风机叶片知识大全

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  风机叶片*概述

  风力叶片(即风力发电机叶片)是一个复合材料制成的薄壳结构,结构上分根部、外壳、龙骨三个部分。类型多种,有尖头、平头、钩头、带襟翼的尖部等。复合材料风机叶片是风力发电系统的关键动部件,直接影响着整个系统的性能,并要具有长期在户外自然环境条件下使用的耐候性和合理的价格。因此,叶片的材料、设计和制造质量水平十分重要,被视为风力发电系统的关键技术和技术水平代表。影响风机叶片相关性能的因素主要有原材料、风机叶片设计及叶片的制造工艺三种。

  风力叶片的制造工艺主要包括阳模→翻阴模→铺层→加热固化→脱模→打磨表面→喷漆等。设计难点包括叶型的空气动力学设计、强度、疲劳、噪声设计、复合材料铺层设计。工艺难点主要包括阳模加工、模翻制、树脂系统选用。叶片是一个大型的复合材料结构,其重量的90%以上由复合材料组成,每台发电机一般有三支叶片,每台发电机需要用复合材料达四吨之多。

  叶片是风电部件中确定性较高、市场容量较大、盈利模式清晰的行业。随着供需紧张形势的缓解,叶片行业将经历从纷乱到寡头、从短缺到均衡、从暴利到薄利的过程,市场将形成数个1000套以上规模的寡头,这些企业将获得高于行业平均水平的盈利能力,而其他厂商将逐渐被边缘化。随着风电叶片市场规模的扩大,成本和售价都将下降,但具备规模、技术和成本优势的企业成本下降速度将超过售价降低速度,盈利超过平均水平。未来的行业竞争格局要求厂商规模扩大、成本降低、并在技术上保持一定优势。

  风机叶片*基本术语

  1、叶片:具有空气动力形状、接受风能,使风能绕其轴转动的主要构件

  2、叶根:风轮中连接叶片和轮毂的构件

  3、叶尖:叶片距离风能回转轴线的*远点

  4、前缘:翼型在旋转方向的*前端

  5、后缘:翼型在旋转方向的*后端

  6、叶片长度: 叶片在展向上沿压力中心连线测得的*大长度

  7、0°标记: 叶尖弦的标记。0°标记位于翼根法兰的外表和内部

  8、重心:叶片配重的中心。重心要做标记,这是因为重心在叶片搬运时至关重要。

  9、逆风面: 压力面,即叶片迎风的一面。

  10、顺风面: 负压面,即叶片背风的一面。由于空气动力学的轮廓形状,这一侧产生提升力。

  11、预弯曲度: 叶片逆风方向预弯曲,以防止运转过程中叶片朝向塔架变形。

  12、导雷系统: 接收和传导雷电的系统

  13、接收器:装进叶片表面的金属设备来传导电流以使叶片避免电击破坏。

  14、叶片扭旋: 所有叶片轮廓截面上的叶片扭旋。

  风机叶片*作用

  1、由三只叶片与轮毂组成叶轮,叶轮在风力的作用下旋转,它将风的动能转变为叶轮的机械能,发电机在叶轮的带动下旋转发电;

  2、当风机正常停机或紧急停机时,叶轮顺桨作为风机的**刹车方式。

  风机叶片*原料

  目前绝大多数大型风机叶片都采用复合材料,基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、碳纤维等增强材料,通过手工铺放或树脂注入等成型工艺复合而成。 而复合材料的优点有很多,如: (1) 拉伸强度高; (2) 易成型性好; (3) 耐腐蚀性强; (4) 维护少、易修补; (5) 比重小。

  对于同一种基体树脂来讲,采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能。但是,碳纤维的价格目前是玻璃纤维的10左右。由于价格的因素,目前的叶片制造采用的增强材料主要以玻璃纤维为主。随着叶片长度不断增加,叶片对增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求,玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐出现性能方面的不足。为了保证叶片能够**的承担风温度等外界载荷,风机叶片可以采用玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构,尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位,则使用碳纤维作为增强材料。这样,不仅可以提高叶片的承载能力,由于碳纤维具有导电性,也可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

  风电机组在工作过程中,风机叶片要承受强大的风载荷、气体冲刷、砂石粒子冲击、紫外线照射等外界的作用。为了提高复合材料叶片的承担载荷、耐腐蚀和耐冲刷等性能,必须对树脂基体系统进行精心设计和改进,采用性能优异的环氧树脂代替不饱和聚酯树脂,改善玻璃纤维/树脂界面的粘结性能,提高叶片的承载能力,扩大玻璃纤维在大型叶片中的应用范围。同时,为了提高复合材料叶片在恶劣工作环境中长期使用性能,可以采用耐紫外线辐射的新型环氧树脂系统。

  风机叶片*结构设计

  叶片的基本结构: 叶片由外壳、腹板、梁帽、挡雨环、人孔盖、避雷系统组成。以*小的叶片重量获得*大的叶片面积,使得叶片具有更高的捕风能力,叶片的优化设计显得十分重要,尤其是符合空气动力学要求的大型复合材料叶片的*佳外形设计和结构优化设计的重要性尤为突出,它是实现叶片的材料/工艺有效结合的软件支撑。另外,计算机仿真技术的应用也使得叶片的结构与层合板设计更加细化,有力的支持了*佳工艺参数的确定。

  结构设计是对空气动力学外形设计,极端条件下的材料性能和疲劳载荷以及制造工艺的综合分析。

  大梁: 由于叶片自重和外部推力产生的弯曲变形是叶片的*主要载荷,为了提高弯曲性能, 在叶片的长度方向上采用单向纤维布,且中间通过抗剪腹板将上下两层梁帽尽可能分隔开,抗剪腹板采用对角铺放的双向纤维布加泡沫芯材构成。起到增加整体刚性的作用。

  叶壳: 叶壳构成了空气动力学外形,叶壳的夹芯结构增加了刚性,夹芯结构由玻璃钢表层中间加杂泡沫芯材构成。夹芯结构具备足够的刚性承担弯曲载荷同时防**粘。叶壳中的对角分布的纤维提供了必要的抗扭刚性。

  叶根: 叶片通过叶根与轮毂连接。为简化制造工艺叶根通常单独制造,再和大梁及叶壳粘接在一起。强度和刚性: 叶片需要具有较高的强度以防止断裂,同时还要具有一定的刚性防止与塔架发生碰撞。叶片的重量要足够轻以防止与塔架发生共振,导致碰撞塔架或疲劳失效。

  疲劳性能: 在20年的设计寿命中,叶片大约要经受1千万次的疲劳载荷。因此叶片的设计许用载荷一定要低于*大断裂载荷(遭遇50年大风的情况下)。通过试样的测试得到的载荷-循环次数曲线可以获得特定载荷下的循环次数结果。

  纤维种类: 玻纤增强复合材料具有很高的比强度。碳纤维增强复合材料强度和刚性好但成本较高,只用在大尺寸叶片的梁帽部分。

  风机叶片*结构设计过程

  n 通过试样测试得到材料的性能,同时考虑到材料本身和制造工艺的变异,经过部分**因子优化后得到材料的设计性能。

  n 根据空气动力学外形设计以及叶片承受的推力进行初步的结构设计,确认结构设计

  可以满足空气动力学设计要求。

  n 根据初步的结构设计确定叶片重量和疲劳载荷。

  n 检查叶壳的抗扭刚性和防脱粘性能。

  n 确认制造工艺和材料以及重量和成本。.

  n 通过有限元分析确认刚性,防脱粘性能和疲劳性能

  n 样机制作和测试,验证断裂载荷和疲劳性能。

  风机叶片*制造工艺

  随着风力发电机功率的不断提高,安装发电机的塔座和捕捉风能的复合材料叶片做的越来越大。为了保证发电机运行平稳和塔座**,不仅要求叶片的质量轻也要求叶片的质量分布必须均匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠。若要满足上述要求,需要相应的成型工艺来保证。

  传统复合材料风力发电机叶片多采用手糊工艺(Hand Lay-up)制造。手糊工艺的主要特点在于手工操作、开模成型(成型工艺中树脂和增强纤维需完全暴露于操作者和环境中)、生产效率低以及树脂固化程度(树脂的化学反应程度)往往偏低,适合产品批量较小、质量均匀性要求较低复合材料制品的生产。因此手糊工艺生产风机叶片的主要缺点是产品质量对工人的操作熟练程度及环境条件依赖性较大,生产效率低和产品的而且产品质量均匀性波动较大,产品的动静平衡保证性差,废品率较高。特别是对高性能的复杂气动外型和夹芯结构叶片,还往往需要粘接等二次加工,粘接工艺需要粘接平台或型架以确保粘接面的贴合,生产工艺更加复杂和困难。手糊工艺制造的风力发电机叶片在使用过程中出现问题往往是由于工艺过程中的含胶量不均匀、纤维/树脂浸润**及固化不完全等引起的裂纹、断裂和叶片变形等。此外,手糊工艺往往还会伴有大量有害物质和溶剂的释放,有一定的环境污染问题。因此,目前国外的高质量复合材料风机叶片往往采用RIM、RTM、缠绕及预浸料/热压工艺制造。其中RIM工艺投资较大,适宜中小尺寸风机叶片的大批量生产(>50,000片/年);RTM工艺适宜中小尺寸风机叶片的中等批量生产(5,000-30,000片/年);缠绕及预浸料/热压工艺适宜大型风机叶片批量生产。

  RTM工艺与手糊工艺的区别还在于,RTM工艺的技术含量高于手糊工艺。无论是模具设计和制造、增强材料的设计和铺放、树脂类型的选择与改性、工艺参数(如注射压力、温度、树脂粘度等)的确定与实施,都需要在产品生产前通过计算机模拟分析和实验验证来确定,从而有效保证质量的一致性。这对生产风力发电机叶片这样的动部件十分重要。

  风机叶片*产生问题的原因

  主要原因:设计不完善、生产缺陷、自然原因和运行不当。

  1 设计不完善

  1.1面对降低成本的压力

  为了追求更高的利润,管理层要求设计出低廉的部件,以便使企业有更大的空间。设计部门有时不得不做出妥协,比如,减小叶片的叶根直径的方式来减少轮毂和叶片的成本,但是叶根尺寸减小后会导致叶片强度不够,再如,选择质量不佳但价格便宜的原材料,这往往导致叶片出现致命的缺陷。

  1.2擅自更改生产工艺。

  1.3极限设计

  叶片的设计需要考虑到机组其他部件的要求与配合,例如,塔架与叶片的间距通常是设计叶片强度时需要考虑的一个原因,主轴和轴承也对叶片的重量提出要求,如果这些参数考虑不周就会使叶片设计达到极限值。

  1.4**质量降低

  2 生产缺陷

  2.1使用不合理的材料

  2.2不严格的质量控制

  2.3生产工工艺过程过于复杂,很难生产质量一致的产品

  3 自然原因

  主要包括:雷击、空气中的颗粒、高速风、剪切风、恶劣气候、疲劳寿命

  4 运行和维护不当

  4.1超额定功率运行

  4.2失控

  当机器変桨系统出现故障,机器上的刹车不会使叶轮停止转动,叶片出现失控,会继续快速旋转,严重会导致叶片抛出,造成风机灾难性事故。

  4.3缺少预防性维护

  在风机的日常运行维护时,叶片往往得不到重视。可是叶片的老化却在阳光,酸雨,狂风,自振,风沙,盐雾等不利的条件下随着时间的变化而发生着变化。在地面一旦发现问题,就意味着问题很严重。叶片的日常维护很难检查和维护到叶片,在许多风场叶片都会因为老化而出现自然开裂,沙眼,表面磨损,雷击损坏,横向裂纹等。这些问题如果日常维护做到位,就可以避免日后高额的维修费用、减少停机中造成的经济损失。(以上资料由海风风电科技有限公司提供)

  风机叶片*常见损坏类型

  主要有以下几种:普通损坏型、前缘腐蚀、前缘开裂、后缘损坏、叶根断裂、表面裂缝、雷击损坏等。

  风机叶片*裂纹维护

  转子系统是旋转机械的重要部件,转子裂纹扩展引起的叶片断裂对于旋转机械危害极大。目前,对转子叶片裂纹振动特性研究较多,对转子叶片裂纹故障的诊断、识别技术研究较少,而转子叶片裂纹及其扩展的识别对于*终实现叶片裂纹故障的诊断具有重要意义。在机械设备故障诊断中,目前通常采用基于平稳过程的经典信号处理方法——傅里叶变换分析和加窗傅里叶分析,分别仅从时域或频域给出信号的统计平均结果,无法同时兼顾信号在时域和频域的全貌和局部化特征,而这些局部化特征往往是故障的表征。

  裂纹产生的原因应力集中。采用有限元计算分析得出,转轮在水压力及离心力的作用下,大应力区主要分布在转轮叶片周边上,按第三强度理论计算的相当应力沿叶片周边分布。一般转轮叶片存在四个高应力区,他们的位置在叶片进水边正面(压力分布面)靠近上冠处;叶片出水边正面的中部;叶片出水边背面靠近上冠处;叶片与下环连接区内。

  铸造缺陷及焊接缺陷。铸造气孔、铸造砂眼等在外部应力的作用下可能会成为裂纹源,造成裂纹的产生。由于转轮叶片与上冠、下环的厚度相差大,在冷却过程中易产生缩孔、疏松等。铸焊结构的转轮,若焊接工艺不当或焊工没有按照焊接工艺的要求进行焊接,在焊缝及热影响区也会出现裂纹。

  原设计问题,转轮叶片与上冠、下环间的过渡R角设计较小,引起应力集中。运行上的原因,长期低负荷、超负荷或在振动区运行会使叶片在交变应力作用下产生裂纹或裂纹情况加剧。裂纹无损探伤检查在大修时对转轮进行无损探伤检查,及时处理缺陷,消除事故隐患是十分必要的。严重的裂纹等缺陷用肉眼和放大镜外观检查即可发现,但较细小的缺陷和内部的缺陷必须用无损探伤检查。

  常用的无损检测方法有以下几种:磁粉探伤、渗透探伤、超声波探伤、金属磁记忆、射线检测等。