【正文】 景的項(xiàng)目之一，目前在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片則是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計(jì)、材料和工藝決定風(fēng)力發(fā)電裝置的性能和功率。隨著聯(lián)網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入高 速發(fā)展時(shí)期，傳統(tǒng)材料的葉片在日益大型化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用時(shí)某些性能已達(dá)不到要求，于是具有高比強(qiáng)度的復(fù)合材料葉片發(fā)展起來。本課題主要采用 ANSYS 軟件對(duì)某風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)行三維建模，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 近些年，隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)能源的需求持續(xù)增加，與此同時(shí)帶來的全球油價(jià)維持高位，天然氣價(jià)格不斷攀升等問題日益突出。為解決能源危機(jī)，從 20世紀(jì) 70年代開始，各國(guó)政府和國(guó)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(jì)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(fēng)力發(fā)電具備技術(shù)相對(duì)成熟，大規(guī)模開發(fā)門檻低、成本相對(duì)偏下等特點(diǎn)，在市場(chǎng)上具有一定的競(jìng)爭(zhēng)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(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，年平均增長(zhǎng)率保持在 29%左右 。據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)(GWEC)公布的數(shù)據(jù)， 2020 年全球新增風(fēng)電總投資達(dá) 475億美元，新增裝機(jī)容量達(dá) 27. 26 GW，比上年增長(zhǎng) 36%。到 2020 年底，全球裝機(jī)容量已達(dá)到 億千瓦，平均增長(zhǎng) 30%。據(jù)國(guó)際能源署公布的預(yù)測(cè)資料，到 2020年全世界風(fēng)力發(fā)電容量將達(dá)到 ，是 2020年世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的 倍。由此可見，風(fēng)力發(fā)電正在受到越來越多的重視，且以勢(shì)不可擋的發(fā)展態(tài)勢(shì)在經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中占據(jù)著一定的地位。 從裝機(jī)容量方面來看，世界風(fēng)能協(xié)會(huì) (WWEA)發(fā)布的《 2020 世界風(fēng)能報(bào)告》公布的一系列數(shù)據(jù)和資料表明風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展 :2020 年世界風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到 159213 MW，當(dāng)年新增容量 38312MW，增長(zhǎng)率達(dá) %，達(dá)到 2020 年以來最高的年增長(zhǎng)率 。風(fēng)電容量繼續(xù)每 3 年翻 1番， 至 2020 年底全球風(fēng)力發(fā)電量達(dá)到 340TWh，相當(dāng)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(fēng)力發(fā)電行業(yè)的營(yíng)業(yè)額達(dá) 500 億歐元，共雇員 55 萬人，預(yù)計(jì)在 2020 年風(fēng)力發(fā)電行業(yè)將首次提供 100 萬個(gè)工作崗位 。中國(guó)在風(fēng)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(jī)容量 13800MW，連續(xù) 4 年翻番 2 倍以上，成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大市場(chǎng) 。美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、西班牙、印度五大風(fēng)力發(fā)電國(guó)家共占全球風(fēng)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(fēng)力發(fā)電 也出現(xiàn)令人鼓舞的增長(zhǎng) .根據(jù)主要風(fēng)力發(fā)電國(guó)家的規(guī)劃，風(fēng)電在未來仍有巨大的發(fā)展空間。以歐洲為例，計(jì)劃到 2020 年實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電占總發(fā)電量的 12%，而目前各國(guó)風(fēng)電覆蓋率水平較低，全球平均風(fēng)力發(fā)電量?jī)H占總發(fā)電量的 %，要實(shí)現(xiàn) 12%的目標(biāo)，還需增長(zhǎng)近十倍。風(fēng)電發(fā)展較好大國(guó)中， 2020 年底德國(guó)風(fēng)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(guó)的風(fēng)電覆蓋率僅有 %?？偠灾L(fēng)力發(fā)電在美國(guó)、中國(guó)、印度以及歐洲部分國(guó)家的增長(zhǎng)仍將非常迅速。根據(jù)丹麥 BTM 公司觀測(cè)，未來五年內(nèi)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī) 容量仍呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)。 中國(guó)由于其龐大的消費(fèi)人口以及近 20 年經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展己成為世界第二大能源消費(fèi)國(guó)，面臨著嚴(yán)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(guó)風(fēng)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(gè)風(fēng)力發(fā)電站，發(fā)電量達(dá)到 萬千瓦，其中以新疆的達(dá)坂城發(fā)電站規(guī)模最大?！笆濉逼陂g，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)迅速發(fā)展，全國(guó)裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到 126萬千瓦，位居世界第 10 位，亞洲第三位，成為繼歐洲、美國(guó)和印度之后發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要市場(chǎng)之一。 2020 年是 中國(guó)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(jìn)一步優(yōu)化，除臺(tái) 共 37 頁 第 4 頁 灣省外新增風(fēng)電機(jī)組 592 臺(tái)，累計(jì)風(fēng)電機(jī)組 1864 臺(tái)，新增裝機(jī)容量 萬 kw，累計(jì)裝機(jī)容量 萬 kw。近幾年，為滿足我國(guó)持續(xù)持續(xù)增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)要求，國(guó)家發(fā)改革委制定了中長(zhǎng)期能源戰(zhàn)略規(guī)劃，力爭(zhēng)到 2020 年，使風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 3000 萬 kw，相當(dāng)于替代了 2200 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)使我國(guó)的風(fēng)電設(shè)計(jì)、制造和管理技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。此外還將陸續(xù)出臺(tái)各項(xiàng)可再生能源管理和實(shí)施辦法，為風(fēng)電等各種新能源提供良好的政策保障。 發(fā)展風(fēng)電已是不 可逆轉(zhuǎn)的潮流，當(dāng)今世界風(fēng)電發(fā)展的趨勢(shì)是大型化、海洋化、調(diào)速化。 l)單機(jī)容量增大 :為提高風(fēng)能利用率，降低使用成本， 5一 6MW 的海上風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)推向市場(chǎng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正趨向大型化。 2)風(fēng)電機(jī)組通過不同的調(diào)節(jié)方式提高風(fēng)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(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)鏈損失和停機(jī)時(shí)間以及維護(hù)費(fèi)用低、可靠性好等特點(diǎn)，在市場(chǎng)上占有越來越大的份額 [5]。從國(guó)際趨勢(shì)來看，風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(fēng)能資源豐富，因此海上風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)與發(fā)展將是一種必然趨勢(shì)。 葉片技術(shù)現(xiàn)狀 風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量不斷增長(zhǎng)的大趨勢(shì)要求單機(jī)容量越來越大，隨著風(fēng)電機(jī)組向大型化發(fā)展，葉片長(zhǎng)度也不斷增加。德國(guó) RePower 公司和 Enercon 公司首先供應(yīng)了 SMW 和6Mw的風(fēng)力渦輪機(jī)。 ReP0wer的 SMw渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑為 126m，葉片長(zhǎng)度為 。Enereon的 6MW渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑 127m，葉片長(zhǎng)度 58m。然而，這樣大的尺寸還不是極限。 Enercon己在調(diào)研 能否達(dá)到 SMw 的發(fā)電量，其他設(shè)計(jì)人員正在考慮 12 甚至巧 MW 的渦輪機(jī)，2020 年的目標(biāo)是 20MW。葉片作為接收風(fēng)能的主要部件，在整個(gè)風(fēng)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(jì)、優(yōu)質(zhì)的材料和先進(jìn)的工藝，其設(shè)計(jì)、制造和性能成為了重點(diǎn)研究和大力發(fā)展的目標(biāo)。目前對(duì)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(fēng)力機(jī)葉片翼型的性能直接影響風(fēng)能轉(zhuǎn)換的效率，傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)葉片翼型一般沿用航空低速葉片翼型，但是相較于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特殊性以及粉塵污染、風(fēng)蝕的工作環(huán)境，航空低速葉片不能滿足 風(fēng)電需求。從 80年代中期開始，風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家開始研究風(fēng)機(jī)葉片專用翼型，通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法成功開發(fā)出許多專用翼型系列，比如美國(guó)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(fēng)輪性能下降 。丹麥RISO 一 A 系列，能在接近失速時(shí)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(qiáng)材料葉片 :由于葉片長(zhǎng)度加倍后掠風(fēng)面積可達(dá) 4 倍，以致捕獲 4 倍的能量，所以葉片長(zhǎng)度也在不斷增加。據(jù)計(jì)算，葉片重量與風(fēng)輪半徑 R 近 似成 3 次方關(guān)系。鑒于此，復(fù)合材料以其材料輕，剛度好，抗疲勞性好，抗腐蝕性強(qiáng)，易于處理等特點(diǎn)成為風(fēng)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(zhǎng)葉片， 長(zhǎng)葉片都在高應(yīng)力區(qū)使用了碳纖維。碳纖維增強(qiáng)材料葉片 :對(duì)于大型葉片，為保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具備足夠的剛度，剛度標(biāo)準(zhǔn)已成為新一代 MW 級(jí)葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。既要減輕葉片質(zhì)量，又要滿足剛度與強(qiáng)度的要求，采用碳纖維增強(qiáng)材料是行之有效的途徑。碳纖 維增強(qiáng)材料的拉伸模量是玻璃纖維增強(qiáng)材料的 2 一 3 倍，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于玻璃纖維。美國(guó) zoltek 公司生產(chǎn)的隊(duì) 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(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置成本降低 45%。鑒于碳纖維價(jià)格是玻璃纖維的 10 倍左右，制造大型仆卜片時(shí)，采用玻璃纖維與碳纖維混雜增強(qiáng)的方案可在保證剛度和強(qiáng)度、降低成本的同時(shí)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(qiáng)材料風(fēng)機(jī)葉片是 Nodex 公司為海上風(fēng)電 SMW機(jī)組研制的長(zhǎng)度為 56m 的葉片，此外還開發(fā)了 43m()的碳纖維 /玻璃纖維風(fēng)機(jī)計(jì)卜片，用于陸上 機(jī)組。 3)制造工藝研究 大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用組裝方式制造，分別在兩個(gè)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(gè)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(dòng)為主，成本低，用于低成本、形狀復(fù) 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(chǎng)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(yīng)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(yù)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(rèn)的低成本制造方法，發(fā)展迅速，應(yīng)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(jìn)發(fā)展起來的一種工藝。應(yīng)用真空，以高滲透率介質(zhì)作引導(dǎo)將樹脂注入結(jié)構(gòu)鋪層中，多用于形狀復(fù)雜的大型制品。國(guó)外在成型大型玻璃鋼產(chǎn)品中有所應(yīng)用，在我國(guó)，由于受到市場(chǎng)、技術(shù)、材料、資金等方面的限制和影響，復(fù)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(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)大型風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)葉片時(shí)采用該工藝，通過多次試驗(yàn)，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(fù)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(qiáng)度高、質(zhì)量穩(wěn)定、可重復(fù)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(diǎn)，應(yīng)用該方法成本高，線性設(shè)計(jì)復(fù)雜，有待進(jìn)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(yù)浸料、硬質(zhì)泡沫發(fā)泡和多軸鋪層技術(shù)等。目前，國(guó)外已實(shí)現(xiàn)先進(jìn)工藝的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，而我國(guó) RTM 工藝還仍外于試驗(yàn)階段。 葉片研究現(xiàn)狀 葉片設(shè)計(jì)是一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程，它本身是一個(gè)氣動(dòng) 與結(jié)構(gòu)相互妥協(xié)的產(chǎn)物，設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)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(jià)比最優(yōu)化。葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)包括氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)及氣動(dòng)性能計(jì)算，根據(jù)風(fēng)力機(jī)總體性能要求確定風(fēng)輪直徑、葉片數(shù)、轉(zhuǎn)速、葉片弦長(zhǎng)、葉厚、扭角分布。為有效提高比強(qiáng)度并降低成本，葉片的研究重點(diǎn)集中在葉片翼型設(shè)計(jì)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(jì)概念。 LM公司研發(fā)部經(jīng)理 Frank V. Nielsen 認(rèn)為未來葉片設(shè)計(jì)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(huì)更加細(xì)長(zhǎng)，這種設(shè)計(jì)技術(shù)將會(huì)降低葉片載荷，葉片質(zhì)量分布更加優(yōu)化，材料成本將會(huì)降低，產(chǎn)品質(zhì)量將更加得到保證 [7]。 目前，國(guó)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(jì)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(jì)目標(biāo)。對(duì)于系統(tǒng)的葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究成果不多，大部分的研究著重于對(duì)算法的改進(jìn)，以提高迭代過程的準(zhǔn)確性與快速性 [8]。