风力发电机叶轮叶片新技术的发展

贾玉梅

(包头职业技术学院,内蒙古包头014030)

摘　要:对风力发电机叶轮叶片的结构形状设计、风力发电领域中叶片材料的进展、叶片制造工艺进展等方面进行了研究,并在此基础上介绍了国内外风力发电机产品的特点和发展。由此分析得出:叶片的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,也可视为代表风力发电机的技术水平。

关键词:风力发电机;叶轮设计;材料中图分类号:TK831.3;TM614　　文献标志码:A　　风能是世界上能源利用中增长速度最快的清洁能源,是未来基于可持续发展和零污染电能的一线希望。目前,风力发电已进入商业化发展的前期阶段,与之相配套的叶轮技术的发展也十分迅速[1]。风力发电机的风轮是接受风能的最主要部件,其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风力发电机组正常稳定运行的决定因素。而叶片又是风力发电机中叶轮的最基础和最关键的部件,所以叶片设计的好坏,决定了风力发电机的优劣。度,可以提高叶片的升阻比,因而提高了叶片的效率。风力机还可以通过叶片上加襟翼来增加功率。

随着计算流体力学水平的提高,各种叶片几何优化的方法开始出现,采用数值计算方法,或是叶片边层的分析,对各截面气动参数进行准确确定,实现在一定输出功率下叶片的最佳几何形状和气动设计。气动设计的新方法可分为两大类:一类是直接数值优化方法,简称为最优化设计方法,它将CFD同最优化方法结合起来,通过几何形状的不断修正来寻求目标函数的极值。另一类是反设计方法,它是首先给定希望达到的气动状态(如压力分布),通过几何和流动的控制方程,逐步逼近给定的气动状态,求得满足给定流场的气动翼型,它克服了传统翼型设计方法的许多缺点,具有广泛的应用前途。例如浓缩风能型风力发电机叶轮,能够在高风速时采用流体力学原理自动限速而实现不停机连续发电的特殊功能。

浓缩风能型风力发电机的流路流场特性是叶轮叶片设计的主要依据之一。根据风洞试验结果,先是设计了15种不同叶片数、不同实度的叶轮,其中变截面叶轮为叶根弦长大、叶尖弦长小,翼型为NACA型叶片。然后在此基础上考虑影响叶轮风能利用系数等因素,着重设计一种适合浓缩风能装置流场特性的系列化独特叶轮,其功率为600W的叶根弦长小,叶尖弦长大的变截面叶片。综合国内外叶轮设计理论初步建立大、中、小型浓缩风能型风力发电机系列化叶轮设计理论体系。新型叶轮经试验证明,与普通型风力发电机相比,在相同的功率下,浓缩风能型风力发电机实现了小直径下达到额定功率的目标。而小直径叶轮的功率输出,其驱动叶轮的是经过加速、整流和均匀化的自然风,减少了叶轮受冲击载荷的破坏[7],提高了叶轮和机组的寿命,为浓缩风能型风力发电机向中、大型并网式机组

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1　风力发电机叶轮叶片的形状设计构成风力机叶轮叶片的性能如何,直接影响风

能转换的效率。叶片因风力机的种类而异,第一批风车的叶片是由覆盖亚麻布的木架构成的,叶片由支撑杆两边的木架支承。后来木梁移至叶片的后缘以改善空气动力效率。低速风轮采用薄而略凹的翼型;现代高速风轮都采用流线型叶片。其叶片翼型通常从NACA和Gottigen系列中选取。这些叶片翼型的特点是阻力小,空气动力效率高,而且雷诺数也足够大。早期的水平轴风力机风轮叶片普遍采用航空翼型,例如NACA44xx和NACA230xx,因为它们最大升力系数高,桨距动量低和最小阻力系数低。实践表明,标准航空类翼型并不适合于风力发电机应用。

随着风力机的发展,叶轮叶片在满足空气动力学的基础上已设计出KLARK2Y型、NACA型、FX型、双羽型、C型梁、D型梁叶片、变桨距叶片。在国内,风力机翼型的研究工作仍停留在普通航空翼型阶段,最有代表性的是NACA系列,对新翼型的研究很少。由于缺乏风力机专用新翼型的几何参数和气动性能参数,直接影响了我国大型风力机气动设计水平。风力发电机提高风轮的效率可以多发电,按照传统的观点,叶片表面应是愈光滑愈好,但是最新的研究发现,在叶片表面某部位,增加局部粗糙

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发展奠定了一定的基础。

综上所述,浓缩风能型风力发电机叶轮具有切入风速低、输出功率大、风能利用率高而且叶轮直径小、噪音低、成本费用低等特点。

个十分重要的指标。研究表明,碳纤维(carbonfi2

ber,简称CF)复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的2～3倍。虽然碳纤维复合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料,但价格昂贵,影响了它在风力发电上的大范围应用。因此,全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究,以求降低成本。

据国际咨询公司UtiliPoint总裁BobBel2lemare称:对于风力发电机而言,碳纤维是即将来临的潮流。因此,玻璃纤维和碳纤维是目前叶片制造中最为重要的2种材料。

2　风力发电机叶片制造材料的进展

1970年的风力机叶片主要有钢材、铝材或木材

制成,今天选择的材料以E2玻纤增强塑料(GFRP)居多,目前已开始采用碳纤维复合材料(CFRP),叶片材料的开发顺应了叶片大型化和轻量化的发展方向。

1)木制叶片及布蒙皮叶片近代的微、小型风力发电机也有采用木制叶片的,由于木制叶片不易做成扭曲型,而常采用等安装角叶片。大、中型风力发电机很少采用木制叶片,采用木制叶片需用强度很好的整体方木做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的力和弯矩。

2)钢梁玻璃纤维蒙皮叶片叶片在近代采用钢管或D型型钢做成纵梁,钢板做肋梁,内填泡沫塑料外覆玻璃钢的结构形式,一般在大型风力发电机上使用。叶片纵梁的钢管及D型型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小,以满足叶片的扭矩要求并减轻叶片重量,即做成等强度梁。

3)铝合金等弦长挤压成型叶片用铝合金挤压成型的等弦长挤压成型叶片易于制造,可连续生产,又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工,叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现。铝合金叶片重量轻、易于加工,但不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片,因为到目前为止,世界各国尚未解决这种挤压工艺。

4)玻璃钢叶片所谓玻璃钢(glassfiberrein2forcedplastic,简称GFRP)就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维而做成的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化,表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂,其他部分填充泡沫塑料。玻璃纤维的质量还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进。

5)玻璃钢复合叶片到20世纪末,世界工业发达国家的大、中型商品风力发电机的叶片,基本上采用型钢纵梁、夹层玻璃钢肋梁及叶片根与轮毂连接用金属结构的复合材料做叶片[2]。美国的研究表明,采用射电频率等离子体沉积法涂覆E2玻纤,其耐拉伸疲劳就可以达到碳纤维的水平,而且经这种处理后可以降低能实际上导致损害的纤维间微振磨损。

6)碳纤维复合叶片对叶片来讲,刚度也是一・44・

3　风力机叶片制造工艺新技术

风机叶片是风力发电系统的关键部件,直接影响着整个系统的性能,并要求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其技术水平的主要代表。

过去,叶片成型工艺除来自美国的拉挤成型外,其余一律采用手糊工艺(HandLay2up)制造[3]。手糊工艺的主要特点在于手工操作、开模成型、生产效率低以及树脂固化程度往往偏低。适用于产品批量较小、质量均匀性要求较低的复合材料制品的生产。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(聚胺酯反应注射成型)、RTM、缠绕及预浸料/热压工艺制造。其中RIM工艺投资较大,适宜于中小尺寸风机叶片的大批量生产(>50,000片/年);RTM工艺适宜于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。

由此看出,RTM工艺属于半机械化的复合材料成型工艺,将设计好的干纤维预成型体放到模具中并合模,随后的工艺则完全靠模具和注射系统来完成和保证,没有任何树脂的暴露,因而对工人的技术和环境的要求远远低于手糊工艺并可有效地控制产品质量。RTM工艺采用闭模成型工艺,特别适宜一次成型整体的风力发电机叶片(纤维、夹芯和接头等可在一次模腔成型),而无需二次粘接。同时由于采用了低粘度树脂浸润纤维以及采用加温固化工艺,大大提高了复合材料质量和生产效率。RTM工艺生产较少依赖工人的技术水平,工艺质量仅仅依赖确定好的工艺参数,产品质量易于保证,产品的废品率明显低于手糊工艺。

RTM工艺与手糊工艺的区别还在于RTM工

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艺的技术含量高于手糊工艺。因此,由以上的分析和比较可看出,采用复合材料RTM树脂传递模塑工艺技术替代风力发电机叶片手糊制造工艺,具有生产效率高、产品质量好、力学性能强等特点。同时可明显减少树脂有害成份挥发对人体和环境造成的危害,是当前风力发电机叶片制造技术的主要发展方向。

制造厂有多年研制航空螺旋桨经验,完备的桨叶气动设计、计算、研制、实验力量和检测手段,是国内最大的风力机制造企业之一。年产各种型号的复合材料叶片数千片。目前我国的风力发电机的叶片绝大多数是实心FRP的,极少数是木质FRP蒙皮结构和木材外粘环氧玻璃。

5　结语

随着各国,特别是资源消耗大国的对可再生能源越来越重视,风能发展的前景将越来越广阔。按照GWEA《风电展望2006》报告的分析预测,即便在国际能源署对于全球能源市场潜力最保守的估计的情景下,风电在2030年将占到全球电力供应的5%,到2050年则达到6.6%。而中等情景预测下,比例将达到15.6%和17.7%。最乐观的情景下,比例则高达29.1%和34.2%。预测结果显示风电不仅能够适应全球未来30年对于清洁的、可再生的电力的需求,而且其对供电系统的渗透还将随着高能效技术的实现得以持续增长。4　国内外风力发电机叶轮叶片产品的特点

早在1988年,美国的CharlesF.Brush建立了世界上第一个用于发电的风力机,叶片采取平板设计,故效率较低。11年,丹麦的PoulLaCour教授首先将气体动力学引入风力机的研究[4]。但此时空气动力学尚不够准确,故叶片的设计仍不很理想。20世纪初,空气动力学的蓬勃发展和飞机的发明使

人们对叶片的气动设计更为重视,它决定了整个风力机能从风中提取的能量多少及其转化效率。现代风力机大都采用水平轴转子、叶片多采用轻型玻璃钢纤维强化新材料,三叶片翼面形状。在保护系统方面,由于采用顺桨机构的阻尼装置和紧急制动阀,在风速过大时可自动减速,遇到台风时,叶片能自动停止运行,实现自动保护。由于采用大型风力发电机、新型叶片设计、高级新型材料以及符合空气动力学的控制装置等。使风力发电能力大大提高,从而降低了发电成本。

后来风力机设计者开始采用风轮,由此特殊设计的新型叶片,在美国、瑞典和丹麦等风能技术发达国家都有各自的叶片系列。其中以瑞典的FFA2W系列翼型最具代表性,FFA2W系列叶片的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比,并且在非设计工况下具有良好的失速性能。

目前世界上生产叶片的3个顶级公司(丹麦LM公司;丹麦AS公司;德国Ener2com)占世界玻璃钢(FRP)叶片总产量的83%,其叶片直径也从十几米发展到一百多米。当今,最大的商用风力涡轮机拥有104米翼展,发电功率达0.36万千瓦,足以为1000个美国家庭供电。在2006年2月“,德国电力系统”公司在汉堡附近,启动了1台示范风力涡轮机,发电功率为0.5万千瓦,其翼展达126m。美通用电气公司已设计70m叶片,即140m翼展的风力涡轮机。

2004年举行的北京国际可再生能源展览会上汇聚了国内主要的风力发电机和玻璃钢(FRP)叶片制造公司,共11家。其中大型风力发电机叶片制造主要集中在两家:一是航空工业总公司保定螺旋桨制造厂;二是上海玻璃钢结构研究所。保定螺旋桨

[参考文献]

[1]施鹏飞.我国风电场将进入大规模发展时期[C].20世

纪太阳能新技术(2003年中国太阳能学会学术年会论文集).上海:上海交通大学出版社,2003.

[2]叶枝全,黄继雄,陈严,等.风力机新系列翼型的气动性

能研究[J].太阳能学报,2002(2).

[3]董永祺,熊学斌.国产风力发电机FRP叶片一瞥[J].风

力发电,2001(4):50252.

[4]SperaDA.TheBrushWindTurbineGeneratorasDe2scribedinScientificAmerican[R].WorkshoponWindTur2bineStructuralDynamics.USA,1977.

作者简介:贾玉梅(19612),女,副教授,从事机械基础教学和

研究工作。

收稿日期:2008年6月6日

责任编辑　周守清

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NCmachiningofhydrodynamiccouplingpumpwheel.Themeth2odofsolvingtheprobleminsimilarstructureprogrammingisloo2kingforthesimilarstructureofpumpwheelparts,drawingsimpli2fydrawingofsimilarstructure,settingupindependentvariable,programmingwithmacroprogramandputtingthisprogramintothemainprogramofNCmachining.Themethodofsolvingtheproblemofworkpieceoriginpointcorrectionisprogrammingwithmacroprogram,puttingthisprogramintoNCsystem.TheNCsystemwillsettheworkpieceoriginpointofcoordinatesaccordingtotheautomaticrecordbyusingtheprogramwithmacroprogram2mingandthecoordinatevaluetestedbyoriginalpointcorrection.Keywords:hydrodynamiccouplingpumpwheel;NCmachining;macroprogram;application

WANGXichang1,ZHAOHaiyan2,ZUOCongjin1,WANGXin2(11BeijingAeronauticalManufacturingTechnologyResearchInsti2tute,KeyLaboratoryofHighEnergyBeamProcessingTechnolo2gy,Beijing100024,China;21DepartmentofMechanicalEngineer2ing,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:Itcanachievetheprecisecontrolofdeflectionoftheelec2tronbeamandgeneratethemulti2beambyusingthescanningde2flectioncoilwithmultipoleshoestructure.Itisnecessarytobedeeplystudiedbecauseofthedistributionofelectromagneticfieldhasgreatinfluenceonthedeflectioneffectofelectronbeam.Thispapercarriesonthethree2dimensionalstaticelectromagneticfieldanalysisontheelectronbeamscanningdeflectioncoilwithmultipoleshoestructure.Andthengetsthedifferentdistributionresultofthecoilelectromagneticfieldwithmulti2polarshoestructurethroughthefiniteelementanalysissoftwareANSYS.Wecangetthedifferentdistributionresultofthecoilelectromagneticfieldthroughanalysis,andthencarrythetestexperimentonsomere2sults.Thisanalysismethodishelptooptimizethecoilstructuredesign,improvethecoilmanufacturingprecision,controlthecoilvolumeeffectivelyandreducethewasteofmaterials.Keywords:electronbeamscan;multi2beam;multipoleshoestruc2ture;ANSYS;electromagneticfieldanalysisNumericalValueAnalysisofMulti2beamElectronBeamScanningDeflectionCoilElectromagneticField

2.CollegeofMechanicalandAutomotiveEngineering,HefeiUni2versityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:Aimingattheproductionlineoftherearaxlehouse,thispaperappliesthetimestudyofworkmeasurementtechnologytodeterminethestandardtimeofeachworkingprocedure,andevalu2atesthetechnologyandfindsoutthebottleneckworkingproce2dure.Usingthe5W1Hchecklist,thepresenttechnologiesadoptedintheproductionlineoftherearaxlehouseareevaluatedandopti2

(Eliminate,Combine,mizedaccordingtotheprincipleof“ECRS”

Rearrange,Simple)andcombinationofthetechnologydesignandthefactory’sresources.Thecapacityoftheimprovednewproduc2tionlinecanincrease10pieceseachday,andtheoverallcapacitycanenhanceby33.57%.Keywords:taskmeasurement;rearaxlehouse;optimizationoftechnology

JIAYumei(BaotouVocational&TechnicalCollege,Baotou014030,China)

Abstract:Thestructureshapedesignofthewind2drivengeneratorrotorblade,thedevelopmentofthebladematerialsusedinthewindpowergenerationfield,andthedevelopmentoftheblademanufacturingprocesshavebeenstudiedinthispaper.Thispaperalsointroducesthecharacteristicandthedevelopmentofthechar2acteristicandthedevelopmentbasedontheabovestudies.Sotheconclusionshowsthatthedesignandmanufacturingqualitylevelofthebladeisveryimportant,anditcanberegardedasthekeytechnologyandthetechnicallevelrepresentativeofthewindpowergenerationsystem.Keywords:wind2drivengenerator;rotorbladedesign;material

NewTechnologyDevelopmentoftheWind2drivenGenera2torRotorBlade

HUALuguang(FoshanScienceandTechnologyCollege,Foshan528000,China)

Abstract:Inthefieldofindustrialcontrol,asaresultofchangesinproductionprocessesneedtomodifysomeoftheon2sitecontrolparameterstomeettherequirementsofactualcontrol.Inviewofthissituation,thispaperintroducesaPLC2basedMitsubishiFXseriesofmulti2parametersettinganddisplaydevices.Inthispa2per,thefeaturesofdevice,hardwareconfigurationandmethodsofachievinghavebeendiscussedindetail.Thisdeviceadoptsthestructuraldesignmethodtocompletethesystemdesign,andgivesthespecificladderprogram.Thisdevicehasfollowingadvantagessuchassimpleoperation,intuitivedisplay,andrunningstableanddoesnotchangetheusersprogram.Thisdevicehasactualapplica2tionvaluetotheindependentPLCcontrolsystem.Keywords:PLC;multi2parametersetting;multi2parameterdisplayZHANGZhibin,SHAORenping,WANGDongye(NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)

Abstract:Door2stairsboardinggatehasbeenwidelyusedinthesmallmodernpassengeraircraftsbecauseofitsfeatureofeasilyoperation.Howeverduetothetechnologicalreserveandotherrea2sons,thistechnologyhasnotbeenappliedtothehomemadesmallpassengeraircrafts.Thispapermakesseparatedescriptionofthedesignlayoutofthedoor2stairsboardinggatemechanism,open2closemotionway,open2closemechanicalprincipleandarrangementofpivotpointbasedonthedesignofacertainturbofantrainingaircraft.Keywords:boardinggate;door2stairs;mechanism;operationprin2ciple

AMulti2parameterOn2siteSettingandDisplayDeviceforPLC

CONGRiwen,CHENWuyi(BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100191,China)Abstract:Productionefficiencycanbeimprovedbyusingcuttingdatabase.Butmachiningparametersfromcuttingdatabaseisallobtainedinpartialanddiscreteconditions,whichcannotbecom2pletelycompatiblewiththevarietyofworkingconditionsinpracti2calproduction.Whenconditionschange,cuttingdatabasewillnotbeabletoprovidecorrespondingcuttingdata.Astothissituation,basedonsampledatafromarealdatabase,astatisticmethodtoworkouttherevisioncoefficientwasproposedandthecalculationwasprocessedviaMATLAB,whichcanmodifymachiningparame2tersfromcuttingdatabasetobecompatiblewithworkingcondi2tions.Sampledatawerechosenthathigh2speedsteeltoolmillingscarbonsteelinthispaper.AndtherevisioncoefficientofcuttingspeedinsteelwithdifferentcarbonandthefunctionalrelationshipofcuttingspeedwithhardnessandcuttingdepthwerecalculatedwithleastsquaremethodthroughMATLAB.Determinecoeffi2cientwasadoptedastheruletojudgetherevisionresult.Andtherevisioncoefficientandfunctionalrelationshipcancompileintothearithmetictobeusedinrevisionmodelincuttingdatabase.Keywords:cuttingdatabase;datarevision;MATLAB

TheResearchonDataRevisioninCuttingDatabase

PrincipleStudyonDoor2stairsBoardingGate

StudyontheLatheSkateboardPeripheralRollingScaleline

TANDening(TechnologydevelopmentCenterofDelongGroupMachineToolCo.,LTD,Dezhou253003,China)

Abstract:Thispaperdescribesthedesignprincipleandstructureoftheperipheralrollingscaledivisiondevice,andexplainsthedesignandproductionmethod.Thenthroughtheexampleanalysisandthestructurecomparisontoexplainwhatkindofstructurecanbechosenindifferentsituations.Thestudyprovesthattheperipheralrollingscaledivisiondevicehasacertainapplicationforeground.Keywords:principalofrollingscaledivision;structureofrollingscaledivision;exampleanalysis

LIANGuofu1,ZHUChang’an1,XIEFeng2,LIUDongcai1(1.De2partmentofPrecisionMachineryandPrecisionInstrumentation,U2niversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,China;

EvaluationandOptimizationontheTechnologyoftheProductionLineofRearAxleHouseBasedonTaskMeas2urement

ZHANGZong1,2,ZHANGHuailiang1(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China;2.ChangshaAeronauticalVocationalandTechnicalCollege,Changsha410124,China)

Abstract:Thispaperanalyzestheadvantages,structureandper2formanceoftheautomotivealuminumalloywheel,andalsogivestheautomotivealuminumwheelproductiontechnologycombiningwiththeautomotivewheelR&Dandproductionprocess.With

ManufactureCraftResearchofAutomotiveAluminumAl2loyWheel

・2・《新技术新工艺》・英文摘要　2008年　第10期

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