風電機組葉片分段技術研究

何 明，林 濤，陶生金，印厚飛，涂英濤

（國電聯(lián)合動力技術（連云港）有限公司，江蘇連云港 222002）

0 引言

隨著風電技術進步和海上風電發(fā)展，風電機組功率大型化成為趨勢，亦帶動風電主軸趨向大型化。大兆瓦風電機組單機功率大、單位面積裝機容量大，對風能的利用效率高，發(fā)電效益更好，從而降低了成本。風電機組整機功率的不斷提升，葉片的大型化趨勢將更加明顯。細長的葉片投入使用只有幾年的時間，但是已經(jīng)成為風電葉片行業(yè)的一大趨勢。我國國家發(fā)展改革委員會和國家能源局下發(fā)的《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》就將100 m及以上風電葉片列為未來風電技術創(chuàng)新的重點突破目標［1］。細長的葉片不僅可以更好地捕捉風能，而且自身的相對輕質(zhì)特點可以讓整機的重量負荷降低，延長風電機組使用壽命。此外，細長的葉片還能在低風速下發(fā)電，對風能的利用更加充分，總產(chǎn)能得到了提高。長葉片甚至可以提高風電機組為電網(wǎng)輸送基載電量的能力，從而提高電網(wǎng)中輸電電纜和變壓器的使用率［2］。

然而，在葉片生產(chǎn)過程中，長葉片勢必帶來諸多成型工藝的困難，諸如真空灌注時間長、易產(chǎn)生缺陷等，導致成本增加；長葉片更會給葉片運輸帶來極大的不便，一些偏遠地區(qū)、山區(qū)甚至無法送達。為了解決上述難題，葉片分段技術應運而生。將大型葉片分割成兩個或者多個葉片段進行制造，相當于葉片長度變短，現(xiàn)有的設備和技術水平依然能夠滿足生產(chǎn)需求，運輸難度和成本也隨之降低，對現(xiàn)場吊裝也大有裨益。由此可見，葉片分段技術對推進風能的高效利用、提高其經(jīng)濟效益具有重要意義［3］。

1 分段式葉片連接形式

分段式葉片是將葉片分割成兩個或者多個葉片段進行，相鄰葉片段成型后通過各種形式連接起來，形成的完整的葉片。通過對現(xiàn)有的資料進行分析，相鄰葉片段的連接形式主要有T型螺栓、預埋螺栓套、卡接、膠接等幾種。連接的引入會不可避免地增加葉片的質(zhì)量，引起結構剛度的不連續(xù)變化；葉片結構特征的變化會進一步影響其在外載荷下動態(tài)響應特性和氣動性能。所以，連接方式要求安全、可靠、便捷，連接處不能明顯影響葉片的氣動外形，并且要方便后期維護。選擇一種相對具有可生產(chǎn)操作實施的連接形式對現(xiàn)場組裝和后期使用及維護尤為重要［4］。

1.1 本體膠接

相鄰的葉片段使用基體材料或者結構膠粘接在一起的方式即為本體膠接，下面具體講述一種葉片膠接的方案。本方案以63.2 m葉片為例，采用大梁殼體對接、后緣斜角粘接、內(nèi)部灌注粘接、外部灌注粘接的組合式分段技術。葉片分段如圖1—2所示。

圖1 葉片分段整體示意

圖2 整體粘接示意

1.1.1 大梁殼體粘接設計

大梁殼體結構為整體中部內(nèi)拔模式設計，葉根和葉尖段設計結構相同，如圖3所示，其對接如圖4所示。

圖3 葉根段大梁殼體結構示意

圖4 大梁殼體粘接示意

1.1.2 后緣殼體粘接設計

葉根段后緣殼體結構為額外突出內(nèi)拔模式設計，葉尖段后緣殼體結構與大梁殼體結構相同，為整體中部內(nèi)拔模式設計，如圖5所示，后緣殼體粘接如圖6所示。

膠接受到粘接膠的使用條件限制，此種方式在風場很難實施，而且葉片連接完成后，粘接膠需要在一定條件下進行固化，風場也很難滿足。此外，粘接過程中的氣泡、分層等缺陷都會影響連接強度，因此膠接的應用受到了較大限制。

1.2 T型螺栓

T型螺栓連接需要在葉片連接處提前打孔，包括縱向和法向，然后通過雙頭螺柱和螺母將相鄰的葉片段連接，如圖7所示。

T型螺栓連接可以將多個螺栓均勻分布在連接端面，連接強度可以得到保證。但是大量的縱向孔和法向孔破壞了葉片結構的完整性，而且孔的存在會導致應力集中，最終導致葉片失效。此外，T型螺栓連接對孔的定位以及連接端面的平面度要求很高，如果存在較大的偏差，一方面會使T型螺栓扭曲變形導致失效，另一方面會引起軸向孔附近承受的載荷不均勻，影響使用壽命［4］。

1.3 預埋螺栓套雙頭螺柱連接方式

圖8展示了典型的預埋螺栓套方式，預埋螺栓套使用前，須進行表面噴砂處理，提高表面的粗糙度，然后用玻纖束纏繞預埋螺栓套將其表面溝槽填平。預埋螺栓套是在葉片殼體鋪層過程中直接預埋到殼體結構層中，對葉片的成型工藝提出了更高的要求。預埋螺栓套靠與玻璃鋼之間的黏接力和嵌入預埋螺栓套外部溝槽的玻璃鋼層的剪切強度提供連接強度［5］。

雙頭螺柱連接，既雙頭螺柱穿過光套與螺栓套連接，另一端在空腔內(nèi)與螺母連接，如圖9所示?？涨皇穷A制假體取出后形成，螺栓套和光套交替排布減小假體對結構強度的影響［6］，如圖10所示。

圖5 葉根段后緣殼體結構示意

圖6 后緣殼體粘接截面示意

圖7 T型螺栓連接示意

圖8 預埋螺栓套剖面

圖9 雙頭螺柱連接剖面

圖10 雙頭螺柱連接螺栓套與光套交替排布示意

螺栓套和光套均為預埋件，空腔是預制假體取出后形成，相對于T型螺栓連接來說，避免了在連接截面進行打孔和定位操作，而且裝配相對便捷，穩(wěn)定性也較高。

1.4 預埋螺栓套雙法蘭連接方式

與預埋螺栓套雙頭螺柱連接方式相同，預埋螺栓套雙法蘭連接方式中螺栓套也是預埋件在殼體中，葉片結構完整、穩(wěn)定，對成型工藝和工裝要求較高。雙法蘭連接如圖11所示，先在分段葉片連接端分別預埋螺栓套，然后使用螺栓將法蘭與預埋螺栓套連接，再用緊固螺栓將兩個法蘭固定在一起。由于雙法蘭的存在，增加了葉片的重量，法蘭的突出部分還破壞了葉片原本的氣動外形，所以，此連接方式的應用受到了很大限制。

圖11 預埋螺栓套雙法蘭連接

1.5 預埋螺栓套連接基體連接方式

此種連接方式與預埋螺栓套雙法蘭連接方式類似，將雙法蘭改為連接基體，如圖12—13所示，葉片通過連接基體連接完成后，將與葉片具有一致的氣體動力學外形的連接外殼安裝在連接基體的外表面，再對連接處進行加強、修型，使葉片整體具有完整的氣動外形。而且，此種連接方式葉片段的配裝連接均在葉片段殼體的外部進行，配裝連接簡單方便［7］。

圖12 預埋螺栓套連接基體連接方式

圖13 連接基體示意

1.6 卡接連接方式

卡接的原理是將分段葉片連接端的主梁和腹板外延作為卡扣，葉片對接后，起到卡扣作用的大梁和腹板卡接在一起，再用增強材料在連接處進行加強，進一步提高連接的可靠性。如圖14所示。此種方式通過利用葉片從葉根到葉尖越來越薄的特點，利用主梁即可使分段葉片卡接到一起，與螺栓連接相比，基本不增加葉片的重量，因此可降低擺振方向的載荷和葉片的疲勞載荷，并且還可免除螺栓連接需要預緊的麻煩。另外，與結構膠連接相比，由于沿著葉片的葉根到葉尖的方向，主梁帽之間的距離越來越小，因此靠近葉尖的葉片段不會從靠近葉根的葉片段脫出，因此連接可靠性更高［8］。但是，由于外延大梁和腹板的存在，而且要實現(xiàn)準確的卡接，對葉片的成型工藝要求較高。

圖6 后緣殼體粘接截面示意

1.7 柔性連接

此種連接方式與預埋螺栓套連接基體連接方式類似，它的連接基體并非整體，而是由連接框架、鉸接件、支座、限位彈簧等部件柔性連接而成，如圖15—16所示。此方式拆裝方便，相對于其他機械連接方式有很強的抗沖擊性能［9］。

2 各種連接形式綜合評價

綜合考慮各連接方式的優(yōu)缺點，由于現(xiàn)場施工環(huán)境的影響，膠接的應用受到限制。預埋螺栓套雙法蘭的連接形式因增重過多，而且改變了葉片的氣動外形，此種方式的應用鮮有報道。柔性連接、預埋螺栓連接、基體連接等方式也都因為預埋件的引入較多，增加了葉片重量；T型螺栓、卡接以及預埋螺栓套雙頭螺柱連接因較高的連接強度以及現(xiàn)場的可操作性，將具有較好的應用前景。

3 葉片分段技術發(fā)展趨勢

葉片分段技術是解決大型風電機組葉片運輸難、制造難的有效措施，近幾年來，由于長葉片的種種優(yōu)勢，長葉片的需求不斷增加，其運輸問題變得更加突出。目前，我國南方低風速區(qū)風場，雖然地處偏遠，道路復雜，但是因為位于用電負荷中心，已經(jīng)成為風電裝機的熱點地區(qū)，這些都為葉片分段技術提供了良好的市場前景。縱觀葉片分段技術發(fā)展過程，具有如下特點和發(fā)展趨勢。

3.1 嚴格的性能評估

分段式風電葉片由相互獨立的兩個或多個部分組成，相鄰的組件通過膠接或者機械連接成為一個整體來實現(xiàn)葉片的氣動和結構功能。連接的引入會不可避免地增加葉片的質(zhì)量，引起結構剛度的不連續(xù)變化。葉片結構特征的變化會進一步影響其在外載荷下動態(tài)響應特性和氣動性能［10］。因此，葉片連接完成后，連接處的強度、穩(wěn)定性、葉片整體的氣動性能需要

進行嚴格的測試與評估。

圖15 柔性連接示意

圖16 柔性連接示意

3.2 精確的工裝

通過上述連接方式的介紹，各種連接方式想要實現(xiàn)葉片段的準確對接，或是葉片與連接件的連接，都需要精確的工裝作為保證。此外，預埋件的引入對葉片的成型提出了更高的要求，也需要精確的工裝來實現(xiàn)。

3.3 海上風電機組葉片的應用

目前風電葉片發(fā)展趨勢是陸機大功率低風速、海機超大功率，海上風電機組的大型化已然成為現(xiàn)實，隨著技術的不斷進步，分段式葉片的成本也會逐漸降低，海上風電機組采用分段式葉片也可以降低海上運輸成本，解決海上風電機組葉片制造難和吊裝難的問題。因此，葉片分段技術在海上風電機組葉片具有很大的應用價值。

3.4 共享葉尖或葉根

隨著各地區(qū)風資源開發(fā)，風場也不斷增加，但極限風況對風電機組破壞也越來越多。特殊海上風場、高原風場，其常年風況優(yōu)異，但是某個時間段天氣惡劣，尤其是在南方和內(nèi)蒙古地區(qū)極端氣候高發(fā)地區(qū)，風速超極限風況，常規(guī)整機一旦安裝在這類風區(qū)，惡劣風況來臨時，輕則葉片折斷損壞，重則整機受損、倒塌或基礎傾覆等，遭受災難性損失。葉片分段技術可有效地緩解這一問題，在面臨惡劣風況時，分段葉片的葉尖段能夠?qū)崿F(xiàn)自毀，以此防止整支葉片報廢，防止整機過載，導致災難性損失。而強風過后從分段位置更換新的葉尖段，即可快速發(fā)電，維修周期短，減少發(fā)電量損失，適應苛刻風場能力更強。