中國科學(xué)院工程熱物理研究所國家能源風(fēng)電葉片研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）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(fēng)電葉片分段式而且技術(shù)及其應(yīng)用，非常感謝東方風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)給我這個(gè)機(jī)會(huì)。我匯報(bào)的內(nèi)容簡短一下背景，對(duì)研究相關(guān)的工作做一個(gè)介紹，這個(gè)課題項(xiàng)目是國家科技支撐項(xiàng)目7MW風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)的課題，一體化成型技術(shù)研發(fā)及分段式葉片產(chǎn)業(yè)化。今天主要是做分段式葉片產(chǎn)業(yè)化介紹現(xiàn)在的風(fēng)電葉片長度越來越長以后，葉片的運(yùn)輸半徑，葉片的高度導(dǎo)致運(yùn)輸造價(jià)很高，在生產(chǎn)過程當(dāng)中，導(dǎo)流形成過長，很難控制生產(chǎn)的質(zhì)量，在低風(fēng)速的地區(qū)，南方地區(qū)的山上運(yùn)輸?shù)膯栴}、吊裝的問題，分段式具有很強(qiáng)的生命力，是一個(gè)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(gè)傳統(tǒng)，分不同的目的，比如說解決運(yùn)輸問題，吊裝的問題，像左邊的圖，就是傳統(tǒng)的分段式葉片，有的時(shí)候可以沿著葉高的方向去進(jìn)行分段，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)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(yùn)輸。

　　現(xiàn)在更加感興趣，進(jìn)行葉尖延長，做增功的時(shí)候，葉尖延長、葉根延長，也是一種分段技術(shù)，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(jié)構(gòu)不可靠的話，這個(gè)技術(shù)沒活應(yīng)用，再個(gè)要求工藝，比較簡單，這個(gè)工藝不光是制造工藝而且是在現(xiàn)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(yùn)營維護(hù)，運(yùn)行一段時(shí)間之后，不能產(chǎn)生一些毛病；再一個(gè)就是關(guān)系到生命力的成本，我們提到這些分段式葉片的技術(shù)，像有的傳統(tǒng)葉片已經(jīng)進(jìn)行了一些實(shí)際商業(yè)應(yīng)用。

　　在國外來講一些廠家和研發(fā)機(jī)構(gòu)提出輕量化的圖層和可靠的連接結(jié)構(gòu)的模式，我們國內(nèi)就是聯(lián)合動(dòng)力，包括金風(fēng)，中科宇能等等一些單位也都在做做一些分段葉片概念設(shè)計(jì)。國外已經(jīng)有了商業(yè)應(yīng)用，國內(nèi)剛剛起步。分段葉片有四個(gè)層次的研究層面，首先我在葉片設(shè)計(jì)過程中，要考慮氣動(dòng)布局、載荷的控制，分段連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響，工裝和裝備工藝，防雷工藝，考慮選形的評(píng)估上、連接單元，以及后連接夠件，最后整個(gè)葉片的分段連接，考慮整個(gè)葉片體系，因此設(shè)計(jì)過程當(dāng)中我們選好這種分段連接結(jié)構(gòu)，載荷的情況，要做載荷的評(píng)估、氣動(dòng)布局的設(shè)計(jì)，做強(qiáng)度校合以及考慮好其他的因素，分段葉片的設(shè)計(jì)應(yīng)該是氣動(dòng)，結(jié)構(gòu)，材料，工藝一體化設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　分段葉片結(jié)構(gòu)上技術(shù)難點(diǎn)就是連接構(gòu)造設(shè)計(jì)和性能影響，分段局部增強(qiáng)鋪設(shè)設(shè)計(jì)，而且，連接螺栓數(shù)量與布局優(yōu)化，對(duì)整體結(jié)構(gòu)要有一個(gè)強(qiáng)度評(píng)估，分段處剛度不匹配，應(yīng)力集中對(duì)疲勞性能的影響，還有金屬件，復(fù)合材料應(yīng)變不協(xié)調(diào)，我們考慮這些難點(diǎn)的時(shí)候，需要在一些局部細(xì)節(jié)進(jìn)行關(guān)注。

　　在載荷這塊，我們進(jìn)行1.5MW分段式葉片設(shè)計(jì)，我們?cè)u(píng)估了一下這個(gè)圖，就是中間的圖，它產(chǎn)生在葉片延展性方向上有一個(gè)剛度突越和質(zhì)量突越，它的質(zhì)量是不連續(xù)，這個(gè)剛度增加，質(zhì)量評(píng)估了一下，比較好的一個(gè)情況就是質(zhì)量基本上可以不同連接形式在增加質(zhì)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(zhì)量增加，穩(wěn)態(tài)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(duì)葉片安全性影響不是很大，我們需要重點(diǎn)關(guān)注的是，它局部的構(gòu)特性，在新設(shè)計(jì)一些葉片的時(shí)候，我們需要適當(dāng)考慮氣動(dòng)布局的影響，我們做葉片大型化過程當(dāng)中，因?yàn)槲易鲆恍┬〉模?.5MW，7MW葉片的設(shè)計(jì)，我們發(fā)現(xiàn)大MW級(jí)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?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)氣動(dòng)葉片，考慮分段結(jié)構(gòu)的話，就需要在葉尖盡量減小載荷，我們?cè)诜侄芜@塊承受的載荷要小一些。這樣安全系數(shù)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(diǎn)的翼型，有助于安排部螺栓施工的活動(dòng)空間，另外在沿葉高這個(gè)厚度分段這塊，盡量保持弦長和厚度的穩(wěn)定。

　　在制造和裝配工藝上要考慮易于安裝，檢修，維護(hù)，在螺栓排布要考慮到扳手空間，是否可以施工開，因?yàn)楹芏嗍┕ぴ趹敉猓€有預(yù)緊力準(zhǔn)確評(píng)估，因?yàn)槁菟ǖ囊恍┳兓绻A(yù)緊力上緊，或者松的話對(duì)導(dǎo)致螺栓松脫或者斷裂，所以螺栓預(yù)緊力有一個(gè)準(zhǔn)確的評(píng)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(guī)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(huán)境的防護(hù)，讓風(fēng)沙和雨水不要漏進(jìn)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(qū)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(dǎo)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(xiàn)在采用碳纖維的結(jié)構(gòu)，我們知道碳纖維是導(dǎo)電，碳纖維的主梁防護(hù)，它電位是比金屬電位高，在連接容易形成腐蝕，這塊導(dǎo)電性能和持久性能也要做一些設(shè)計(jì)。在強(qiáng)度結(jié)構(gòu)要評(píng)估不同的增強(qiáng)纖維和膠的厚度等等工藝的情況。我們也要評(píng)估螺栓和粘接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度疲勞特性，這個(gè)評(píng)估是三維的評(píng)估下進(jìn)行評(píng)估，它的應(yīng)力多方向要把它評(píng)估到，精確計(jì)算也要做好工作，很多工藝必須要經(jīng)過準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)估。

　　這是我們?cè)O(shè)計(jì)的一些單連接件的強(qiáng)度、強(qiáng)度構(gòu)件，用于連接部分強(qiáng)度分析，還有工裝、技術(shù)研究之類的，連接優(yōu)化，我們也研發(fā)相應(yīng)的設(shè)備，用于強(qiáng)度構(gòu)件，剛才是連接部位，現(xiàn)在做整體的構(gòu)件，我們做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，就是箱型梁構(gòu)件極限載荷的研究。為了研究極限載荷承受力情況以及應(yīng)力集中的情況，我們做了一些實(shí)體單元的相關(guān)研究。前期的研究發(fā)現(xiàn)，連接結(jié)構(gòu)這一塊通過數(shù)字模擬，右上圖實(shí)驗(yàn)的數(shù)字模擬對(duì)照的情況，我們建模沒有什么問題。數(shù)字模擬有一些連接部件，連接位置有一些應(yīng)力集中，這個(gè)應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞損傷。我們?cè)谧鐾繉拥臅r(shí)候，需要做一些涂層的優(yōu)化，避免應(yīng)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(chǔ)工藝實(shí)驗(yàn)，局部連接工藝實(shí)驗(yàn)，裝配工藝實(shí)驗(yàn)，整個(gè)工裝的設(shè)計(jì)，我們最終完成了葉片設(shè)計(jì)制造，在去年11月份的時(shí)候，在中國船級(jí)社驗(yàn)證情況下完成了形式實(shí)驗(yàn)，主要是做一些靜力極限載荷的實(shí)驗(yàn)。

　　那么我們還有一個(gè)缺陷需要做疲勞實(shí)驗(yàn)，因?yàn)楝F(xiàn)在的疲勞實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)問題，一個(gè)是疲勞實(shí)驗(yàn)臺(tái)占的比較滿，現(xiàn)在已有疲勞實(shí)驗(yàn)的里面，其實(shí)并不能夠完全體現(xiàn)真實(shí)葉片受力的特點(diǎn)，像一個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)過程中，有離心力，重力等等，我們真正在實(shí)驗(yàn)臺(tái)做基本做揮舞疲勞實(shí)驗(yàn)和擺陣疲勞試驗(yàn)，這樣不能完全符合真實(shí)的載荷情況。前幾年有一個(gè)國外的企業(yè)，它在分段葉片運(yùn)行了5年之后，它的疲勞評(píng)估期可能是有缺陷的。現(xiàn)在在設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，就是旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可以進(jìn)行變轉(zhuǎn)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(gè)分段葉片，我們?cè)?月份左右完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，也會(huì)完成疲勞實(shí)驗(yàn)，對(duì)粘接面做一個(gè)時(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以更好的模擬真實(shí)情況。

　　做一下總結(jié)形式了分段葉片一體化的設(shè)計(jì)體系和實(shí)驗(yàn)手段，擁有1.5MW及7WM級(jí)分擔(dān)葉片而且經(jīng)驗(yàn)，在分段葉片局部數(shù)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(nèi)，現(xiàn)在在尋求一些進(jìn)一步減重新的連接模式，可以重量增加5%的技術(shù)，我們把分段葉片技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)在做的真空葉尖延長3米，葉根延長2米，葉根葉片單個(gè)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(jī)會(huì)跟大家合作，現(xiàn)在做了1.5MW和7WM的分段設(shè)計(jì)，我們希望有更多的設(shè)計(jì)可以跟大家一起合作。謝謝大家！