08风力机叶片的结构设计、制造与验证技术概述

ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter1风力机叶片的结构设计、制造与验证技术概述第八部分ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter2目录一、前言二、风力机叶片结构设计概述三、风力机叶片结构材料四、风力机叶片成型工艺概述五、风力机叶片结构的性能验证概述六、结束语ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter3一、前言“一流企业出标准，二流企业搞设计，三流企业搞生产”这个观点已是众所周知，然而我们知道我们的风电标准是以借鉴国外标准为主，缺少研究支撑，未形成真正自主的标准；50多家叶片企业技术基本都是引进的，现在在探索性做些自主设计的，所采用的软件也主要是国外的；我国的风电叶片制造企业基本是“加工厂”级的。ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter4所以，尽管我国的风电装机容量增速很快，风电设备产能很高，但我们万万不能盲目乐观，我们要做强、做大、做长我们的风电产业，真正使绿色的风能很好地造福人民、改善我国的能源结构、解决环境污染问题等我们风电届的同仁们需倍加努力，认真研究自主设计技术开发的规律，处理好基础研究、应用研究、技术开发、生产应用等各环节的关系，力争在较短的时间内建立起我国风电产业发展所急需的自主的技术支撑体系。一、前言ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter5这里着力谈一下风力机叶片的结构设计、制造与验证技术。风力发电设备的自主设计、制造包括叶片结构的自主设计和制造。那么叶片结构的自主设计、制造与验证需要哪些技术呢？支撑叶片结构设计的基础数据包括哪些？叶片结构性能的验证平台有何价值？叶片实际运行过程中载荷谱的采集有无必要？我们在叶片结构自主设计方面已具备哪些能力？未来我们还需做哪些工作？以下分结构设计、结构材料、成型工艺、性能验证等四个方面逐一进行介绍。一、前言ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter62.1叶片结构设计结果的表述方法2.2确定叶片结构方案的根本原则2.3叶片结构设计的条件2.4叶片结构设计的步骤二、风力机叶片结构设计概述ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter72.1、叶片结构设计结果的表述方法一般我们可以把叶片设计分为气动设计、结构设计、工艺设计和防雷电设计等。从叶片制造商的角度看，叶片气动设计的昀终结果就是给出叶片的外形数据，具体通常是给出沿叶片展向若干剖面的翼形数据、扭转角、扭心坐标等。依此，叶片制造商即基本具备了开叶片上下蒙皮模具的条件。从叶片结构设计人员的角度看，叶片气动设计除须给出足以准确描述叶片外形的足够的叶剖面的翼形数据、扭转角、扭心坐标之外，还应给出气动载荷数据。ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter82.1、叶片结构设计结果的表述方法从风力机总体设计的角度看，叶片的气动设计须给出风力机的整体性能预测数据，包括风能利用系数，扭矩系数，风轮轴向推力系数，叶尖速比，风能利用系数与尖速比的关系曲线，不同风速风轮扭矩与风轮转速的关系曲线，输出功率与风速的关系曲线，年输出能量与年平均风速的关系曲线，变桨控制要求等等。可见叶片的气动设计结果对不同的人来讲其关心的内容是有差异的。ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter92.1、叶片结构设计结果的表述方法那么叶片的结构设计结果如何表述呢？叶片结构设计的结果基本可通过叶片剖面结构图、桨根连接方案图、各部分的布层铺设方案等表述清楚。在拿到以上结构设计数据、图纸后叶片制造商就可以制造叶片了。当然隐含在以上数据中的设计结果还包括：叶片动力学特性，包括自振频率、转动惯量、质量分布、总重、刚度特性等，这是总体设计人员关心的数据。ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter102.2确定叶片结构方案的根本原则八个字“安全可靠，经济合理”。ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter112.3叶片结构设计的条件气动外形数据，气动载荷数据，材料性能数据ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter122.4叶片结构设计的步骤¾叶片结构布置方案的选择与确定（无梁结构、C形梁-蒙皮结构、D形梁-蒙皮结构、O形梁-蒙皮结构、工字形梁-蒙皮结构…）¾工艺与材料选择（必要时需进行材料性能实测）¾荷载计算（惯性力和重力是应考虑的载荷；气动载荷、运动载荷复核，其它载荷如冰雪载荷的分析）¾基于静动强度、疲劳强度、刚度、稳定性、可靠性的要求进行结构参数的优化设计计算¾绘制结构剖面图、桨根连接方案图，列出各部分的布层铺设表ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter133.1历史沿革与未来趋势3.2复合材料的定义、特点、命名及分类3.3复合材料原材料3.4复合材料成型工艺概述3.5复合材料的历史沿革3.6复合材料的工程应用与发展趋势3.7复合材料叶片的材料选择三、风力机叶片结构材料ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter14风力机的发展已有一个多世纪的历史1890年在丹麦建成了世界上第一个现代型的风力发电装置），在这一个多世纪里，材料工业也有了极大的发展，水平轴风力机的叶片用材料根据风力机自身的发展要求实际上也在不断发展着。木、布、金属（钢、铝等）GFRP、GFRP/CFRP、木增强复合材料、智能复合材料3.1历史沿革与未来趋势ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter15木制叶片及布蒙皮叶片近代的微、小型风力发电机有采用木制叶片的，但木制叶片不易做成扭曲型。大、中型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的主要载荷。与硬铝等金属材料相比,桦木、山毛榉等木材不仅具有重量轻、强度高等特点,还可以有效地降低雷达波的反射,因此,小型无人机螺旋桨也多采用木质材料。对木质材料的基本要求是:木质均匀、强度好和变形小。松木、榉木、桦木和精制层板常作为螺旋桨材料。3.1历史沿革与未来趋势ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter16金属叶片今天我们仍可看到金属制直升机螺旋桨、气垫船螺旋桨、风扇叶片、船用螺旋桨，因此不难理解也有用金属做的风力机叶片。实际上由于合金钢其价格低廉，易加工成细长的形状，因此常采用钢管或D型型钢做叶片纵梁，钢板做肋梁，合金钢也因此一度被认为是首选的风力机叶片材料。然而，它的密度太大，疲劳特性差，易腐蚀，加工成扭曲形状成本高，因而慢慢被别的材料所替代。铝合金的密度为钢铁的1/3，采用挤拉工艺易加工出等弦长的叶片，因其可连续生产、效率高，又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现，因此也有较好的工业价值。但变弦长的叶片没办法挤拉出来，因此其是以牺牲空气动力效率为前提的。这也限定了其只能在小风力机上有一定应用。3.1历史沿革与未来趋势ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter17GFRP叶片GFRP即glassfiberreinforcedplastic，我国俗称“玻璃钢”。大家知道这是当前大型风力机叶片的主体材料。GFRP/CFRP叶片CFRP即carbonfiberreinforcedplastic,GFRP/CFRP即碳纤维和玻璃纤维混杂复合材料一般认为较大型（如42米以上）的叶片采用CFRP或CF与GF混杂的复合材料更合理。3.1历史沿革与未来趋势ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter18未来的叶片会是采用纳米碳管（NCTs)改性的复合材料叶片吗？控制叶片寿命的究竟是哪一个因素？是层间韧性？是……?我们有理由相信未来的叶片结构材料还将不断发展。由于多数从事风力机设计的同志并没有学过复合材料方面的课程，因此下面将介绍一点复合材料的ABC，以更好地理解为什么选择复合材料。3.1历史沿革与未来趋势ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter193.2复合材料的定义、特点、命名及分类1、复合材料的定义：1994年出版的由师昌绪主编的《材料大辞典》对复合材料的定义如下：复合材料是由有机高分子、无机非金属材料或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料的简单混合有本质的区别。ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter202、复合材料的特点：与传统材料相比，复合材料有下述特点：z性能可设计z材料和结构同一z具备复合效应z材料性能对复合工艺依赖性强3.2复合材料的定义、特点、命名及分类ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter21复合材料的性能可设计性是材料科学进展的一大成果，复合材料的力学、机械及热、声、光、电、磁、防腐、抗老化等物理、化学性能都可按制件的使用要求和环境条件要求，通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段，昀大限度地达到预期目的，以满足工程设备的使用性能。传统的单一材料，如木材、金属、玻璃、陶瓷、塑料等只能被选用，不能被设计（指宏观材料设计，不含分子设计）。性能可设计ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter22复合材料尤其是纤维增强复合材料，与其说是材料倒不如说是结构更为恰当。传统材料的构件成型是经过对材料的再加工，在加工过程中材料不发生组分和化学的变化，而复合材料结构与材料是同时形成的，它由组成复合材料的组分材料在复合成材料的同时也就形成了结构。由于复合材料的这一特点，使之结构的整体性好，可大幅度地减少零部件和连接件的数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高构件的可靠性。材料和结构同一ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter23具备复合效应复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的，但它并不是几种材料简单的混合，而是按复合效应形成新的性能，这种复合效应是复合材料仅有的。复合效应包括混合效应和协同效应。混合效应也称作平均效应，是组分材料性能取长补短共同作用的结果；协同效应形式多样，如增强相与基体之间的界面效应、混杂复合材料的混杂效应、层合材料的层合效应及材料强度的尺寸效应。混杂复合材料的应力-应变曲线的直线部分所对应的最大应变，已超过混杂复合材料中具有低延伸率的纤维的破坏应变。所谓“混杂”有两层含义：一是指两种或多种纤维混合在一起；二是指层板的各层采用不同的纤维。ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter24材料性能对复合工艺依赖性强复合材料结构在成型的过程中有组分材料的物理和化学的变化，过程非常复杂，因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性较大，同时由于在成型过程中很难准确地控制工艺参数，所以一般来说复合材料构件的性能分散性也是比较大的。ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter253、复合材料的优缺点与传统材料相比，复合材料作为结构材料在性能上有下述优点：•比强度、比模量大•耐疲劳性能好•阻尼减振性好•破损安全性高•耐腐性能优越ChinaAerodynamicsResearch&Develop