风电叶片分段式设计技术及应用——杨科/副主任 博士

中国科学院工程热物理研究所国家能源风电叶片研发（实验）中心杨科/副主任 博士

　　大家上午好，非常高兴跟大家分享一下风电叶片分段式而且技术及其应用，非常感谢东方风力发电网给我这个机会。我汇报的内容简短一下背景，对研究相关的工作做一个介绍，这个课题项目是国家科技支撑项目7MW风电叶片产业化技术研发的课题，一体化成型技术研发及分段式叶片产业化。今天主要是做分段式叶片产业化介绍现在的风电叶片长度越来越长以后，叶片的运输半径，叶片的高度导致运输造价很高，在生产过程当中，导流形成过长，很难控制生产的质量，在低风速的地区，南方地区的山上运输的问题、吊装的问题，分段式具有很强的生命力，是一个很好的解决方案。分段式叶片从宏观上来讲，从广义上来讲，不仅是一个传统，分不同的目的，比如说解决运输问题，吊装的问题，像左边的图，就是传统的分段式叶片，有的时候可以沿着叶高的方向去进行分段，现在实验室提出来降低极限载荷，在极限载荷下可以把叶片收出来，就是可以折叠的叶片，像远景公司提出的局部可变浆的叶片、智能叶片等等，降低叶片的载荷，这样使用更少的材料，更加安全运输。

　　现在更加感兴趣，进行叶尖延长，做增功的时候，叶尖延长、叶根延长，也是一种分段技术，所以这些都是叶片分段方案，总体来讲，这些所有方案里边唯一追求都是一样的，追求这种可靠性，这是第一位的，我们结构不可靠的话，这个技术没活应用，再个要求工艺，比较简单，这个工艺不光是制造工艺而且是在现场的安装，吊装过程中，室外操作要很快的速度，很容易操作。运营维护，运行一段时间之后，不能产生一些毛病；再一个就是关系到生命力的成本，我们提到这些分段式叶片的技术，像有的传统叶片已经进行了一些实际商业应用。

　　在国外来讲一些厂家和研发机构提出轻量化的图层和可靠的连接结构的模式，我们国内就是联合动力，包括金风，中科宇能等等一些单位也都在做做一些分段叶片概念设计。国外已经有了商业应用，国内刚刚起步。分段叶片有四个层次的研究层面，首先我在叶片设计过程中，要考虑气动布局、载荷的控制，分段连接结构设计，结构强度影响，工装和装备工艺，防雷工艺，考虑选形的评估上、连接单元，以及后连接够件，最后整个叶片的分段连接，考虑整个叶片体系，因此设计过程当中我们选好这种分段连接结构，载荷的情况，要做载荷的评估、气动布局的设计，做强度校合以及考虑好其他的因素，分段叶片的设计应该是气动，结构，材料，工艺一体化设计技术。

　　分段叶片结构上技术难点就是连接构造设计和性能影响，分段局部增强铺设设计，而且，连接螺栓数量与布局优化，对整体结构要有一个强度评估，分段处刚度不匹配，应力集中对疲劳性能的影响，还有金属件，复合材料应变不协调，我们考虑这些难点的时候，需要在一些局部细节进行关注。

　　在载荷这块，我们进行1.5MW分段式叶片设计，我们评估了一下这个图，就是中间的图，它产生在叶片延展性方向上有一个刚度突越和质量突越，它的质量是不连续，这个刚度增加，质量评估了一下，比较好的一个情况就是质量基本上可以不同连接形式在增加质量5%到15%，这跟载荷情况，跟位置情况，连接情况是不一样。5%到15%质量增加，稳态载荷增加在1%，极限载荷增加2%，疲劳载荷增加2%，频率变化小于1%，分段叶片整体来说对叶片安全性影响不是很大，我们需要重点关注的是，它局部的构特性，在新设计一些叶片的时候，我们需要适当考虑气动布局的影响，我们做叶片大型化过程当中，因为我做一些小的，像1.5MW，7MW叶片的设计，我们发现大MW级的叶片，在分段处载荷增加是非常惊人，比我们想象的要高很多，我们设计一个气动叶片，考虑分段结构的话，就需要在叶尖尽量减小载荷，我们在分段这块承受的载荷要小一些。这样安全系数高一些。在分段连接这块，做为大叶片来讲，我们小叶片可能是施工量在叶片外面，如果是大叶片，像7MW这种的在叶片里面，在翼型选用要选用一些更厚一点的翼型，有助于安排部螺栓施工的活动空间，另外在沿叶高这个厚度分段这块，尽量保持弦长和厚度的稳定。

　　在制造和装配工艺上要考虑易于安装，检修，维护，在螺栓排布要考虑到扳手空间，是否可以施工开，因为很多施工在户外，还有预紧力准确评估，因为螺栓的一些变化，如果预紧力上紧，或者松的话对导致螺栓松脱或者断裂，所以螺栓预紧力有一个准确的评估模型。螺栓有连接玻璃，有离心力和重力的作用，所以粘接层，而且吸收力和功力跟常规有所不同，所以需要做一些专门的一些研究。在分段这块由于有一些连接的间断，我们需要做一些外环境的防护，让风沙和雨水不要漏进去。

　　在防雷这块，在叶片真正被雷击，主要在叶尖30%的位置，我们做分段连接在50%，就是叶根的区域，正常不被雷击，由于我们做一些螺栓、法兰，这里面有一些金属件导致电位，电荷雷击不一样，我们需要考虑好防雷问题，大兆瓦的叶片现在采用碳纤维的结构，我们知道碳纤维是导电，碳纤维的主梁防护，它电位是比金属电位高，在连接容易形成腐蚀，这块导电性能和持久性能也要做一些设计。在强度结构要评估不同的增强纤维和胶的厚度等等工艺的情况。我们也要评估螺栓和粘接结构的强度疲劳特性，这个评估是三维的评估下进行评估，它的应力多方向要把它评估到，精确计算也要做好工作，很多工艺必须要经过准确可靠的实验验证评估。

　　这是我们设计的一些单连接件的强度、强度构件，用于连接部分强度分析，还有工装、技术研究之类的，连接优化，我们也研发相应的设备，用于强度构件，刚才是连接部位，现在做整体的构件，我们做了相关的实验，就是箱型梁构件极限载荷的研究。为了研究极限载荷承受力情况以及应力集中的情况，我们做了一些实体单元的相关研究。前期的研究发现，连接结构这一块通过数字模拟，右上图实验的数字模拟对照的情况，我们建模没有什么问题。数字模拟有一些连接部件，连接位置有一些应力集中，这个应力集中导致疲劳损伤。我们在做涂层的时候，需要做一些涂层的优化，避免应力集中的情况。

　　我们跟合作伙伴，他们给我们提供了一些基础工艺实验，局部连接工艺实验，装配工艺实验，整个工装的设计，我们最终完成了叶片设计制造，在去年11月份的时候，在中国船级社验证情况下完成了形式实验，主要是做一些静力极限载荷的实验。

　　那么我们还有一个缺陷需要做疲劳实验，因为现在的疲劳实验有两个问题，一个是疲劳实验台占的比较满，现在已有疲劳实验的里面，其实并不能够完全体现真实叶片受力的特点，像一个叶片旋转过程中，有离心力，重力等等，我们真正在实验台做基本做挥舞疲劳实验和摆阵疲劳试验，这样不能完全符合真实的载荷情况。前几年有一个国外的企业，它在分段叶片运行了5年之后，它的疲劳评估期可能是有缺陷的。现在在设计一个实验台，就是旋转的实验台，可以进行变转速和变角，把螺栓和受力部分情况，可以模拟出来组合，做了一个分段叶片，我们在4月份左右完成相关的实验，也会完成疲劳实验，对粘接面做一个时时监测，实验台可以更好的模拟真实情况。

　　做一下总结形式了分段叶片一体化的设计体系和实验手段，拥有1.5MW及7WM级分担叶片而且经验，在分段叶片局部数字模拟做了很多的工作，在叶片成本控制，我们重量可以控制在8%以内，现在在寻求一些进一步减重新的连接模式，可以重量增加5%的技术，我们把分段叶片技术应用于现在做的真空叶尖延长3米，叶根延长2米，叶根叶片单个叶片1.5吨，叶尖延长60公斤等等都做，我们跟大家分享一下，可以有机会跟大家合作，现在做了1.5MW和7WM的分段设计，我们希望有更多的设计可以跟大家一起合作。谢谢大家！