风机叶片辅梁布定长裁剪

于莎莎

摘 要：随着国家对能源重视程度日益增加，在煤炭、石油等常规能源以外还在不断的开发研究新型能源，风能作为新兴的清洁高效的可再生能源，在当今社会受到越来越多的关注，风机叶片作为风力发电机中最重要的组成部分，对发电功率起着至关重要的作用。本文主要叙述风机叶片的生产工艺及定长裁剪相关工艺。

关键词：风电；叶片；定长裁剪

中图分类号：TP391.73 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）02-0086-01

传统能源资源的大量使用带来了许多的环境问题和社会问题，并且其存储量大大降低，因而风能作为一种清洁的可循环再生的能源，越来越受到世界各国的广泛关注。风力发电机叶片是接受风能的最主要部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素，其成本约为整个机组成本的15%-20%。根据“风机功价比法则”，风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比，增加长度可以提高单机容量，但同时会造成发电机的体积和质量的增加，使其造价大幅度增加。并且，随着叶片的增大，刚度也成为主要问题。为了实现风力的大功率发电，既要减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，这就对叶片材料提出了很高的要求。

叶片材料发展经历了几个阶段：木质叶片、铝合金叶片，直到现在普遍应用的纤维复合材料。纤维复合材料之所以被采纳应用，是因为其质量比重轻，机械能效好，抗疲劳强度高，在恶劣环境条件下也能正常承载负荷。现在市面上普遍采用的纤维材料是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂，风机叶片基本上是由聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂等碳纤维与玻璃纤维与热固性基体树脂等增强材料，通过手工铺放、树脂注入成型等工艺制造成型。根据叶片长度的不断增加，对同一种基体树脂，提高玻璃纤维的模量和拉伸强度要求也越来越高。现如今，市场上强度较高的增强材料有两种，一是玻璃纤维材料，二是碳纤维复合材料。玻璃纤维材料主要用于大型风机叶片方向，碳纤维复合材料主要用于翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位作为增强材料。因为碳纤维复合材料还具有良好的导电性，所以碳纤维复合材料不仅可以提高叶片的承载能力，还能够有效的避免雷击对叶片的伤害。

现如今风机生产制造材料不仅仅为树脂纤维复合材料，越来越多的采用碳纤维复合材料，碳纤维的密度比玻璃纤维的优势有：密度比玻璃纤维小约百分之三十， 比玻璃纤维强度大百分之四十，尤其是模量高三到八倍。大型叶片采用碳纤维增强的优点是可充分发挥其高弹轻质。有国外科学家研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，采用全碳纤维材料与采用全玻璃纤维材料相比，质量能减轻百分之四十左右；而且作为叶片材料，碳纤维复合材料的刚度是玻璃纤维复合材料刚度叶片的2倍。据分析，如采用碳纤维于玻璃纤维混和增强方案，叶片可减轻百分之二十-百分之三十。如叶片采用碳纤维与玻璃纤维混合材料作为构件那么，3.0 MW发电机的叶片长44m的叶片质量与常规材料作为构件的2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。同样，研究表明长约34m的叶片，采用碳纤维增强环氧树脂时质量、采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量及采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量分别为3800kg、5200kg及5800kg。可以看出在质量方面，在同等强度的情况下碳纤维增强环氧树脂质量比其它两种材料的质量要轻的多。还有一些研究表明，采用碳纤维所制得的风机叶片的质量比采用玻璃纤维制得的风机叶片的质量轻约百分之三十二，而且成本下降约百分之十六。风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有良好的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。可制造自适应叶片。叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13～15m/s（29～33英里/h），当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都会下降，可缩小工厂的规模和运输设备。碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔架短频率间发生任何共振的可能性。

当前，叶片生产使用的是整卷的玻纤布，在叶片生产时根据叶片形状现场修剪。其中辅梁是很规则的，可以提前裁剪。之前一直是人工使用卷尺测量，剪刀裁剪，裁剪效率低，尺寸误差大。因此，很有必要设计研发一种结构合理，操作方便，自动化程度高的裁剪设备，提高生产效率，减少尺寸误差。和山东理工大学合作开发辅梁裁剪机，根据铺层数据编制辅梁裁剪程序，用电机放布和收卷，提高辅梁裁剪效率，且尺寸精确（误差正负5cm），裁剪效率提高了1倍，大大提高了辅梁布裁剪效率。如图1所示。

随着国家节能减排工作的开展，新能源利用率在逐年提高，風电装机容量在我国也是逐年递增的趋势。叶片作为风力发电机组最为重要的部件，作为风力叶片制造企业，其材料工艺与制作工艺的选择直接决定了企业的经济效益。