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揭秘 | 世界最大风电发电机组叶片开发过程和技术细节

北极星风力发电网  来源:中国国际复材展    2018/2/6 11:17:56  我要投稿  

北极星风力发电网讯:丹麦LM 风能公司生产出的88.4米长的复合材料风机叶片,是迄今为止全球风机叶片制造商生产出的最长叶片,与100码美式足球场的长度相仿。88.4米叶片风机的扫风面积相当于3个足球场大小,所输出的电能可供一个小镇使用。

该叶片被命名为LM 88.4 P,比LM以往生产的最长叶片 LM 73.5 P还要长15米,但重量仅增加6吨。这是通过将具有高强度、高刚度的轻质碳纤维引入到叶片主梁层压板中实现的。

风机叶片制造使用碳纤维已有超过10年的历史,主要是采用拉挤工艺生产的碳纤维增强环氧树脂预浸料主梁,并通过有竞争力的单位兆瓦时能源发电成本(LCoE)证明了其较高价格的合理性。如今,LM探索出了一种不同的方法,将碳玻混杂增强复合材料主梁沿着长度方向嵌入标准玻璃纤维复合材料基壳层压板。这样,叶片壳体与主梁能够在同一模具中制造,叶片壳体充当了碳玻混杂复合材料主梁的模具,大大节省了时间和成本。LM复合材料技术项目主任Michael Lund-Laverick介绍说:“LM 88.4 P是首个采用混杂增强技术生产的叶型,采用干的碳玻混杂纤维铺放和真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)制造。”该混杂增强设计使LM利用现有工艺生产出了LM 88.4 P叶型,显著提升了核心竞争力。完全满足客户已经建立起的成本和工期的设计规范。Lund-Laverick补充道:“我们选择了与实际应用最接近的技术方案,显著降低了风险,并促进了客户所需技术的快速开发。”

88.4米叶片的用户Adwen公司(Siemens Gamesa的所属企业)表示希望将该风机用于I级风况条件下的海上风电场,因此,LM 88.4 P 叶片的设计工程师将该叶片能够承受的参考风速设定为50米/秒(112mph),符合I级风况的使用要求。

新产品的设计驱动力:不确定性和风险

接下来,叶片的设计受到LM公司运营战略的不确定性影响。Lund-Laverick表示:“混杂增强法首先解决了最大的不确定性问题,这也是我们能够想到的最大的失败。”LM采用失效模式效果分析软件(FMEAs)——一款评价设计(dFMEA)和工艺(pFMEA)风险的形式分析工具,来分析设计和工艺的可行性。当然,在转向计算机辅助之前,工程师们首先会口头讨论可能出现的风险。“这样,我们可以通过控制风险来管理项目的进展,凭借公司扎实的专业知识、丰富的开发经验和良好的沟通机制,来确定关键问题所在。工程师们将可能出现的问题一一列出,随后通过相应的测试和工程方案避免这些问题的出现。”

FMEA所分析出的结构用来确定要进行什么样的测试和实验,在该过程中,试制并测试实际样品零件,在计算机建模和分析开始之前验证设计极限和失效模式。计算机模拟也是建立在现实基础之上,而不是在初级理论之上的,无论该理论如何强大。

在确认了叶片的风况等级、设计极限和失效模式之后,工程师们用该公司开发的设计程序和三维建模软件套装LM Blades模拟大型叶片在极限范围内的静态和动态疲劳加载、大型气动面板的屈曲、单向纤维增强复合材料强度的Puck断裂准则,以及其他的力学/强度、化学/环境要求。

碳玻混杂 两全其美

LM公司的混杂技术是指采用碳玻混杂纤维增强复合材料主梁对标准玻璃纤维增强聚酯复合材料的叶片基壳层压板进行强化的技术。按照LM技术要求生产的叶片壳体用玻璃纤维织物由多家供应商供货,典型应用H玻纤的供应商为Owens Corning。叶片壳体层压板是由巴萨轻木为芯材的三明治结构灌注LM标准聚酯树脂获得。

叶片主梁所需的单轴向碳纤维/H玻纤混杂织物由SAERTEX公司所属的挪威企业Devold AMT AS公司生产,该织物产品获得了LM公司“2017最佳创新伙伴大奖”。叶片壳体和主梁所需的纤维织物结构由不同面密度的±45°双轴向织物、0°/ ±45°组合织物和0°单向织物组合而成。首次在88.4米叶片使用的该新型纤维织物组合由LM团队自主研发,配合一款LM专有的未知树脂使用,获得了优异的叶片性能。灌注叶片主梁所用的专有树脂在分子结构上虽具有不同的主链结构,但能够与叶片壳体所用聚酯树脂通过化学反应产生较强结合力。

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