大型风机叶片复合材料铺放路径规划分析与实现

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1、第一章绪论1.1课题研究的背景和意义风能作为可再生的绿色能源，凭借其巨大的商业潜力和环保效益，在全球的新能源和可再生能源行业中创造了最快的增长速度（大约每年以25%～30%的速度递增），是目前世界上能源领域发展最快且相对成熟的技术之一。据德国DEWI机构预测：全球风力发电设备容量至2010年时，约有13200万千瓦，并估计十四年后，会再增长六成到21000万千瓦。丹麦知名风力顾问公司BTM认为，到2015年，全球风力相关设备的总投资金额将达2200亿至2500亿美元，相当于三十座核电厂的建厂成本。国际专案融资杂志统

2、计，2000年以来，全球可再生能源发展筹资金额高达356.53亿美元，其中超过一半集中在风电厂。风力每单位发电成本只有太阳能的六分之一，每年的维护费用不过建造成本的1.5％至3％。据国家发改委的计划安排，我国风电的发展规划是：装机容量到2010年达500万千瓦，2015年达1500万千瓦，2020年达到3000万千瓦，拟占届时国内总发电量的15%左右[1-2]。变速恒频水平轴风力发电机是大型风力机的主要发展趋势，风力发电机组技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率、降低每度电成本等方向发展。风机叶片是捕

3、获风能的主要部件，也是提高风力机组性能的关键部件，其制造成本在总成本中所占比例最大，约为15%～20%，而且至少应该具有20年的使用寿命，大约要经过1～10亿次的载荷循环。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，直接影响风力机的综合技术经济性能。目前为降低风力发电成本，要求单机容量越来越大，叶片也就越来越长。理论和实践表明，风力机捕获风能的多少与风轮直径的平方成正比。因此，如果叶片增长6%，则捕获的风能可增加12%以上。叶片大型化的同时还要求轻量化、低成本化和高性能化，即在满足安全、可

4、靠和寿命的前提下质量要轻、成本要低、功率要高。随着风轮向大型化、轻量化、高性能、单机大功率、低成本的方向发展，提高风轮刚度、减轻叶片重量、改善叶片疲劳特性、实现变桨距功率调节、降低叶片噪声等问题日益突出。为了提高其性能和质量，目前国外大型风机叶片基本上都采用各种复合材料通过铺放成型工艺制造而成，可以充分利用复合材料重量轻、比强度高、比模量大、性能可设计、设计制造一体化、抗疲劳特性好、易于成型等优点，达到重量和强度、刚度、抗疲劳性的最佳组合设计[3-5]。大型风力发电机组是一个专业性很强的高科技产业，能够生产大型风电

5、机组和叶1片的企业并不多，主要是丹麦和德国的几家企业。目前全球风力发电叶片几乎被三大制造厂瓜分，约占领叶片市场的85～95%，它们分别是丹麦的LMGlasfiber、VestasWindSystemsA/S及德国的Enereon。目前，欧美等发达国家已具备生产5～6MW级的风电机组，并已投入商业运营，更进一步将向7～10MW、长达60m以上的叶片发展。如德国Enercon公司6MW风力发电机组于2007年11月在德国的埃姆登安装完成，Multibrid半直驱型（混合型）5MW机组也已试运行，如图1-1所示。图1-1

6、Enercon公司6MW和Multibrid5MW风电机组Fig.1-1WindturbinesystemofBoeing6MWand5MW我国新疆金风公司、沈阳工业大学风能技术研究中心、中航惠腾风电设备有限公司等自主研发了兆瓦级大型风电机组，实现了系列大型风机叶片的国产化。目前已具备制造1.5～2.0MW、长达35～37.5M叶片的能力，正在计划研发2.5～3.0MW、长达40M以上的叶片，但与国外相比还有较大差距；而且基本上以手工铺层、真空热压罐成型为主，手工铺层质量差、可靠性低、材料利用率低、浪费辅助材料，制

7、造周期长、费用高，难以实现复杂的结构设计要求，严重制约了我国纤维铺放技术和风电行业的发展和水平的提高。成型设备、成型工艺和控制编程是纤维铺放成型的三大支撑技术。其中，铺放控制程序是铺放系统实现多种复杂构件铺放过程自动化控制的关键技术之一，直接关系到铺放能否成功及成型后构件的性能优劣。纤维铺放路径的规划与生成是铺放控制程2序编制的依据和基础，其任务是根据曲面构件的几何形状、受力状况及强度要求等，规划、设计整个构件的纤维铺放路径。为此，研究大型风机叶片复合纤维材料铺放算法及路径规划，可为大型风机叶片纤维铺放技术的研究、

8、铺放装备的研制奠定必要的基础和技术支撑，有着极其重要的现实意义。1.2复合纤维材料及其应用复合纤维材料（CompositeMaterials）是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。由于复合纤维具有重量轻、比强度高、比模量高、性能可设计、易于成型等优点，在航空航天、风机叶片、石油管道、压力容器等大型构件中得到了广