中國科學院工程熱物理研究所國家能源風電葉片研發(fā)（實驗）中心楊科/副主任 博士

　　大家上午好，非常高興跟大家分享一下風電葉片分段式而且技術及其應用，非常感謝東方風力發(fā)電網(wǎng)給我這個機會。我匯報的內(nèi)容簡短一下背景，對研究相關的工作做一個介紹，這個課題項目是國家科技支撐項目7MW風電葉片產(chǎn)業(yè)化技術研發(fā)的課題，一體化成型技術研發(fā)及分段式葉片產(chǎn)業(yè)化。今天主要是做分段式葉片產(chǎn)業(yè)化介紹現(xiàn)在的風電葉片長度越來越長以后，葉片的運輸半徑，葉片的高度導致運輸造價很高，在生產(chǎn)過程當中，導流形成過長，很難控制生產(chǎn)的質量，在低風速的地區(qū)，南方地區(qū)的山上運輸?shù)膯栴}、吊裝的問題，分段式具有很強的生命力，是一個很好的解決方案。分段式葉片從宏觀上來講，從廣義上來講，不僅是一個傳統(tǒng)，分不同的目的，比如說解決運輸問題，吊裝的問題，像左邊的圖，就是傳統(tǒng)的分段式葉片，有的時候可以沿著葉高的方向去進行分段，現(xiàn)在實驗室提出來降低極限載荷，在極限載荷下可以把葉片收出來，就是可以折疊的葉片，像遠景公司提出的局部可變漿的葉片、智能葉片等等，降低葉片的載荷，這樣使用更少的材料，更加安全運輸。

　　現(xiàn)在更加感興趣，進行葉尖延長，做增功的時候，葉尖延長、葉根延長，也是一種分段技術，所以這些都是葉片分段方案，總體來講，這些所有方案里邊唯一追求都是一樣的，追求這種可靠性，這是第一位的，我們結構不可靠的話，這個技術沒活應用，再個要求工藝，比較簡單，這個工藝不光是制造工藝而且是在現(xiàn)場的安裝，吊裝過程中，室外操作要很快的速度，很容易操作。運營維護，運行一段時間之后，不能產(chǎn)生一些毛病；再一個就是關系到生命力的成本，我們提到這些分段式葉片的技術，像有的傳統(tǒng)葉片已經(jīng)進行了一些實際商業(yè)應用。

　　在國外來講一些廠家和研發(fā)機構提出輕量化的圖層和可靠的連接結構的模式，我們國內(nèi)就是聯(lián)合動力，包括金風，中科宇能等等一些單位也都在做做一些分段葉片概念設計。國外已經(jīng)有了商業(yè)應用，國內(nèi)剛剛起步。分段葉片有四個層次的研究層面，首先我在葉片設計過程中，要考慮氣動布局、載荷的控制，分段連接結構設計，結構強度影響，工裝和裝備工藝，防雷工藝，考慮選形的評估上、連接單元，以及后連接夠件，最后整個葉片的分段連接，考慮整個葉片體系，因此設計過程當中我們選好這種分段連接結構，載荷的情況，要做載荷的評估、氣動布局的設計，做強度校合以及考慮好其他的因素，分段葉片的設計應該是氣動，結構，材料，工藝一體化設計技術。

　　分段葉片結構上技術難點就是連接構造設計和性能影響，分段局部增強鋪設設計，而且，連接螺栓數(shù)量與布局優(yōu)化，對整體結構要有一個強度評估，分段處剛度不匹配，應力集中對疲勞性能的影響，還有金屬件，復合材料應變不協(xié)調，我們考慮這些難點的時候，需要在一些局部細節(jié)進行關注。

　　在載荷這塊，我們進行1.5MW分段式葉片設計，我們評估了一下這個圖，就是中間的圖，它產(chǎn)生在葉片延展性方向上有一個剛度突越和質量突越，它的質量是不連續(xù)，這個剛度增加，質量評估了一下，比較好的一個情況就是質量基本上可以不同連接形式在增加質量5%到15%，這跟載荷情況，跟位置情況，連接情況是不一樣。5%到15%質量增加，穩(wěn)態(tài)載荷增加在1%，極限載荷增加2%，疲勞載荷增加2%，頻率變化小于1%，分段葉片整體來說對葉片安全性影響不是很大，我們需要重點關注的是，它局部的構特性，在新設計一些葉片的時候，我們需要適當考慮氣動布局的影響，我們做葉片大型化過程當中，因為我做一些小的，像1.5MW，7MW葉片的設計，我們發(fā)現(xiàn)大MW級的葉片，在分段處載荷增加是非常驚人，比我們想象的要高很多，我們設計一個氣動葉片，考慮分段結構的話，就需要在葉尖盡量減小載荷，我們在分段這塊承受的載荷要小一些。這樣安全系數(shù)高一些。在分段連接這塊，做為大葉片來講，我們小葉片可能是施工量在葉片外面，如果是大葉片，像7MW這種的在葉片里面，在翼型選用要選用一些更厚一點的翼型，有助于安排部螺栓施工的活動空間，另外在沿葉高這個厚度分段這塊，盡量保持弦長和厚度的穩(wěn)定。

　　在制造和裝配工藝上要考慮易于安裝，檢修，維護，在螺栓排布要考慮到扳手空間，是否可以施工開，因為很多施工在戶外，還有預緊力準確評估，因為螺栓的一些變化，如果預緊力上緊，或者松的話對導致螺栓松脫或者斷裂，所以螺栓預緊力有一個準確的評估模型。螺栓有連接玻璃，有離心力和重力的作用，所以粘接層，而且吸收力和功力跟常規(guī)有所不同，所以需要做一些專門的一些研究。在分段這塊由于有一些連接的間斷，我們需要做一些外環(huán)境的防護，讓風沙和雨水不要漏進去。

　　在防雷這塊，在葉片真正被雷擊，主要在葉尖30%的位置，我們做分段連接在50%，就是葉根的區(qū)域，正常不被雷擊，由于我們做一些螺栓、法蘭，這里面有一些金屬件導致電位，電荷雷擊不一樣，我們需要考慮好防雷問題，大兆瓦的葉片現(xiàn)在采用碳纖維的結構，我們知道碳纖維是導電，碳纖維的主梁防護，它電位是比金屬電位高，在連接容易形成腐蝕，這塊導電性能和持久性能也要做一些設計。在強度結構要評估不同的增強纖維和膠的厚度等等工藝的情況。我們也要評估螺栓和粘接結構的強度疲勞特性，這個評估是三維的評估下進行評估，它的應力多方向要把它評估到，精確計算也要做好工作，很多工藝必須要經(jīng)過準確可靠的實驗驗證評估。

　　這是我們設計的一些單連接件的強度、強度構件，用于連接部分強度分析，還有工裝、技術研究之類的，連接優(yōu)化，我們也研發(fā)相應的設備，用于強度構件，剛才是連接部位，現(xiàn)在做整體的構件，我們做了相關的實驗，就是箱型梁構件極限載荷的研究。為了研究極限載荷承受力情況以及應力集中的情況，我們做了一些實體單元的相關研究。前期的研究發(fā)現(xiàn)，連接結構這一塊通過數(shù)字模擬，右上圖實驗的數(shù)字模擬對照的情況，我們建模沒有什么問題。數(shù)字模擬有一些連接部件，連接位置有一些應力集中，這個應力集中導致疲勞損傷。我們在做涂層的時候，需要做一些涂層的優(yōu)化，避免應力集中的情況。

　　我們跟合作伙伴，他們給我們提供了一些基礎工藝實驗，局部連接工藝實驗，裝配工藝實驗，整個工裝的設計，我們最終完成了葉片設計制造，在去年11月份的時候，在中國船級社驗證情況下完成了形式實驗，主要是做一些靜力極限載荷的實驗。

　　那么我們還有一個缺陷需要做疲勞實驗，因為現(xiàn)在的疲勞實驗有兩個問題，一個是疲勞實驗臺占的比較滿，現(xiàn)在已有疲勞實驗的里面，其實并不能夠完全體現(xiàn)真實葉片受力的特點，像一個葉片旋轉過程中，有離心力，重力等等，我們真正在實驗臺做基本做揮舞疲勞實驗和擺陣疲勞試驗，這樣不能完全符合真實的載荷情況。前幾年有一個國外的企業(yè)，它在分段葉片運行了5年之后，它的疲勞評估期可能是有缺陷的。現(xiàn)在在設計一個實驗臺，就是旋轉的實驗臺，可以進行變轉速和變角，把螺栓和受力部分情況，可以模擬出來組合，做了一個分段葉片，我們在4月份左右完成相關的實驗，也會完成疲勞實驗，對粘接面做一個時時監(jiān)測，實驗臺可以更好的模擬真實情況。

　　做一下總結形式了分段葉片一體化的設計體系和實驗手段，擁有1.5MW及7WM級分擔葉片而且經(jīng)驗，在分段葉片局部數(shù)字模擬做了很多的工作，在葉片成本控制，我們重量可以控制在8%以內(nèi)，現(xiàn)在在尋求一些進一步減重新的連接模式，可以重量增加5%的技術，我們把分段葉片技術應用于現(xiàn)在做的真空葉尖延長3米，葉根延長2米，葉根葉片單個葉片1.5噸，葉尖延長60公斤等等都做，我們跟大家分享一下，可以有機會跟大家合作，現(xiàn)在做了1.5MW和7WM的分段設計，我們希望有更多的設計可以跟大家一起合作。謝謝大家！