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风力机叶片结构改进研究【摘要】现代风力发电机组叶片是风力机最重要的部件如何提高叶片寿命、减少意外的折断、严重开裂等损坏有着极其重要的意义。从结构、材料、工艺方面进行相应的改进并提出叶片的结构强度的修改设计方法和措施由此提高叶片的刚度和强度。【关键词】风力机叶片；机构改进；损坏预防风力机叶片折断等损坏的原因可能是一种或几种原因共同作用的结果需要增强其振动节点等地方的叶片的强度。以1.5MW叶片为例对风力机叶片的结构改进和损坏预防进行研究。复合材料风力机叶片是风力发电系统的关键部件[1]它的性能决定了风力机的性能它的强度和可靠性是风力机可靠性的关键。因此叶片的设计和制造技术被视为风力发电系统的关键技术[2]。本文从结构和材料方面局部使用碳纤维加强结构和工艺方面采用粘接胶接缝处加复合材料加强结构和制造方面从主梁上增加合适的托胶板加强这三个方面来提出叶片的结构强度的修改设计方法和措施。1.使用碳纤维材料加强结构强度1.1用碳纤维材料加强结构的必要性我们知道振动的节点区域应该适当加强既减少叶片的损坏几率又能不增加太多的重量并且不至于导致结构的过大改变。这样就可以增加叶片抵抗台风的袭击减少叶片折断的发生概率。随着发电机功率的增大要求叶片长度不断增加。对叶片来讲刚度也是一个十分重要的指标。自70年代以来大多数水平轴风力机叶片都是由复合材料制成的最常用的复合材料是预应力玻璃刚塑料（GRP）[3]。始于上世纪末的相关研究表明碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性当与树脂材料混合时则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一碳纤维复合材料叶片的刚度是玻璃钢复合叶片的两至三倍。碳纤维作为轻质高强度材料能满足叶片强度的需要。1.2碳纤维结构强度的加强技术如果将极少量的碳纤维用于叶片的敏感振动节点处从成本上来讲是划算的。如果所有的表面都用碳纤维则将增加整个风力机叶片的成本。如果仅仅在距翼根三分之一处的区域即2米范围内；和距翼尖三分之一处的区域2米范围内在叶片的内表面和外表面进行碳纤维复合材料加强就可以提高叶片的敏感振动区域的强度并增加叶片的抗折断能力。另外如果结合生产工艺提前将加强层在铺设复合材料前进行铺设会减少后续的复合材料敞开式工艺过程时间和叶片轮廓的符合性修理时间和成本。2.粘结胶接缝处加强结构强度2.1粘接工艺的缺点和加强的必要性从叶片损坏的一般情况来看叶片开裂的地方是粘接层面正好是粘接胶的胶线。如何减少和避免这种情况的发生需要认真的分析探讨。现阶段叶片的绝大多数工艺都采用上下半模叶片胶粘成一体。这样叶片壳体是由上下两部分组成的中间存在一定厚度的粘结胶。但是这种工艺存在先天性的不足：（1）如果工艺过程中使用了质量不太好的胶或质量不太好的硬化剂就会导致胶的粘接强度不够。（2）涂胶工艺的局限性。即使使用了合格的粘接原材料那么在涂胶过程中无论是手动涂胶还是自动设备涂胶都难免存在气泡问题或者说涂抹不均问题。甚至种种原因导致大面积缺胶例如合模过程中的某些地方不合适将已经涂好的胶给部分或大部分擦去。（3）如果发生了胶的硬化质量问题而且没有及时在出厂前发现或者质量人员检查出了胶的内部含有气泡或胶线上缺少粘结胶但是由于叶片的形状问题叶片的维修人员和生产人员很难到达叶片的尖部方向的前半部分。使得叶片不容易处理甚至报废。（4）当发生运输时的巨大颠簸振动或运行中的较大风力载荷抑或使用中的疲劳因素等等都有可能造成胶线开胶裂纹甚至严重开裂。由于叶片的上下半翼不是一个有机的整体是人为的粘接起来的所以难免发生开裂的问题。遇到这样的问题往往会造成很大的麻烦或巨大损失。（5）叶片严重开裂会造成极严重的后果。如果出厂的叶片大面积出现开胶的问题或开胶的隐患往往给叶片生产厂造成致命的打击甚至停产倒闭。即使发现及时报废的只能无奈接受巨额的损失或赔偿如何能够修理的也需要召回重修或原地重修。由于叶片维修的特设性这往往会给叶片生产厂带来天文数字级别的费用。2.2粘接胶处糊布改进粘接工艺技术概述鉴于上述叶片粘接工艺的缺点须针对性地做一些改进。核心思路是在叶片外面的整个的粘接线上沿线上下20CM左右的范围内人工糊上2层玻璃纤维和聚酯层然后在做相应的胶衣涂层处理轮廓打磨处理等和叶片的其他工艺处理。2.3糊布加强的具体的施工工艺（1）两层复合材料一般来讲不易宽度一致最好下层稍长上层稍短这样易于形成一定程度的过度角在后续的叶片轮廓核对中比较容易达到标准的要求也可以不影响叶片的空气动力学的性能。（2）如果叶片另一侧的粘接线增加复合材料层难以实施可