風電葉片分段式設計技術及應用——楊科/副主任 博士

中國科學院工程熱物理研究所國家能源風電葉片研發（實驗）中心楊科/副主任 博士

　　大家上午好，非常高興跟大家分享一下風電葉片分段式而且技術及其應用，非常感謝東方風力發電網給我這個機會。我匯報的內容簡短一下背景，對研究相關的工作做一個介紹，這個課題項目是國家科技支撐項目7MW風電葉片產業化技術研發的課題，一體化成型技術研發及分段式葉片產業化。今天主要是做分段式葉片產業化介紹現在的風電葉片長度越來越長以后，葉片的運輸半徑，葉片的高度導致運輸造價很高，在生產過程當中，導流形成過長，很難控制生產的質量，在低風速的地區，南方地區的山上運輸的問題、吊裝的問題，分段式具有很強的生命力，是一個很好的解決方案。分段式葉片從宏觀上來講，從廣義上來講，不僅是一個傳統，分不同的目的，比如說解決運輸問題，吊裝的問題，像左邊的圖，就是傳統的分段式葉片，有的時候可以沿著葉高的方向去進行分段，現在實驗室提出來降低極限載荷，在極限載荷下可以把葉片收出來，就是可以折疊的葉片，像遠景公司提出的局部可變漿的葉片、智能葉片等等，降低葉片的載荷，這樣使用更少的材料，更加安全運輸。

　　現在更加感興趣，進行葉尖延長，做增功的時候，葉尖延長、葉根延長，也是一種分段技術，所以這些都是葉片分段方案，總體來講，這些所有方案里邊唯一追求都是一樣的，追求這種可靠性，這是第一位的，我們結構不可靠的話，這個技術沒活應用，再個要求工藝，比較簡單，這個工藝不光是制造工藝而且是在現場的安裝，吊裝過程中，室外操作要很快的速度，很容易操作。運營維護，運行一段時間之后，不能產生一些毛??；再一個就是關系到生命力的成本，我們提到這些分段式葉片的技術，像有的傳統葉片已經進行了一些實際商業應用。

　　在國外來講一些廠家和研發機構提出輕量化的圖層和可靠的連接結構的模式，我們國內就是聯合動力，包括金風，中科宇能等等一些單位也都在做做一些分段葉片概念設計。國外已經有了商業應用，國內剛剛起步。分段葉片有四個層次的研究層面，首先我在葉片設計過程中，要考慮氣動布局、載荷的控制，分段連接結構設計，結構強度影響，工裝和裝備工藝，防雷工藝，考慮選形的評估上、連接單元，以及后連接夠件，最后整個葉片的分段連接，考慮整個葉片體系，因此設計過程當中我們選好這種分段連接結構，載荷的情況，要做載荷的評估、氣動布局的設計，做強度校合以及考慮好其他的因素，分段葉片的設計應該是氣動，結構，材料，工藝一體化設計技術。

　　分段葉片結構上技術難點就是連接構造設計和性能影響，分段局部增強鋪設設計，而且，連接螺栓數量與布局優化，對整體結構要有一個強度評估，分段處剛度不匹配，應力集中對疲勞性能的影響，還有金屬件，復合材料應變不協調，我們考慮這些難點的時候，需要在一些局部細節進行關注。

　　在載荷這塊，我們進行1.5MW分段式葉片設計，我們評估了一下這個圖，就是中間的圖，它產生在葉片延展性方向上有一個剛度突越和質量突越，它的質量是不連續，這個剛度增加，質量評估了一下，比較好的一個情況就是質量基本上可以不同連接形式在增加質量5%到15%，這跟載荷情況，跟位置情況，連接情況是不一樣。5%到15%質量增加，穩態載荷增加在1%，極限載荷增加2%，疲勞載荷增加2%，頻率變化小于1%，分段葉片整體來說對葉片安全性影響不是很大，我們需要重點關注的是，它局部的構特性，在新設計一些葉片的時候，我們需要適當考慮氣動布局的影響，我們做葉片大型化過程當中，因為我做一些小的，像1.5MW，7MW葉片的設計，我們發現大MW級的葉片，在分段處載荷增加是非常驚人，比我們想象的要高很多，我們設計一個氣動葉片，考慮分段結構的話，就需要在葉尖盡量減小載荷，我們在分段這塊承受的載荷要小一些。這樣安全系數高一些。在分段連接這塊，做為大葉片來講，我們小葉片可能是施工量在葉片外面，如果是大葉片，像7MW這種的在葉片里面，在翼型選用要選用一些更厚一點的翼型，有助于安排部螺栓施工的活動空間，另外在沿葉高這個厚度分段這塊，盡量保持弦長和厚度的穩定。

　　在制造和裝配工藝上要考慮易于安裝，檢修，維護，在螺栓排布要考慮到扳手空間，是否可以施工開，因為很多施工在戶外，還有預緊力準確評估，因為螺栓的一些變化，如果預緊力上緊，或者松的話對導致螺栓松脫或者斷裂，所以螺栓預緊力有一個準確的評估模型。螺栓有連接玻璃，有離心力和重力的作用，所以粘接層，而且吸收力和功力跟常規有所不同，所以需要做一些專門的一些研究。在分段這塊由于有一些連接的間斷，我們需要做一些外環境的防護，讓風沙和雨水不要漏進去。

　　在防雷這塊，在葉片真正被雷擊，主要在葉尖30%的位置，我們做分段連接在50%，就是葉根的區域，正常不被雷擊，由于我們做一些螺栓、法蘭，這里面有一些金屬件導致電位，電荷雷擊不一樣，我們需要考慮好防雷問題，大兆瓦的葉片現在采用碳纖維的結構，我們知道碳纖維是導電，碳纖維的主梁防護，它電位是比金屬電位高，在連接容易形成腐蝕，這塊導電性能和持久性能也要做一些設計。在強度結構要評估不同的增強纖維和膠的厚度等等工藝的情況。我們也要評估螺栓和粘接結構的強度疲勞特性，這個評估是三維的評估下進行評估，它的應力多方向要把它評估到，精確計算也要做好工作，很多工藝必須要經過準確可靠的實驗驗證評估。

　　這是我們設計的一些單連接件的強度、強度構件，用于連接部分強度分析，還有工裝、技術研究之類的，連接優化，我們也研發相應的設備，用于強度構件，剛才是連接部位，現在做整體的構件，我們做了相關的實驗，就是箱型梁構件極限載荷的研究。為了研究極限載荷承受力情況以及應力集中的情況，我們做了一些實體單元的相關研究。前期的研究發現，連接結構這一塊通過數字模擬，右上圖實驗的數字模擬對照的情況，我們建模沒有什么問題。數字模擬有一些連接部件，連接位置有一些應力集中，這個應力集中導致疲勞損傷。我們在做涂層的時候，需要做一些涂層的優化，避免應力集中的情況。

　　我們跟合作伙伴，他們給我們提供了一些基礎工藝實驗，局部連接工藝實驗，裝配工藝實驗，整個工裝的設計，我們最終完成了葉片設計制造，在去年11月份的時候，在中國船級社驗證情況下完成了形式實驗，主要是做一些靜力極限載荷的實驗。

　　那么我們還有一個缺陷需要做疲勞實驗，因為現在的疲勞實驗有兩個問題，一個是疲勞實驗臺占的比較滿，現在已有疲勞實驗的里面，其實并不能夠完全體現真實葉片受力的特點，像一個葉片旋轉過程中，有離心力，重力等等，我們真正在實驗臺做基本做揮舞疲勞實驗和擺陣疲勞試驗，這樣不能完全符合真實的載荷情況。前幾年有一個國外的企業，它在分段葉片運行了5年之后，它的疲勞評估期可能是有缺陷的?，F在在設計一個實驗臺，就是旋轉的實驗臺，可以進行變轉速和變角，把螺栓和受力部分情況，可以模擬出來組合，做了一個分段葉片，我們在4月份左右完成相關的實驗，也會完成疲勞實驗，對粘接面做一個時時監測，實驗臺可以更好的模擬真實情況。

　　做一下總結形式了分段葉片一體化的設計體系和實驗手段，擁有1.5MW及7WM級分擔葉片而且經驗，在分段葉片局部數字模擬做了很多的工作，在葉片成本控制，我們重量可以控制在8%以內，現在在尋求一些進一步減重新的連接模式，可以重量增加5%的技術，我們把分段葉片技術應用于現在做的真空葉尖延長3米，葉根延長2米，葉根葉片單個葉片1.5噸，葉尖延長60公斤等等都做，我們跟大家分享一下，可以有機會跟大家合作，現在做了1.5MW和7WM的分段設計，我們希望有更多的設計可以跟大家一起合作。謝謝大家！