风力发电机叶片

叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计，可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。恶劣的环境和长期不停地运转，对叶片的要求有：

1.密度轻且具有最佳的疲劳强度和力学性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负载的考验；

2.叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负载稳定性好，不得在失控（飞车）的情况下载离心力的作用下拉断并飞出，亦不得在风压的作用下折断，也不得在飞车转速以下范围内产生引起整个风力发电机组的强烈共振；

3.叶片的材料必须保证表面光滑以减小风阻，粗糙的表面亦会被风“撕裂”；

4.不得产生强烈的电磁波干扰和光反射；

5.不允许产生过大噪声；

6.耐腐蚀、紫外线照射和雷击性能好；

7.成本较低，维护费用最低。

微型风力发电机的叶片一般用木头手工制作，金属冷冲压成型或注塑成型的工艺方法；

小型风力发电机叶片一般用金属或玻璃钢手工制作，其中玻璃钢叶片是最流行、实用的叶片；

大型风力发电机叶片一般用玻璃钢手工制作。

用于加工叶片的材料有木头、金属、工程塑料、玻璃钢等。

木制叶片及布蒙皮叶片

近代的微、小型风力发电机也有采用木制叶片的，但木制叶片不易做成扭曲型。大、中型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的力和弯矩。

钢梁玻璃纤维蒙皮叶片

叶片在近代采用钢管或D型型钢做纵梁，钢板做肋梁，内填泡沫塑料外覆玻璃钢蒙皮的机构形式，一般在大型风力发电机上使用。叶片纵梁的钢管及D型型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小，以满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强度梁。

铝合金等弦长挤压成型叶片

用铝合金挤压成型的等弦长叶片易于制造，可联系生产，又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现。铝合金叶片重量轻、易于加工，但不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片，因为世界名国尚未解决这种挤压工艺。另外，铝合金材料在空气中的氧化和老化问题也值得研究。

玻璃钢叶片

所谓玻璃钢（glass fiber reinforced plastic,简称GFRP)就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，其他部分填充泡沫塑料。泡沫在叶片中主要作用是在保证其稳定性的同时降低叶片质量，使叶片在满足刚度的同时增大捕风面积。

从泡沫的力学性能和价格等因素考虑,被用于风力发电叶片芯材的泡沫主要有聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PUR)、丙烯腈-苯乙烯(SAN)、聚醚酰亚胺(PEI)及聚甲基丙烯酰亚胺PMI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。PVC泡沫使用最为广泛，也是第一种用在承载构件夹层结构中的结构泡沫芯材，也称为交联PVC。此泡沫属于热固性泡沫，由德国人林德曼在20世纪30年代后期发明的。

而PET泡沫(Airex)是最近几年才开始研制生产的泡沫，属于热塑性泡沫，生产工艺为挤出发泡，但与PS泡沫不同的是其挤出的宽度有限，所以挤出后要通过热熔粘接将其拼接成较大的泡沫体以方便使用。

玻璃纤维的质量还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进，其单位（kW）成本较低。

碳纤维复合叶片

随着风力发电产业的发展，对叶片的要求越来越高。对叶片来讲，刚度也是一个十分重要的指标。研究表明，碳纤维（carbon fiber，简称CF）复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的两至三倍。虽然碳纤维复合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料，但价格昂贵，影响了它在风力发电大范围应用。因此，全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究，以求降低成本。

叶片的翼型是根据空气动力学原理设计的，是决定风轮效率和工作情况的决定性因素。2100433B

风力发电机叶片的融冰加热结构及其制作方法专利目的

针对以上问题，该发明提出一种风力发电机叶片的融冰加热结构及其制作方法，既可避免结冰，又可保护叶片不受损伤。

风力发电机叶片的融冰加热结构及其制作方法技术方案

《风力发电机叶片的融冰加热结构及其制作方法》所述风力发电机叶片由壳体和位于壳体内的两块抗剪切腹板组合构成，所述壳体由迎流面壳体和背流面壳体对接构成空腹结构，两块抗剪切腹板在腹腔中纵向并列布置，它们的两个侧边分别与迎流面壳体、背流面壳体的内壁粘接；其特征在于，所述风力发电机叶片设有碳晶膜加热装置，该装置包括碳晶电热膜、温度传感器、加热控制器，所述碳晶电热膜铺覆在壳体前缘表面的覆冰区域，用于加热壳体前缘的覆冰区域；所述温度传感器布置在碳晶电热膜下，对应覆冰区域，用于检测壳体前缘覆冰区域的温度；所述加热控制器布置在风力发电机控制系统中，根据温度传感器检测到的壳体前缘覆冰区域的温度，调整碳晶电热膜的加热电功率，使壳体前缘覆冰区域的温度恒定在设定值，该设定值略大于冰的熔点，通常为0℃＜t≤2℃。

所述碳晶电热膜通过其电源线连接电源，所述温度传感器通过其信号线连接加热

控制器，所述碳晶电热膜的电源线、温度传感器的信号线均敷设在叶片壳体的腹腔中，固定在抗剪切腹板上，从叶片根部引出。

所述风力发电机叶片还设有避雷装置，该避雷装置包括金属丝网和雷电流引线，所述金属丝网包覆在叶片前缘壳体表面，对应覆冰区域，其与碳晶电热膜的结合面设有绝缘层；所述金属丝网具有钎焊的铜箔带，所述雷电流引线固定在抗剪切腹板上，它的一端与金属丝网的铜箔带钎焊连接，另一端从叶片根部引出接地。

所述风力发电机叶片还设有避雷装置，该避雷装置包括金属丝网、雷电流引线和连接螺栓，所述金属丝网包覆在叶片前缘壳体表面，对应覆冰区域，其与碳晶电热膜的结合面设有绝缘层；所述金属丝网具有钎焊的铜箔带，铜箔带上有螺栓穿孔；所述雷电流引线固定在抗剪切腹板上，它的一端通过螺栓与金属丝网连接，由螺栓将雷电流引线、金属丝网锁紧，螺栓与铜箔带的结合部、螺栓与雷电流引线的结合部均钎焊连接；雷电流引线的另一端从叶片根部引出接地。

所述金属丝网是铜丝网或铝丝网；所述螺栓是铜螺栓；所述绝缘层采用高密度双向玻璃纤维布增强树脂的玻璃钢绝缘层。

上述风力发电机叶片融冰加热结构的制作方法，可采用手工分步制作法或整体灌注法。

手工分步制作法包括如下步骤：

（1）分别用模具灌注叶片迎流面壳体、背流面壳体、抗剪切腹板，再组装粘接，合模保温、保压，至粘接剂彻底固化后脱模，叶片成型；

（2）在壳体上钻好碳晶电加热膜电源线穿孔、温度传感器信号线穿孔、避雷装置的螺栓穿孔；

（3）在叶片壳体前缘覆冰区域安装温度传感器，并与其信号线钎焊连接；

（4）在叶片壳体前缘覆冰区域表面涂覆粘接剂，再将面积与覆冰区域表面相当的碳晶电加热膜铺覆上去，并与其电源线钎焊连接；

（5）在碳晶电加热膜表面涂覆粘接剂，再将面积与碳晶电加热膜相当的高密度双向玻璃纤维布铺覆上去；

（6）裁剪一块金属丝网，其面积应大于碳晶电加热膜，在金属丝网的一边钎焊铜箔带，在铜箔带上钻螺栓孔，将金属丝网铺覆在双向玻璃纤维布上面，其螺栓孔与叶片壳体上的螺栓孔对齐，将螺栓穿进螺栓孔，与雷电流引线连接，并将铜箔与螺栓钎焊连接、雷电流引线与螺栓钎焊连接；

（7）将碳晶电加热膜电源线、温度传感器信号线、雷电流引线固定在抗剪切腹板上，并从叶片根部引出；

（8）在金属丝网上铺覆低密度双向玻璃纤维布，将金属丝网覆盖，然后在叶片整个表面喷涂防风沙耐腐蚀的叶片专用油漆。

整体灌注法包括如下步骤：

（1）在灌注叶片迎流面、背流面壳体之前，先把金属丝网、高密度双向纤维布、碳晶电热膜依序铺在模具内，对应覆冰区域，把温度传感器布置在碳晶电热膜上，并把金属丝网的雷电流引线、碳晶电热膜的电源线、温度传感器的信号线都钎焊好，其中，雷电流引线直接与金属丝网的铜箔带焊接；再铺叶片壳体纤维布及芯材；

（2）抽真空灌注树脂一起成型，将金属丝网、高密度双向纤维布、碳晶电热膜、温度传感器固化在叶片壳体内；

（3）在抗剪切腹板灌注成型后，把金属丝网的雷电流引线、碳晶电热膜的电源线、温度传感器的信号线固定在抗剪切腹板上；

（4）将迎流面壳体、被流面壳体、抗剪切腹板组装粘接，然后合模保温、保压，至树脂和粘接剂彻底固化后脱模，叶片成型；

（5）在叶片整个表面喷涂防风沙耐腐蚀的专用油漆。

风力发电机叶片的融冰加热结构及其制作方法改善效果

《风力发电机叶片的融冰加热结构及其制作方法》通过在叶片覆冰区域设置碳晶电热膜，并将加热温度控制在0℃＜t≤2℃，既有效地防止了叶片结冰，又节约能源，还可避免叶片前后缘因温差过大引起的变形，从而保证叶片的气动性能，延长叶片的使用寿命。通过设置避雷装置，使风力发电机免遭雷击，保障机组运行安全。

海洋风力发电机叶片向大型化、轻量化方向发展，且海上风电场的运行环境比陆地风电场恶劣，大型风力发电机叶片在气动力、弹性力和惯性力的耦合作用下容易产生颤振，颤振交变应力会使叶片萌生疲劳裂纹导致其断裂，如何有效地抑制大型风力发电机叶片颤振是发展现代风力发电机亟待解决的关键问题之一。基于压电材料良好的性能，本项目应用压电驱动器对风力发电机叶片颤振进行控制研究。首先通过风力发电机叶片模型风洞试验和计算结构动力学、计算流体力学理论对大型风力发电机叶片气动弹性进行分析，研究风力发电机叶片发生颤振不稳定现象的机理；然后应用基于压电驱动器的智能控制方法对风力发电机叶片颤振进行抑制研究，并采用粒子群算法等方法对压电智能作动器/传感器进行优化布置；最后通过模型风洞试验验证基于压电驱动器的智能控制方法对风力发电机叶片颤振抑制的有效性。本项目的研究成果可为我国大型风力发电机叶片的开发设计提供理论基础和技术支持。

风力发电机叶片的融冰加热结构及其制作方法操作内容

参见图1至图5，《风力发电机叶片的融冰加热结构及其制作方法》所述风力发电机叶片由壳体1和位于壳体内的两块抗剪切腹板12组合构成，所述壳体1由迎流面壳体和背流面壳体对接构成空腹结构，两块抗剪切腹板12在腹腔中纵向并列布置，它们分别与迎流面壳体、背流面壳体的内壁粘接；这是风力发电机叶片的基本结构。

该发明的特点，是在风力发电机叶片中增设碳晶膜加热装置，该装置包括碳晶电热膜3、温度传感器2、加热控制器10，所述碳晶电热膜3铺覆在壳体1的前缘表面覆冰区域，用于加热壳体前缘覆冰区域；所述温度传感器2布置在碳晶电热膜下，对应覆冰区域，用于检测壳体前缘覆冰区域的温度；所述加热控制器10布置在风力发电机控制系统中，根据温度传感器2检测到的壳体1前缘覆冰区域的温度，调整碳晶电热膜3的加热电功率，使壳体1前缘覆冰区域的温度恒定在设定值，该设定值略大于冰的熔点，通常为0℃＜t≤2℃。 所述碳晶电热膜3通过其电源线9连接电源，所述温度传感器2通过其信号线8连接加热控制器10，所述碳晶电热膜3的电源线9、温度传感器2的信号线8均敷设在叶片壳体1的腹腔中，固定在抗剪切腹板12上，从叶片根部引出。

由于设置了碳晶膜加热装置，为防止叶片遭受雷击，该风力发电机叶片还设有避雷装置，该避雷装置包括金属丝网5和雷电流引线13，所述金属丝网5包覆在叶片前缘壳体表面，对应覆冰区域，其与碳晶电热膜3的结合面设有绝缘层，该绝缘层是高密度双向玻璃纤维布（800克/平方米）4作为夹心材料的玻璃钢绝缘层。所述金属丝网5具有钎焊的铜箔带6，所述雷电流引线13固定在抗剪切腹板12上，它的一端与金属丝网的铜箔带钎焊连接，另一端从叶片根部引出接地。该结构适合整体灌注工艺；若采用人工手糊工艺，则避雷装置如图4、图5所示，包括金属丝网5、雷电流引线13和连接螺栓7，所述金属丝网包覆在叶片前缘壳体表面，对应覆冰区域，其与碳晶电热膜3的结合面设有绝缘层，该绝缘层是高密度（800克/平方米）双向玻璃纤维布4作为夹心材料的玻璃钢绝缘层。所述金属丝网5具有钎焊的铜箔围带6，铜箔围带上有螺栓穿孔；所述雷电流引线固定在抗剪切腹板上，它的一端通过螺栓7与金属丝网5连接，由螺栓7将雷电流引线13、金属丝网5的铜箔围带6锁紧连接，螺栓7与铜箔围带6的结合部、螺栓7与雷电流引线的13结合部均钎焊连接；雷电流引线13的另一端从叶片根部引出接地。

所述金属丝网5采用铜丝网或铝丝网；所述螺栓最好用铜螺栓；所述绝缘层是高密度（800克/平方米）双向玻璃纤维布作为夹心材料的玻璃钢绝缘层。

风力发电机叶片的融冰加热结构及其制作方法实施案例

• 实例一

整体灌注工艺包括如下步骤：

（1）在灌注叶片迎流面、背流面壳体之前，先把低密度双向玻璃纤维布、金属丝网5、高密度双向纤维布4、碳晶电热膜3依序铺在模具内，对应覆冰区域，把温度传感器2布置在碳晶电热膜3上，并把金属丝网5的雷电流引线13、碳晶电热膜3的电源线9、温度传感器2的信号线8都钎焊好，其中，碳晶电热膜的电源线9与碳晶电热膜的电极11焊接，雷电流引线13直接与金属丝网5的铜箔围带6焊接；再铺覆叶片壳体纤维布及芯材；

（2）抽真空灌注树脂一起成型，将金属丝网、高密度双向纤维布（800克/平方米）、碳晶电热膜、温度传感器固化在叶片壳体内；

（3）在抗剪切腹板灌注成型后，把金属丝网的雷电流引线、碳晶电热膜的电源线、温度传感器的信号线固定在抗剪切腹板上；

（4）将迎流面壳体、被流面壳体、抗剪切腹板组装粘接，然后合模保温、保压，至粘接剂彻底固化后脱模，叶片成型；

（5）在叶片整个表面喷涂防风沙耐腐蚀的专用油漆。

• 实例二

人工手糊工艺包括如下步骤：

（1）分别用模具灌注叶片迎流面壳体、背流面壳体、抗剪切腹板，再组装粘接，合模保温、保压，至粘接剂彻底固化后脱模，叶片成型；

（2）在壳体1上钻好碳晶电加热膜电源线9的穿孔、温度传感器信号线8的穿孔、避雷装置的螺栓7的穿孔；

（3）在叶片壳体1的前缘覆冰区域安装温度传感器2，并与其信号线8钎焊连接；

（4）在叶片壳体1的前缘覆冰区域表面涂覆粘接剂，再将面积与覆冰区域表面相当的碳晶电加热膜3铺覆上去，并与其电源线9钎焊连接；

（5）在碳晶电加热膜3表面涂覆粘接剂，再将面积与碳晶电加热膜3相当的高密度双向玻璃纤维布4铺覆上去；

（6）裁剪一块金属丝网5，其面积应大于碳晶电加热膜3，在金属丝网的一边钎焊铜箔带6，在铜箔带6上钻螺栓孔，将金属丝网5铺覆在双向玻璃纤维布4上面，其铜箔带6的螺栓孔与叶片壳体上的螺栓孔对齐，将螺栓7穿进螺栓孔，与雷电流引线13连接，并将铜箔带6与螺栓7钎焊连接、雷电流引线13与螺栓7钎焊连接；

（7）将碳晶电加热膜电源线9、温度传感器信号线8、雷电流引线13固定在抗剪切腹板12上，并从叶片根部引出；

（8）在金属丝网5上铺覆低密度双向玻璃纤维布，将金属丝网5覆盖，做为金属丝网5的防护层，然后在叶片整个表面喷涂防风沙耐腐蚀的叶片专用油漆。