大型風(fēng)輪葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

    玻璃纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）是現(xiàn)代風(fēng)機(jī)葉片最普遍采用的復(fù)合材料，玻璃鋼以其低廉的價(jià)格，優(yōu)良的性能占據(jù)著大型風(fēng)機(jī)葉片材料的統(tǒng)治地位。但隨著葉片逐漸變大，風(fēng)輪直徑已突破120m，最長的葉片已做到61.5m，葉片自重達(dá)18t。這對材料的強(qiáng)度和剛度提出了更加苛刻的要求。全玻璃鋼葉片已無法滿足葉片大型化，輕量化的要求。碳纖維或其它高強(qiáng)纖維隨之被應(yīng)用到葉片局部區(qū)域，如NEG Micon NM 82.40m長葉片，LM61.5m長葉片都在高應(yīng)力區(qū)使用了碳纖維。由于葉片增大，剛度逐漸變得重要，已成為新一代MW級葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。碳纖維的使用使葉片剛度得到很大提高，自重卻沒有增加。Vestas為V903.OMW機(jī)型配套的44m系列葉片主梁上使用了碳纖維，葉片自重只有6t，與V802MW,39m葉片自重一樣。美國和歐洲的研究報(bào)告指出，含有碳纖維的承載玻璃纖維層壓板對于MW級葉片是一個(gè)非常有效的選擇替代品。在E.C.公司資助的研究計(jì)劃^[10]中指出，直徑為120m風(fēng)輪葉片部分使用碳纖維可有效減少總體自重達(dá)38%，設(shè)計(jì)成本減少14%。但碳纖維價(jià)格昂貴，極大地限制其在風(fēng)機(jī)葉片上的使用。現(xiàn)今碳纖維產(chǎn)業(yè)仍以發(fā)展輕質(zhì)、良好結(jié)構(gòu)和熱性質(zhì)佳等附加值大的航空應(yīng)用材料為主。但許多研究員卻大膽預(yù)言碳纖維的應(yīng)用將會逐步增加。風(fēng)能的成本效益將取決于碳纖維的使用方式，未來若要大量取代玻璃纖維，必需低價(jià)才具有競爭力。
3風(fēng)輪葉片發(fā)展趨勢
3.1葉片造型的發(fā)展
    前面提到風(fēng)機(jī)葉片專用翼型已成系列，但還存在很大改進(jìn)空間。采用柔性葉片也是一個(gè)發(fā)展方向，利用新型材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而改進(jìn)空氣動力和葉片受力狀態(tài)，增加可靠性和對風(fēng)能捕獲量。在開發(fā)新的葉片外形上也進(jìn)行大量嘗試，Enercon公司對33m葉片進(jìn)行空氣動力實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過精確的測定，葉片的實(shí)際氣動效率為56%，比按照Betz計(jì)算的最大氣動效率低約3~4%。為此，該公司對大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了必要的改進(jìn)，包括為抑制生成擾流和旋渦在葉片端部安裝“小翼”，如圖5所示；為改善和提高渦輪發(fā)電機(jī)主艙附近的捕風(fēng)能力，對葉片根莖進(jìn)行重新改進(jìn)，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長度；對葉片頂部和根部之間的型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，Enercon公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑71m的2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，改進(jìn)后葉片根部的捕風(fēng)能力得以提高。Enercon公司在4.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中繼續(xù)采用此項(xiàng)技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112m的葉片端部仍安裝有傾斜“小翼”，使得葉片單片的運(yùn)行噪音小于3個(gè)葉片（旋轉(zhuǎn)直徑為66m）運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音。

3.2葉片材料的進(jìn)展
    風(fēng)機(jī)機(jī)組正朝著大型化發(fā)展，葉片長度越來越長，捕獲的風(fēng)能越來越多。風(fēng)場經(jīng)營者和能源公司都看好大葉片，因此Enercon公司的6MW機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生，GE公司的7MW機(jī)組研發(fā)緊鑼密鼓，而英國正在研制lOMW的巨型風(fēng)力機(jī)^[11]。如此大功率風(fēng)機(jī)配套的葉片將是超規(guī)模的。目前普遍采用的玻纖增強(qiáng)聚脂樹脂、玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂將無法滿足要求。所以必須開發(fā)更為先進(jìn)的材料，具備輕質(zhì)、高強(qiáng)以及剛性好的性能。
    碳纖維的使用已成必然，但一般以碳／玻混雜的形式出現(xiàn)。3TEX開發(fā)了一種三維混雜結(jié)構(gòu)，如圖6所示。這種結(jié)構(gòu)具備高強(qiáng)度、高剛度特性，同時(shí)該結(jié)構(gòu)能使樹脂灌注速度加快，縮短工作時(shí)間。且這種結(jié)構(gòu)較厚，減少了鋪層層數(shù)，節(jié)約勞動力，降低了生產(chǎn)成本。實(shí)際結(jié)果表明，使用這種混雜纖維形式比全玻璃鋼葉片減輕質(zhì)量約為10%左右。