風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的部件，其良好的設(shè)計，可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。惡劣的環(huán)境和長期不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，對葉片的要求有：

1.密度輕且具有最佳的疲勞強(qiáng)度和力學(xué)性能，能經(jīng)受暴風(fēng)等極端惡劣條件和隨機(jī)負(fù)載的考驗(yàn)；

2.葉片的彈性、旋轉(zhuǎn)時的慣性及其振動頻率特性曲線都正常，傳遞給整個發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載穩(wěn)定性好，不得在失控（飛車）的情況下載離心力的作用下拉斷并飛出，亦不得在風(fēng)壓的作用下折斷，也不得在飛車轉(zhuǎn)速以下范圍內(nèi)產(chǎn)生引起整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的強(qiáng)烈共振；

3.葉片的材料必須保證表面光滑以減小風(fēng)阻，粗糙的表面亦會被風(fēng)“撕裂”；

4.不得產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁波干擾和光反射；

5.不允許產(chǎn)生過大噪聲；

6.耐腐蝕、紫外線照射和雷擊性能好；

7.成本較低，維護(hù)費(fèi)用最低。

微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片一般用木頭手工制作，金屬冷沖壓成型或注塑成型的工藝方法；

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片一般用金屬或玻璃鋼手工制作，其中玻璃鋼葉片是最流行、實(shí)用的葉片；

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片一般用玻璃鋼手工制作。

用于加工葉片的材料有木頭、金屬、工程塑料、玻璃鋼等。

木制葉片及布蒙皮葉片

近代的微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)也有采用木制葉片的，但木制葉片不易做成扭曲型。大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)很少用木制葉片，采用木制葉片的也是用強(qiáng)度很好的整體木方做葉片縱梁來承擔(dān)葉片在工作時所必須承擔(dān)的力和彎矩。

鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片

葉片在近代采用鋼管或D型型鋼做縱梁，鋼板做肋梁，內(nèi)填泡沫塑料外覆玻璃鋼蒙皮的機(jī)構(gòu)形式，一般在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用。葉片縱梁的鋼管及D型型鋼從葉根至葉尖的截面應(yīng)逐漸變小，以滿足扭曲葉片的要求并減輕葉片重量，即做成等強(qiáng)度梁。

鋁合金等弦長擠壓成型葉片

用鋁合金擠壓成型的等弦長葉片易于制造，可聯(lián)系生產(chǎn)，又可按設(shè)計要求的扭曲進(jìn)行扭曲加工，葉根與輪轂連接的軸及法蘭可通過焊接或螺栓連接來實(shí)現(xiàn)。鋁合金葉片重量輕、易于加工，但不能做到從葉根至葉尖漸縮的葉片，因?yàn)槭澜缑麌形唇鉀Q這種擠壓工藝。另外，鋁合金材料在空氣中的氧化和老化問題也值得研究。

玻璃鋼葉片

所謂玻璃鋼（glass fiber reinforced plastic,簡稱GFRP)就是環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂等塑料滲入長度不同的玻璃纖維或碳纖維而做成的增強(qiáng)塑料。增強(qiáng)塑料強(qiáng)度高、重量輕、耐老化，表面可再纏玻璃纖維及涂環(huán)氧樹脂，其他部分填充泡沫塑料。泡沫在葉片中主要作用是在保證其穩(wěn)定性的同時降低葉片質(zhì)量，使葉片在滿足剛度的同時增大捕風(fēng)面積。

從泡沫的力學(xué)性能和價格等因素考慮,被用于風(fēng)力發(fā)電葉片芯材的泡沫主要有聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PUR)、丙烯腈-苯乙烯(SAN)、聚醚酰亞胺(PEI)及聚甲基丙烯酰亞胺PMI)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。PVC泡沫使用最為廣泛，也是第一種用在承載構(gòu)件夾層結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)泡沫芯材，也稱為交聯(lián)PVC。此泡沫屬于熱固性泡沫，由德國人林德曼在20世紀(jì)30年代后期發(fā)明的。

而PET泡沫(Airex)是最近幾年才開始研制生產(chǎn)的泡沫，屬于熱塑性泡沫，生產(chǎn)工藝為擠出發(fā)泡，但與PS泡沫不同的是其擠出的寬度有限，所以擠出后要通過熱熔粘接將其拼接成較大的泡沫體以方便使用。

玻璃纖維的質(zhì)量還可以通過表面改性、上漿和涂覆加以改進(jìn)，其單位（kW）成本較低。

碳纖維復(fù)合葉片

隨著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對葉片的要求越來越高。對葉片來講，剛度也是一個十分重要的指標(biāo)。研究表明，碳纖維（carbon fiber，簡稱CF）復(fù)合材料葉片剛度是玻璃鋼復(fù)合葉片的兩至三倍。雖然碳纖維復(fù)合材料的性能大大優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料，但價格昂貴，影響了它在風(fēng)力發(fā)電大范圍應(yīng)用。因此，全球各大復(fù)合材料公司正在從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等各方面深入研究，以求降低成本。

葉片的翼型是根據(jù)空氣動力學(xué)原理設(shè)計的，是決定風(fēng)輪效率和工作情況的決定性因素。2100433B

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的融冰加熱結(jié)構(gòu)及其制作方法專利目的

針對以上問題，該發(fā)明提出一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的融冰加熱結(jié)構(gòu)及其制作方法，既可避免結(jié)冰，又可保護(hù)葉片不受損傷。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的融冰加熱結(jié)構(gòu)及其制作方法技術(shù)方案

《風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的融冰加熱結(jié)構(gòu)及其制作方法》所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片由殼體和位于殼體內(nèi)的兩塊抗剪切腹板組合構(gòu)成，所述殼體由迎流面殼體和背流面殼體對接構(gòu)成空腹結(jié)構(gòu)，兩塊抗剪切腹板在腹腔中縱向并列布置，它們的兩個側(cè)邊分別與迎流面殼體、背流面殼體的內(nèi)壁粘接；其特征在于，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)有碳晶膜加熱裝置，該裝置包括碳晶電熱膜、溫度傳感器、加熱控制器，所述碳晶電熱膜鋪覆在殼體前緣表面的覆冰區(qū)域，用于加熱殼體前緣的覆冰區(qū)域；所述溫度傳感器布置在碳晶電熱膜下，對應(yīng)覆冰區(qū)域，用于檢測殼體前緣覆冰區(qū)域的溫度；所述加熱控制器布置在風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中，根據(jù)溫度傳感器檢測到的殼體前緣覆冰區(qū)域的溫度，調(diào)整碳晶電熱膜的加熱電功率，使殼體前緣覆冰區(qū)域的溫度恒定在設(shè)定值，該設(shè)定值略大于冰的熔點(diǎn)，通常為0℃＜t≤2℃。

所述碳晶電熱膜通過其電源線連接電源，所述溫度傳感器通過其信號線連接加熱

控制器，所述碳晶電熱膜的電源線、溫度傳感器的信號線均敷設(shè)在葉片殼體的腹腔中，固定在抗剪切腹板上，從葉片根部引出。

所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片還設(shè)有避雷裝置，該避雷裝置包括金屬絲網(wǎng)和雷電流引線，所述金屬絲網(wǎng)包覆在葉片前緣殼體表面，對應(yīng)覆冰區(qū)域，其與碳晶電熱膜的結(jié)合面設(shè)有絕緣層；所述金屬絲網(wǎng)具有釬焊的銅箔帶，所述雷電流引線固定在抗剪切腹板上，它的一端與金屬絲網(wǎng)的銅箔帶釬焊連接，另一端從葉片根部引出接地。

所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片還設(shè)有避雷裝置，該避雷裝置包括金屬絲網(wǎng)、雷電流引線和連接螺栓，所述金屬絲網(wǎng)包覆在葉片前緣殼體表面，對應(yīng)覆冰區(qū)域，其與碳晶電熱膜的結(jié)合面設(shè)有絕緣層；所述金屬絲網(wǎng)具有釬焊的銅箔帶，銅箔帶上有螺栓穿孔；所述雷電流引線固定在抗剪切腹板上，它的一端通過螺栓與金屬絲網(wǎng)連接，由螺栓將雷電流引線、金屬絲網(wǎng)鎖緊，螺栓與銅箔帶的結(jié)合部、螺栓與雷電流引線的結(jié)合部均釬焊連接；雷電流引線的另一端從葉片根部引出接地。

所述金屬絲網(wǎng)是銅絲網(wǎng)或鋁絲網(wǎng)；所述螺栓是銅螺栓；所述絕緣層采用高密度雙向玻璃纖維布增強(qiáng)樹脂的玻璃鋼絕緣層。

上述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片融冰加熱結(jié)構(gòu)的制作方法，可采用手工分步制作法或整體灌注法。

手工分步制作法包括如下步驟：

（1）分別用模具灌注葉片迎流面殼體、背流面殼體、抗剪切腹板，再組裝粘接，合模保溫、保壓，至粘接劑徹底固化后脫模，葉片成型；

（2）在殼體上鉆好碳晶電加熱膜電源線穿孔、溫度傳感器信號線穿孔、避雷裝置的螺栓穿孔；

（3）在葉片殼體前緣覆冰區(qū)域安裝溫度傳感器，并與其信號線釬焊連接；

（4）在葉片殼體前緣覆冰區(qū)域表面涂覆粘接劑，再將面積與覆冰區(qū)域表面相當(dāng)?shù)奶季щ娂訜崮や伕采先?，并與其電源線釬焊連接；

（5）在碳晶電加熱膜表面涂覆粘接劑，再將面積與碳晶電加熱膜相當(dāng)?shù)母呙芏入p向玻璃纖維布鋪覆上去；

（6）裁剪一塊金屬絲網(wǎng)，其面積應(yīng)大于碳晶電加熱膜，在金屬絲網(wǎng)的一邊釬焊銅箔帶，在銅箔帶上鉆螺栓孔，將金屬絲網(wǎng)鋪覆在雙向玻璃纖維布上面，其螺栓孔與葉片殼體上的螺栓孔對齊，將螺栓穿進(jìn)螺栓孔，與雷電流引線連接，并將銅箔與螺栓釬焊連接、雷電流引線與螺栓釬焊連接；

（7）將碳晶電加熱膜電源線、溫度傳感器信號線、雷電流引線固定在抗剪切腹板上，并從葉片根部引出；

（8）在金屬絲網(wǎng)上鋪覆低密度雙向玻璃纖維布，將金屬絲網(wǎng)覆蓋，然后在葉片整個表面噴涂防風(fēng)沙耐腐蝕的葉片專用油漆。

整體灌注法包括如下步驟：

（1）在灌注葉片迎流面、背流面殼體之前，先把金屬絲網(wǎng)、高密度雙向纖維布、碳晶電熱膜依序鋪在模具內(nèi)，對應(yīng)覆冰區(qū)域，把溫度傳感器布置在碳晶電熱膜上，并把金屬絲網(wǎng)的雷電流引線、碳晶電熱膜的電源線、溫度傳感器的信號線都釬焊好，其中，雷電流引線直接與金屬絲網(wǎng)的銅箔帶焊接；再鋪葉片殼體纖維布及芯材；

（2）抽真空灌注樹脂一起成型，將金屬絲網(wǎng)、高密度雙向纖維布、碳晶電熱膜、溫度傳感器固化在葉片殼體內(nèi)；

（3）在抗剪切腹板灌注成型后，把金屬絲網(wǎng)的雷電流引線、碳晶電熱膜的電源線、溫度傳感器的信號線固定在抗剪切腹板上；

（4）將迎流面殼體、被流面殼體、抗剪切腹板組裝粘接，然后合模保溫、保壓，至樹脂和粘接劑徹底固化后脫模，葉片成型；

（5）在葉片整個表面噴涂防風(fēng)沙耐腐蝕的專用油漆。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的融冰加熱結(jié)構(gòu)及其制作方法改善效果

《風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的融冰加熱結(jié)構(gòu)及其制作方法》通過在葉片覆冰區(qū)域設(shè)置碳晶電熱膜，并將加熱溫度控制在0℃＜t≤2℃，既有效地防止了葉片結(jié)冰，又節(jié)約能源，還可避免葉片前后緣因溫差過大引起的變形，從而保證葉片的氣動性能，延長葉片的使用壽命。通過設(shè)置避雷裝置，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)免遭雷擊，保障機(jī)組運(yùn)行安全。

海洋風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片向大型化、輕量化方向發(fā)展，且海上風(fēng)電場的運(yùn)行環(huán)境比陸地風(fēng)電場惡劣，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在氣動力、彈性力和慣性力的耦合作用下容易產(chǎn)生顫振，顫振交變應(yīng)力會使葉片萌生疲勞裂紋導(dǎo)致其斷裂，如何有效地抑制大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片顫振是發(fā)展現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)亟待解決的關(guān)鍵問題之一?；趬弘姴牧狭己玫男阅埽卷椖繎?yīng)用壓電驅(qū)動器對風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片顫振進(jìn)行控制研究。首先通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片模型風(fēng)洞試驗(yàn)和計算結(jié)構(gòu)動力學(xué)、計算流體力學(xué)理論對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片氣動彈性進(jìn)行分析，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片發(fā)生顫振不穩(wěn)定現(xiàn)象的機(jī)理；然后應(yīng)用基于壓電驅(qū)動器的智能控制方法對風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片顫振進(jìn)行抑制研究，并采用粒子群算法等方法對壓電智能作動器/傳感器進(jìn)行優(yōu)化布置；最后通過模型風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證基于壓電驅(qū)動器的智能控制方法對風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片顫振抑制的有效性。本項目的研究成果可為我國大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的開發(fā)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的融冰加熱結(jié)構(gòu)及其制作方法操作內(nèi)容

參見圖1至圖5，《風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的融冰加熱結(jié)構(gòu)及其制作方法》所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片由殼體1和位于殼體內(nèi)的兩塊抗剪切腹板12組合構(gòu)成，所述殼體1由迎流面殼體和背流面殼體對接構(gòu)成空腹結(jié)構(gòu)，兩塊抗剪切腹板12在腹腔中縱向并列布置，它們分別與迎流面殼體、背流面殼體的內(nèi)壁粘接；這是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的基本結(jié)構(gòu)。

該發(fā)明的特點(diǎn)，是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中增設(shè)碳晶膜加熱裝置，該裝置包括碳晶電熱膜3、溫度傳感器2、加熱控制器10，所述碳晶電熱膜3鋪覆在殼體1的前緣表面覆冰區(qū)域，用于加熱殼體前緣覆冰區(qū)域；所述溫度傳感器2布置在碳晶電熱膜下，對應(yīng)覆冰區(qū)域，用于檢測殼體前緣覆冰區(qū)域的溫度；所述加熱控制器10布置在風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中，根據(jù)溫度傳感器2檢測到的殼體1前緣覆冰區(qū)域的溫度，調(diào)整碳晶電熱膜3的加熱電功率，使殼體1前緣覆冰區(qū)域的溫度恒定在設(shè)定值，該設(shè)定值略大于冰的熔點(diǎn)，通常為0℃＜t≤2℃。 所述碳晶電熱膜3通過其電源線9連接電源，所述溫度傳感器2通過其信號線8連接加熱控制器10，所述碳晶電熱膜3的電源線9、溫度傳感器2的信號線8均敷設(shè)在葉片殼體1的腹腔中，固定在抗剪切腹板12上，從葉片根部引出。

由于設(shè)置了碳晶膜加熱裝置，為防止葉片遭受雷擊，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片還設(shè)有避雷裝置，該避雷裝置包括金屬絲網(wǎng)5和雷電流引線13，所述金屬絲網(wǎng)5包覆在葉片前緣殼體表面，對應(yīng)覆冰區(qū)域，其與碳晶電熱膜3的結(jié)合面設(shè)有絕緣層，該絕緣層是高密度雙向玻璃纖維布（800克/平方米）4作為夾心材料的玻璃鋼絕緣層。所述金屬絲網(wǎng)5具有釬焊的銅箔帶6，所述雷電流引線13固定在抗剪切腹板12上，它的一端與金屬絲網(wǎng)的銅箔帶釬焊連接，另一端從葉片根部引出接地。該結(jié)構(gòu)適合整體灌注工藝；若采用人工手糊工藝，則避雷裝置如圖4、圖5所示，包括金屬絲網(wǎng)5、雷電流引線13和連接螺栓7，所述金屬絲網(wǎng)包覆在葉片前緣殼體表面，對應(yīng)覆冰區(qū)域，其與碳晶電熱膜3的結(jié)合面設(shè)有絕緣層，該絕緣層是高密度（800克/平方米）雙向玻璃纖維布4作為夾心材料的玻璃鋼絕緣層。所述金屬絲網(wǎng)5具有釬焊的銅箔圍帶6，銅箔圍帶上有螺栓穿孔；所述雷電流引線固定在抗剪切腹板上，它的一端通過螺栓7與金屬絲網(wǎng)5連接，由螺栓7將雷電流引線13、金屬絲網(wǎng)5的銅箔圍帶6鎖緊連接，螺栓7與銅箔圍帶6的結(jié)合部、螺栓7與雷電流引線的13結(jié)合部均釬焊連接；雷電流引線13的另一端從葉片根部引出接地。

所述金屬絲網(wǎng)5采用銅絲網(wǎng)或鋁絲網(wǎng)；所述螺栓最好用銅螺栓；所述絕緣層是高密度（800克/平方米）雙向玻璃纖維布作為夾心材料的玻璃鋼絕緣層。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的融冰加熱結(jié)構(gòu)及其制作方法實(shí)施案例

• 實(shí)例一

整體灌注工藝包括如下步驟：

（1）在灌注葉片迎流面、背流面殼體之前，先把低密度雙向玻璃纖維布、金屬絲網(wǎng)5、高密度雙向纖維布4、碳晶電熱膜3依序鋪在模具內(nèi)，對應(yīng)覆冰區(qū)域，把溫度傳感器2布置在碳晶電熱膜3上，并把金屬絲網(wǎng)5的雷電流引線13、碳晶電熱膜3的電源線9、溫度傳感器2的信號線8都釬焊好，其中，碳晶電熱膜的電源線9與碳晶電熱膜的電極11焊接，雷電流引線13直接與金屬絲網(wǎng)5的銅箔圍帶6焊接；再鋪覆葉片殼體纖維布及芯材；

（2）抽真空灌注樹脂一起成型，將金屬絲網(wǎng)、高密度雙向纖維布（800克/平方米）、碳晶電熱膜、溫度傳感器固化在葉片殼體內(nèi)；

（3）在抗剪切腹板灌注成型后，把金屬絲網(wǎng)的雷電流引線、碳晶電熱膜的電源線、溫度傳感器的信號線固定在抗剪切腹板上；

（4）將迎流面殼體、被流面殼體、抗剪切腹板組裝粘接，然后合模保溫、保壓，至粘接劑徹底固化后脫模，葉片成型；

（5）在葉片整個表面噴涂防風(fēng)沙耐腐蝕的專用油漆。

• 實(shí)例二

人工手糊工藝包括如下步驟：

（1）分別用模具灌注葉片迎流面殼體、背流面殼體、抗剪切腹板，再組裝粘接，合模保溫、保壓，至粘接劑徹底固化后脫模，葉片成型；

（2）在殼體1上鉆好碳晶電加熱膜電源線9的穿孔、溫度傳感器信號線8的穿孔、避雷裝置的螺栓7的穿孔；

（3）在葉片殼體1的前緣覆冰區(qū)域安裝溫度傳感器2，并與其信號線8釬焊連接；

（4）在葉片殼體1的前緣覆冰區(qū)域表面涂覆粘接劑，再將面積與覆冰區(qū)域表面相當(dāng)?shù)奶季щ娂訜崮?鋪覆上去，并與其電源線9釬焊連接；

（5）在碳晶電加熱膜3表面涂覆粘接劑，再將面積與碳晶電加熱膜3相當(dāng)?shù)母呙芏入p向玻璃纖維布4鋪覆上去；

（6）裁剪一塊金屬絲網(wǎng)5，其面積應(yīng)大于碳晶電加熱膜3，在金屬絲網(wǎng)的一邊釬焊銅箔帶6，在銅箔帶6上鉆螺栓孔，將金屬絲網(wǎng)5鋪覆在雙向玻璃纖維布4上面，其銅箔帶6的螺栓孔與葉片殼體上的螺栓孔對齊，將螺栓7穿進(jìn)螺栓孔，與雷電流引線13連接，并將銅箔帶6與螺栓7釬焊連接、雷電流引線13與螺栓7釬焊連接；

（7）將碳晶電加熱膜電源線9、溫度傳感器信號線8、雷電流引線13固定在抗剪切腹板12上，并從葉片根部引出；

（8）在金屬絲網(wǎng)5上鋪覆低密度雙向玻璃纖維布，將金屬絲網(wǎng)5覆蓋，做為金屬絲網(wǎng)5的防護(hù)層，然后在葉片整個表面噴涂防風(fēng)沙耐腐蝕的葉片專用油漆。