图3艾飞盛300w风力发电机叶片 图4风力发电系统
2.2风机叶片的结构与材料选择原则
风机叶片的结构和材料风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构。结构上分3个部分：第一部分为根部：材质一般为金属。第二部分为外壳：一般为玻璃钢，通常是使用双／多轴向织物为增强体与基体树脂复合而成。织物可以具有不同的结构，与不同的材料进行复合，再用树脂进行连结，模塑成半个外壳。一对半个外壳粘在一起形成一个承载外壳，图5所示为纤维增强转子叶片截面图。第三部分为龙骨，即加强筋或加强框，一般为玻璃纤维或碳纤维增强复合材料(如图6)。在基布结构方面，单轴向经编织物、双轴向经编织物和多轴向经编织物作为增强复合材料的基布比经纬交织的机织物具有更明显的优势。这类轴向织物承受载荷的纱线系统按要求排列并绑缚在一起，因此能够处于最佳的承载状态。图7表示了机织物中纱线层与单轴向经编织物中纱线层的比较6。
除了上述经编轴向织物外，利用纬编绑缚系统开发出纬编多层双轴向织物和纬编多轴向织物，使织物具有较经编绑缚结构更好的可成型性。因此在叶片结构中具有极好的应用前景。
风能的转化大小，除了与风速有关外，还与叶轮直径的平方成正比，愈来愈大的叶片对叶片的材料要求愈来愈高，要求由特轻的碳纤维构成，在达到同样刚度、强度的前提下，要求增强基布尽可能轻。例如，一个46m直径的浆叶5年前的单片叶片质量为3 500 kg，而现在采用碳纤维材料，其质量仅为1 600 kg，而使用针织轴向织物的在减重方面比机织物更具有优越性。
6
图5 纤维增强转子叶片截面图
图6 典型叶片结构
图7 机织物中纱线层与单轴向经编织物中纱线层的比较
7
2.3增强体材料的选择
对于同一种基体树脂来讲，采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能。但是，碳纤维的价格目前是玻璃纤维的10左右。由于价格的因素，目前的叶片制造采用的增强材料主要以玻璃纤维为主。随着叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐出现性能方面的不足。为了保证叶片能够安全的承担风温度等外界载荷，风机叶片可以采用玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。 2.3.1强化材料
强化材料包括： (1)玻璃纤维强化塑料。 (2)碳素纤维强化塑料。 (3)聚酰亚胺纤维强化塑料。 (4)整体性玻璃纤维强化塑料。
对于叶片材料性能，除了物理性能以外，还要从成型性能、大批量生产条件和价格等方面予以综合考虑。叶片各种材料性能综合对比见表27。
表2 叶片各种材料性能综合对比
项目 碳素纤维强化塑料 聚酰亚胺纤维强化塑料 整体性玻璃纤维强化塑料 机械性能 高 高 低 成型性能 差 差 好 量产条件 少 少 多 价格 贵 贵 便宜 综合评价 好 良 优 由表2可知，碳素纤维和聚酰亚胺纤维强化塑料的机械性能都比整体性玻璃纤维强化塑料优越，而且转轮叶片采用碳素纤维时，运行寿命较长；但是从成型
8
性能和价格方面看，还是整体性玻璃纤维强化塑料优越。目前世界上新增风电机组，特别是大型风轮机组还是以整体性玻璃纤维强化塑料为主流。 2.3.2填充纤维材料
早期的风轮叶片曾经采用木材、竹子、铝合金等，后来都改用人造材料。现代风轮机转轮叶片的填充纤维材料和机械性能对比见表3。
表3 风轮机转轮叶片的填充纤维材料和机械性能对比
项目 250~300 转轮直径/m 叶片长度/m 填充纤维含量W/% 填充纤维含量φ/% 抗张强度/MPa 杨氏弹性模量/MPa <32 12 40 14 120 12 450~600 32~45 18~20 52~60 28~42 200~360 20~25 单机容量/KW 1000 45~60 26~30 64~72 45~54 750~920 35~45 2000 60~74 36 72 54 920 45 2400 74~90 45 72 54 920 45 由表3可见，当叶片长度达30～45 m时，叶片的填充材料和机械性能不再变化。如果容量超过2400 kW时，单机容量与转轮直径分别为：3 500 kW／92 m,5 000 k W／120m和7300 kW/122 m。
2.4基体树脂材料的选择
风电叶片中树脂基体的选择也十分重要。聚酯树脂价格低廉，成型工艺性好，但性能一般，环氧树脂则刚好相反，性能较优但价格较高且工艺操作性不好，所以目前成本和性能等介于二者之间的乙烯基树脂被一些叶片制造商大量采用。 2.4.1树脂基体
风电机组在工作过程中，风机叶片要承受强大的风载荷、气体冲刷、砂石粒子冲击、紫外线照射等外界的作用。为了提高复合材料叶片的承担载荷、耐腐蚀和耐冲刷等性能，必须对树脂基体系统进行精心设计和改进，采用性能优
9
异的环氧树脂代替不饱和聚酯树脂，改善玻璃纤维/树脂界面的粘结性能，提高叶片的承载能力，扩大玻璃纤维在大型叶片中的应用范围。同时，为了提高复合材料叶片在恶劣工作环境中长期使用性能，可以采用耐紫外线辐射的新型环氧树脂系统。
2.4.2基体材料填充剂
从经济性、作业性、生产性、实用性等多方面考虑，叶片内部填充树脂被广泛采用的主要是不饱和聚酯树脂。但随着风电设备的大型化，对抗压缩强度、抗疲劳强度的要求都很高，长度超过20 m的大型叶片已广泛采用延展性被改善了的不饱和聚酯树脂和延展性、黏结性都很优越的乙烯脂。
3、复合材料制造工艺设计与评估
随着风力发电机功率的不断提高，安装发电机的塔座和捕捉风能的复合材料叶片做的越来越大。为了保证发电机运行平稳和塔座安全，不仅要求叶片的质量轻也要求叶片的质量分布必须均匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠，且兼顾生产成本。若要满足上述要求，需要相应的成型工艺来保证。
现在的叶片成型工艺一般是先在各专用模具上分别成型叶片蒙皮、主梁及其他部件，然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起，合模加压固化后制成整体叶片。8具体成型工艺又大致可分为八种 ：①手糊工艺；②树脂传递模塑（RTM）；③拉挤工艺；④缠绕工艺；⑤高压真空浸渍树脂工艺；⑥真空灌注树脂工艺（VIP）；⑦预浸料工艺模压。⑧SPRINT技术。
3.1手糊工艺
传统复合材料风力发电机叶片多采用手糊工艺（图8为手糊工艺示意图）制造。手糊工艺的主要特点在于手工操作、开模成型、生产效率低以及树脂固化程度往往偏低，适合产品批量较小、质量均匀性要求较低复合材料制品的生产。
10