shù)值分析方法研究。如根據(jù)遺傳、數(shù)值等迭代算法，利用已知條件，通過迭代過程逐漸接近設(shè)計目標。對于系統(tǒng)的葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究成果不多，大部分的研究著重于對算法的改進，以提高迭代過程的準確性與快速性 [8]。