分段式风电叶片研究进展和发展趋势

叶片分段技术研究进展

T型螺栓连接分段式叶片

机械连接具有连接效率高､对剥离应力不敏感和组装方便的特点[7]｡T型螺栓连接形式最早应用在叶片根部,欧洲研究者[8]从20世纪70年代开始对T型螺栓在叶片根部的连接开展了深入的实验研究,测试这种连接形式的静强度和疲劳强度,其连接性能的优越性得到了初步认可｡这种连接形式在商业风力机叶片根部的连接中得到了广泛的应用,近年来,国内外同时开展了叶根T型螺栓连接的实验和数值仿真研究[9-15],且大多是针对商业风力机叶片根部实际结构特征,分析极限受载工况下螺栓的受力特征和失效行为｡T型螺栓连接包括双头螺柱和横向高度较大的螺母(见图1),在叶片本体内连接处的法向和纵向提前开孔后用T型螺栓连接相邻的叶片段,这种连接形式在分段式叶片中应用最早,研究也最为充分｡

1982年,在巴西CTA和德国DFVLR的资助下,学者[6]首次提出了分段式叶片的思想,采用宜家家居的T型螺栓连接两段5.8m的叶片,这样就可以采用标准的6m长箱体来运输叶片,1984年,采用这种连接形式的分段式叶片风力机(DEBRA-25)安装在德国Schnittlingen的一个临近气象站的地方,这使得该风力机的风载荷数据有详细的记录,也为后期的研究奠定了基础,直到2002年,地方部门要在此位置开发1MW的风力机,才中止了该风力机的并网,到2006年,这些叶片被运往不来梅港｡叶片总共经历了18年的运行和4年的闲置,除了需要定期检查和轻微的防水腐蚀问题,叶片没有出现明显的损坏｡

2007年至2008年,德国风能和海洋能工程中心启动新的DEBRA研究计划[16],对该分段式叶片在使用前后的综合性能进行分析评估,包括叶片服役的环境条件､材料的吸湿､叶片刚度以及强度,分析了叶片服役周期内的疲劳载荷,通过叶片重量和模态频率验证了叶片在服役过程中刚度没有明显变化;在同样的实验条件下,对服役过的全尺寸叶片进行静力极限实验,实验结果与之前的数据吻合很好｡参考该叶片在服役过程中的疲劳载荷数据和美国桑迪亚国家实验室的材料性能数据,对DEBRA-25叶片进行了疲劳性能研究[17],在设计和生产工艺方面,为叶片材料与结构研究提供了宝贵的经验｡

前面的学者[6,17]从整体性能的角度对DEBRA-25风力机分段式叶片进行了研究,并没有针对T型螺栓连接形式本身的细节进行详细研究,在欧洲议会非核能计划框架资助下,英国卢瑟福实验室能源研究组､丹麦LM公司､德国宇航中心以及荷兰代尔夫特理工大学联合开展了针对分段式叶片的基础研究[6]｡其中,对T型螺栓连接的全寸构件进行了极限和疲劳强度研究,极限载荷下的失效形式均为螺杆拉伸失效,疲劳失效分别为复合材料开槽位置疲劳失效和螺栓疲劳失效;同时采用有限元方法和热弹应力测量技术对连接附近的应力进行了详细分析,数值分析与实验结果具有很好的一致性｡

该团队还对LM公司原型叶片(LM23.3)进行分段连接设计,分段式叶片(SB23.3)的分段截面距离叶根7.3m,在分段截面两侧均有一等厚度区域用于安装连接螺栓,增加铺层至原来厚度的3倍,采用0°和±45°铺层来提高分段截面附近材料的各向同性特性,在5.1~9.4m的区间内,复合材料铺层厚度梯度为经典的1∶40｡该分段式叶片由18个M32的螺栓连接组成,螺杆长为400mm,分段面两侧长均为200mm｡在原始叶片载荷下对其进行静力极限和疲劳测试,实验前后叶片结构没有明显损伤,然而,螺栓的载荷系数过大,相对于复合材料主体,螺栓承受的载荷大于GL规范要求｡因此需要增加复合材料主体的刚度或者使用疲劳性能更优越的连接螺栓｡

同时,研究者还对T型螺栓连接的分段式叶片的经济性进行了全面的评估,SB23.3叶片比LM23.3叶片的材料成本增加了43%,制造成本增加了68%｡若以叶片弦长与宽度､螺栓数量的线性关系来计算,对于60m的分段式叶片,叶片成本将增加19%;通过市场调查分析与核算,从丹麦LM工厂到德国汉诺威风场这个典型距离,采用分段式叶片,运输方面节约的成本约为叶片成本的5%,采用分段技术增加的制造成本高于运输叶片节约的成本｡因此,现有的技术水平决定了只有在长叶片无法运达风场的条件下使用分段式叶片才具有明显的优势｡在欧洲议会第五框架计划资助下,由希腊可再生能源中心风能分部主持的MEGAWIND项目,在2005年开展了T型螺栓连接性能的研究和风力机分段式叶片的研究[18],针对全尺寸连接构件试验研究了螺栓的预紧､连接常数对连接性能影响以及静强度和疲劳强度;分段式叶片采用玻璃纤维聚酯树脂复合材料和低成本成型工艺制造,叶片长29.65m,采用45个M24的T型螺栓交替排布,其分段截面距离叶根12.4m,叶根段重为4595kg,叶尖段重为1828kg,全尺寸分段式叶片静力试验满足设计要求,由于大量螺栓的过早失效,疲劳实验以失败告终｡

管式连接分段式叶片

管式连接分段式叶片的原理是采用一根锥形管作为承载梁连接两段叶片,锥形管预制在叶片段主体的一端,另一端有一个承载的金属连接点(见图2),由于在分段截面存在配合公差,这种连接形式需要做防腐和防水保护｡

联合团队还在LM13.4叶片的基础上开展了管式连接的分段式叶片研究,在叶片测试时,只考虑叶根长为9m的部分,在距离叶根4.5m的位置采用分段连接,连接管的长度为3m,两段叶片均埋入1.5m,对叶片结构进行了最大挥舞､最大/最小摆振极限静力测试,接着进行疲劳测试,最后重复静力极限强度测试｡静力极限测试前后叶片结构的完整性没有变化｡复合材料管与金属环接触的部分存在磨损腐蚀,这是由于没有充分接触和连接局部过载造成的,载荷主要是从锁紧装置传递而不是金属环｡由于连接件单一,这种连接构型对工艺制造提出了很高的要求,同时这种连接结构基本上没有失效容限,一旦局部失效将导致整个连接结构的完全破坏｡在动态载荷工况下应用这种连接构型的分段式叶片存在不可控的安全风险｡