风机叶片设计制造发展趋势

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风机叶片设计制造发展趋势

谢校臻．王继辉

（武汉理丁大学材料科学与工程学院，武汉４３００７０）

摘要：科学技术的不断进步推动着风杌叶片的迅速发展。采用合理的设计。性能优异的材料、先进的制造、分析和测试技术可生产出一睦能优异的叶片。过去十年。发电机装机容量越采越大，但设计者却不能像原来那祥通过简单的按比例缩放来增加叶片的重量。本文介绍了叶片的设计制造趋势、材料的选择、结构校核。

关键词：复合材科；叶片；趋势

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目前风电已经成为世界上增长最快的新能源，在过去的１５年内，风电成本降低了５０％，与传统能源成本相差无几了。现代风机在功率、效率和可靠性上都有了很大的提高。在过去的１０年里，全球风电装机总量以每年超过２８％的速度增长，而且这种趋势还会持续下去。２００６年一年，全球装机近１５０００ＭＷ，市值约为２３０亿美元。２００６年底，全球风电总装机容量超过７４０００ＭＷ，足以供应２５００万普通欧洲家庭用户电力需求。据国际能源署公布魄资料，到２０２０年，全世界风电容量将达到１２．６亿千瓦，是２００２年世界风电装机容量的３８．４倍，总投资约需６３００亿美元’１Ｊ。

据统计，２００１年风机叶片生产用到的玻璃纤维已超过５万ｔ，全世界的叶片生产总量将会逐年递增。叶片长度的增加以及发电机装机容量的增长导

致了叶片在整个风电设备系统中成本的提高。自从

叶片成为了风电设备系统的组成部分，叶片的设计、制造和性能就成为了重点研究和大力发展的目标。

经过多年的产品研究、开发以及丰富的实际制造经验，叶片的设计与制造已经上了一个新台阶。目前的研究主要集中在叶片设计和材料的选择上。技术难题包括、２Ｊ：如何控制叶片重量的增长，如何

提高力学性能以及提高承载能力，如何使运输更加方便，如何使疲劳周期达到１０８一１０９次，如何减少

设计余量。２

设计与制造

在风电设备中风力发电机的叶片是极为重要的

部件。约占总成本的１５—２０％。目前大型风力发电机的叶片基本上由复合材料制成，因此叶片技术与

收稿Ｒ期：２００８－０８２９

作者简介：谢较鳞，男．硕士研究生。

复合材料技术密切相关。为降低发电成本，势必要

求单机容量越来越大，然而叶片也就越长。据统计叶片每增长６％，捕获的风能可增加１２％。叶片大型化的同时还要求轻量化、低成本化和高性能化，即在满足安全、可靠和寿命的前提下质量要轻、成本要

低、功率要高。为此要进行设计、材料体系和制造技

术上的系列革新。

传统的叶片成型工艺多用手工铺糊，又称湿法成型。该法以手工劳动为主、成本低、简便易行、但效率亦低、质量不稳定、工作环境恶劣。干法成型（即预浸料成型）属新兴技术，纤维先制成预浸料、现场铺放、加温（或常温）加压固化、其生产效率高、现场工作环境好。最新发展的叶片成型方法是真空灌注成型工艺，将纤维颅成型体置于模腔中，然后注入树脂，加温加压成型。真空灌注成型工艺是目前世界上公认的低成本制造方法，发展迅速，应用广泛‘引。

目前，大部分汽轮机制造商都倾向于自己做叶片，以便采用不同的材料和工艺生产出满足自己需求的叶片。Ｎｏｒｄｅｘ和ＧＥＷｉｎｄ公司使用玻璃纤维作为增强材料手糊生产３５—５０ｍ长的叶片。ＮＥＧＭｉｃｏｎ公司用碳纤维增强乙烯基酯树脂材料体系生产４０ｍ长的叶片。ＴＰＩＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ公司制造３０ｍ长

的叶片，采用的工艺是ＳＣＲＩＭＰＴＭ－真空辅助树脂传

递模塑成型工艺（ＶＡＲＴＭ）。Ｂｏｎｕｓ公司生产３０ｍ或更长叶片时采用的是预浸料成型工艺。Ｎｅｗ

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梁结构。ＤｅＷｉｎｄ公司生产４０ｍ长的碳纤缈玻璃

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ｈａｓ公司生产的Ｖ９０叶片采用了碳纤维增强的承力

纤维混杂的叶片，他们用碳纤维预浸料做主粱，固化之后，加上玻璃纤维蒙皮。

２００８年风机叶片设计制造发展趋势

３叶片材料

材料的选择对于叶片设计至关重要。在过去的

２０多年里，随着风机叶片向着轻量化、大型化发展，叶片用材料也经历了从钢材、铝材到复合材料的过程。随着叶片长度的增加和设计参数的变化，设计

人员不得不考虑其他材料或者对已有的材料进行创新。碳纤维便是其中一种，碳纤维与玻璃纤维相比模量更高、密度更低、拉伸强度更高。碳纤维主要运

用在风机叶片的承力结构中，提高叶片的整体成本效益。也有的叶片全部用碳纤维，是为了提高叶片的整体性能承受更高的载荷。目前叶片中运用的碳纤维主要是在叶片主梁和叶尖部分。采用玻璃纤维

增强聚酯树脂作为叶片用复合材料１４】，当叶片长度

为１９ｍ时，其质量为１８００ｋｇ，如果叶片长度增加到３４ｍ时，叶片质量为５８００ｋｇ，如叶片长度达到５２ｍ，则叶片质量高达２１０００ｋｇ。而采用玻璃纤维增强环氧树脂作为叶片材料时，１９ｍ长叶片的质量为１０００ｋｇ与玻璃纤维增强聚酯树脂相比，可减轻质量８００ｋｇ。同样是长３４ｍ的叶片，玻璃纤维增强环氧树脂叶片是５２００ｋｇ，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有３８００ｋｇ。总之，叶片材料发展的趋势是采用碳纤维以及其他高性能纤维作为增强材料，特别是随功率的增大，要求叶片长度增加。必须采用碳纤维以及其他高性能纤维做增强材料。

当要求叶片更高的强度和刚度时，也可以使用到高强玻璃纤维即Ｓ一玻纤。这种ｓ一玻纤通常应用在舰艇中，虽然力学性能比Ｅ．玻纤更好，但过高的价格限制了其在风机叶片中的应用。然而，当叶片长度增加时，Ｓ一玻纤可以作为替代碳纤维的材料选择使用，它有着与碳纤维的相似的优异性能却又没有碳纤维那么昂贵，并且随着风机叶片产业的发展，更多的Ｓ．纤维会用到风机叶片的生产中。Ｓ．玻纤的价格会随之下降。

基体材料目前最常用的是不饱和聚酯树脂（ＵＰＲ），其综合性能优良、价格低、流动性能好、易加工。其次还有乙烯基酯树脂（ＶＥＲ）、环氧树脂

（ＥＰＲ）等。乙烯基酯树脂比不饱和聚酯树脂有着更

好的耐腐蚀性和水解稳定性。以环氧树脂为基体的复合材料力学性能更好，特别是当使用碳纤维时，树脂以环氧为主。现在也有用热塑性树脂的，如ＧａｏｔｈＴｅｅＴｅａ公司，研发所谓的“绿色叶片”（Ｇｒｅｅｎｂｌａｄｅ）。虽然目前成本较高，但最大的优点便是可回收，解决环保问题。

３５４

４

叶片设计趋势与结构校核

中国《风力发电机组风轮叶片》标准中规定：叶

片结构设计应使叶片具有足够的强度和刚度，保证

叶片在规定的使用环境下，在使用寿命期内不发生损坏。另外，还规定要求叶片重量要轻ｐｏ。叶片结

构设计主要须满足以下要求：强度要求、刚度要求、

稳定性和重量要求。小型叶片很多采用实心结构，而叶片大型化即意味着转速慢、刚度低、重量大以及巨大惯性载荷与疲劳载荷。对于大型风机叶片来

说，挥舞方向载荷为其主要载荷，但摆振方向的载荷

已经足够大，必须在设计中予以考虑。在大型叶片设计中，重量是十分重要的一个因素，为了设计出尽可能轻的叶片，大叶片采用中空结构。有些叶片采

用没有主梁的硬壳式结构，叶片全部载荷都由蒙皮

承担。而一般大叶片都设计有主粱和腹板，比如箱型梁、Ｄ型梁，由主梁来承担叶片大部分受力，蒙皮

只提供气动外形和承担部分剪切载荷，在结构承载

方面叶片蒙皮已经处于次要地位。

为了有效地提高比强度，降低成本，研究人员把研究重点放在了叶片翼型设计上。新的叶片翼型要

求叶片在低的雷诺数下有更高的升力。早期的太阳

能研究所（ＳＥＲＩ）和美国可再生能源实验室（ＮＲＥＬ）研究的叶形就考虑过这一点，近期荷兰代尔伏特理工大学和其他研究机构也在对这一问题做深入研究。利用大面积的平板后缘可提高叶片的最大升

力”ｏ，相信在不久的将来，这一设计趋势会更进一

步发展。这种设计思想的关键点是满足内转子旋转效应的参数的精确性和有效性，该参数影响最大升力系数。随着叶片尺寸的增大，最大弦长将会超过运输所能达到的极限长度，因此这种设计趋势势在必行。此设计思想还有可能避免昂贵的施工费用和繁琐的施工过程。图１所示为利用平板后缘设计减小最大弦长的叶形图。

图１

平板后缘设计减小最大弦长的叶形图

叶片设计是一个优化设计过程，叶片本身是气动与结构相互妥协的产物。其设计的优化目标从最开始的叶素功率输出最大化，到年输出功率最大化，到现在的性价比最优化ＣｏＥ（Ｃｏｓｔ

ｏｆ

Ｅｎｅｒｇｙ）。丹麦

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玻璃钢／复合材料增刊ｆ第十七届玻璃钢／复合材料学术年会论文集）

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２００ｔｉ年

ＬＭ公司提出了“ＦｕｔｕｒｅＢｌａｄｅ”的概念。并且已经在

其５４ｍ和６１．５ｍ叶片上使用了这种设计概念。这种叶片细长，叶片所受载荷较低，叶片质量分布更加

优化。美国Ｋｎｉｇｈｔ＆Ｃａｒｖｅｒ风电叶片公司成功开发出了新型叶片ＳＴＡＲＢｌａｄｅ，这种叶片采用“柔性”设

计理念设计，叶片结构刚度有所降低，在外形上与传

统叶片后缘线性变化不同，逐渐向后缘弯曲，降低了叶片风压和风机的驱动扭矩，并最大限度捕获所有可用风速段的风能，比传统叶片捕风能力提高了５

—１０％。

图２叶片壳模型

５结束语

风能是重要的绿色能源，风能的开发利用受到世界各国的重视。德国、美国等西方发达国家正在高速发展风力能源。风力发电的关键是叶片，风力发电将向大功率方向发展，碳纤维、高性能纤维、热塑性树脂和真空灌注成型工艺将成为材料工艺的发展方向，新型合理的叶片翼型也将推动叶片的发展。

参考文献

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工业出版社，２００６．

叶片校核分析是对叶片结构设计的一种检验，

设计人员根据校核分析结果对结构进行修正，确定

叶片最终结构形式。目前国内外关于叶片的校核手段比较统一，一般都是通过数值方法中的有限元法进行校核。主要从强度、刚度及稳定性进行校核。叶片主要受气动力、重力和离心力对叶片形成的拉、

压、弯和扭力。计算分析主要是要获取应力及其分布、结构变形（最大挠度）和疲劳寿命。其中包括屈

曲分析、连接计算、频率、模态、动响应分析等。校核结构的强度和刚度，给出疲劳寿命，保证结构的安全、可靠和有效的使用。计算分析中要用到复合材料层压板理论、复合材料连接计算、稳定性计算方法和理论、有限元建模和计算分析方法、专门的计算分

［２］Ｐａｕｌｓ．Ｖｅｅｒｓ，ＴｈｏｍａｓＤ．Ａｓｈｗｉｌｌ。ＨｅｒｂｅｒｔＪ．Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ，ＤａｎｉｅｌＬ，

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析程序和软件。根部的计算分析还会用到三维非线

性有限元分析等。进行疲劳寿命分析时要事先建立疲劳载荷谱。图２所示为全叶片壳模型。

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风机叶片设计制造发展趋势

作者：作者单位：

谢校臻， 王继辉

武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070

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本文通过对20KW和660KW的风机叶片做了详细的铺层设计方案比较，并对这两种不同功率叶片进行了详细的强度分析、刚度分析、极限承载能力计算、破坏分析、固有频率计算以及稳定性分析。同时对大型的风机叶片如660KW做了两种结构设计方案：空心结构和加泡沫芯结构。对这两种结构进行了强度、刚度、固有频率计算和稳定性分析，同时采用NREL开发的专门计算复合材料叶片结构性能的免费开放源码程序Precomp计算出这两种结构叶片各个截面上的单位叶长质量、挥舞刚度、摆振刚度、扭转刚度和拉伸刚度等反映叶片结构性能的力学参数。通过这些力学参数的对比，以此来比较空心结构和泡沫芯结构的优劣性。

用此方法实现了新型复合材料叶片结构的极限分析和合理设计，提高了叶片的强度和刚度，有效降低了叶片的重量。同时也对复合材料叶片的结构设计起到了良好的指导作用。文中的方法同样适用于其它复合材料复杂结构的极限分析与强度设计。

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5.会议论文 陈余岳.姚辉.李波 1MW变速恒频风力机复合材料叶片设计 2004

1MW风力机组研制是国家"十五""863"项目.我们承担了玻璃钢叶片设计.玻璃钢叶片是风力组的关键部件之一.我们按照国家风力机组风轮叶片标准,制度了叶片设计的荷载工况、荷载局部安全系数与材料局部安全系数,并根据标准的要求进行了叶片荷载计算、强度与变形计算、疲劳分析、频率计算和屈曲稳定计算.叶片设计表明,叶片的结构性能满足机组的技术要求.

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综叙复合材料在风力发电机转子叶片上的应用及生产现状,介绍现有复合材料风电叶片的结构、材料体系、生产工艺及发展方向等,针对目前大型风电叶片生产过程中遇到的一些问题提出解决方案或构想.可以预见,随着叶片的日益大型化,内置热源的大型复合材料组合模具、改进的真空导入树脂模塑法及可回收利用的热塑性叶片可能是今后风电叶片的主要发展方向.

7.学位论文 费金凡 复合材料风力叶片结构的有限元分析 2009

复合材料风力机叶片结构设计与分析方法的研究一直是社会各界研究的热点之一，对推进绿色资源的有效利用具有非常重要的意义。 本文所做工作如下：

1）了解了风力叶片气动设计基本原理，重点了解了叶片基本理论、叶片基本概念以及叶片气动参数计算公式等。

2）对叶片进行了结构研究与分析，具体分析了叶片的结构形式、叶片所受载荷形式、载荷工况设计以及叶片材料铺层设计等内容。

3）以总长25m的风力叶片为例，采用机翼设计软件Profili先得到翼型型值点坐标（x，y），后通过坐标转换的方式，利用Matlab计算得到翼型上点的空间坐标值（x'，y'，z），最后在CAD软件Pro/E建立了叶片的实体模型并将实体模型导入有限元分析软件ANSYS中，建立叶片有限元模型。该方法可为扭曲叶片建模提供新思路。

4）运用FLUENT软件对叶片表面风压进行了数值模拟，并导出各点的风压值以及与其对应的点的坐标值。采用多项式曲线拟合的方式在Matlab中得到风压与点的坐标之间的函数关系式。最后采用编写命令流的形式将风压加载在叶片有限元模型上，为后续的有限元计算打好基础。

5）叶片结构静强度有限元分析。在ANSYS中计算叶片在两种不利工况下的位移、应变以及各结构层强度比。并根据相关标准对叶片的强度和刚度进行了校核，以此检验所设计的叶片是否满足强度设计要求。

6）叶片稳定性有限元分析，在ANSYS中计算叶片两种不利工况下的稳定安全系数以及屈曲失稳模态。旨在判断叶片受不利载荷作用时是否会发生失稳以及失稳的形式。

7）叶片动力特性有限元分析。建立了叶片自由振动方程，采用有限元分析软件ANSYS计算了叶片在自由振动时的十阶频率，并研究了叶片的十阶振动形式。

以上所做的工作，目的是希望寻找一种研究风力叶片结构特性的新方法，为以后的风力机叶片设计与研究提供一种新途径和参考。

8.期刊论文 陈绍杰.申振华.徐鹤山.CHEN Shao-jie.SHEN Zhen-hua.XU He-shan 复合材料与风力机叶片 -可再生

能源2008,26(2)

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9.期刊论文 陈绍杰.申振华.徐鹤山.CHEN Shao-jie.SHEN Zhen-hua.XU He-shan 复合材料与风力机叶片 -玻璃钢/复合材料2008,""(2)

主要介绍风力机叶片研发的趋势以及复合材料叶片设计、分析、材料、制造和试验验证的相关技术,给出碳纤维在叶片上应用的现状和前景以及有关叶片的新兴技术,并提出发展我国叶片技术的相关建议.

10.学位论文 李成友 风力发电机复合材料风轮叶片局部屈曲与静强度的有限元分析 2008

随着风力机单机容量的增大，对风力机叶片强度和稳定性提出了更高的要求。本文研究了34米风力发电机组复合材料叶片的静强度和屈曲稳定性。由于风机叶片几何外形和边界条件的复杂性，本文采用有限元分析的方法解决这一问题。

基于PATRAN平台，论文讨论了在风力发电机复合材料叶片建模过程中所遇到的一些问题，考察了单元类型、材料属性定义以及加载方式对风力发电机复合材料叶片有限元计算的影响。对具有不同任务的有限元建模提出了建议。

利用有限元方法，文中对34米风力发电机复合材料叶片进行了系统的静力分析和屈曲稳定性分析。得到了叶片整体结构的应力和应变分布规律。利用蔡-吴(E.M.Wu) 失效准则和Hill-蔡 ( S.W.Tsai) 强度理论校核了几种主要承力结构材料的强度。并且预测了叶片结构发生屈曲的几何模态、屈曲位置、应力分布规律和屈曲临界载荷。

最后，针对风力机叶片的铺层结构设计提出了三个改进方案。从结构刚度和屈曲稳定性两个方面对三个新方案进行了计算分析，论证了这些方案的可行性，指出了增加结构刚度和屈曲稳定性的一条新途径。

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