分段式风电叶片研究进展和发展趋势

摘要:分段式风电叶片是解决长叶片运输和制造困难的有效方法｡综述了分段式风电叶片相关的基础研究和技术发展概况,分析了大型复合材料分段式叶片的连接构造特点,展望了分段式风电叶片技术和应用发展趋势｡

关键词:分段式叶片;螺栓连接;胶接连接;复合材料

引 言

自工业革命以来,化石能源对人类文明进步起到了巨大的推动作用,极大地改善了人类的生产生活条件,同时,人口的膨胀和化石能源的过度使用使得其负面效应逐渐显现,频繁的自然灾害､全球性的气候变化加剧了人类对化石能源使用的担忧｡清洁､可再生能源作为替代能源受到越来越多国家的重视,发达国家更是把清洁､可再生能源提升到战略的高度,提出了长期的优惠政策和技术支持计划｡风能作为新能源中的一员,具有容量大､技术相对成熟的优势,近年来在各国政府的大力支持下得到了快速发展｡为了提高能量捕获效率,风力机单机容量越来越大,从20年前的500kW发展到如今的8MW商业风力机[1]｡

2016年6月,LM风能公司完成了世界上最长(88.4m)的商业风力机叶片的生产｡然而,在制造过程中,如此长的叶片势必带来诸多工艺和工装上的困难,更会给叶片运输带来极大的不便｡超长叶片对其模具刚度､加工精度､翻转机构的载重都提出了很高的要求,同时大型叶片表面积大､局部复合材料铺层很厚,这对现有的叶片成型工艺提出了严峻的挑战,稍有不慎,整个叶片面临报废的风险;在运输方面,出于安全考虑,世界各国铁路､公路管理部门对运载货物的长度､高度等都有一定的限制,而大型风电叶片长度为几十米或更长,这些都属于超限的范围｡

学者[2]认为当叶片的长度超过50m,叶片的运输成本就非常突出,很多交通不便的偏远地方,大型叶片运输成本更加高昂,有些地区甚至无法送达｡为了解决大型风力机长叶片的制造和运输难题,分段式叶片应运而生｡大型风力机采用分段式叶片,可以充分利用现有的设备和技术条件生产更长的叶片,降低了叶片生产对工艺､设备和工装的要求｡叶片分段后长度变为原来的一半或者更短,运输难度和成本显著降低[3],采用多段式叶片还可以降低现场吊装的难度｡由此可见,在长叶片上采用分段连接技术对推进风能的高效利用､提高其经济效益具有重要意义｡

分段式叶片连接形式的特点

大型风力机叶片通常采用聚合物基复合材料制造,除了常规的气动和结构设计外,分段式叶片还需要进行叶片的连接设计,尽管复合材料具有比强度大､疲劳性能优越以及良好的可设计性等优点,但其纤维连续性与多组分特有的结构给连接设计带来了很大的难度[4,5]｡选择一种综合性能优异的连接形式对后期设计与研究至关重要｡学者们[3,6]对几种常用的连接形式的性能指标做了综合评价,在评价连接性能时,对每种性能进行了量化评分,每项最高为10分,并指定各项指标的权重,其各项得分及综合总分如表1所示｡

注:括号内的数据参考文献[3],括号外的数据参考文献[5]｡

由表1可知,T型螺栓连接和管式连接构造具有较优的综合性能,由于拆分和现场施工的影响,胶接连接不受青睐,预埋螺栓套双法兰的连接形式因增重过多而不具有成本优势｡因此,T型螺栓､管式连接以及预埋螺栓套双头螺柱连接构造具有较好的应用前景｡

叶片分段技术研究进展

T型螺栓连接分段式叶片

机械连接具有连接效率高､对剥离应力不敏感和组装方便的特点[7]｡T型螺栓连接形式最早应用在叶片根部,欧洲研究者[8]从20世纪70年代开始对T型螺栓在叶片根部的连接开展了深入的实验研究,测试这种连接形式的静强度和疲劳强度,其连接性能的优越性得到了初步认可｡这种连接形式在商业风力机叶片根部的连接中得到了广泛的应用,近年来,国内外同时开展了叶根T型螺栓连接的实验和数值仿真研究[9-15],且大多是针对商业风力机叶片根部实际结构特征,分析极限受载工况下螺栓的受力特征和失效行为｡T型螺栓连接包括双头螺柱和横向高度较大的螺母(见图1),在叶片本体内连接处的法向和纵向提前开孔后用T型螺栓连接相邻的叶片段,这种连接形式在分段式叶片中应用最早,研究也最为充分｡

1982年,在巴西CTA和德国DFVLR的资助下,学者[6]首次提出了分段式叶片的思想,采用宜家家居的T型螺栓连接两段5.8m的叶片,这样就可以采用标准的6m长箱体来运输叶片,1984年,采用这种连接形式的分段式叶片风力机(DEBRA-25)安装在德国Schnittlingen的一个临近气象站的地方,这使得该风力机的风载荷数据有详细的记录,也为后期的研究奠定了基础,直到2002年,地方部门要在此位置开发1MW的风力机,才中止了该风力机的并网,到2006年,这些叶片被运往不来梅港｡叶片总共经历了18年的运行和4年的闲置,除了需要定期检查和轻微的防水腐蚀问题,叶片没有出现明显的损坏｡

2007年至2008年,德国风能和海洋能工程中心启动新的DEBRA研究计划[16],对该分段式叶片在使用前后的综合性能进行分析评估,包括叶片服役的环境条件､材料的吸湿､叶片刚度以及强度,分析了叶片服役周期内的疲劳载荷,通过叶片重量和模态频率验证了叶片在服役过程中刚度没有明显变化;在同样的实验条件下,对服役过的全尺寸叶片进行静力极限实验,实验结果与之前的数据吻合很好｡参考该叶片在服役过程中的疲劳载荷数据和美国桑迪亚国家实验室的材料性能数据,对DEBRA-25叶片进行了疲劳性能研究[17],在设计和生产工艺方面,为叶片材料与结构研究提供了宝贵的经验｡

前面的学者[6,17]从整体性能的角度对DEBRA-25风力机分段式叶片进行了研究,并没有针对T型螺栓连接形式本身的细节进行详细研究,在欧洲议会非核能计划框架资助下,英国卢瑟福实验室能源研究组､丹麦LM公司､德国宇航中心以及荷兰代尔夫特理工大学联合开展了针对分段式叶片的基础研究[6]｡其中,对T型螺栓连接的全寸构件进行了极限和疲劳强度研究,极限载荷下的失效形式均为螺杆拉伸失效,疲劳失效分别为复合材料开槽位置疲劳失效和螺栓疲劳失效;同时采用有限元方法和热弹应力测量技术对连接附近的应力进行了详细分析,数值分析与实验结果具有很好的一致性｡

该团队还对LM公司原型叶片(LM23.3)进行分段连接设计,分段式叶片(SB23.3)的分段截面距离叶根7.3m,在分段截面两侧均有一等厚度区域用于安装连接螺栓,增加铺层至原来厚度的3倍,采用0°和±45°铺层来提高分段截面附近材料的各向同性特性,在5.1~9.4m的区间内,复合材料铺层厚度梯度为经典的1∶40｡该分段式叶片由18个M32的螺栓连接组成,螺杆长为400mm,分段面两侧长均为200mm｡在原始叶片载荷下对其进行静力极限和疲劳测试,实验前后叶片结构没有明显损伤,然而,螺栓的载荷系数过大,相对于复合材料主体,螺栓承受的载荷大于GL规范要求｡因此需要增加复合材料主体的刚度或者使用疲劳性能更优越的连接螺栓｡

同时,研究者还对T型螺栓连接的分段式叶片的经济性进行了全面的评估,SB23.3叶片比LM23.3叶片的材料成本增加了43%,制造成本增加了68%｡若以叶片弦长与宽度､螺栓数量的线性关系来计算,对于60m的分段式叶片,叶片成本将增加19%;通过市场调查分析与核算,从丹麦LM工厂到德国汉诺威风场这个典型距离,采用分段式叶片,运输方面节约的成本约为叶片成本的5%,采用分段技术增加的制造成本高于运输叶片节约的成本｡因此,现有的技术水平决定了只有在长叶片无法运达风场的条件下使用分段式叶片才具有明显的优势｡在欧洲议会第五框架计划资助下,由希腊可再生能源中心风能分部主持的MEGAWIND项目,在2005年开展了T型螺栓连接性能的研究和风力机分段式叶片的研究[18],针对全尺寸连接构件试验研究了螺栓的预紧､连接常数对连接性能影响以及静强度和疲劳强度;分段式叶片采用玻璃纤维聚酯树脂复合材料和低成本成型工艺制造,叶片长29.65m,采用45个M24的T型螺栓交替排布,其分段截面距离叶根12.4m,叶根段重为4595kg,叶尖段重为1828kg,全尺寸分段式叶片静力试验满足设计要求,由于大量螺栓的过早失效,疲劳实验以失败告终｡

管式连接分段式叶片

管式连接分段式叶片的原理是采用一根锥形管作为承载梁连接两段叶片,锥形管预制在叶片段主体的一端,另一端有一个承载的金属连接点(见图2),由于在分段截面存在配合公差,这种连接形式需要做防腐和防水保护｡

联合团队还在LM13.4叶片的基础上开展了管式连接的分段式叶片研究,在叶片测试时,只考虑叶根长为9m的部分,在距离叶根4.5m的位置采用分段连接,连接管的长度为3m,两段叶片均埋入1.5m,对叶片结构进行了最大挥舞､最大/最小摆振极限静力测试,接着进行疲劳测试,最后重复静力极限强度测试｡静力极限测试前后叶片结构的完整性没有变化｡复合材料管与金属环接触的部分存在磨损腐蚀,这是由于没有充分接触和连接局部过载造成的,载荷主要是从锁紧装置传递而不是金属环｡由于连接件单一,这种连接构型对工艺制造提出了很高的要求,同时这种连接结构基本上没有失效容限,一旦局部失效将导致整个连接结构的完全破坏｡在动态载荷工况下应用这种连接构型的分段式叶片存在不可控的安全风险｡

双头螺柱连接分段叶片

预埋金属螺栓套双头螺柱是另一种广泛应用在叶片根部的连接形式,这种形式具有良好的连接强度,由于引入了预埋件,因此,对叶片成型工艺的控制要求更高[12,13]｡金属预埋件与复合材料本体之间实质是一种粘接的模式,而粘接连接的疲劳强度很难准确定量计算[20-22],这也给连接设计带来了困扰｡预埋螺栓套双头螺柱连接(见图3)的分段式叶片在分段截面处加厚复合材料铺层,在层合板中分别预埋螺栓套或者光套,通过双头螺柱连接螺栓套来实现分段叶片的连接｡这种连接方法不需要频繁地检查叶片,维护方便,但是对成型工艺和工装要求较高,也存在防腐的问题｡因为金属螺栓套的弹性模量大于玻璃纤维/环氧复合材料,相比T型螺栓连接,这种连接的螺栓承受的载荷比例更小｡对预埋螺栓套双头螺柱连接的构件测试研究得出螺栓的载荷系数为0.134,螺栓承载比例比T型螺栓低很多[6]｡而T型螺栓连接与预埋螺栓套双头螺柱连接具有相当的疲劳强度,且T型螺栓连接的强度分散性更小｡

2011年至今,中国科学院工程热物理研究所和保定华翼风电叶片研究开发有限公司在国家科技支撑项目(2012BAA01B02)的资助下对38m商业叶片采用预埋金属螺栓套双头螺柱连接的方法开展了大型叶片分段技术的基础和应用研究[23,24],结合基础理论和国内外最新研究成果,完成了分段式叶片连接单元的构型设计,实验表明这种构型具有很高的连接效率和可靠性｡叶片分段破坏了纤维复合材料的连续性和叶片载荷的传递路径,研究人员通过优化复合材料铺层结构成功实现了分段截面前后段叶片载荷顺利高效传递,保障了叶片结构的可靠性,最大限度地降低了叶片重量的增加;同时开展了复合材料螺栓连接单元和连接构件的基础实验及数值仿真分析,获得了真实的螺栓连接性能数据和符合叶片载荷工况的结构性能反馈,为分段叶片螺栓连接排布设计提供了关键技术数据和性能分析依据｡研究团队克服了多项工艺､制造和装配方面的难题,在中国船级社的见证下,顺利完成了原型叶片4个方向静力极限测试,这是国内首个完成极限载荷测试的大型分段式风电叶片｡

双法兰连接分段叶片

预埋螺栓套双法兰连接方法(见图4)是在分段式叶片的两段预埋螺栓套,通过连接的螺栓将叶片两段固定在各自的法兰上,再通过法兰的外延部分采用螺栓紧固法兰来实现叶片的连接,此方法制造的分段式叶片增重较大,且破坏了叶片气动外形一致性,应用受到很大限制,基于此连接的分段叶片鲜有报道｡

盒式连接的分段叶片

西班牙风电公司Gamesa在Upwind计划资助下从2006年开始开展了盒式(见图5)连接形式的分段叶片研究[2]｡首先将螺栓预制到碳纤维拉制的型条里面,然后将型条预埋到叶片铺层结构中,通过螺栓连接外置的连接盒,通过外置连接盒之间的螺栓连接实现叶片的连接,最后将复合材料壳体粘接到连接盒之上保证叶片的密封和气动外形一致性｡

该项目以Gamesa42.5m叶片为原型,考虑叶片的变形和连接对结构模态振型的影响,当分段位置在10~20m之间时,叶片分段对结构的模态振型没有明显影响,在综合考虑叶片模态频率､振型､模具重量､长度等因素后,最终确定距叶根15m处为叶片分段截面位置｡

胶接连接分段叶片

胶接连接(见图6)是采用复合材料基体材料或粘接剂将相邻的两叶片段连接在一起的方法,由于叶片复合材料铺层在分段位置较厚,存在粘接面积较大､不易现场施工以及难以保障气动外形的劣势,这限制了其在分段叶片上的应用｡同时,分段叶片在分段连接局部增加了复合材料铺层厚度,采用内置箱形梁连接叶片梁帽,复合材料棒材连接叶片壳体,其连接体与分段式叶片主体采用结构胶和树脂的胶接完成[25]｡从胶接结构来看,分段面附近复合材料铺层较厚,简单的搭接连接强度较低;从工艺实施方面,叶片内腔体的操作难度较大,难以控制粘接层的厚度､气泡､缺胶等缺陷,胶接质量难以保证｡

分段式叶片商业化进展

尽管分段式叶片思想提出已经有30余年,早期也有学者做了一些实验研究,相当多的风电企业申请了分段叶片的相关专利,但是其商业化应用还是从近几年才开始的,且商业化型号也很有限｡最早推出商业化分段式叶片机型的是德国Enercon公司,西班牙Gamesa公司紧随其后,INDEOL公司基本完成了分段式叶片商业化设计与强度测试,但尚未见装机报道｡

Enercon分段式叶片风力机

德国Enercon公司于2007年率先在全球推出了其商业化分段式叶片风力机E-126,首台样机安装在德国的Emden风场,这款风力机根据风场条件可以满足6~7.5MW的额定功率要求[26]｡截止到2012年7月,已经有35台风力机完成吊装[27]｡该风力机轮毂高度为135m,叶轮直径为126m｡

E-126风力机的分段式叶片(见图13)在叶片根部附近采用Enercon独特的叶片翼型,这种气动外形的设计能够最大限度地利用叶根附近的风能资源,增加风力机的发电量｡叶片总长为59m,包括35m玻璃纤维/环氧复合材料叶尖段和24m的金属叶根段,叶根段由圆锥钢体和尾缘铝壳组成,圆锥钢体由圆锥壳体和内置焊接承载梁构成｡叶片两段由21个M52的螺栓连接在一起｡螺栓与金属根部段的连接容易实现,而螺栓叶尖段的连接方式尚未见报道｡

E-126是首个将金属材料应用到超大型风力机叶片的风电机组,除了金属材料本身的可回收优点,金属材料根部在避雷､防火以及机舱散热方面对风力机性能也非常有利,还可以降低连接螺栓的载荷系数,减少螺栓的用量,弥补叶片连接的疲劳强度的不足｡

Gamesa分段式叶片风力机

在开展Upwind项目研究的同时,西班牙Gam-esa的工程师也在同步进行商业化分段式叶片风力机开发,G-128风力机[28]在美国､日本和欧洲等100个经过认证的实验室完成了600多次实验,在西班牙可再生能源中心进行了190多次功能性和/或集成测试,完成了300000多小时的验证和工程测试｡2008年底,在西班牙CabezoNegro实验风场完成了首台分段式叶片风力机样机的安装,并于2010年并网发电;2012年完成了4台G-128风力机在芬兰的商业化装机,并签署额外的135MW装机框架协议;2013年在西班牙Arinage风场安装首个海上风力机验证机型G128-5.0,中长期规划为海上7/8MW风力机｡G-128是全球首个获得基于ISO14006/2011的TUV生态友好设计认证的风力机｡该叶片总长为62.5m,叶根段长为30.5m,叶尖段长为32m,叶片运输能够在2MW叶片条件下实现｡两段主体均由玻璃纤维/环氧复合材料制造,在连接部位,采用碳纤维预制楔形条,将金属螺栓预埋在形条中,嵌入的螺栓等同于双搭接胶接连接,在设计时参考了航空工业规范,所有的载荷通过螺栓传递,在螺栓功能准确实现中,采用自动化安装和嵌入,避免人为因素的不利影响｡叶片在上下表面采用相同的15个螺栓连接,在安装螺栓时采用预紧传感器,使得预紧力载荷误差控制在1%以内,在裸露的外侧使用盖板密封,保障了叶片气动外形的一致性｡通过叶片材料､结构､成本的优化设计,G-128风力机分段式叶片比整体叶片成本仅增加10%｡

INDEOL分段式叶片

INDEOL公司是西班牙低成本电力技术与应用企业,近年发展了一款针对商业叶片的分段式风力机叶片(见图7)[29],该分段叶片的连接设计采用预埋连接片单元的连接方式｡根据IEC规范完成了5MW分段式叶片连接结构强度校核,参考GL规范,2012年7月完成全尺寸结构测试｡预测叶片成本增加不超过10%,基于商业保密考虑,具体数据尚没有完全公布｡

分段叶片发展趋势

国外对分段式叶片的研究有30余年的历史,但是,相关的技术报告与文献资料却并不充分,基于商业保密的考量,一些应用研究和细节资料尚未公开发表｡分段叶片商业化应用也只是最近几年才开始的,从目前的文献和报道来看,分段式叶片一直是学者､企业关注的热点,国内外多个风电企业申请了分段叶片相关专利[24,25,30-64]｡随着技术的不断进步和新的连接构型的出现,原有研究成果[6]与现有技术创新[65]出现了差异化｡60m左右的分段式叶片成本增加少于10%,甚至更少变得可能｡复合材料本身的各向异性特点和叶片复杂的服役载荷,使长叶片分段技术依然蕴藏着巨大的风险,在设计､制造或者安装过程中,稍有不慎就会导致严重的后果[66]｡纵观分段式叶片发展过程,其技术具有如下特点和发展趋势:

(1)商业化起点高:从成本的角度考虑,在短叶片上采用分段叶片技术不仅成本､重量增加明显,且短叶片运输问题并不迫切｡从研究的角度考虑,由于不同长度叶片在结构和载荷特征上有所不同,在短叶片上开展分段连接研究存在一定的局限性,大型风力机的载荷环境比中小型风力机恶劣[67],安全裕度更小,特别是疲劳载荷下分段叶片连接可靠性更为突出｡因此,基于长叶片或者大尺寸结构件的连接研究更具有实际工程意义和应用价值;

(2)复杂的验证过程:叶片根部具有较大节圆直径和弯曲刚度,且这部分结构相对变形量很小,在叶片服役过程中,部件间的相对滑移不容易产生,而处于叶片分段截面位置的连接机构由于抗弯截面刚度系数小,对连接件的工艺､工装以及结构设计要求更高,不同于叶根等截面规则几何结构,分段截面往往几何和结构相当复杂,理论分析存在困难,数值分析非常耗时,且存在一定的局限性｡复合材料连接薄弱环节与复杂的载荷决定了采用分段式叶片需要经过不同几何尺度､不同工况条件下的严格验证;

(3)模块化设计:目前,螺栓连接是分段叶片的主导连接形式,基于单个螺栓连接性能或者连接单元的基础研究可以深入探寻螺栓连接的强度和服役可能性,鉴于分段式叶片设计中复杂的验证过程和高昂的分析测试成本,在深入理解单个螺栓和连接单元的性能后,采用模块化设计具有重要意义,可以节约测试成本和验证周期,便于不同尺寸风力机的技术转移;

(4)低成本的制造和精确的工装:出于对叶片成本的约束和结构强度的要求,采用低成本､高性能的材料,优化叶片铺层和连接结构与工艺､实现低成本制造是分段式叶片走向市场的关键因素,精确的工装工艺是提高分段式叶片连接强度和结构效率的前提｡良好的工装条件可以在设计时降低材料或结构的设计安全系数,减少材料的用量并提高结构的可靠性;

(5)海上风力机:尽管海上风力机对运输条件的要求没有陆上风力机那么严格,但随着技术进步,分段式叶片成本增加越来越少,海上风力机采用分段式叶片也可以降低海上运输成本､叶片制造难度以及吊装难题｡一直专注于陆上风力机市场的Ene-rcon也对海上风力机表示出浓厚的兴趣,Gamesa正在积极发展基于分段叶片的超大型海上风力机｡基于成本考虑和单机容量提高,海上风力机的大型化已然成为现实,且市场前景广阔,分段叶片具有潜在的商业价值｡

作者：秦志文,杨科,王继辉,宋娟娟

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