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DQZHAN訊：揭秘 | 世界*大風電發電機組葉片開發過程和技術細節

丹麥LM 風能公司生產出的88.4米長的復合材料風機葉片，是迄今為止全球風機葉片制造商生產出的*長葉片，與100碼美式足球場的長度相仿。88.4米葉片風機的掃風面積相當于3個足球場大小，所輸出的電能可供一個小鎮使用。

該葉片被命名為LM 88.4 P，比LM以往生產的*長葉片 LM 73.5 P還要長15米，但重量僅增加6噸。這是通過將具有高強度、高剛度的輕質碳纖維引入到葉片主梁層壓板中實現的。

風機葉片制造使用碳纖維已有超過10年的歷史，主要是采用拉擠工藝生產的碳纖維增強環氧樹脂預浸料主梁，并通過有競爭力的單位兆瓦時能源發電成本(LCoE)證明了其較高價格的合理性。如今，LM探索出了一種不同的方法，將碳玻混雜增強復合材料主梁沿著長度方向嵌入標準玻璃纖維復合材料基殼層壓板。這樣，葉片殼體與主梁能夠在同一模具中制造，葉片殼體充當了碳玻混雜復合材料主梁的模具，大大節省了時間和成本。LM復合材料技術項目主任Michael Lund-Laverick介紹說：“LM 88.4 P是頭個采用混雜增強技術生產的葉型，采用干的碳玻混雜纖維鋪放和真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝(VARTM)制造。”該混雜增強設計使LM利用現有工藝生產出了LM 88.4 P葉型，顯著提升了核心競爭力。完全滿足客戶已經建立起的成本和工期的設計規范。Lund-Laverick補充道：“我們選擇了與實際應用*接近的技術方案，顯著降低了風險，并促進了客戶所需技術的快速開發。”

88.4米葉片的用戶Adwen公司(Siemens Gamesa的所屬企業)表示希望將該風機用于I級風況條件下的海上風電場，因此，LM 88.4 P 葉片的設計工程師將該葉片能夠承受的參考風速設定為50米/秒(112mph)，符合I級風況的使用要求。

新產品的設計驅動力：不確定性和風險

接下來，葉片的設計受到LM公司運營戰略的不確定性影響。Lund-Laverick表示：“混雜增強法首先解決了*大的不確定性問題，這也是我們能夠想到的*大的失敗。”LM采用失效模式效果分析軟件(FMEAs)——一款評價設計(dFMEA)和工藝(pFMEA)風險的形式分析工具，來分析設計和工藝的可行性。當然，在轉向計算機輔助之前，工程師們首先會口頭討論可能出現的風險。“這樣，我們可以通過控制風險來管理項目的進展，憑借公司扎實的專業知識、豐富的開發經驗和良好的溝通機制，來確定關鍵問題所在。工程師們將可能出現的問題一一列出，隨后通過相應的測試和工程方案避免這些問題的出現。”

FMEA所分析出的結構用來確定要進行什么樣的測試和實驗，在該過程中，試制并測試實際樣品零件，在計算機建模和分析開始之前驗證設計極限和失效模式。計算機模擬也是建立在現實基礎之上，而不是在初級理論之上的，無論該理論如何強大。

在確認了葉片的風況等級、設計極限和失效模式之后，工程師們用該公司開發的設計程序和三維建模軟件套裝LM Blades模擬大型葉片在極限范圍內的靜態和動態疲勞加載、大型氣動面板的屈曲、單向纖維增強復合材料強度的Puck斷裂準則，以及其他的力學/強度、化學/環境要求。

碳玻混雜 兩全其美

LM公司的混雜技術是指采用碳玻混雜纖維增強復合材料主梁對標準玻璃纖維增強聚酯復合材料的葉片基殼層壓板進行強化的技術。按照LM技術要求生產的葉片殼體用玻璃纖維織物由多家供應商供貨，典型應用H玻纖的供應商為Owens Corning。葉片殼體層壓板是由巴薩輕木為芯材的三明治結構灌注LM標準聚酯樹脂獲得。

葉片主梁所需的單軸向碳纖維/H玻纖混雜織物由SAERTEX公司所屬的挪威企業Devold AMT AS公司生產，該織物產品獲得了LM公司“2017*佳**伙伴大獎”。葉片殼體和主梁所需的纖維織物結構由不同面密度的±45°雙軸向織物、0°/ ±45°組合織物和0°單向織物組合而成。**在88.4米葉片使用的該新型纖維織物組合由LM團隊自主研發，配合一款LM專有的未知樹脂使用，獲得了優異的葉片性能。灌注葉片主梁所用的專有樹脂在分子結構上雖具有不同的主鏈結構，但能夠與葉片殼體所用聚酯樹脂通過化學反應產生較強結合力。

碳玻混雜制造策略

葉片由迎風面和背風面上下兩部分固化后結合而成。迎風面和背風面分別包含一根主梁。碳玻混雜生產技術包含兩個階段的灌注工藝：**階段，葉片殼體，包含除主梁之外的所有結構元素，制造步驟如下：

在88.4米模具中噴涂膠衣：工人在鋪放葉片殼體所用玻璃纖維織物之前在模具內表面噴涂膠衣，可以省略葉片脫模后的噴漆過程。

鋪放葉片外表面雙軸向玻璃纖維織物覆蓋層。

鋪放葉根和邊緣強化材料，主要是單向織物材料。

放置三明治結構用巴薩輕木芯材，用小緊固件固定。巴薩輕木芯材由工人手工鋪放固定。

鋪放內部雙軸向織物層。

采用真空袋和LM標準聚酯樹脂進行真空灌注。

根據LM專有的操作規范，部件在室溫下固化。

固化完成后，基殼脫離真空袋，檢查后準備進入下一階段。

在**階段，混雜復合材料葉片主梁直接在固化后的基殼上以基殼為模具來成型：

干的碳玻混雜單向織物層被半自動鋪放機沿葉片長度方向直接鋪放在葉片基殼上較為平坦中心部位，從距離葉根4米的位置鋪起。

加入LM設計的輕質保護部件。

鋪放±45°雙軸向標準玻璃纖維覆蓋層。

同樣采用真空袋和真空灌注工藝，**控制灌注條件，僅使專用樹脂浸入混雜纖維層。

根據LM專有的操作規范，主梁部件在室溫下固化。

Lund-Laverick說：“我們有能力將現有的生產技術放大應用到不斷變長的風機葉片上。在這些巨大的葉片半殼上，沿著葉片長度方向有輕微的預彎，同時葉片兩側有少許卷曲，但中心部位卻相當平坦。” 在每個半殼的平坦區域，LM通過內部設計、計算機控制的半自動設備將寬幅的干性混雜纖維織物按照程序設定的鋪層方式進行鋪放，以獲得理想的強度性能。

彎曲的葉邊部位由于幾何形狀復雜，因此通常必須手工鋪層來完成。

基殼和混雜主梁都需要設備進行鋪放。由于碳玻混雜織物比普通玻璃纖維織物更加敏感，因此LM開發了無需手工的鋪放技術以避免褶皺和其它可能由人工操作引入的缺陷。

葉片筋板是由玻璃纖維復合材料和泡沫芯材組成的三明治夾心結構，主要用雙軸向織物層與標準聚酯樹脂經灌注工藝成型。

在質量控制方面，LM采用了六西格瑪精益管理模式。Lund-Laverick表示：“在生產過程中，我們有一整套嚴格的質量控制文件和手續，包括對葉片的連續目視檢查。”固化后，超聲檢查和目視檢查保證了產品的質量。隨后，兩片葉片半殼采用常規方法粘合在一起。

合模和后固化操

兩個半殼粘合在一起后，LM使用導流板來補償大型葉片葉根附近相對較差的氣動性能。導流板專為個別葉片的幾何外形設計，類似于鰭，通過注射工藝成型，并在*終的葉片裝配過程中采用3M公司生產的VHB膠帶粘附于背風面半殼的外表面上，通常從距離葉根5m左右的位置一直延伸到葉片中部。這樣做能夠減少氣流分離(空氣在到達葉片后緣之前發生分離)，并提高升力和能量輸出。另外，LM還會在葉根附近的葉片內弦采用專有技術、定制化地安裝導流板，進一步提高升力，通常采用反應注射成型(RIM)工藝生產。

目前，LM 88.4 P 葉片已在LM的測試平臺和丹麥獨立的葉片測試中心(Blaest Blade Test Center)通過了全尺寸靜態力學和疲勞測試，并已通過了挪威DNV GL船級社的認證。

**套商用LM 88.4 P葉片已安裝至Adwen的下一代風機AD 8-180上，額定功率8MW，轉子直徑180米。LM生產的3支葉片通過卡車和駁船運輸，由Adwen實施安裝，目前已在德國不萊梅港并網。可惜，由于Adwen被Gamesa收購，Gamesa又并入了Siemens，而新的Siemens Gamesa可再生能源公司取消了AD 8-180平臺，因此該項目產品成為了行業整合的犧牲品。

Lund-Laverick稱LM將繼續進行碳玻混雜主梁平臺的開發，目前正在向Siemens Gamesa交貨的是69.3米葉片。這是目前全球*大的陸上風機葉片。該葉片仍沿用了88.4米葉片相同的設計、材料和生產規范，同樣將利用干性碳玻混雜織物和樹脂體系獲得更低的能源發電成本(LCoE)。他補充說，目前混雜增強葉片主要依據客戶的需求生產，未來隨著葉片長度不斷增加，LM將增加采用混雜技術生產葉片的數量。