洛阳双瑞吴胜军：风力发电机叶片大型化面临的问题

2017年10月16日-19日，2017北京国际风能大会（CWP2017）在北京隆重召开。在中国国际展览中心（新馆）“风电叶片大型化技术”专场，洛阳双瑞风电叶片有限公司研发部副部长吴胜军带来风力发电机叶片设计探索与思考主旨演讲。主要介绍了材料问题，气动设计，结构设计一致性，避雷，含胶量不均匀，叶片表面防护等问题。

以下为演讲内容：

吴胜军：各位专家，各位在场的风电界的朋友，大家上午好，今天我要汇报的内容是叶片大型化带来的问题探讨。

我的报告主要分三个部分。

首先我想先介绍一下国内外叶片大型化发展的趋势。

我们先看一下国内外已安装风电机组的趋势，这里面不完全统计，但是列举了一些有代表性的风电机组，包括风轮直径和信息。

我们看到2007年到现在，风轮直径相当于增加了一倍有余，从之前的82米，到现在的180米，即将推出的190米的机型。

另外需要强调的是下面有一个2兆瓦的低风速风区的机型，也是近些年国内比较热门的，这里面有远景等，这里面有一些技术的提升，相当于政策的导向，像我们知道陕北地区，和东南沿海地区，风资源优越的地区，机组已经保护，国家鼓励向中部地区发展。

另外，海上风电也是国家大力提倡的未来发展方向，是国家政策的导向，国家能源局，十三五规划指出，十三五期间重点发展到10兆瓦，实现5到6兆瓦等大型海上风电机组安装规范化机组运维智能化。

另外我们可以看到，近两年，5—6兆瓦即将实现规模化，8—12兆瓦已经开始预研，并将快速进行大兆瓦时代。

这里面我补充的像GE、西门子、维斯塔斯，他们已经开始研发10到13兆瓦机型。

可见，发展历程既在预期之外，又在情理之中，因为发展速度的确出乎想像。

但是国内的整机厂商从2012年就开始进行技术储备，做数据搜集。比如说像（海装）已经有126、154的样机。

还有行业内技术实力的提升，也是为大型化提供了技术保障。

虽然国内的技术有了长足进步，但是相对于国外发展，我们还是有一定的差距，比如针对叶片大型化MF开发出88.4的叶片，但是国内2015年才开发出60米叶片，近两年才开发出有自主知识产权的75米的叶片，我想所以还是我们研发设计人员下一步做的工作，一个任重道远的工作。

另外像英国，他们认为6兆瓦的机组是一个相对过时的机组，可能未来会减少装机规模。

我们看预计8-12兆瓦海上大功率机组叶片所需要长度，我们可以看到2017年到2019年全国海上风电项目预计招标容量为1019.6万千瓦，海上风电发展潜力巨大。

福建一带海域，属于一类风区，设计理论年满发利用小姐数超过3200H，单位千瓦扫风面积超过3.08MW叶片的长度需要87米，12兆瓦叶片约104米。现在叶片大型化是一个趋势。

接下来我讲一下叶片大型化面临的问题，也是结合今年下线的83.6米的叶片。

首先是设计类的，成型周期要短，提升产能，成本最小化，怎么去选材？去用性价比更好的材料，减轻叶片重量，保证叶片质量，低次品率，因为海上叶片一定要保证精品。

然后你结构要易操作，另外针对海上风电叶片，维护的窗口期少，运维成本高，所以还要成本的最小化。

设计要求，就是说你怎么去考虑，让机组以及叶片的载荷最小，叶片重量减轻，发电性能要高，翼型的连续，工艺要能符合设计。

另外要考虑叶片运行的环境、风况要相匹配，所以这就要求我们结构设计人员，就要更早更多地考虑其他因素的影响。

针对海上风电叶片运行的是高温、高湿、雨蚀严重的环境，因此重点考虑叶片大型化的可靠性、工艺性，材料可靠性，保证运行的安全。

下面我列举了几个关键的问题，一个是材料问题，材料选择上，就是说你怎么样去选择一个性价比高的材料，针对叶片的大型化，基本考虑可以用到碳纤维，或者碳玻混合纤维。

目前能解决唯一途径就是采用高性能的增强材料，然后工艺选择上，针对碳纤维的话，这个要进行一个结合，包括整个过程的成本控制。

材料选择完成以后，我们要保证材料的使用，材料性能是在一个可控范围内。

气动设计问题，怎么样提高CP值，另外你要考虑气弹，避免失速问题。

还有结合设计，尽可能减少载荷情况，还有减少铺层结构的敏感性。你叶片的铺层结构，如果在制作过程当中出现小的台阶和褶皱，不能发生这种灾难性的损伤。

另外，仿真分析方法，上午也提到过，怎么样能保证你分析的结果不要偏保守，也不要偏冒险。比如大型化叶片，气弹的非线性因素会增加，如果你用线性的方法去分析，可能会偏保守。

我们这边建议，一定要在叶根后盖板安装后以后，再进行操作，我亲眼见过一些大型的叶片，打完孔，螺栓装不上去，后缘结构问题，叶片大型化以后，长度增加了，叶片重量增加，引起的一些疲劳载荷的增大，导致你后缘结构会更加复杂。

因为你叶片的形面大，在你铺设PS面铺层的时候会不易操作，如果再涉及铺层结构敏感性问题，稍微有一点缺陷，你的结构就会出现致命性损伤。所以后缘的铺层设计和铺层性能都是需要关注的因素。

结构设计一致性的问题，这里面主要说你在计算模型，在载荷计算的时候，是否能与叶片实际伸展出来的结构保持一致的，粘黏剂的用量有时候超过预值，这个都是我们需要提前考虑的因素。

此外，气动外形的精度，在实际叶片结构已经定型的情况下，你在运行的时候会出现一些气弹的问题，是否能保证之前的气动性能，这也是需要考虑的问题。

避雷的问题，大家都知道碳纤维可以引雷，所以由于碳纤维组建的大型叶片，它的避雷是需要特殊考虑的，这里面我专门强调一下碳纤维主梁的雷电防护问题，碳纤维主梁的引用会使避雷更加复杂，传统的避雷方案就是避雷线引下线，再打入地下，但是针对这种碳纤维组建的叶片，需要有这种接闪带，金属网既能接闪，又能传导的材料。

碳纤维主梁的雷电防护，我们选用材料通常有金属铜网、铝网，综合考虑多种金属网，开展雷电测试对比验证，选用性能更好的新型材料，通过做实验，发展多少克重的金属，才能满足雷电传输的要求。这里面看到这个图片就是电流导入的雷击测试的照片。

此外就是材料工艺类的，就是碳纤维主梁制作技术路线的问题，主要分三种，一个是预浸料、碳拉挤板技术、真空灌注技术。

真空灌注技术最有利的优点是铺设容易，价格低，缺点是碳纤维自身的浸润性能差，尤其是厚度超过80层的时候，采用真空灌注技术一次性将碳纤维全部浸透非常困难。

这个叶片它碳纤维的层数是120层，后面是大于70毫米，此外，碳纤维制品问题肉眼无法识别，我们经常用的是红外技术，X射线技术和超声技术，红外线技术是需要高温下检测，X射线对人体有害，成本高，且是需要密闭的检测空间，因此是不适用大型结构检测，超声衰减快，穿透能力有限，需要有额外的耦合介质。

此外，由于叶片的大型化，叶片的腹板定位和黏结控制也是一个问题，我们可以看到这个腹板高度是3.5米高，可以说难以固定和定位，常规的定位是在SS面合模方式，容易产生腹板偏移变形。

另外还有含胶量不均匀的问题，不同树脂的含量会不均匀，特别是随着叶片长度的增加，叶片面积的增大，铺层厚度的增厚，叶片模具模腔相对高度差也进一步增大，注胶口与其他位置含胶量的差异是不可避免的，随着保压过程的延长，部分树脂被吸入吸气管，导致吸气管附件成为临界平衡点，在固化之前随着时间的推移，模具的低点因重力作用会形成树脂的堆积，也就是高点贫胶，低点富胶。

叶片表面防护的难题，83.6米风机运转时叶尖时速达90米每秒，降雨对叶片的前缘破坏能力强。目前用于叶片防护的体系可选种类少，主要有保护漆和保护膜等。对叶片在海上环境的防腐蚀能力难以预测。

对防护材料的施工性能、紫外线+湿热性能，通过对比选出最合适的防腐方案。

另外一个运输安装类的问题，运输和吊装的能力都是需要提升，对于大型叶片的运输，原有的路程是有2到3倍的绕路行进，需要专业排障人员拆除大量的警示牌、路灯、绿化带，叶片运输中会有意外损伤。

对于大型叶片，应提前策划运输方案，综合考虑陆运、水运、并设计妥善的运输装备和车辆，提前探路，安排工程车开道和保护，避免叶片意外损失。

型式测试的话，由于叶片长度的增加，你检测车间的尺寸也有限制，你在室外测试的话是不存在这个问题的，但是我们想你疲劳测试最好还是在室内进行，受影响会小。

另外就是疲劳载荷方向测试，加载点、补强尺寸对考察区域的影响，疲劳加载力对激振设备的影响。

还有型式实验有避雷系统的实验，通过83.6米叶片雷电系统实验，验证了碳纤维主梁采用合适的铜网防护时，无须采用下引线。

最后有一个结束语，海上风电叶片运行在不易测，不可孔，不易达的严酷与复杂环境，海上风电面临诸多未知与挑战，我的汇报结束了，谢谢大家。

（发言为现场速记整理，未经本人审核）