1前言風力發電作為未來最具有競爭力的能源之一，已越來越受到世界各國的重視。目前，全世界風電機總裝機容量為31000MW，并且仍以27%以上的年增長速度迅速增長，2001年風力發電量居世界前四位的國家是：德國8000MW、美國4150MW、西班牙3300MW和丹麥2500MW，世界風力發電機市場幾乎也被這幾個國家的公司占據。預計到2020年，全世界的風力發電將占全球總電力的10%，總裝機容量達12MW.我國幅員遼闊，風能資源豐富，風能理論開發童為32.26億kW，實際可開發利用量為2.53億kW，相當于國內水利資源的67%，居世界第三位。在當前常規能源不足的情況下，風能作為一種較為現實的補充能源，加以開發和利用，有重要的經濟價值和社會效益。復合材料風機葉片是風力發電機組的關鍵部件之一，葉片的結構和強度對風力發電機的可靠性起決定作用。由于各種原因，我國在大型風機葉片上的研究和發展與國外還存在一定的差距。發展大型復合材料風機葉片已迫在眉睫。 2發展趨勢隨著世界風能市場的不斷擴大，對風力發電機利用率和發電成本的要求也越來越篼。市場上涌現出一批大功率、大容量的兆瓦級風力發電機，而這些大型機組的出現對復合材料葉片也提出了更篼的要求。目前，復合材料葉片總的發展趨勢如下復合材料葉片由航空翼型向風電機翼型發展，隨著風機容量不斷增大，葉片的長度和厚度也相應增加。同時，為了提高風電機的效率，在制造過程中還要加大葉片的升阻比，且葉片翼形更加復雜。 風力發電機機葉片的兩條發展路線，即柔性葉片和剛性葉片。目前，世界上的風電機葉片以剛性的為主，只有美國主張開發高度柔性的變獎矩風力機。葉片和塔架很柔軟，如果能解決好結構動力學，其發電成本就可以迅速下降。 （3>在葉片的材料應用方面，新型材料已開始應用于大型的風電機葉片的制造，如高強碳纖維（丹麥NEG-Miam公司），韌性天然纖維（法國ATV公司開始研制）。其總的發展趨勢是向低成本、輕質的方向發展，提篼損傷容限和可靠性。 熱熔性環氧預浸料、硬質泡沫發泡和多軸鋪層技術等。 須進行可靠性、抗疲勞性和抗雷擊的檢測和評價。 單機容量大型化，應用于大、中型風力機群與電網并網發電運行（即所謂的風電場），以降低風力發電的成本。近年來，大型風機已成為風電市場上的主要產品，出現了從單機容童為1MW到4.5MW等多種機型，整個行業的趨勢是向大型化發展。 3葉片材料的選擇大型復合材料葉片屬于大型復合材料結構件，其具體性能如表1所示。 表1大型復合材料葉片性能型號直徑/m切人風速/m8-1工作風速/m-s1最大抗風/m81適用溫度/丈風能利用系數葉片材料選擇時應考慮有足夠的強度，剛度和壽命，良好的可成型性和可加工性。 3.1基體材料目前廣泛用于手糊成型的基體材料主要有環氧樹脂和聚酯樹脂兩大類。聚酯樹脂工藝性能好，價格便宜，對于中小型葉片可以采用聚酯。但通用的聚酯復合材料固化收縮率大，力學性能差，故很難滿足大型葉片的生產工藝要求。環氧樹脂具有較篼的粘結強度，所制的復合材料力學性能好，固化時無低分子產生，收縮小，具有耐熱及耐化學腐蝕性好等優點。對于大型葉片可以考慮使用環氧樹脂，但其成本篼、粘度大及工藝性能差的缺點在很大程度上限制了它的應用。改性環氧樹脂（即通常的乙烯基樹脂）既有良好的工藝性，又有優良的力學性能，可以說它匯集了環氧樹脂和聚釀樹脂的雙重特性，在大型葉片的生產中經常使用。 3.2增強材料葉片在氣動荷載和離心力的作用下存在著較大的彎距和離心力，同時還存在著扭轉和剪切等應力。通常玻璃纖維的耐磨性和耐折性很差，受摩擦和扭折后纖維容易受傷斷裂；碳纖維增強樹脂與玻璃纖維增強樹脂結構類似，在比強度（強度/密度）和比模童（模量/密度）等性能指標上碳纖維都優于玻璃纖維，但其成本遠遠高于玻璃纖維，限制了它的廣泛應用（見表2）。 因此，為了合理利用玻璃纖維，選擇無械單向方格布來承受彎距和離心力，同時選擇少量無堿平衡型方格布來提篼槳葉的扭轉剛度和剪切強度。 表2性能比較纖維熔點/抗拉強度拉伸彈性棋量極限值/MPa比強度/cmx106比棋量/cmxlO6硪纖維石墨E玻纖S玻纖3.3表面涂層膠衣樹膜）材料葉片的耐久性很大程度上取決于它的表面情況，應該盡可能的不使玻璃纖維外露，以防介質侵蝕。為此，在葉片的外表面應特制成一層樹脂含量很篼的膠衣層，這一層樹脂稱為膠衣樹脂。膠衣層的厚度一般為0.25-0.4mm.如果膠衣太薄，膠衣下面的玻璃纖維會曝露出來，達不到美觀及保護作用；但太厚又會容易產生斷紋。因此，合理選擇膠衣樹脂也尤為重要。 3.4夾芯材料泡沫塑料是輕質的高分子材料，葉片常用它來做填充物。泡沫塑料具有獨特的閉孔結構，使得它的吸水性、透氣性和導熱系數均比通孔結構的小，而強度和剛度則比通孔結構高。泡沫塑料中的氣體含童和氣體均勻情況對質量影響很大，一般孔細而均勻比孔大和氣孔不均勻的結構的拉、壓強度篼。泡沫塑料的容重和強度與氣體含量有關，氣體含量越多，容重越小，強度越低。同時，在葉片中應用的泡沫塑料必須是硬質的閉孔結構的泡沫塑料。一般使用較多的是聚氨酯泡沫塑料，它具有容重小、強度高，導熱系數低，耐寒、抗震等優點。另外，它可以常溫現場發泡，這對于它作為葉片的夾層結構芯材是特別合適的。 4葉片的結構設計葉片的結構設計相當復雜，諸多因素都應考慮：4.1葉片整體設計方案目前，風力發電機的功率控制主要采用變槳距控制和定槳距失速控制兩種方式。變槳距控制通過改變槳距角，使葉片剖面的攻角發生變化來降低葉片的氣動性能，使篼風速區風能功率降低，達到調速限功的目的。理論上變槳距是一種很好的控制方式，因為可人為的改變槳距角，在各種工況下實現風輪最佳運行。但變槳距控制需要有復雜的控制系統和變距執行機構，使風力機結構復雜、成本提高、可靠性和安全性降低。定獎距失速控制是利用槳葉翼形本身的失速特性，在高于額定風速的條件下，氣流的攻角增大到失速條件（a >16°），使槳葉的表面產生渦流，效率降低，達到限制功率的目的，而且不需要復雜的變距系統，簡化了機組，增加了風力機的可靠性和安全性。國外大型風力機組已廣泛采用失速控制方式進行風輪功率控制，因此在整體設計中一般都采用這種方案。 4.2葉片鋪層設計葉片的鋪層設計是復合材料葉片設計的另一個重要環節。葉片的鋪層是由葉片所受的外載荷決定的。無論是彎距、扭距和離心力都是從葉尖向葉根逐漸遞增的，所以葉片結構的壁厚也是從葉尖向葉根逐漸遞增的。由于復合材料具有高強度和低彈性模量的特性，葉片除滿足強度條件外，尚需滿足變形條件，特別是較長的風力機葉片尤其要注意葉片和塔架的碰撞。葉身設計盡可能按等強度布置，且在葉根部分需有較大的安全系數。 4.3葉片剖面及根嫌的構造選擇葉片的剖面形式及根端形式，要考慮葉片的結構性能、材料性能及成型工藝。風力機葉片要承受較大的氣動荷載，通常要考慮50~60m/s的極端風載，因而大多采用主梁加氣動外殼或外殼內設加強肋的結構形式，以提高葉片的強度和剛度。主梁常用D型、C型、0型和矩形形式。空腹葉片內設加強肋是為了提高剛度、防止局部失穩。國外的主梁成型采用纏繞工藝，而國內受工藝設備的限制，常用手糊工藝。采用手糊工藝成型這種主梁是較麻煩的，而空腹殼體內加肋的剖面形式更適合手糊工藝。將其分別成型上、下半殼及加強肋，然后組裝成整體。考慮到工藝設備的要求和操作的簡便，通常更樂意采用后者的剖面形式。 主梁主要承受軸向荷載，常采用4：1或7：1單向布沿軸向鋪設。而氣動外殼除承擔部分軸向荷載，還要承擔扭轉荷載。按復合材料優化設計觀點，應布置一些1：1布層作45鋪設，為簡化工藝操作，可不用±45面層。可采用4：1布層，或在最外層設置一些1：1布層，均沿軸向鋪設。 葉根設計是葉片結構設計的關鍵，應予以重視。因為在葉根處的荷載最大，而葉根連接大多靠復合材料材料的剪切強度、擠壓強度或膠層剪切強度來傳遞荷載的，而復合材料的這些強度均低于其拉伸壓縮及彎曲強度。可以說，葉片最危險的部位在葉根。選擇根端形式時要注意防止根端出現較大的剪應力，尤其要避免出現層間剪切應力。目前用于大中型風力機復合材料葉片的根端連接形式主要有復合材料翻邊法蘭、金屬法蘭和預埋螺栓。其中，復合材料法蘭和預埋螺栓是運用最廣泛的兩種方法。 4葉片設計中的荷載考慮葉片設計中荷載的確定也是尤其重要的，既要使葉片在運輸、安裝及運行期間保證安全，又要盡量降低成本。歐共體風能協會制定的風力機設計標準中將荷載工況規定為設計情況與自然環境條件的組合，從而提出了正常荷載工況、非正常荷載工況和事故荷載工況。正常荷載工況是指風力機在正常運行期間（指正常運行、偏航、開停機）葉片所受的荷載，大致可分為三大類：空氣動力、重力和離心力。因此，在設計時應考慮氣動載荷引起的剪切力、彎距和扭距；重力對葉片產生的剪切力、拉壓力、彎距和扭距；離心力對葉片產生的拉力、彎距和扭距。另外，還要考慮到陀螺力及揣流風對葉片的影響。非正常荷載工況是指風力機在非正常運行期間（指極端風載、安裝運輸、危險狀況）葉片所受的載荷。在出現極端風載（50載可達到正常工況下的3.5倍。所以，葉片設計時需滿足在如此大的荷載下不破壞，且有一定的剩余強度以承受108左右的正常工況疲勞荷載。而在安裝運輸和危險狀況下，荷載情況很復雜，但其交變次數一般不會超過106，其設計強度也需能夠承受這些荷載的作用。事故荷載工況是指發生事故時（飛車、葉片損壞）葉片所承受的荷載。但葉片出現這種情況的機率很小，即使在這種情況下，葉片只要不是損傷到骨架梁，一般都可以修復。 5防雷保護、振動和變形及熱膨脹因素葉片設計除滿足以上要求以外，還要考慮到防雷保護、振動和變形及熱膨脹因素影響。 5.1防雷保護風力機運行中最大的問題就是直擊雷造成的損害，尤其是對葉片的損害。即使葉片是純絕緣材料制成也不能排除遭雷擊的可能性。因為葉片表面可能被海水鹽分或工業污塵污染，也可能產生電場集中，結果便會導致雷擊。如果電流僅流過葉片表面，所造成的損傷是微弱的。如果電流穿透葉片，葉片材料被加熱至很篼溫度，就會導致葉片的破壞或剝離。如果葉尖由金屬制成，有葉尖至輪轂的葉片內應裝有截面足夠的電導體。當導體截面過小時，過流燃燒時會產生金屬蒸氣篼壓力，導致葉片迸裂。同時，任何一種安裝在葉片內的導體都會增加雷電擊中葉片的次數。此時電流從葉片傳至大地而對其部件不產生損害。雷擊電流從葉片傳至大地要途經軸承、機艙、發電機、塔架及控制系統，因此每個途經部件都要考慮到防雷及電流傳導。 S.2振動由于作用在葉片上荷載的交變性和隨機性，且葉片本身為彈性結構，因而葉片的振動是不可避免的。振動的形式有彎曲振動、扭轉振動及彎曲耦合振動。如果葉片的固有頻率接近轉速頻率某一整數倍的一定范圍就會產生較大的動應力，使葉片具有共振性質。振動產生的疲勞會降低材料強度，減少使用壽命，因此在設計時要求葉片固有頻率離開共振頻率一定距離。S.3變形和熱膨脹葉片在外荷載作用下會產生彈性變形，如剪切變形，拉伸變形和扭曲變形，這些可以通過計算葉尖位移和扭角來確定變形量。此外，設計時還須考慮到溫度變形及附加應力引起的變形。溫度變形是由于經緯向童不同而引起熱膨脹系數不一致造成的。溫度變化時葉片各層收縮和膨脹童不同，使葉片翹曲。葉片的鋪層徑向與葉片的軸向不一致，會產生附加應力，在離心力作用下也會出現類似溫度差變形的情況。 6葉片的成型工藝大型復合材料風力葉片的研制是由復合材料不同成型工藝實現的。在其設計及生產過程中必須做到多重工藝綜合設計。針對不同材料運用不同的工藝，包括SCRIMP、SPRINT、RIM、環氧預浸料等低溫低壓成型工藝與拉擠、纏繞等篼溫成型工藝配合。 7結束語本文對大型風力發電機復合材料葉片材料選擇、結構設計和成型工藝進行了初步探索及總結。由于成型工藝多重化且較為復雜，故只能作概略介紹。大型風力發電機復合材料葉片技術在國外已相當成熟，而國內尚處在摸索階段，特別是多重工藝相結合的成型方法需大家共同探求。
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