大型风电叶片设计制造技术发展趋势

巩振凯

摘要：从总体上看，目前我国提供了全球最大的单一风电市场，国内叶片厂商在大型叶片的设计和制造技术上取得了长足进步，尤其是在低风速叶片开发和应用上走在世界前列.但在大型叶片设计与制造技术上与国外先进技术相比还有一定差距，没有先进的独特技术和产品应用.基于此，本文主要对大型风电叶片设计制造技术发展趋势进行分析探讨。

关键词：大型风电叶片；设计制造技术；发展趋势

1前言

能作为一种清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭，越来越受到世界各国的重视.随着风力发电技术的进步，为了提高风能捕获，降低度电成本，风电机组的单机容量也从最初的十几千瓦发展到现在的兆瓦级，甚至向十兆瓦级、几十兆瓦级迈进.叶片作为风电机组转换风能的关键部件，其设计与制造技术的发展对于整个机组的性能和可靠性至关重要.

2大型风电叶片产业现状

据全球风能协会统计(GWEC)，2015年全球新增装机容量首次超过60GW，2000–2015年16年间累计装机容量达到432.9GW.亚洲装机量继续引领全球市场，欧洲和北美紧随其后，其中，中国自2009年以来，一直保持全球最大市场地位.2015年的新增装机量和至2015年底的累积装机量均居全球首位.基于气候变化要求，风电价格下降以及美国市场稳定的预期，GWEC预测在未来五年内，亚洲市场仍将保持在50%以上，欧洲市场稳步增加，北美市场将出现强劲增长，到2020年，全球累计装机容量将达到792.1GW.可以看出，风电叶片的市场仍然具有巨大发展潜力.

随着全球风电市场转向低风速和海上风场的风能开发，叶片不断增长.目前为止，已经生产的全球最长风电叶片长88.4m，由丹麦LM公司和Adwen公司共同开发，配套8MW的海上风电机组.此外，达到80m及以上长度的风电叶片包括丹麦SSPtechnology生产的83.5m叶片、德国EUROS设计开发的81.6m叶片以及Vestas设计制造的80m叶片，它们将分别用于韩国三星的7MW海上风电机组、日本三菱的7MW海上风电机组和Vestas的8MW海上风电机组.而更长的叶片已处于设计阶段.在气动性能方面，目前公开报道的商用风机的最大功率系数超过0.5，由德国Enercon公司设计研发，通过综合优化叶尖、叶根过渡段以及机舱几何外型得到.在重量方面，英国Bladedynamics公司采用模块化的叶片设计和制造技术，生产了一支世界上最轻的49m叶片，并已通过GL认证，该技术将被用于100m长的风电叶片开发，目前该公司已被美国GE风电收购.

3大型风电叶片制造技术发展趋势

叶片的制造技术主要依据叶片的材料体系和三维几何结构发展.目前为止，针对复合材料叶片的成型工艺主要有手糊工艺、模压成型、预浸料铺放工艺、拉挤工艺、纤维缠绕、树脂传递模塑(RTM)、真空灌注成型工艺.这些工艺各有优缺点，可以根据叶片的材料体系、几何结构、几何尺寸以及铺层功能进行综合运用，以达到最佳效果.手糊工艺是生产复合材料风电叶片的一种传统工艺.因为它不必受加热及压力影响，成本较低.可用于低成本制造大型、形状复杂制品.其主要缺点是生产效率低、产品质量波动大、废品率较高.手糊工艺往往还会伴有大量有害物质和溶剂的释放，有一定的环境污染.目前主要用于叶片合模后的前尾缘湿法处理;模压成型工艺的优点在于纤维含量高、孔隙率低、生产周期短、精确的尺寸公差及良好的表面形状.适用于生产简单的复合材料制品.其缺点是模具投入成本高，不适合具有复杂几何形状的叶片.目前大型叶片基本不采用此工艺;预浸料铺放工艺的主要优势是在生产过程中纤维增强材料排列完好，可以制造低纤维缺陷以及性能优异的部件.它是生产复杂形状结构件的理想工艺，碳纤维预浸料广泛应用于航空业中.其主要缺陷是成本高.此外，预浸料需要手工方式铺放，生产效率低;拉挤工艺具有纤维含量高，质量稳定，易于自动化，适合大批量生产的优点.适用于生产具有相同断面形状，连续成型制品的生产中.但由于大型叶片的三维几何弯扭结构，该工艺很少使用.纤维缠绕工艺能够控制纤维张力、生产速度及缠绕角度等变量，制造不同尺寸及厚度的部件.但应用于叶片生产中的一个缺陷是在叶片纵向不能进行缠绕，长度方向纤维的缺乏使叶片在高拉伸和弯曲载荷下容易产生问题.另外，纤维缠绕产生的粗糙外表面可能会影响叶片的空气动力学性能，必须进行表面处理.最后，芯模及计算机控制成本很大;树脂传递模塑(RTM)属于半机械化的复合材料成型工艺，对工人的技术和环境的要求远远低于手糊工艺并可有效地控制产品质量.RTM缺点是模具设备非常昂贵，很难预测模具内树脂流动状况，容易产生缺陷.RTM工艺采用闭模成型工艺，特别适宜一次成型整体的风力发电机叶片(纤维、夹芯和接头等可一次模腔中共成型)，而无需二次黏接.真空灌注成型工艺是目前大型风机叶片制造的理想工艺，与RTM相比，节约时间，挥发物非常少，工艺操作简单，模具成本大大降低.相对于手糊工艺，成型产品拉伸强度提高20%以上.鉴于真空灌注成型工艺在大型叶片应用上的优势，目前大型风电叶片制造主要以真空灌注工艺为主.

近几年的研究也主要以此工艺为基础，针对叶片铺层厚度、新的高模材料、制造效率、叶片成型质量等方面进行的工艺尝试与改进.目前，具有创新性同时实用性较强的代表性叶片制造工艺有:西门子风电集团提出的IntegralBlade技术.它使用两个模具型面和其中的芯模型成一个封闭的型腔，在型腔里面随形铺放纤维材料和芯材.通过型腔内建立起的真空体系将基体材料注入模具内，一次成型大型风机叶片.与传统的真空灌注成型工艺相比，它具有的优点包括:节省人力和空间、无需黏接、质量可靠性高、不会释放VOCs，对环境污染小.该工艺已广泛应用于西门子的不同型号叶片制造中;达诺巴特公司(DANOBAT)开发的叶片自动制造系统.它的主要功能包括自动喷胶衣、自动喷短切纤维、自动铺层、自动打磨、自动涂胶等.客户可以根据自身需求来选择整体自动化，也可以选择其中一个或几个功能.工作单元采用移动式悬臂梁结构，横梁上安装有十字滑轨，相应的工作功能头位于滑轨上，采用5轴控制，最终实现各工序的自动化操作.相对于真空灌注成型工艺，具有生产效率高，人工成本低，叶片质量稳定性好的优点.除了以上针对现有热固性复合材料体系的制造工艺，针对热塑性复合材料开发的生产工艺也在不断发展。

综上所述，大型叶片成型工艺将向着高成型质量，高生产效率，低生产成本和低环境污染的方向发展.一体化和自动化制造工艺以其在成型质量和效率上的巨大优势，将会成为大型叶片的制造趋势.同时，用于热塑性复合材料的制造工艺技术具有巨大发展潜力.其中，低黏度热塑性树脂的开发非常关键.

4结语

21世纪以来，全球风电产业迅猛发展.随着人们环保意识提高及风电技术进步，风电产业将继续保持高速发展态势.叶片做为风电机组的关键部件，它的技术发展对推进整个风电产业发展具有重要意义.为了满足大型叶片发展要求，新的翼型、材料、设计方法以及制造工艺不断提出，引领风电叶片的设计与制造技术向开发更高性能的叶片迈进.

参考文献：

[1]李德源，池志强，汪显能，等.10MW风力机叶片设计与动力特性.沈阳工业大学学报，2016，38:16

[2]刘雄，罗文博，陈严，等.风力机翼型气动噪声优化设计研究.机械工程学报，2011，47:134–139