分段式风电叶片研究进展和发展趋势

分段叶片发展趋势

国外对分段式叶片的研究有30余年的历史,但是,相关的技术报告与文献资料却并不充分,基于商业保密的考量,一些应用研究和细节资料尚未公开发表｡分段叶片商业化应用也只是最近几年才开始的,从目前的文献和报道来看,分段式叶片一直是学者､企业关注的热点,国内外多个风电企业申请了分段叶片相关专利[24,25,30-64]｡随着技术的不断进步和新的连接构型的出现,原有研究成果[6]与现有技术创新[65]出现了差异化｡60m左右的分段式叶片成本增加少于10%,甚至更少变得可能｡复合材料本身的各向异性特点和叶片复杂的服役载荷,使长叶片分段技术依然蕴藏着巨大的风险,在设计､制造或者安装过程中,稍有不慎就会导致严重的后果[66]｡纵观分段式叶片发展过程,其技术具有如下特点和发展趋势:

(1)商业化起点高:从成本的角度考虑,在短叶片上采用分段叶片技术不仅成本､重量增加明显,且短叶片运输问题并不迫切｡从研究的角度考虑,由于不同长度叶片在结构和载荷特征上有所不同,在短叶片上开展分段连接研究存在一定的局限性,大型风力机的载荷环境比中小型风力机恶劣[67],安全裕度更小,特别是疲劳载荷下分段叶片连接可靠性更为突出｡因此,基于长叶片或者大尺寸结构件的连接研究更具有实际工程意义和应用价值;

(2)复杂的验证过程:叶片根部具有较大节圆直径和弯曲刚度,且这部分结构相对变形量很小,在叶片服役过程中,部件间的相对滑移不容易产生,而处于叶片分段截面位置的连接机构由于抗弯截面刚度系数小,对连接件的工艺､工装以及结构设计要求更高,不同于叶根等截面规则几何结构,分段截面往往几何和结构相当复杂,理论分析存在困难,数值分析非常耗时,且存在一定的局限性｡复合材料连接薄弱环节与复杂的载荷决定了采用分段式叶片需要经过不同几何尺度､不同工况条件下的严格验证;

(3)模块化设计:目前,螺栓连接是分段叶片的主导连接形式,基于单个螺栓连接性能或者连接单元的基础研究可以深入探寻螺栓连接的强度和服役可能性,鉴于分段式叶片设计中复杂的验证过程和高昂的分析测试成本,在深入理解单个螺栓和连接单元的性能后,采用模块化设计具有重要意义,可以节约测试成本和验证周期,便于不同尺寸风力机的技术转移;

(4)低成本的制造和精确的工装:出于对叶片成本的约束和结构强度的要求,采用低成本､高性能的材料,优化叶片铺层和连接结构与工艺､实现低成本制造是分段式叶片走向市场的关键因素,精确的工装工艺是提高分段式叶片连接强度和结构效率的前提｡良好的工装条件可以在设计时降低材料或结构的设计安全系数,减少材料的用量并提高结构的可靠性;

(5)海上风力机:尽管海上风力机对运输条件的要求没有陆上风力机那么严格,但随着技术进步,分段式叶片成本增加越来越少,海上风力机采用分段式叶片也可以降低海上运输成本､叶片制造难度以及吊装难题｡一直专注于陆上风力机市场的Ene-rcon也对海上风力机表示出浓厚的兴趣,Gamesa正在积极发展基于分段叶片的超大型海上风力机｡基于成本考虑和单机容量提高,海上风力机的大型化已然成为现实,且市场前景广阔,分段叶片具有潜在的商业价值｡

作者：秦志文,杨科,王继辉,宋娟娟

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