叶片的设计与制造.doc

叶片的设计与制造叶片的重量完全取决于其结构形式，目前生产的叶片，多为轻型叶片，承载好而且很可靠轻型结构叶片的优缺点如下：优点：1） 在变距时驱动质量小，在很小的叶片机构动力下产生很高的调节速度2） 减少风力发电机组总质量3） 风轮的机械刹车力矩很小4） 周期振动弯矩由于自重自重减轻而减小5） 减少了材料成本6） 运费减少7） 便于安装缺点：1） 要求叶片结构必须可靠，制造费用高2） 所用材料成本高3） 风轮推力小，风轮在阵风时反映敏感，因此，要求功率调节也要快4） 材料特性以载荷计算必须很准确，以免超载目前叶片多数为玻璃纤维增强复合材料（GRP）基本材料为聚酯树脂或环氧树脂环氧树脂比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小聚酯树脂材料比较便宜，他在固化时收缩大，在叶片的连接处可能存在潜在的危险，即由于收缩变形在金属材料和玻璃钢之间可能产生裂纹 水平轴风轮叶片一般近似是梯形的，由于它的曲面外形复杂，仅外表面结构就需要很高的制造费用使用复合材料可以改变这种情况，只是在模具制造工艺上要求高些，叶片的模具由叶片上、下表面的反切面样板成型，在模具中由手工成型复合材料叶片。

叶片设计有很多规范可供参考和选用1． 极限变形 由于复合材料的优良特性大型风力发电机组风轮叶片的设计首先考虑叶片的刚度是否满足使用要求，然后进行强度校核因此叶片的极限变形极为重要1） 避免机组运行过程中与塔架碰撞，要设计叶片在最大设计风速时的极限变形2） 在叶片变距时，应考虑气弹载荷对变形的影响2． 固有频率1） 叶片在挥舞、摆振和扭转方向上的固有频率，应避开转速激振频率2） 在计算叶片的固有频率时，应考虑轮毂的刚性3） 在叶片运行时由于离心力场的作用，其固有频率会提高3． 叶片轴线位置 重心、刚性中心和轴中心位置，在变桨距风力发电机组中应尽可能靠近叶片变距轴线（一般在1/4弦长的位置），会增加叶片气弹稳定性4． 积水 在叶片内部可能会产生冷凝水，其他水分也可能通过适当的位置进入叶片内部，为了避免这些水对叶片造成危害，必须把叶片内部的水排除；可以在叶尖部位打一个小孔，另一个小孔在叶根颈部，使叶片内部有一个很好的通风渠道但要注意的是这个孔应尽量小否则由于气流从内向外的流动可能会产生气动噪声5． 防雷击保护 对于导体（或金属）或半导体材料（炭纤维）应事先考虑防雷击，应可靠地将雷电从轮毂上引导下来，以避免由于叶片结构内部存在很高的阻抗，当雷击电流通过时破坏叶片一、 叶片载荷叶片载荷来自风抡运行时的各种风况和阵风。

叶片所承受的最大载荷在设计时已给出各种风况下的受力分析对叶片安全是十分重要的，静态和动态载荷是不同的，为了简化计算，下面对各种载荷的基本情况进行论述：1． 静载荷1） 最大受力 ：50年一遇的最大阵风作为最大静载荷值，此时，风轮位于迎风状态，风力发电机组处于安全刹车状态，失速型风轮叶片处于初始安装角位置，变桨距风轮叶片从安装角处于升力最大值时很快顺桨2） 最大弯矩 ：当重力和气动力在同一方向上3） 最大扭矩：最大阵风时2． 动载荷1） 由阵风频谱的变化引起的受力变化2） 风剪切影响引起的叶片动载荷3） 偏航过程中引起的叶片上作用力的变化4） 弯曲力矩变化，由于自重及升力产生的弯曲变形5） 在最大转速下，机械、空气动力刹车，风轮刹车情况下6） 电网周期性变化离心力载荷与弯曲力矩相比较大，分析时几乎可以略去二、 叶片材料用于叶片制造的主要材料有玻璃纤维增强塑料（GRO）碳纤维增强塑料（CFRP）、木材、钢，铝等，对于大型风力发电机组来说，叶片的刚度、固有特性和经济特性是主要的，同常较难满足，所以对材料的选择尤为重要目前世界上绝大数叶片采用复合材料制造，主要是由于复合材料具有以下特点1． 复合材料的可设计性强2． 易成型性好3． 耐腐蚀性强4． 维护少、易修补GRP材料的风力发电机组叶片成型工艺有手工湿法成型、真空辅助注胶成型和手工预浸布铺层等工艺。

CFRP材料强度高　重量轻，遗憾的是其价格昂贵，经济性差，只有在40米以上长度的叶片中采用，长度40米以下的叶片很少使用由于木材的许多优良性能，目前在大型风力发电机组中使用的范围也在扩大，主要用于叶片结构内部的夹心材料木材重量轻，成本低，阻尼特性优良；其缺点是易受潮，加工成本高钢材主要用于叶片内部结构的连接件，很少用于叶片的主体结构主要是因为钢材的比重大、疲劳强度低垂直轴风力发电机组常采用铝或玻璃钢拉挤叶片，这种制造工艺很适合用等宽叶片多个截面采用一个模具挤压成型三、 叶片主体结构水平轴风力发电机组风轮叶片的结构主要为梁、壳结构，有以下几种结构形式1． 叶片主体采用硬制泡沫夹心结构，GRP结构的大梁作为叶片 主要的承载部件，大量常用D型、O型、矩形和C型等形式蒙皮GRP的结构较薄，仅2~3mm，主要保持翼型和承受叶片的扭转载荷；这种形式的叶片以丹麦VESTAS公司和荷兰CTC公司为代表其特是重量轻，对叶片运输要求较高，由于叶片前端强度和刚度较低，在运输过程中局部易于损坏同时这种叶片整体刚度较低，运输过程中叶片变形较大，必须高性能的结构胶，否则容易造成后缘开裂D型，O型和矩形梁在缠绕机上缠绕成型，在模具中成型上、下两个 半壳，在用结构胶将梁和两个半壳粘接起来。

另一种方法是先在模具中成型C（或I）形梁，然后在在模具中成型上、下两个 半壳，利用结构胶将C（或I）形梁和两半壳粘接2． 叶片壳体以GRP 层板为主，厚度在10~20 mm之间，为了减轻叶片后缘，提高叶片整体强度，在叶片上下壳体后缘局部采用硬制泡沫夹心结构，叶片上壳体是主要承载结构大梁设计相对薄弱，为硬制泡沫夹心结构，与壳体粘接后形成盒式结构，共同提供叶片的强度和刚度这种结构形式的叶片以丹麦LM公司为主其优点是叶片整体刚度和强度较大，在运输、使用中安全性好但这种叶片比较重，比同型号的轻型叶片重20%~30%，制造成本也相对较高C型梁用玻璃纤维夹心结构，使其承受拉力和弯曲力矩达到最佳叶片上、下壳体主要以单向增强材料为主，并适当铺设±45°的层来承受扭矩，在用结构胶将叶片壳体和大梁牢靠地粘接在一起在这两种结构中，大梁和壳体变形是一致的经过收缩，夹心结构作为支撑，两半叶片牢靠的粘接在一起在前缘粘接部位常重叠，以便增加粘接面积在后缘粘接缝，由于粘接角的产生而变坚固了在有扭矩变形时，粘接部位不会产生剪切损坏关键问题是叶根的粘接，它将承受所有的力，并由叶片传递给轮毂，常用的有多种连接方式四、 叶根的结构形式1． 螺纹件预埋式 以丹麦LM公司叶片为代表。

在叶片成型过程中，直接将经过特殊处理的螺纹件预埋在壳体中，避免了对GRP结构层的加工损坏经过国外试验机构的试验证明，这种结构连接最为可靠，唯一缺点是每个螺纹件必须准确2． 钻孔组装式 以荷兰CTC公司叶片为代表，叶片成型后，用钻用钻床和工装在叶根部位钻孔，将螺纹件装入，这种方式会在叶根部的GRP结构层上加工出几十个Φ80mm以上是孔，破坏了GRP结构整体性，大大降低了叶片根部的结构强度，而且螺纹件的垂直度不易保证，容易给现场组装带来困难采用预紧螺栓的优缺点：优点：1） 不需要贵重且重量大的法兰盘2） 在批量生产中只有一个力传递元件3） 由于采用预紧螺栓，疲劳可靠性高4） 通过螺栓很好的机械连接，而且法兰不需要粘接缺点：1） 需要很高的组装精度2） 在 现场安装要求可靠性的 螺栓预紧。