大型风机叶片一次成型设计与制备

大型风机叶片一次大型风机叶片一次成型设计与制备成型设计与制备黄争鸣黄争鸣同济大学航空航天与力学学院同济大学航空航天与力学学院1.1.国内外现状国内外现状3.3.技术创新技术创新4.4.优势对比优势对比2.2.发展趋势发展趋势5.5.基础和实力基础和实力66..计划与进展计划与进展Tel:021Tel:021--6598537365985373目录目录目前，世界上的目前，世界上的叶片制造都采用叶片制造都采用多步成型多步成型工艺：叶片上、下外壳和龙骨梁（腹板）工艺：叶片上、下外壳和龙骨梁（腹板）分别制成后，再粘成一体。分别制成后，再粘成一体。上叶壳上叶壳下叶下叶壳壳龙骨梁龙骨梁粘结处粘结处粘结处粘结处Tel:021Tel:021--6598537365985373一、国内外现状一、国内外现状一、国内外现状Tel:021Tel:021--6598537365985373一、国内外现状一、国内外现状一、国内外现状由于粘接处（粘胶）的强度远低于复由于粘接处（粘胶）的强度远低于复合材料本身的强度，使叶片的整体力合材料本身的强度，使叶片的整体力学性能大打折扣；一旦叶壳、腹板等学性能大打折扣；一旦叶壳、腹板等的加工精度、粘接定位精度或压实精的加工精度、粘接定位精度或压实精度不能保证，就导致实际叶形与设计度不能保证，就导致实际叶形与设计的不一致，降低叶片的实际效率。的不一致，降低叶片的实际效率。Tel:021Tel:021--6598537365985373一、国内外现状一、国内外现状一、国内外现状风机功率与风速的风机功率与风速的33次方成正比；叶次方成正比；叶片越长，安装塔离地面越高，风能密片越长，安装塔离地面越高，风能密度越大；随着风电场越建越多，可利度越大；随着风电场越建越多，可利用风场的年均风速必然会越来越低。用风场的年均风速必然会越来越低。这就要求未来的风机叶片越做越大。这就要求未来的风机叶片越做越大。Tel:021Tel:021--6598537365985373二、发展趋势二、发展趋势二、发展趋势但美国研究表明：将巨型叶片运至风电场，但美国研究表明：将巨型叶片运至风电场，3232mm长的每只长的每只$17,000$17,000，，4545mm长的每只长的每只$84,470$84,470，，6262mm长的每只则高达长的每只则高达$437,383$437,383。。他们的对比研究还证明：采用目前分步制他们的对比研究还证明：采用目前分步制备、粘结成型工艺，由于模具多、工序复备、粘结成型工艺，由于模具多、工序复杂、厂房面积大、对员工技术要求高，叶杂、厂房面积大、对员工技术要求高，叶片的现场制备同样不具有成本优势。片的现场制备同样不具有成本优势。Tel:021Tel:021--6598537365985373二、发展趋势二、发展趋势二、发展趋势一方面，为降低风电成本、充分利用风能一方面，为降低风电成本、充分利用风能资源，未来风机叶片会越做越大；另一方资源，未来风机叶片会越做越大；另一方面，巨型叶片的强度、刚度与低成本要求面，巨型叶片的强度、刚度与低成本要求使其研制和生产面临巨大挑战。使其研制和生产面临巨大挑战。未来的发展必然是未来的发展必然是““三新三新””：：追求追求新设计新设计、、研发研发新工艺新工艺、、采用采用新材料新材料，其中尤以对大，其中尤以对大型叶片的型叶片的整体一次成型整体一次成型，将会给行业带来，将会给行业带来革命性的影响。革命性的影响。Tel:021Tel:021--6598537365985373二、发展趋势二、发展趋势二、发展趋势本项目最主要的创新是采用本项目最主要的创新是采用““智能芯、真空智能芯、真空辅助辅助RTMRTM注射树脂、闭模一次成型注射树脂、闭模一次成型””技术实技术实现现11.5.5兆瓦以上的超大型风机叶片制备。兆瓦以上的超大型风机叶片制备。叶片外壳叶片外壳智能芯智能芯模腔模腔Tel:021Tel:021--6598537365985373三、技术创新三、技术创新三、技术创新整体一次成型的难点源于使用芯模。整体一次成型的难点源于使用芯模。传统芯模为刚性的，传统芯模为刚性的，RTMRTM注射的树脂注射的树脂充满芯模与模腔之间的纤维间隙。充满芯模与模腔之间的纤维间隙。间隙小会造成树脂短路、叶片报废；间隙小会造成树脂短路、叶片报废；间隙大则树脂含量高，叶片力学性能间隙大则树脂含量高，叶片力学性能难保障。难保障。此外，芯模发泡须使用叶片成型模，此外，芯模发泡须使用叶片成型模，完全固化要数天时间，导致模具利用完全固化要数天时间，导致模具利用率低、生产周期长。率低、生产周期长。Tel:021Tel:021--6598537365985373三、技术创新三、技术创新三、技术创新本项目的关键是本项目的关键是智能芯智能芯，其体积和大小可控：，其体积和大小可控：叶片外壳叶片外壳智能芯智能芯Tel:021Tel:021--6598537365985373三、技术创新三、技术创新三、技术创新注射树脂时芯体积小，芯模与模腔的间隙足够大，注射树脂时芯体积小，芯模与模腔的间隙足够大，可保证所有纤维都得到完全浸润。可保证所有纤维都得到完全浸润。固化成型时芯体积变大，高达固化成型时芯体积变大，高达33~5~5个大气压的挤个大气压的挤胶压力胶压力，可将多余树脂尽数挤出。，可将多余树脂尽数挤出。固化成型后将芯模移出，使叶片成为中空结构。固化成型后将芯模移出，使叶片成为中空结构。••叶片外形与模具形腔完全一致叶片外形与模具形腔完全一致，彻底消除因加，彻底消除因加工误差导致叶片实际外形与设计外形不一致、工误差导致叶片实际外形与设计外形不一致、气动效率降低的隐患；气动效率降低的隐患；••表面光洁度高、无任何粘痕表面光洁度高、无任何粘痕，将叶片的动能损，将叶片的动能损失降到最低，相同风况下叶片出力更大；失降到最低，相同风况下叶片出力更大；••叶根承受正应力叶根承受正应力，相对目前承受剪应力的叶根，相对目前承受剪应力的叶根强度提高强度提高55倍以上；倍以上；••增强纤维沿横截面连续增强纤维沿横截面连续，再也不可能发生因粘，再也不可能发生因粘结不牢导致上下叶壳脱层或开裂；结不牢导致上下叶壳脱层或开裂；Tel:021Tel:021--6598537365985373四、优势对比四、优势对比四、优势对比••由于不使用任何粘结剂由于不使用任何粘结剂，叶片服役温度范围更，叶片服役温度范围更宽，并避免雷电击穿、雨水渗透的危险；宽，并避免雷电击穿、雨水渗透的危险；••整体力学性能好尤其强度成倍提高整体力学性能好尤其强度成倍提高，使叶片具，使叶片具有更长的使用寿命；有更长的使用寿命；••由于成型是自动、一次性完成，由于成型是自动、一次性完成，不同叶片之间不同叶片之间重复性好，有利于机组的动平衡和可靠运行；重复性好，有利于机组的动平衡和可靠运行；••所需厂房面积小所需厂房面积小（小一倍以上）（小一倍以上）、设备少、设备少；；Tel:021Tel:021--6598537365985373四、优势对比四、优势对比四、优势对比••成型效率成型效率比分步制备、粘结成型比分步制备、粘结成型至少提高一倍至少提高一倍以上以上；；••材料用量少、材料用量少、100%100%国产原材料、重量轻、能国产原材料、重量轻、能耗低、环境友好耗低、环境友好；；••便于巨型叶片的现场制备便于巨型叶片的现场制备。。••生产员工大大减少生产员工大大减少（大约只需目前工艺的（大约只需目前工艺的1/31/3生生产员工）产员工）尤其对员工的技术要求低尤其对员工的技术要求低；；Tel:021Tel:021--6598537365985373四、优势对比四、优势对比四、优势对比新型叶片制造的主要环节：新型叶片制造的主要环节：结构、工艺、材料设计；结构、工艺、材料设计；气动外形设计；气动外形设计；模具设计加工；模具设计加工；一次成型制备。一次成型制备。Tel:021Tel:021--6598537365985373五、基础与实力五、基础与实力五、基础与实力Tel:021Tel:021--6598537365985373五、基础与实力五、基础与实力五、基础与实力叶片气动外形设计是目前我国风电行业的软肘。叶片气动外形设计是目前我国风电行业的软肘。初期，我们将委托国外专业设计公司完成，但会初期，我们将委托国外专业设计公司完成，但会力争尽快实现自主设计。力争尽快实现自主设计。结构铺层设计是我们的强项。事实上，国外著名结构铺层设计是我们的强项。事实上，国外著名公司如公司如AerodynAerodyn、、CTCCTC等都只能对传统叶片（分等都只能对传统叶片（分半制作、带有芯梁、粘结成型）进行结构设计。半制作、带有芯梁、粘结成型）进行结构设计。11、叶片外形设计、叶片外形设计22、叶片结构设计、叶片结构设计工程中，应用各向同性材料时所涉及的力学理论工程中，应用各向同性材料时所涉及的力学理论皆众所周知。为了给应用复合材料时提供一个权皆众所周知。为了给应用复合材料时提供一个权威推荐，英国的两个皇家学会于威推荐，英国的两个皇家学会于19911991年开始对世年开始对世界上最有影响的复合材料力学理论进行界上最有影响的复合材料力学理论进行““破坏分破坏分析奥运会（析奥运会（FailureOlympicsFailureOlympics））””盲评。盲评。评估最后汇集了评估最后汇集了1919种理论、种理论、1515个专家个专家((组组))：俄：俄罗斯罗斯(1)(1)、以色列、以色列(1)(1)、中国、中国(1)(1)、德国、德国(2)(2)、英国、英国(3)(3)和美国和美国(7)(7)，历经，历经1313年。年。结果表明我们的理论是参评的细观力学理论中结果表明我们的理论是参评的细观力学理论中精度最高的。精度最高的。Tel:021Tel:021--6598537365985373五、基础与实力五、基础与实力五、基础与实力细观力学理论细观力学理论只需根据组成材料性能只需根据组成材料性能参数，就可确定复合材料的宏观性能，参数，就可确定复合材料的宏观性能，这为风机叶片的纤维铺层与最优设计这为风机叶片的纤维铺层与最优设计奠定了坚实基础，因为这种设计采用奠定了坚实基础，因为这种设计采用宏宏观力学的方法难以实现观力学的方法难以实现。。Tel:021Tel:021--6598537365985373五、基础与实力五、基础与实力五、基础与实力已经将该理论与已经将该理论与ABAQUSABAQUS结合，结合，完成二次开发。完成二次开发。Tel:021Tel:021--6598537365985373五、基础与实力五、基础与实力五、基础与实力Tel:021Tel:021--6598537365985373五、基础与实力五、基础与实力五、基础与实力33、模具设计加工与叶片制备、模具设计加工与叶片制备叶根模腔叶根模腔设计图设计图叶根端叶根端叶叶尖端尖端Tel:021Tel:021--6598537365985373五、基础与实力五、基础与实力五、基础与实力Tel:021Tel:021--6598537365985373五、基础与实力五、基础与实力五、基础与实力Tel:021Tel:021--6598537365985373五、基础与实力五、基础与实力五、基础与实力叶片（长叶片（长4.8854.885mm））包括根部连接螺栓重包括根部连接螺栓重4040kgkg，，比美国可再生能源国家实验室比美国可再生能源国家实验室20022002年研制的相同年研制的相同功率叶片长度增加功率叶片长度增加10.5%10.5%、叶重增加、叶重增加47%47%、极限、极限承载能力承载能力提高提高44倍倍。。0707年年77月之前实现月之前实现2020mm长中空一次成型叶长中空一次成型叶片的制备，完善大型叶片的制备工艺，拿片的制备，完善大型叶片的制备工艺，拿出合格样品。出合格样品。0808年年1212月之前完成中空一次成型叶片的疲月之前完成中空一次成型叶片的疲劳性能试验，