風(fēng)電葉片真空灌注成型工藝技術(shù)研究

　　1　概述

　　世界上很多國(guó)家尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家，已充分認(rèn)識(shí)到風(fēng)電在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境污染等方面的重要性，對(duì)風(fēng)電的開(kāi)發(fā)給予了高度重視，裝機(jī)規(guī)模持續(xù)高速增長(zhǎng)。2006年累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)最多的10個(gè)國(guó)家占世界風(fēng)電裝機(jī)的85％，與2005年相比，德國(guó)、美國(guó)和西班牙保持了前3名的地位，中國(guó)則從第八名升到第六名。中國(guó)新增裝機(jī)容量（不包含臺(tái)灣省裝機(jī)）為1.347GW，處于亞洲第二，2006年風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)較2005年成長(zhǎng)超過(guò)3倍，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)2.604GW，排行全球第六大市場(chǎng)。其市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力主要源自2006年1月1日生效的“可再生能源法”。

　　單機(jī)容量是風(fēng)電機(jī)組技術(shù)水平的標(biāo)志。全球兆瓦級(jí)機(jī)組的市場(chǎng)份額明顯增大，1997年及以前還不到10%，2001年則超過(guò)50%，2002年達(dá)到62.1％，2003年達(dá)到71.4％。2003年安裝的風(fēng)電機(jī)組平均單機(jī)容量達(dá)到1.2MW。2006年安裝的機(jī)組增均單機(jī)容量約為1.5MW，而10年前只有500kW。我國(guó)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量也從600kW逐步走向兆瓦級(jí)轉(zhuǎn)變。更大型、性能更好的機(jī)組也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，并投入生產(chǎn)試運(yùn)行。由于更多國(guó)家致力于風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用，預(yù)計(jì)這種世界范圍的快速增長(zhǎng)將持續(xù)下去。除了風(fēng)電大國(guó)丹麥、德國(guó)、西班牙和美國(guó)外，很多其它國(guó)家包括英國(guó)、法國(guó)、巴西和中國(guó)也制定了雄心勃勃的風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃。

　　2    風(fēng)機(jī)葉片

　　2.1 風(fēng)機(jī)葉片材料

　　風(fēng)機(jī)葉片材料的強(qiáng)度和剛度是決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。目前，風(fēng)機(jī)葉片所用材料已由木質(zhì)、帆布等發(fā)展為金屬（鋁合金）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。玻璃鋼葉片材料因?yàn)橹亓枯p、比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、價(jià)格比較便宜等因素，成為大中型風(fēng)機(jī)葉片材料的首選。然而，隨著風(fēng)機(jī)葉片朝著超大型化和輕量化的方向發(fā)展，玻璃鋼復(fù)合材料開(kāi)始達(dá)到其使用性能的極限，碳纖維維復(fù)合材料（CFRP）逐漸開(kāi)始應(yīng)用到超大型風(fēng)機(jī)葉片中。

　　具體而言，由于應(yīng)用場(chǎng)合的不同，風(fēng)機(jī)葉片材料的選擇也會(huì)有所不同。一般較小型的葉片（如22m以下）選用量大價(jià)廉的E-玻纖增強(qiáng)塑料（GFRP)，樹(shù)脂基體以不飽和聚酯為主，也可選用乙烯酯或環(huán)氧樹(shù)脂；而較大型的葉片（如42m以上）一般采用CFRP或CF與GF混雜的復(fù)合材料，樹(shù)脂基體以環(huán)氧樹(shù)脂為為主。目前商品化的大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用玻璃纖維復(fù)合材料（GRP）。長(zhǎng)度大于40m葉片可以采用碳/玻混雜復(fù)合材料，但由于碳纖維的價(jià)格較高，未能推廣應(yīng)用。

　　2.2 風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)

　　風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是要通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)分析，充分利用復(fù)合材料的性能，使大型葉片以最小的質(zhì)量獲得最大的掃風(fēng)面積，從而使葉片具有更高的捕捉風(fēng)的能力。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率的增大，風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量和費(fèi)用隨著長(zhǎng)度的增加也迅速增加，如何通過(guò)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和提高材料的性能來(lái)降低葉片的質(zhì)量至關(guān)重要。

　　在玻璃鋼葉片的結(jié)構(gòu)形式中，葉片剖面及根端構(gòu)造的設(shè)計(jì)最為重要。選擇葉剖面及根端形式，要考慮玻璃鋼葉片的結(jié)構(gòu)性能、材料性能及成型工藝。風(fēng)機(jī)葉片要承受較高的載荷，通常要考慮50~60m/s的極限風(fēng)載。為提高葉片的強(qiáng)度和剛度，防止局部失穩(wěn)，玻璃鋼葉片大都采用主梁加氣動(dòng)外型的結(jié)構(gòu)形式。主梁承擔(dān)大部分彎曲載荷，而外殼除滿足氣動(dòng)性能外，也承擔(dān)部分彎曲載荷。主梁常用D型、0型、矩形和雙拼槽鋼等形式。

　　隨著葉片尺寸的不斷增加，其生產(chǎn)和制造過(guò)程中產(chǎn)生了一些在以往中小型中片生產(chǎn)中未曾碰到過(guò)的新問(wèn)題，大型模具問(wèn)題便是其一。大型復(fù)合材料葉片的外形尺寸與其制造模具有著極其密切的關(guān)系。為保證復(fù)合材料葉片設(shè)計(jì)外形和尺寸精度，葉片長(zhǎng)度越長(zhǎng)，成型時(shí)對(duì)模具剛度和強(qiáng)度的要求就越高，模具的重量和成本也會(huì)大幅度提高。為減輕模具重量，降低模具成本，大型復(fù)合材料葉片的制造模具基本是用復(fù)合材料模具，這意味著葉片可以做得更長(zhǎng)。