吉林重通成飞新材料刘立华：大型海上叶片关键技术研究

以“创新驱动 智赢未来”为主题的“2018全国大型风能设备行业年会暨产业发展论坛”于11月22~23日在重庆召开，本次论坛由中国农业机械工业协会风力机械分会主办，中国船舶重工集团海装风电股份有限公司承办。能见APP全程直播。

吉林重通成飞新材料股份公司首席技术专家刘立华发表题为《大型海上叶片关键技术研究》的主旨演讲。

以下为演讲实录：

刘立华：首先感谢主办方给我这样一个机会，来分享一下我们前几年在海上叶片所做的一些工作。

我就直接进入主题，简短介绍一下我们公司，我们公司并不只是一个制作叶片的制造型企业，我们是一个比较大的研发和技术中心，我们的技术中心主要包括叶片的设计研发、叶片工艺开发以及材料开发和测试。我们这个团队有比较丰富的叶片设计开发经验，陆陆续续前后大概有20多款以上的叶片开发技术经验。另外就是我们在叶片全生命周期相关的都能提供服务，包括叶片的预研、设计，工艺的开发、材料的开发等，就是整个叶片全生命周期我们都能提供相应的技术支持。我们的主要工作在叶片设计、测试，叶片的通风降噪、工艺开发以及叶片材料开发。

这个表是一个不完全的统计，目前以及接下来3-5年我们可以看到海上风机的机型，从性能看主要是4兆瓦、5兆瓦、6兆瓦有一些比较密集的点，整机开发企业都在这个领域开发大型的海上风机。包括GE他们已经在开发12兆瓦更大型的海上整机。8-12兆瓦我预期在接下来的5-10年，这个区域现在有一些空白，我认为慢慢会有更多的机型出现在这个区域。

从叶片的风轮直径来看，主要集中在171、180，甚至160到将来200米以上的风轮直径，所以也可以看到叶片是做得越来越大，而且越来越重。随着叶片越来越大，海上叶片我感觉就像广阔的海上一样，有很多未知领域需要我们去创新探索，有很多挑战。

我们把海上也作为将来公司发展的重要战略之一，这是当时83.6米叶片下线时搞的仪式，我们目前是国内第二家做的最大的叶片生产厂家。接下来我会分材料、气动结构、工艺、防护等方面给大家简单分享一下我们目前正在这些领域做的工作，大家交流一下。

在材料方面，我们针对大叶片需要高模量、轻质，同时还要考虑经济性，在气动方面，由于叶间的间数比等一系列的问题，在设计阶段就需要综合考虑。在结构设计上，因为海上叶片维护成本相当贵，另外对于叶片的质量要求，从设计源头就要考虑本身叶片结构具有更好的可靠性或者垄断性，我们从设计源头就要考虑这些问题。另外工艺设计，在工艺方面我们也需要做很多工作和尝试，包括防护，因为海上的环境大家也知道，也需要很好的防护。

大家看看材料，目前大家采用的海上叶片主要采用了7种主要的原材料，我主要是针对叶片的主要结构梁帽来说的。不同的材料对于减重降本的影响，纵坐标是说成型叶片梁帽的陈列程度。我罗列了不同材料的优劣势，其实对于材料来说，大家追求的方向是尽量减少竖轴的含量，因为这样能使成本降低、性能提高。对于材料本身，现在主要选择的是玻纤和碳纤，不同的材料成型工艺纤维含量是不同的，不同的含量带来的减重效果也是不一样的。不要忘了我们一位追求纤维含量提高的同时，因为纤维含量会很大程度决定叶片材料的疲劳性，所以我们需要寻求一个比较恰当的均衡点，在力学疲劳性能以及工艺可实现性方面寻求一个平衡点，这也是最优点。

这张图就比较直观比较了一下6-7种常见材料对叶片重量的影响影子和叶片成本的影响因子。可以看到左边蓝色的柱状图表示各种材料的价格成本因素，大家可以看常规玻纤、拉挤玻纤片才成本相对处在一个比较低的位置。可以看到拉挤、大克重相对于常规的玻纤有一定优势。碳纤维的灌注、碳纤维的拉挤片材也有一定降低。黄色的曲线表现了重量的因子，我如果用碳的话重量可以降低到原来的30%-40%之间，如果用碳纤维拉挤的话可能是在30%以下，也就是说碳纤维对叶片梁帽的减重是非常显著的，但价格也是成倍的上涨。

接下来我就简单说一下各种材料从技术上来说一些相关的问题，主要是问题。玻纤织物，包括碳纤织物，这是一个公开发表文章里做的研究，纤维在编织过程中其实对疲劳性是有影响的，通过实验发现疲劳产生最开始的起源，因为编织有捆绑纱、衬纱，一般都是在这些区域会产生疲劳微裂网。

大克重玻纤，随着克重的增加，同样的灌注工艺，我的纤维含量会逐步提高，相当于模量一般会从48-50Gpa的提高。随着玻纤含量的提高，我的疲劳性能，大家可以看到红色的是常规玻纤含量疲劳曲线，随着纤维含量的提高，疲劳衰减得非常厉害，所以大克重这也是一个需要解决的问题。还有一个灌注性能，也就是说材料越厚的话，对灌注也有一定的挑战性。还有一个需要解决的问题，克重大了以后，单层厚度厚了以后，所谓的错层会形成一个竖轴的存在，这与整个层高板的疲劳性能会是一个比较大的影响。

大家都在探索碳玻混，大家知道碳纤跟玻纤的系数是不一样的，玻纤可能是热胀冷缩，而碳纤可能是热缩冷胀，大家知道在灌注的过程会经过一个加热到放热的过程，有的时候温度会相当高，比如70、80度，随着固化和冷却的过程，纤维在固化过程中碳纤可能是收缩的过程，而玻纤可能是一个膨胀的过程，这之间肯定会带来玻纤纤维间的残余。这可能要引起大家的关注或者是需要做更多的基础性研究，去看这个残余率对叶片有多大的影响。同时织物间的混铺也存在同样的问题，比如一层是玻纤、一层是碳纤，我觉得这个影响可能会更大。

碳纤维的灌注，大家可以看一下这两卷碳纤维有什么不同，其实材料都是一样的，编织基本是一样的，但你可以看出左边这个碳纤维，就是它的捆绑纱的粘力比较合适一点，这样在微观上来看基本上呈现比较直的自然状态。如果看右边图，我的捆绑纱粘力加大一点，对碳纤维会产生微观的捆绑作用，所以会造成微观的不是那么直了。大家也知道碳纤维对于直线度的影响是非常大的，玻纤可能像这种情况影响还不是很大，但是碳纤维出现这种情况影响是非常大的，非常明显的敏感度。

预浸料也有一定的难点，主要是在工艺性，因为它是黏性的，你在铺的过程中，一层跟一层布铺完以后，一旦黏上以后，第一次没有铺平的话，很难像干的布一样摸平。另外这是黏性的，层与层之间有气化的，气泡一般会锁在层间。这也是预浸料对工艺的挑战。

现在我们看拉挤，拉挤的性能很优越，大家也都重要，从前面的比较也可以看出，对降本的优势。拉挤叶片设计本身就要考虑，因为我们的叶片是有弧度的，比如你放在模具里是有弧度的，直线的片材跟有弧度的模具之间一定会产生间隙，拉挤需要从源头考虑叶片外形的设计。另外一个随型性，拉挤不像玻纤的材料是软的，可以很好地随着叶片模具的形变随型，所以它的随型性需要验证一下。还有片与片才之间的结合性能也需要相关的技术手段处理，需保证片才之间的结合性能。

碳纤和玻纤还有一个需要大家关注的问题，比如碳纤和玻纤之间的界面问题，因为毕竟是两种不同的材料，所以对碳玻界面也需要更多的关注。

下面讲到气动设计，结合83.6海上叶片，这是我们这款叶片气动的参数，重量是在25。气动设计从一开始，因为现在这么大的叶片，固定资产投资是相当大的，模具成本投资非常大。所以我们会考虑模具共用，就是我的气动外形会考虑到将来扩展共用的设计。这是气动设计的一些主要参数，为了提高发电效力，我们在夜间采用了模的异性。这是气动设计的相关参数，包括时速分析、模态分析跟颤动分析，我们都做了很多分析，确保在运行过程中不会发生问题。再有在噪音要求比较高的区域，可能需要考虑锯齿尾缘降噪，我们在这方面做了一些设计和开发工作，去模拟、去计算不同的尾缘设计对噪声的影响。

发电性能提升，大家可以看这个图，叶片在运行过程中可以通过气流在上面留下的灰尘轨迹可以看出，叶片特别在尾缘这段，会发生很大程度的分流现象，所以我们会采取发射器去引导气流，把气流分层线推迟，以提高效率。

叶片结构设计，TE-LD分成两步灌注成型，因为叶片这么大，为了提高模具的应用效率，缩短成型周期，所以我们一般分灌注和预制。腹板也是采用分段式的，这也是为了缩短周期。

还有一个碳玻混的结构，这是我在2011年写的一个专利，关于一边是碳、一边是玻的概念设计。

预埋叶根技术，我们成飞自己也开发了预埋叶根技术，解决了叶跟轮毂连接的问题，同时我们也是国内首家跟SSP合作生产SSP叶边的企业，而且也批量应用到行业中去。

主梁预制，一百多层碳纤维的灌注，以前没有达到这么厚的厚度，所以对于叶片来说这么厚的碳纤维灌注需要做很多工艺研发，才能完全解决碳纤维成型的问题。

这是预浸料的灌注，如果工艺不好或者操作不当很容易形成皱褶，所以我们需要摸索一套工艺成型的方法，包括温度控制、工装的应用，才能最终生产出无缺陷的产品。

这是碳纤维的梁帽，我们在这方面有相当多的经验。对于海上叶片来说，如果用了碳纤维材料，金属网防护也是一个问题，所以我们在金属网的预制上也开发了很多相关的手段，去灌注这个金属网。

腹板，这么大的叶片腹板的定位，包括间隙的控制，我们需要采取相应的工装去进行高质量的生产。

工装是保证叶片生产质量比较关键的工具，我们针对大型叶片开发了一系列的工装，去保证生产过程中的质量控制。

防雷系统设计我简单过一下，这块我们也是采用双保的设计。防雷设计我们是经过一系列的防雷效果的检测。包括叶片测试，我们的叶片是经过多种测试的。谢谢大家！

（根据速记整理）