風力發(fā)電機葉片基本要求

葉片是風力發(fā)電機中最基礎(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)越的性能是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。惡劣的環(huán)境和長期不停地運轉(zhuǎn)，對葉片的要求有：

1.密度輕且具有最佳的疲勞強度和力學性能，能經(jīng)受暴風等極端惡劣條件和隨機負載的考驗；

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)生引起整個風力發(fā)電機組的強烈共振；

3.葉片的材料必須保證表面光滑以減小風阻，粗糙的表面亦會被風“撕裂”；

4.不得產(chǎn)生強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，維護費用最低。

微型風力發(fā)電機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；

小型風力發(fā)電機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、實用的葉片；

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

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構(gòu)形式，一般在大型風力發(fā)電機上使用。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，因為世界名國尚未解決這種擠壓工藝。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塑料。增強塑料強度高、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面積。

從泡沫的力學性能和價格等因素考慮,被用于風力發(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，其單位（kW）成本較低。

碳纖維復(fù)合葉片

隨著風力發(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。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)空氣動力學原理設(shè)計的，是決定風輪效率和工作情況的決定性因素。2100433B

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

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

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

《風力發(fā)電機葉片的融冰加熱結(jié)構(gòu)及其制作方法》所述風力發(fā)電機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，所述風力發(fā)電機葉片設(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力發(fā)電機控制系統(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，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。

所述風力發(fā)電機葉片還設(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。

所述風力發(fā)電機葉片還設(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樹脂的玻璃鋼絕緣層。

上述風力發(fā)電機葉片融冰加熱結(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?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?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沙耐腐蝕的專用油漆。

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

《風力發(fā)電機葉片的融冰加熱結(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，使風力發(fā)電機免遭雷擊，保障機組運行安全。

海洋風力發(fā)電機葉片向大型化、輕量化方向發(fā)展，且海上風電場的運行環(huán)境比陸地風電場惡劣，大型風力發(fā)電機葉片在氣動力、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致其斷裂，如何有效地抑制大型風力發(fā)電機葉片顫振是發(fā)展現(xiàn)代風力發(fā)電機亟待解決的關(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)動器對風力發(fā)電機葉片顫振進行控制研究。首先通過風力發(fā)電機葉片模型風洞試驗和計算結(jié)構(gòu)動力學、計算流體力學理論對大型風力發(fā)電機葉片氣動彈性進行分析，研究風力發(fā)電機葉片發(fā)生顫振不穩(wěn)定現(xiàn)象的機理；然后應(yīng)用基于壓電驅(qū)動器的智能控制方法對風力發(fā)電機葉片顫振進行抑制研究，并采用粒子群算法等方法對壓電智能作動器/傳感器進行優(yōu)化布置；最后通過模型風洞試驗驗證基于壓電驅(qū)動器的智能控制方法對風力發(fā)電機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力發(fā)電機葉片的開發(fā)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

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

參見圖1至圖5，《風力發(fā)電機葉片的融冰加熱結(jié)構(gòu)及其制作方法》所述風力發(fā)電機葉片由殼體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；這是風力發(fā)電機葉片的基本結(jié)構(gòu)。

該發(fā)明的特點，是在風力發(fā)電機葉片中增設(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布置在風力發(fā)電機控制系統(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，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，該風力發(fā)電機葉片還設(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。

風力發(fā)電機葉片的融冰加熱結(jié)構(gòu)及其制作方法實施案例

• 實例一

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沙耐腐蝕的專用油漆。

• 實例二

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?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?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的防護層，然后在葉片整個表面噴涂防風沙耐腐蝕的葉片專用油漆。