復(fù)合材料與風(fēng)機(jī)葉片

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1、復(fù)合材料與風(fēng)機(jī)葉片第32卷第3期2007牟6月高,缸}擅釬誰(shuí)白應(yīng)用Hi—TechFiber&Application,,ol-32NO.3Jun.2oo7復(fù)合材料與風(fēng)機(jī)葉片陳紹杰(沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽(yáng)110035)摘要:介紹了風(fēng)機(jī)葉片研發(fā)的趨勢(shì)以及復(fù)合材料葉片設(shè)計(jì),分析,材料,制造和試驗(yàn)驗(yàn)證的相關(guān)技術(shù),給出了碳纖維在葉片上應(yīng)用的現(xiàn)狀和前景以及有關(guān)葉片的新興技術(shù).提出了發(fā)展我國(guó)葉片技術(shù)的相關(guān)建議.關(guān)鍵詞:葉片;復(fù)合材料;碳纖維;技術(shù)發(fā)展中圖分類號(hào):TQ327.1;TM614文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007—9815(2007)03—000

2、8—05CompositesandWindTurbineBladesCHENShao-jie(ShenyangAircraftDesignandResearchInstitute,Shenyang110035China)Abstract:TheR&Dtrendsanddesignofwindturbineblades,materials,technologiesofmanufacturing,analysesandtestingforcompositebladeswereaddressed.Thesituationandpotential

3、applicationofcarbonfiberaswellasthenewtechnologiesaboutthebladeswerealsointroduced,whichputforwardthesuggestionsonnationaldevelopmentoftrubinebladetechnologies.Keywords:blade;composite;carbonfiber;technologydevelopment前言風(fēng)能是綠色,環(huán)保和可再生的能源.在當(dāng)今世界能源短缺,同時(shí)又突出強(qiáng)調(diào)環(huán)保的情況下,大力開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能發(fā)電,乃是普遍的

4、趨勢(shì)和潮流.目前,風(fēng)力發(fā)電是世界上能源領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)之一,據(jù)知大約每年以25%～30%的速度遞增.表1給出了2005年世界各國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量的情況,表2則給出了2005年各國(guó)新增裝機(jī)容量的情況.分析表1和表2可見(jiàn),目前世界風(fēng)電總裝機(jī)容量已達(dá)59322Mw,2005年是世界風(fēng)電發(fā)展創(chuàng)記錄的一年,新增裝機(jī)容量11769Mw,增幅達(dá)25%左右.中國(guó)目前已達(dá)1260Mw,世界排名第八,亞洲第二,遠(yuǎn)落后于印度.20o5年新增容量498Mw,增幅達(dá)65%左右,增速為世界第一.據(jù)國(guó)家發(fā)改委的計(jì)劃安排我國(guó)的裝機(jī)容量2010年達(dá)5000Mw,2015年達(dá)1500

5、0Mw,2020年達(dá)30000Mw,擬占當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)總發(fā)電量的15%左右.因此,近十幾年里風(fēng)能發(fā)電在我國(guó)有相當(dāng)大的發(fā)展空間,形成了當(dāng)前國(guó)內(nèi)的風(fēng)電熱.在風(fēng)電設(shè)備中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片是極為重要的關(guān)鍵部件,約占總成本的15%～20%.目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片基本上由各種復(fù)合材料制成,因此葉片技術(shù)與復(fù)合材料技術(shù)密切相關(guān).同時(shí)復(fù)合材料還用在機(jī)艙罩,輪轂,塔架等部位.為降低發(fā)電成本,勢(shì)必要求單機(jī)容量越來(lái)越大,葉片也就越長(zhǎng),據(jù)說(shuō)葉片每增長(zhǎng)6%,捕獲的風(fēng)能可增加l2%.因此世界上已在研發(fā)5MW以上,長(zhǎng)達(dá)50m以上的葉片(見(jiàn)圖1),更進(jìn)一步將向7～10Mw,長(zhǎng)達(dá)60m以

6、上的葉片發(fā)展.葉片大型化的同時(shí)還要求輕量化,低成本化和高性能化,即在滿足安全,可靠和壽命的前提下質(zhì)量要輕,成本要低,功率要高.為此要進(jìn)行設(shè)計(jì),材料體系和制造技術(shù)上的系列革新.目前我國(guó)的風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)已可制造1.5～2.0Mw,長(zhǎng)達(dá)35～37m的葉片,研發(fā)計(jì)劃向2.5～3.0Mw,長(zhǎng)達(dá)40m以上的葉片發(fā)展.但從設(shè)計(jì),收稿日期:2007—04—18作者簡(jiǎn)介:陳紹杰(1942.),男,吉林長(zhǎng)春人,研究員,長(zhǎng)期從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展的研究,(電話)024—86368207.第3期陳紹杰:復(fù)合材料與風(fēng)機(jī)葉片一9一材料體系和制造工藝的綜合技術(shù)水平上

7、看,從自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和自主創(chuàng)新能力上看,我們與世界的先進(jìn)水平還有相當(dāng)大的差距,急需有一個(gè)綜合配套的跨越式的創(chuàng)新發(fā)展.1風(fēng)機(jī)葉片與復(fù)合材料制造風(fēng)機(jī)葉片的材料曾用過(guò)木材和金屬,但近年來(lái)已基本上采用各種復(fù)合材料.故風(fēng)機(jī)葉片已成為目前復(fù)合材料極重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一.1.1材料體系葉片主要用材體系包括各種增強(qiáng)材料,基體材料,夾層泡沫,膠粘劑以及各種輔助材料等.增強(qiáng)材料大量使用E玻纖,固其成本低(10元/kg以下)和適用性強(qiáng).當(dāng)要求葉片更高的強(qiáng)度和剛度時(shí),將會(huì)使用到高強(qiáng)玻纖,如S玻纖,雖然價(jià)格較高(40～50元/kg),但適當(dāng)使用會(huì)有好處.某些新興纖維也可用作候

8、選對(duì)象,如超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維,連續(xù)玄武巖纖維等.連續(xù)玄武巖纖維是一種新型無(wú)機(jī)纖維,由玄武巖石在高表12005年世界各國(guó)的裝機(jī)容量