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　　1前言風(fēng)力發(fā)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(fēng)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(fēng)力發(fā)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(fēng)力發(fā)電機市場幾乎也被這幾個國家的公司占據(jù)。預(yù)計到2020年，全世界的風(fēng)力發(fā)電將占全球總電力的10%，總裝機容量達(dá)12MW.我國幅員遼闊，風(fēng)能資源豐富，風(fēng)能理論開發(fā)童為32.26億kW，實際可開發(fā)利用量為2.53億kW，相當(dāng)于國內(nèi)水利資源的67%，居世界第三位。在當(dāng)前常規(guī)能源不足的情況下，風(fēng)能作為一種較為現(xiàn)實的補充能源，加以開發(fā)和利用，有重要的經(jīng)濟價值和社會效益。復(fù)合材料風(fēng)機葉片是風(fēng)力發(fā)電機組的關(guān)鍵部件之一，葉片的結(jié)構(gòu)和強度對風(fēng)力發(fā)電機的可靠性起決定作用。由于各種原因，我國在大型風(fēng)機葉片上的研究和發(fā)展與國外還存在一定的差距。發(fā)展大型復(fù)合材料風(fēng)機葉片已迫在眉睫。

　　2發(fā)展趨勢隨著世界風(fēng)能市場的不斷擴大，對風(fēng)力發(fā)電機利用率和發(fā)電成本的要求也越來越篼。市場上涌現(xiàn)出一批大功率、大容量的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機，而這些大型機組的出現(xiàn)對復(fù)合材料葉片也提出了更篼的要求。目前，復(fù)合材料葉片總的發(fā)展趨勢如下復(fù)合材料葉片由航空翼型向風(fēng)電機翼型發(fā)展，隨著風(fēng)機容量不斷增大，葉片的長度和厚度也相應(yīng)增加。同時，為了提高風(fēng)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(fù)雜。

　　風(fēng)力發(fā)電機機葉片的兩條發(fā)展路線，即柔性葉片和剛性葉片。目前，世界上的風(fēng)電機葉片以剛性的為主，只有美國主張開發(fā)高度柔性的變獎矩風(fēng)力機。葉片和塔架很柔軟，如果能解決好結(jié)構(gòu)動力學(xué)，其發(fā)電成本就可以迅速下降。

　　（3>在葉片的材料應(yīng)用方面，新型材料已開始應(yīng)用于大型的風(fēng)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(fā)展趨勢是向低成本、輕質(zhì)的方向發(fā)展，提篼損傷容限和可靠性。

　　熱熔性環(huán)氧預(yù)浸料、硬質(zhì)泡沫發(fā)泡和多軸鋪層技術(shù)等。

　　須進(jìn)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(yīng)用于大、中型風(fēng)力機群與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電運行（即所謂的風(fēng)電場），以降低風(fēng)力發(fā)電的成本。近年來，大型風(fēng)機已成為風(fēng)電市場上的主要產(chǎn)品，出現(xiàn)了從單機容童為1MW到4.5MW等多種機型，整個行業(yè)的趨勢是向大型化發(fā)展。

　　3葉片材料的選擇大型復(fù)合材料葉片屬于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，其具體性能如表1所示。

　　表1大型復(fù)合材料葉片性能型號直徑/m切人風(fēng)速/m8-1工作風(fēng)速/m-s1最大抗風(fēng)/m81適用溫度/丈風(fēng)能利用系數(shù)葉片材料選擇時應(yīng)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(huán)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(fù)合材料固化收縮率大，力學(xué)性能差，故很難滿足大型葉片的生產(chǎn)工藝要求。環(huán)氧樹脂具有較篼的粘結(jié)強度，所制的復(fù)合材料力學(xué)性能好，固化時無低分子產(chǎn)生，收縮小，具有耐熱及耐化學(xué)腐蝕性好等優(yōu)點。對于大型葉片可以考慮使用環(huán)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(yīng)用。改性環(huán)氧樹脂（即通常的乙烯基樹脂）既有良好的工藝性，又有優(yōu)良的力學(xué)性能，可以說它匯集了環(huán)氧樹脂和聚釀樹脂的雙重特性，在大型葉片的生產(chǎn)中經(jīng)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(zhuǎn)和剪切等應(yīng)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(jié)構(gòu)類似，在比強度（強度/密度）和比模童（模量/密度）等性能指標(biāo)上碳纖維都優(yōu)于玻璃纖維，但其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玻璃纖維，限制了它的廣泛應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)該盡可能的不使玻璃纖維外露，以防介質(zhì)侵蝕。為此，在葉片的外表面應(yīng)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(dá)不到美觀及保護(hù)作用；但太厚又會容易產(chǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)，使得它的吸水性、透氣性和導(dǎo)熱系數(shù)均比通孔結(jié)構(gòu)的小，而強度和剛度則比通孔結(jié)構(gòu)高。泡沫塑料中的氣體含童和氣體均勻情況對質(zhì)量影響很大，一般孔細(xì)而均勻比孔大和氣孔不均勻的結(jié)構(gòu)的拉、壓強度篼。泡沫塑料的容重和強度與氣體含量有關(guān)，氣體含量越多，容重越小，強度越低。同時，在葉片中應(yīng)用的泡沫塑料必須是硬質(zhì)的閉孔結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱系數(shù)低，耐寒、抗震等優(yōu)點。另外，它可以常溫現(xiàn)場發(fā)泡，這對于它作為葉片的夾層結(jié)構(gòu)芯材是特別合適的。

　　4葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計相當(dāng)復(fù)雜，諸多因素都應(yīng)考慮：4.1葉片整體設(shè)計方案目前，風(fēng)力發(fā)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(fā)生變化來降低葉片的氣動性能，使篼風(fēng)速區(qū)風(fēng)能功率降低，達(dá)到調(diào)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(xiàn)風(fēng)輪最佳運行。但變槳距控制需要有復(fù)雜的控制系統(tǒng)和變距執(zhí)行機構(gòu)，使風(fēng)力機結(jié)構(gòu)復(fù)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(fēng)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(chǎn)生渦流，效率降低，達(dá)到限制功率的目的，而且不需要復(fù)雜的變距系統(tǒng)，簡化了機組，增加了風(fēng)力機的可靠性和安全性。國外大型風(fēng)力機組已廣泛采用失速控制方式進(jìn)行風(fēng)輪功率控制，因此在整體設(shè)計中一般都采用這種方案。

　　4.2葉片鋪層設(shè)計葉片的鋪層設(shè)計是復(fù)合材料葉片設(shè)計的另一個重要環(huán)節(jié)。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(jié)構(gòu)的壁厚也是從葉尖向葉根逐漸遞增的。由于復(fù)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(fēng)力機葉片尤其要注意葉片和塔架的碰撞。葉身設(shè)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(shù)。

　　4.3葉片剖面及根嫌的構(gòu)造選擇葉片的剖面形式及根端形式，要考慮葉片的結(jié)構(gòu)性能、材料性能及成型工藝。風(fēng)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(fēng)載，因而大多采用主梁加氣動外殼或外殼內(nèi)設(shè)加強肋的結(jié)構(gòu)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(nèi)設(shè)加強肋是為了提高剛度、防止局部失穩(wěn)。國外的主梁成型采用纏繞工藝，而國內(nèi)受工藝設(shè)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(nèi)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(shè)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(shè)。而氣動外殼除承擔(dān)部分軸向荷載，還要承擔(dān)扭轉(zhuǎn)荷載。按復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計觀點，應(yīng)布置一些1：1布層作45鋪設(shè)，為簡化工藝操作，可不用±45面層�？刹捎�4：1布層，或在最外層設(shè)置一些1：1布層，均沿軸向鋪設(shè)。

　　葉根設(shè)計是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，應(yīng)予以重視。因為在葉根處的荷載最大，而葉根連接大多靠復(fù)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(fù)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(xiàn)較大的剪應(yīng)力，尤其要避免出現(xiàn)層間剪切應(yīng)力。目前用于大中型風(fēng)力機復(fù)合材料葉片的根端連接形式主要有復(fù)合材料翻邊法蘭、金屬法蘭和預(yù)埋螺栓。其中，復(fù)合材料法蘭和預(yù)埋螺栓是運用最廣泛的兩種方法。

　　4葉片設(shè)計中的荷載考慮葉片設(shè)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(fēng)能協(xié)會制定的風(fēng)力機設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中將荷載工況規(guī)定為設(shè)計情況與自然環(huán)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(fēng)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(shè)計時應(yīng)考慮氣動載荷引起的剪切力、彎距和扭距；重力對葉片產(chǎn)生的剪切力、拉壓力、彎距和扭距；離心力對葉片產(chǎn)生的拉力、彎距和扭距。另外，還要考慮到陀螺力及揣流風(fēng)對葉片的影響。非正常荷載工況是指風(fēng)力機在非正常運行期間（指極端風(fēng)載、安裝運輸、危險狀況）葉片所受的載荷。在出現(xiàn)極端風(fēng)載（50載可達(dá)到正常工況下的3.5倍。所以，葉片設(shè)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(fù)雜，但其交變次數(shù)一般不會超過106，其設(shè)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(fā)生事故時（飛車、葉片損壞）葉片所承受的荷載。但葉片出現(xiàn)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(fù)。

　　5防雷保護(hù)、振動和變形及熱膨脹因素葉片設(shè)計除滿足以上要求以外，還要考慮到防雷保護(hù)、振動和變形及熱膨脹因素影響。

　　5.1防雷保護(hù)風(fēng)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(yè)污塵污染，也可能產(chǎn)生電場集中，結(jié)果便會導(dǎo)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(dǎo)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(nèi)應(yīng)裝有截面足夠的電導(dǎo)體。當(dāng)導(dǎo)體截面過小時，過流燃燒時會產(chǎn)生金屬蒸氣篼壓力，導(dǎo)致葉片迸裂。同時，任何一種安裝在葉片內(nèi)的導(dǎo)體都會增加雷電擊中葉片的次數(shù)。此時電流從葉片傳至大地而對其部件不產(chǎn)生損害。雷擊電流從葉片傳至大地要途經(jīng)軸承、機艙、發(fā)電機、塔架及控制系統(tǒng)，因此每個途經(jīng)部件都要考慮到防雷及電流傳導(dǎo)。

　　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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)振動及彎曲耦合振動。如果葉片的固有頻率接近轉(zhuǎn)速頻率某一整數(shù)倍的一定范圍就會產(chǎn)生較大的動應(yīng)力，使葉片具有共振性質(zhì)。振動產(chǎn)生的疲勞會降低材料強度，減少使用壽命，因此在設(shè)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(chǎn)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(shè)計時還須考慮到溫度變形及附加應(yīng)力引起的變形。溫度變形是由于經(jīng)緯向童不同而引起熱膨脹系數(shù)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(chǎn)生附加應(yīng)力，在離心力作用下也會出現(xiàn)類似溫度差變形的情況。

　　6葉片的成型工藝大型復(fù)合材料風(fēng)力葉片的研制是由復(fù)合材料不同成型工藝實現(xiàn)的。在其設(shè)計及生產(chǎn)過程中必須做到多重工藝綜合設(shè)計。針對不同材料運用不同的工藝，包括SCRIMP、SPRINT、RIM、環(huán)氧預(yù)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(jié)束語本文對大型風(fēng)力發(fā)電機復(fù)合材料葉片材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和成型工藝進(jìn)行了初步探索及總結(jié)。由于成型工藝多重化且較為復(fù)雜，故只能作概略介紹。大型風(fēng)力發(fā)電機復(fù)合材料葉片技術(shù)在國外已相當(dāng)成熟，而國內(nèi)尚處在摸索階段，特別是多重工藝相結(jié)合的成型方法需大家共同探求。