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　　1前言風(fēng)力發(fā)電作為未來最具有競(jìng)爭(zhēng)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(jī)總裝機(jī)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(jī)市場(chǎng)幾乎也被這幾個(gè)國家的公司占據(jù)。預(yù)計(jì)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(jī)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(shí)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(shí)的補(bǔ)充能源，加以開發(fā)和利用，有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，葉片的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠性起決定作用。由于各種原因，我國在大型風(fēng)機(jī)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(jī)葉片已迫在眉睫。

　　2發(fā)展趨勢(shì)隨著世界風(fēng)能市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用率和發(fā)電成本的要求也越來越篼。市場(chǎng)上涌現(xiàn)出一批大功率、大容量的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，而這些大型機(jī)組的出現(xiàn)對(duì)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(shì)如下復(fù)合材料葉片由航空翼型向風(fēng)電機(jī)翼型發(fā)展，隨著風(fēng)機(jī)容量不斷增大，葉片的長度和厚度也相應(yīng)增加。同時(shí)，為了提高風(fēng)電機(jī)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(jī)機(jī)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(jī)葉片以剛性的為主，只有美國主張開發(fā)高度柔性的變獎(jiǎng)矩風(fēng)力機(jī)。葉片和塔架很柔軟，如果能解決好結(jié)構(gòu)動(dòng)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(jī)葉片的制造，如高強(qiáng)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(shì)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(cè)和評(píng)價(jià)。

　　單機(jī)容量大型化，應(yīng)用于大、中型風(fēng)力機(jī)群與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行（即所謂的風(fēng)電場(chǎng)），以降低風(fēng)力發(fā)電的成本。近年來，大型風(fēng)機(jī)已成為風(fēng)電市場(chǎng)上的主要產(chǎn)品，出現(xiàn)了從單機(jī)容童為1MW到4.5MW等多種機(jī)型，整個(gè)行業(yè)的趨勢(shì)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(hào)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(shí)應(yīng)考慮有足夠的強(qiáng)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(jià)格便宜，對(duì)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(qiáng)度，所制的復(fù)合材料力學(xué)性能好，固化時(shí)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(diǎn)。對(duì)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(diǎn)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(qiáng)材料葉片在氣動(dòng)荷載和離心力的作用下存在著較大的彎距和離心力，同時(shí)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(qiáng)樹脂與玻璃纖維增強(qiáng)樹脂結(jié)構(gòu)類似，在比強(qiáng)度（強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度。

　　表2性能比較纖維熔點(diǎn)/抗拉強(qiáng)度拉伸彈性棋量極限值/MPa比強(qiáng)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(huì)曝露出來，達(dá)不到美觀及保護(hù)作用；但太厚又會(huì)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(dú)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(qiáng)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(duì)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(qiáng)度篼。泡沫塑料的容重和強(qiáng)度與氣體含量有關(guān)，氣體含量越多，容重越小，強(qiáng)度越低。同時(shí)，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(qiáng)度高，導(dǎo)熱系數(shù)低，耐寒、抗震等優(yōu)點(diǎn)。另外，它可以常溫現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡，這對(duì)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(jì)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，諸多因素都應(yīng)考慮：4.1葉片整體設(shè)計(jì)方案目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)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?yàn)榭扇藶榈母淖儤�距角，在各種工況下實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪最佳運(yùn)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(jī)構(gòu)，使風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本提高、可靠性和安全性降低。定獎(jiǎng)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(jiǎn)化了機(jī)組，增加了風(fēng)力機(jī)的可靠性和安全性。國外大型風(fēng)力機(jī)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(jì)中一般都采用這種方案。

　　4.2葉片鋪層設(shè)計(jì)葉片的鋪層設(shè)計(jì)是復(fù)合材料葉片設(shè)計(jì)的另一個(gè)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(qiáng)度和低彈性模量的特性，葉片除滿足強(qiáng)度條件外，尚需滿足變形條件，特別是較長的風(fēng)力機(jī)葉片尤其要注意葉片和塔架的碰撞。葉身設(shè)計(jì)盡可能按等強(qiáng)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(jī)葉片要承受較大的氣動(dòng)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(dòng)外殼或外殼內(nèi)設(shè)加強(qiáng)肋的結(jié)構(gòu)形式，以提高葉片的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)肋，然后組裝成整體�？紤]到工藝設(shè)備的要求和操作的簡(jiǎn)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(dòng)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(jì)觀點(diǎn)，應(yīng)布置一些1：1布層作45鋪設(shè)，為簡(jiǎn)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(jì)是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，應(yīng)予以重視。因?yàn)樵谌~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(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度或膠層剪切強(qiáng)度來傳遞荷載的，而復(fù)合材料的這些強(qiáng)度均低于其拉伸壓縮及彎曲強(qiáng)度。可以說，葉片最危險(xiǎn)的部位在葉根。選擇根端形式時(shí)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(jī)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(yùn)用最廣泛的兩種方法。

　　4葉片設(shè)計(jì)中的荷載考慮葉片設(shè)計(jì)中荷載的確定也是尤其重要的，既要使葉片在運(yùn)輸、安裝及運(yùn)行期間保證安全，又要盡量降低成本。歐共體風(fēng)能協(xié)會(huì)制定的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中將荷載工況規(guī)定為設(shè)計(jì)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(jī)在正常運(yùn)行期間（指正常運(yùn)行、偏航、開停機(jī)）葉片所受的荷載，大致可分為三大類：空氣動(dòng)力、重力和離心力。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮氣動(dòng)載荷引起的剪切力、彎距和扭距；重力對(duì)葉片產(chǎn)生的剪切力、拉壓力、彎距和扭距；離心力對(duì)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(duì)葉片的影響。非正常荷載工況是指風(fēng)力機(jī)在非正常運(yùn)行期間（指極端風(fēng)載、安裝運(yùn)輸、危險(xiǎn)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(jì)時(shí)需滿足在如此大的荷載下不破壞，且有一定的剩余強(qiáng)度以承受108左右的正常工況疲勞荷載。而在安裝運(yùn)輸和危險(xiǎn)狀況下，荷載情況很復(fù)雜，但其交變次數(shù)一般不會(huì)超過106，其設(shè)計(jì)強(qiáng)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(shí)（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(jī)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(dòng)和變形及熱膨脹因素葉片設(shè)計(jì)除滿足以上要求以外，還要考慮到防雷保護(hù)、振動(dòng)和變形及熱膨脹因素影響。

　　5.1防雷保護(hù)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中最大的問題就是直擊雷造成的損害，尤其是對(duì)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?yàn)槿~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(chǎng)集中，結(jié)果便會(huì)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(huì)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(shí)，過流燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生金屬蒸氣篼壓力，導(dǎo)致葉片迸裂。同時(shí)，任何一種安裝在葉片內(nèi)的導(dǎo)體都會(huì)增加雷電擊中葉片的次數(shù)。此時(shí)電流從葉片傳至大地而對(duì)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(jī)艙、發(fā)電機(jī)、塔架及控制系統(tǒng)，因此每個(gè)途經(jīng)部件都要考慮到防雷及電流傳導(dǎo)。

　　S.2振動(dòng)由于作用在葉片上荷載的交變性和隨機(jī)性，且葉片本身為彈性結(jié)構(gòu)，因而葉片的振動(dòng)是不可避免的。振動(dòng)的形式有彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及彎曲耦合振動(dòng)。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(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)力，使葉片具有共振性質(zhì)。振動(dòng)產(chǎn)生的疲勞會(huì)降低材料強(qiáng)度，減少使用壽命，因此在設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)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(jì)算葉尖位移和扭角來確定變形量。此外，設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)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(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，在離心力作用下也會(huì)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(shí)現(xiàn)的。在其設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過程中必須做到多重工藝綜合設(shè)計(jì)。針對(duì)不同材料運(yùn)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(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)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。