風機葉片輔梁布定長裁剪

于莎莎

摘 要：隨著國家對能源重視程度日益增加，在煤炭、石油等常規能源以外還在不斷的開發研究新型能源，風能作為新興的清潔高效的可再生能源，在當今社會受到越來越多的關注，風機葉片作為風力發電機中最重要的組成部分，對發電功率起著至關重要的作用。本文主要敘述風機葉片的生產工藝及定長裁剪相關工藝。

關鍵詞：風電；葉片；定長裁剪

中圖分類號：TP391.73 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）02-0086-01

傳統能源資源的大量使用帶來了許多的環境問題和社會問題，并且其存儲量大大降低，因而風能作為一種清潔的可循環再生的能源，越來越受到世界各國的廣泛關注。風力發電機葉片是接受風能的最主要部件，其良好的設計、可靠的質量和優越的性能是保證發電機組正常穩定運行的決定因素，其成本約為整個機組成本的15%-20%。根據“風機功價比法則”，風力發電機的功率與葉片長度的平方成正比，增加長度可以提高單機容量，但同時會造成發電機的體積和質量的增加，使其造價大幅度增加。并且，隨著葉片的增大，剛度也成為主要問題。為了實現風力的大功率發電，既要減輕葉片的重量，又要滿足強度與剛度要求，這就對葉片材料提出了很高的要求。

葉片材料發展經歷了幾個階段：木質葉片、鋁合金葉片，直到現在普遍應用的纖維復合材料。纖維復合材料之所以被采納應用，是因為其質量比重輕，機械能效好，抗疲勞強度高，在惡劣環境條件下也能正常承載負荷。現在市面上普遍采用的纖維材料是玻璃纖維增強聚酯（環氧）樹脂，風機葉片基本上是由聚酯樹脂、環氧樹脂、乙烯基樹脂等碳纖維與玻璃纖維與熱固性基體樹脂等增強材料，通過手工鋪放、樹脂注入成型等工藝制造成型。根據葉片長度的不斷增加，對同一種基體樹脂，提高玻璃纖維的模量和拉伸強度要求也越來越高。現如今，市場上強度較高的增強材料有兩種，一是玻璃纖維材料，二是碳纖維復合材料。玻璃纖維材料主要用于大型風機葉片方向，碳纖維復合材料主要用于翼緣等對材料強度和剛度要求較高的部位作為增強材料。因為碳纖維復合材料還具有良好的導電性，所以碳纖維復合材料不僅可以提高葉片的承載能力，還能夠有效的避免雷擊對葉片的傷害。

現如今風機生產制造材料不僅僅為樹脂纖維復合材料，越來越多的采用碳纖維復合材料，碳纖維的密度比玻璃纖維的優勢有：密度比玻璃纖維小約百分之三十， 比玻璃纖維強度大百分之四十，尤其是模量高三到八倍。大型葉片采用碳纖維增強的優點是可充分發揮其高彈輕質。有國外科學家研究表明，一個旋轉直徑為120m的風機的葉片，采用全碳纖維材料與采用全玻璃纖維材料相比，質量能減輕百分之四十左右；而且作為葉片材料，碳纖維復合材料的剛度是玻璃纖維復合材料剛度葉片的2倍。據分析，如采用碳纖維于玻璃纖維混和增強方案，葉片可減輕百分之二十-百分之三十。如葉片采用碳纖維與玻璃纖維混合材料作為構件那么，3.0 MW發電機的葉片長44m的葉片質量與常規材料作為構件的2.0MW發電機且為39m長的葉片質量相同。同樣，研究表明長約34m的葉片，采用碳纖維增強環氧樹脂時質量、采用玻璃纖維增強環氧樹脂時質量及采用玻璃纖維增強聚脂樹脂時質量分別為3800kg、5200kg及5800kg。可以看出在質量方面，在同等強度的情況下碳纖維增強環氧樹脂質量比其它兩種材料的質量要輕的多。還有一些研究表明，采用碳纖維所制得的風機葉片的質量比采用玻璃纖維制得的風機葉片的質量輕約百分之三十二，而且成本下降約百分之十六。風機總是處在條件惡劣的環境中，并且24h處于工作狀態。這就使材料易于受到損害。相關研究表明，碳纖維合成材料具有良好的抗疲勞特性，當與樹脂材料混合時，則成為了風力機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一。碳纖維的應用可以減少負載和增加葉片長度，從而制造適合于低風速地區的大直徑風葉，使風能成本下降。可制造自適應葉片。葉片裝在發電機的輪軸上，葉片的角度可調。目前主動型調節風機的設計風速為13～15m/s（29～33英里/h），當風速超過時，則調節風葉斜度來分散超過的風力，防止對風機的損害。斜度控制系統對逐步改變的風速是有效的。但對狂風的反應太慢了，自適應的各向異性葉片可幫助斜度控制系統，在突然的、瞬間的和局部的風速改變時保持電流的穩定。自適應葉片充分利用了纖維增強材料的特性，能產生非對稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設計，使葉片在強風中旋轉時可減少瞬時負載。由于減少了材料的應用，所以纖維和樹脂的應用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運輸成本都會下降，可縮小工廠的規模和運輸設備。碳纖維的振動阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔架短頻率間發生任何共振的可能性。

當前，葉片生產使用的是整卷的玻纖布，在葉片生產時根據葉片形狀現場修剪。其中輔梁是很規則的，可以提前裁剪。之前一直是人工使用卷尺測量，剪刀裁剪，裁剪效率低，尺寸誤差大。因此，很有必要設計研發一種結構合理，操作方便，自動化程度高的裁剪設備，提高生產效率，減少尺寸誤差。和山東理工大學合作開發輔梁裁剪機，根據鋪層數據編制輔梁裁剪程序，用電機放布和收卷，提高輔梁裁剪效率，且尺寸精確（誤差正負5cm），裁剪效率提高了1倍，大大提高了輔梁布裁剪效率。如圖1所示。

隨著國家節能減排工作的開展，新能源利用率在逐年提高，風電裝機容量在我國也是逐年遞增的趨勢。葉片作為風力發電機組最為重要的部件，作為風力葉片制造企業，其材料工藝與制作工藝的選擇直接決定了企業的經濟效益。