復(fù)合材料與風(fēng)機葉片

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1、復(fù)合材料與風(fēng)機葉片第32卷第3期2007牟6月高,缸}擅釬誰白應(yīng)用Hi—TechFiber&Application,,ol-32NO.3Jun.2oo7復(fù)合材料與風(fēng)機葉片陳紹杰(沈陽飛機設(shè)計研究所,沈陽110035)摘要:介紹了風(fēng)機葉片研發(fā)的趨勢以及復(fù)合材料葉片設(shè)計,分析,材料,制造和試驗驗證的相關(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:TQ327.1;TM614文獻標(biāo)識碼:A文章編號: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,同時又突出強調(diào)環(huán)保的情況下,大力開發(fā)利用風(fēng)能發(fā)電,乃是普遍的

4、趨勢和潮流.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年世界各國風(fēng)電裝機容量的情況,表2則給出了2005年各國新增裝機容量的情況.分析表1和表2可見,目前世界風(fēng)電總裝機容量已達59322Mw,2005年是世界風(fēng)電發(fā)展創(chuàng)記錄的一年,新增裝機容量11769Mw,增幅達25%左右.中國目前已達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65%左右,增速為世界第一.據(jù)國家發(fā)改委的計劃安排我國的裝機容量2010年達5000Mw,2015年達1500

5、0Mw,2020年達30000Mw,擬占當(dāng)時國內(nèi)總發(fā)電量的15%左右.因此,近十幾年里風(fēng)能發(fā)電在我國有相當(dāng)大的發(fā)展空間,形成了當(dāng)前國內(nèi)的風(fēng)電熱.在風(fēng)電設(shè)備中風(fēng)力發(fā)電機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).同時復(fù)合材料還用在機艙罩,輪轂,塔架等部位.為降低發(fā)電成本,勢必要求單機容量越來越大,葉片也就越長,據(jù)說葉片每增長6%,捕獲的風(fēng)能可增加l2%.因此世界上已在研發(fā)5MW以上,長達50m以上的葉片(見圖1),更進一步將向7～10Mw,長達60m以

6、上的葉片發(fā)展.葉片大型化的同時還要求輕量化,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.為此要進行設(shè)計,材料體系和制造技術(shù)上的系列革新.目前我國的風(fēng)機葉片技術(shù)已可制造1.5～2.0Mw,長達35～37m的葉片,研發(fā)計劃向2.5～3.0Mw,長達40m以上的葉片發(fā)展.但從設(shè)計,收稿日期:2007—04—18作者簡介:陳紹杰(1942.),男,吉林長春人,研究員,長期從事飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計及先進復(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,從自主知識產(chǎn)權(quán)和自主創(chuàng)新能力上看,我們與世界的先進水平還有相當(dāng)大的差距,急需有一個綜合配套的跨越式的創(chuàng)新發(fā)展.1風(fēng)機葉片與復(fù)合材料制造風(fēng)機葉片的材料曾用過木材和金屬,但近年來已基本上采用各種復(fù)合材料.故風(fēng)機葉片已成為目前復(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材料,基體材料,夾層泡沫,膠粘劑以及各種輔助材料等.增強材料大量使用E玻纖,固其成本低(10元/kg以下)和適用性強.當(dāng)要求葉片更高的強度和剛度時,將會使用到高強玻纖,如S玻纖,雖然價格較高(40～50元/kg),但適當(dāng)使用會有好處.某些新興纖維也可用作候

8、選對象,如超高相對分子質(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機纖維,由玄武巖石在高表12005年世界各國的裝機容量