新技术：研制低成本热塑性复合材料风机叶片

风轮是将风能转换为机械能的装置，它由气动性能优异的叶片（目前商业机组一般为2～3个叶片）装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。通常来说，海上风电机组上安装的叶片的大小直接决定了海上风力发电机的功率大小。目前大多数叶片的长度在45～60m之间，相应的风机容量在3～5MW之间。对于叶片，不仅要在空气动力学基础上考虑其剖面的设计，发挥更大的风力效益，也要考虑它在各种风力条件下的强度问题和作为整个海上风电机组一部分的质量问题，这就需要采用合适的材料来制造叶片，目前采用的玻璃纤维增强塑料因其具有轻质和较强的刚度，因而在叶片制造中广泛使用，而伴随着叶片尺寸的加大，预计今后采用碳纤维增强塑料将成为一种趋势。

1.叶片材料的发展

风机叶片材料的强度和刚度是决定风电机组性能优劣的关键。目前，风机叶片所用材料已由木质、帆布等发展为金属（铝合金）、玻璃纤维增强复合材料（玻璃钢、GFRP）、碳纤维增强复合材料（CFRP）等，其中新型玻璃钢叶片材料因为其重量轻、强度高、可设计性强、价格比较便宜等，成为大中型风机叶片材料的主流。然而，随着风机叶片朝着超大型化和轻量化的方向发展，玻璃钢复合材料也开始达到了其使用性能的极限，碳纤维增强复合材料逐渐应用到超大型风机叶片中。

具体而言，根据应用场合的不同，风机叶片材料的选择也会有所不同。一般较小型的叶片（如22m以下）选用量大价廉的E-玻璃纤维增强复合材料，树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯酯或环氧树脂；而较大型的叶片（如42m以上）一般采用CFRP或CF与GF混杂的复合材料，树脂基体以环氧树脂为主。例如，LM公司开发的应用于5MW风力发电机上的长61.5m的大型风机叶片，其质量为17.7t，在横梁和端部就使用了碳纤维增强复合材料；德国Nordex Rotor公司开发的56m长的风机叶片也采用了碳纤维，而且他们认为，当叶片尺寸大到一定程度时，由于使用碳纤维增强，玻璃纤维和树脂的用量可以减少，其综合成本可以做到不高于玻璃纤维增强复合材料。

为满足风机叶片的使用要求，目前玻璃纤维也在进行技术革新。例如，欧文斯科宁开发的Wind Strand新一代增强型玻璃纤维，可以在不增加叶片成本的情况下提高叶片的性能。据报道，Wind Strand可以提高叶片的硬度和强度，使叶片具有良好的抗疲劳性能，从而提高叶片的抗风性能，增加叶片的寿命，提高叶片的能量转换率。与传统的E-玻璃纤维相比，增强型Wind Strand可以使叶片的重量降低10%，从而最终可以降低风电的成本。

风电机组工作过程中，风机叶片要承受强风载荷、砂粒冲刷、紫外线照射、大气氧化与腐蚀等外界因素的作用。为了提高复合材料叶片的承载能力、耐腐蚀和耐冲刷等性能，必须对树脂基体系统进行精心设计和改进。例如，采用性能优异的风能专用环氧树脂代替不饱和聚酯树脂，可以改善玻璃纤维/树脂界面的黏结性能，从而提高叶片的承载能力，扩大玻璃纤维在大型叶片中的应用范围；同时，为了提高复合材料叶片在恶劣工作环境中的长期使用性能，还开发了耐紫外线辐射的新型环氧树脂系统。

据报道，爱尔兰Gaoth风能公司与日本三菱重工和美国Cyclics公司已开始探讨研制低成本热塑性复合材料叶片。在爱尔兰有关企业的资助下，Limerick大学和Galway国立大学开展了热塑性复合材料的先进成型工艺的基础研究。为了解决热塑性复合材料叶片的纤维浸渍和大型热塑性复合材料结构件制造过程中的树脂流动问题，美国的Cyclics公司开发出了一种低黏度的热塑性工程塑料基体材料——CBT树脂。这种像水一样低黏度的热塑性工程塑料CBT树脂流动性好，易于浸渍增强材料，赋予复合材料良好的韧性，同时可以充分发挥材料的性能，提高叶片的耐冲击性能与抗振能力。

与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。在相同的尺寸条件下，热塑性复合材料由于密度低，叶片的质量更轻，随之带来安装塔座和发电机质量的减小。但是，该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大，制造成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风机叶片的关键问题之一。

2.叶片结构设计的发展

风机叶片结构设计的目的是要通过空气动力学分析，充分利用复合材料的性能，使大型叶片以最小的质量获得最大的扫风面积，从而使叶片具有更高的捕风能力。随着风力发电机额定功率的增大，风机叶片的质量和费用随着其长度的增加也迅速的增加。如何通过新的结构设计方案和提高材料的性能来降低叶片的质量便至关重要了。

在玻璃钢叶片的结构型式中，叶片剖面及根端构造的设计最为重要。选择叶片剖面及根端构造，要考虑玻璃钢叶片的结构性能、材料性能及成型工艺。风机叶片要承受较大的载荷，通常要考虑50～60m/s的极端风载。为提高叶片的强度和刚度，防止局部失稳，玻璃钢叶片大都采用主梁加气动外壳的结构型式。主梁承担大部分弯曲载荷，而外壳除满足气动性能外，也承担部分弯曲载荷。主梁常用D形、O形、矩形和双拼槽钢等型式。

德国的Enercon公司对叶片结构设计进行了深入研究，发现当风机叶轮的旋转直径由30m增加到33m时，由于叶片长度的增加，叶片转动时扫风面积增大，捕风能力大约提高25%；同时，对33m叶片进行空气动力实验，经过精确的测定，叶片的实际气动效率为56%，比Betz计算的最大气动效率低约3%～4%。为此，该公司对大型叶片外形、型面和结构都进行了必要的改进：为抑制生成扰流和旋涡，在叶片端部安装“小翼”；为改善和提高涡轮发电机主舱附近的捕风能力，对叶片根部进行重新改进，缩小叶片的外形截面，增加叶径长度；对叶片顶部和根部之间的型面进行优化设计。在此基础上，Enercon公司开发出了旋转直径为71m的2MW风电机组，并且在4.5MW风电机组设计中继续采用上述技术，在旋转直径为112m的叶片端部仍安装有倾斜“小翼”，使得旋转直径为112m的叶片的运行噪音小于旋转直径为66m的叶片运行时所产生的噪音。

丹麦的LM公司在61.5m复合材料叶片样机的设计中对其叶片根部固定方案进行了改进，尤其是固定螺栓与螺栓之间的周围区域。这样，在保持现有根部直径的情况下，能够支撑的叶片长度可比改进前大约增加20%。另外，LM公司的叶片预弯曲专有技术也可以进一步降低叶片重量和提高产能。日本机械技术研究所利用杠杆原理开发的小型抗强风柔性结构风力发电机代表了一种新的设计理念。其叶片半径7.5m，采用玻璃纤维增强复合材料制造，塔高15m、重3.2t。风电机组采用活络式转子，允许桨叶、轮毂摇动，能缓和空气动力负荷反复变动产生的冲击与振动，提高玻璃钢叶片及轮毂的抗疲劳性能，从而延长工作寿命。另外，由于采用轴与叶片柔性连接的新结构，可使强风时加到叶片上的力减少50%；而且随着风力增强，该叶片的角度会自动变化，使风在叶片后方自行消减，自动维持80r/min的转速，风速为8～25m/s时可稳定输出15kW电力。(www.xing528.com)

3.风机叶片翼型的发展

风机叶片翼型气动性能的好坏，直接决定了叶片风能转换效率的高低。低速风机叶片采用薄而略凹的翼型；现代高速风机叶片都采用流线型叶片，其翼型通常从NACA和Gottigen系列中选取，这些翼型的特点是阻力小、空气动力效率高，而且雷诺数也足够大。早期的水平轴风机叶片普遍采用航空翼型，例如NACA44××和NACA230××，因为它们具有最大升力系数高、桨距动量低和最小阻力系数低等特点。随着风机叶片技术的不断进步，人们逐渐开始认识到传统的航空翼型并不适合设计高性能的叶片。美国、瑞典和丹麦等风能技术发达国家都在发展各自的翼型系列，其中以瑞典的FFA-W系列翼型最具代表性。FFA-W系列翼型的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比，并且在非设计工况下具有良好的失速性能。

目前，世界上最大的风机叶片生产商——丹麦的LM公司已开始在大型风机叶片上采用FFA-W系列翼型。风电机组专用翼型将在风机叶片设计中起着越来越重要的作用，在叶片翼型的改进上也还有很大的发展空间。同时，采用柔性叶片也是一个发展方向，利用新型材料进行设计制造，使其在风况变化时能够改变它们的空气动力型面，从而改变空气动力特性和叶片的受力状况，增加叶片运行的可靠性和对风的捕获能力。另外，在开发新的空气动力装置上也进行了大量尝试，如在风机叶端加一小翼。由Aero Vironment公司提出的Aero Vironment型小翼被实际用于水平轴风电机组，并成功地提高了风电机组的输出功率。

在国内，风机翼型的研究工作仍停留在普通航空翼型阶段，最有代表性的是NACA系列，对新翼型的研究很少。由于缺乏风电机组专用新翼型的几何参数和气动性能参数，直接影响了我国大型风机的气动设计水平。

4.风机叶片成型工艺的发展

随着风力发电机功率的不断提高，安装发电机的塔座和捕捉风能的复合材料叶片做得越来越大。为了保证发电机运行平稳和塔座安全，不仅要求叶片的质量轻，还要求叶片的质量分布必须均匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠。若要满足上述要求，需要有相应的成型工艺来保证。传统复合材料风机叶片多采用手糊工艺制造。手糊工艺生产风机叶片的主要缺点是生产效率低、产品质量均匀性不好、产品的动静平衡保证性差，废品率较高。特别是对高性能的复杂气动外形和夹芯结构叶片，还往往需要黏结等二次加工，生产工艺更加复杂和困难。由于手糊过程中含胶量不均匀、纤维/树脂浸润不良及固化不完全等，常会引起风机叶片在使用中出现裂纹、断裂和变形等问题。因此，目前国外的高质量复合材料风机叶片往往采用RIM、RTM、缠绕及预浸料/热压工艺制造，其中RIM工艺投资较大，适宜中小尺寸风机叶片的大批量生产（＞50000片/年）；RTM工艺适宜中小尺寸风机叶片的中等批量的生产（5000～30000片/年）；缠绕及预浸料/热压工艺适宜大型风机叶片批量生产。

RTM工艺的主要原理：在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体，采用注射设备将专用低黏度注射树脂体系注入闭合模腔，模具具有周边密封和紧固以及注射及排气系统，以保证树脂流动顺畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，并且模具有加热系统，可进行加热固化成型复合材料构件。由于RTM工艺具有叶片整体闭模成型，产品尺寸和外形精度高、初期投资小、制品表面光洁度高、成型效率高、环境污染小等优点，开始成为风机叶片的重要成型方法。

大型风机叶片目前采用的工艺主要有两种：开模手工铺层和闭模真空浸透。用预浸料开模手工铺层工艺是最简单、最原始的工艺，不需要昂贵的工装设备，但效率比较低，质量不够稳定，通常只用于生产叶片长度比较短和批量比较小的情况；闭模真空浸透技术被认为效率高、成本低、质量好，因此为很多生产单位所采用。采用闭模真空浸透工艺制备风机叶片时，首先把增强材料铺覆在涂覆硅胶的模具上，增强材料的外形和铺层数，在先进的现代化工厂，采用专用的铺层机进行铺层，然后用真空辅助浸透技术输入基体树脂，真空可以保证树脂能很好地充满到增强材料和模具的每一个角落。真空辅助浸透技术制备风机叶片的关键点有三个，即：①优选浸透用的基体树脂，特别要保证树脂的最佳黏度及其流动特殊性；②模具设计必须合理，特别对模具上树脂注入孔的位置、流道分布更要注意，确保基体树脂能均衡地充满任何一处；③工艺参数要最佳化，真空辅助浸透技术的工艺参数要事先进行实验研究，保证达到最佳化。固化后的叶片由自动化操纵的设备运送到下一道工序，进行打磨和抛光等。由于模具上涂有硅胶，叶片不再需要油漆。此外还必须注意，在工艺制造过程中，尽可能减少复合材料的孔隙率，保证增强纤维在铺放与成型过程中保持平直，是获得良好力学性能的关键。

5.风机叶片的发展前景

风力发电具有资源再生、容量巨大、无污染、综合治理成本低等优点，是未来电力的先进生产力。而在风力发电设备中，最核心的部分是叶片。叶片成本约占风力发电机组总成本的20%左右，其原材料国产化是降低风机总造价的关键之一。在“863”计划“兆瓦级风力发电机组风轮叶片国产化”的支持下，叶片原材料国产化取得了重要进展，目前国产叶片已通过试验认证。近年来，由于国内市场风机叶片供不应求、利润空间大，这一行业扩张迅速。在不少知名外资企业进入我国的同时，国内叶片企业通过发挥自身优势也获得了较快发展，生产技术日趋成熟，成为我国风电整机制造企业的稳定配套商。但是，国内部分大型叶片生产企业主要通过与国外企业签署技术许可合同获得相关制造技术来生产风机叶片。特别是在兆瓦级复合材料叶片生产方面，这些企业所用设备和原材料绝大部分从国外进口，采用的生产技术也来自国外，使得兆瓦级风电机组的成本居高不下，从而严重阻碍了我国风电相关行业的发展。

目前，国外风机叶片大量采用复合材料制造，并向大型化、低成本、高性能、轻量化、多翼型、柔性化方向发展。而国内的风机叶片尚处于起步阶段，离高性能叶片的要求还相距甚远。因此，大力增加风电技术研究和开发的投入，大力培养风电人才，突破风机叶片技术的瓶颈限制，大力开发风电能源，对于缓解我国将来的能源危机，具有重要的战略意义。