何 明，林 濤，陶生金，印厚飛，涂英濤

（國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)（連云港）有限公司，江蘇連云港 222002）

0 引言

隨著風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步和海上風(fēng)電發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組功率大型化成為趨勢(shì)，亦帶動(dòng)風(fēng)電主軸趨向大型化。大兆瓦風(fēng)電機(jī)組單機(jī)功率大、單位面積裝機(jī)容量大，對(duì)風(fēng)能的利用效率高，發(fā)電效益更好，從而降低了成本。風(fēng)電機(jī)組整機(jī)功率的不斷提升，葉片的大型化趨勢(shì)將更加明顯。細(xì)長(zhǎng)的葉片投入使用只有幾年的時(shí)間，但是已經(jīng)成為風(fēng)電葉片行業(yè)的一大趨勢(shì)。我國(guó)國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)和國(guó)家能源局下發(fā)的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》就將100 m及以上風(fēng)電葉片列為未來風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)突破目標(biāo)［1］。細(xì)長(zhǎng)的葉片不僅可以更好地捕捉風(fēng)能，而且自身的相對(duì)輕質(zhì)特點(diǎn)可以讓整機(jī)的重量負(fù)荷降低，延長(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組使用壽命。此外，細(xì)長(zhǎng)的葉片還能在低風(fēng)速下發(fā)電，對(duì)風(fēng)能的利用更加充分，總產(chǎn)能得到了提高。長(zhǎng)葉片甚至可以提高風(fēng)電機(jī)組為電網(wǎng)輸送基載電量的能力，從而提高電網(wǎng)中輸電電纜和變壓器的使用率［2］。

然而，在葉片生產(chǎn)過程中，長(zhǎng)葉片勢(shì)必帶來諸多成型工藝的困難，諸如真空灌注時(shí)間長(zhǎng)、易產(chǎn)生缺陷等，導(dǎo)致成本增加；長(zhǎng)葉片更會(huì)給葉片運(yùn)輸帶來極大的不便，一些偏遠(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)甚至無法送達(dá)。為了解決上述難題，葉片分段技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。將大型葉片分割成兩個(gè)或者多個(gè)葉片段進(jìn)行制造，相當(dāng)于葉片長(zhǎng)度變短，現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)水平依然能夠滿足生產(chǎn)需求，運(yùn)輸難度和成本也隨之降低，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)吊裝也大有裨益。由此可見，葉片分段技術(shù)對(duì)推進(jìn)風(fēng)能的高效利用、提高其經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義［3］。

1 分段式葉片連接形式

分段式葉片是將葉片分割成兩個(gè)或者多個(gè)葉片段進(jìn)行，相鄰葉片段成型后通過各種形式連接起來，形成的完整的葉片。通過對(duì)現(xiàn)有的資料進(jìn)行分析，相鄰葉片段的連接形式主要有T型螺栓、預(yù)埋螺栓套、卡接、膠接等幾種。連接的引入會(huì)不可避免地增加葉片的質(zhì)量，引起結(jié)構(gòu)剛度的不連續(xù)變化；葉片結(jié)構(gòu)特征的變化會(huì)進(jìn)一步影響其在外載荷下動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和氣動(dòng)性能。所以，連接方式要求安全、可靠、便捷，連接處不能明顯影響葉片的氣動(dòng)外形，并且要方便后期維護(hù)。選擇一種相對(duì)具有可生產(chǎn)操作實(shí)施的連接形式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)組裝和后期使用及維護(hù)尤為重要［4］。

1.1 本體膠接

相鄰的葉片段使用基體材料或者結(jié)構(gòu)膠粘接在一起的方式即為本體膠接，下面具體講述一種葉片膠接的方案。本方案以63.2 m葉片為例，采用大梁殼體對(duì)接、后緣斜角粘接、內(nèi)部灌注粘接、外部灌注粘接的組合式分段技術(shù)。葉片分段如圖1—2所示。

圖1 葉片分段整體示意

圖2 整體粘接示意

1.1.1 大梁殼體粘接設(shè)計(jì)

大梁殼體結(jié)構(gòu)為整體中部?jī)?nèi)拔模式設(shè)計(jì)，葉根和葉尖段設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相同，如圖3所示，其對(duì)接如圖4所示。

圖3 葉根段大梁殼體結(jié)構(gòu)示意

圖4 大梁殼體粘接示意

1.1.2 后緣殼體粘接設(shè)計(jì)

葉根段后緣殼體結(jié)構(gòu)為額外突出內(nèi)拔模式設(shè)計(jì)，葉尖段后緣殼體結(jié)構(gòu)與大梁殼體結(jié)構(gòu)相同，為整體中部?jī)?nèi)拔模式設(shè)計(jì)，如圖5所示，后緣殼體粘接如圖6所示。

膠接受到粘接膠的使用條件限制，此種方式在風(fēng)場(chǎng)很難實(shí)施，而且葉片連接完成后，粘接膠需要在一定條件下進(jìn)行固化，風(fēng)場(chǎng)也很難滿足。此外，粘接過程中的氣泡、分層等缺陷都會(huì)影響連接強(qiáng)度，因此膠接的應(yīng)用受到了較大限制。

1.2 T型螺栓

T型螺栓連接需要在葉片連接處提前打孔，包括縱向和法向，然后通過雙頭螺柱和螺母將相鄰的葉片段連接，如圖7所示。

T型螺栓連接可以將多個(gè)螺栓均勻分布在連接端面，連接強(qiáng)度可以得到保證。但是大量的縱向孔和法向孔破壞了葉片結(jié)構(gòu)的完整性，而且孔的存在會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致葉片失效。此外，T型螺栓連接對(duì)孔的定位以及連接端面的平面度要求很高，如果存在較大的偏差，一方面會(huì)使T型螺栓扭曲變形導(dǎo)致失效，另一方面會(huì)引起軸向孔附近承受的載荷不均勻，影響使用壽命［4］。

1.3 預(yù)埋螺栓套雙頭螺柱連接方式

圖8展示了典型的預(yù)埋螺栓套方式，預(yù)埋螺栓套使用前，須進(jìn)行表面噴砂處理，提高表面的粗糙度，然后用玻纖束纏繞預(yù)埋螺栓套將其表面溝槽填平。預(yù)埋螺栓套是在葉片殼體鋪層過程中直接預(yù)埋到殼體結(jié)構(gòu)層中，對(duì)葉片的成型工藝提出了更高的要求。預(yù)埋螺栓套靠與玻璃鋼之間的黏接力和嵌入預(yù)埋螺栓套外部溝槽的玻璃鋼層的剪切強(qiáng)度提供連接強(qiáng)度［5］。

雙頭螺柱連接，既雙頭螺柱穿過光套與螺栓套連接，另一端在空腔內(nèi)與螺母連接，如圖9所示。空腔是預(yù)制假體取出后形成，螺栓套和光套交替排布減小假體對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響［6］，如圖10所示。

圖5 葉根段后緣殼體結(jié)構(gòu)示意

圖6 后緣殼體粘接截面示意

圖7 T型螺栓連接示意

圖8 預(yù)埋螺栓套剖面

圖9 雙頭螺柱連接剖面

圖10 雙頭螺柱連接螺栓套與光套交替排布示意

螺栓套和光套均為預(yù)埋件，空腔是預(yù)制假體取出后形成，相對(duì)于T型螺栓連接來說，避免了在連接截面進(jìn)行打孔和定位操作，而且裝配相對(duì)便捷，穩(wěn)定性也較高。

1.4 預(yù)埋螺栓套雙法蘭連接方式

與預(yù)埋螺栓套雙頭螺柱連接方式相同，預(yù)埋螺栓套雙法蘭連接方式中螺栓套也是預(yù)埋件在殼體中，葉片結(jié)構(gòu)完整、穩(wěn)定，對(duì)成型工藝和工裝要求較高。雙法蘭連接如圖11所示，先在分段葉片連接端分別預(yù)埋螺栓套，然后使用螺栓將法蘭與預(yù)埋螺栓套連接，再用緊固螺栓將兩個(gè)法蘭固定在一起。由于雙法蘭的存在，增加了葉片的重量，法蘭的突出部分還破壞了葉片原本的氣動(dòng)外形，所以，此連接方式的應(yīng)用受到了很大限制。

圖11 預(yù)埋螺栓套雙法蘭連接

1.5 預(yù)埋螺栓套連接基體連接方式

此種連接方式與預(yù)埋螺栓套雙法蘭連接方式類似，將雙法蘭改為連接基體，如圖12—13所示，葉片通過連接基體連接完成后，將與葉片具有一致的氣體動(dòng)力學(xué)外形的連接外殼安裝在連接基體的外表面，再對(duì)連接處進(jìn)行加強(qiáng)、修型，使葉片整體具有完整的氣動(dòng)外形。而且，此種連接方式葉片段的配裝連接均在葉片段殼體的外部進(jìn)行，配裝連接簡(jiǎn)單方便［7］。

圖12 預(yù)埋螺栓套連接基體連接方式

圖13 連接基體示意

1.6 卡接連接方式

卡接的原理是將分段葉片連接端的主梁和腹板外延作為卡扣，葉片對(duì)接后，起到卡扣作用的大梁和腹板卡接在一起，再用增強(qiáng)材料在連接處進(jìn)行加強(qiáng)，進(jìn)一步提高連接的可靠性。如圖14所示。此種方式通過利用葉片從葉根到葉尖越來越薄的特點(diǎn)，利用主梁即可使分段葉片卡接到一起，與螺栓連接相比，基本不增加葉片的重量，因此可降低擺振方向的載荷和葉片的疲勞載荷，并且還可免除螺栓連接需要預(yù)緊的麻煩。另外，與結(jié)構(gòu)膠連接相比，由于沿著葉片的葉根到葉尖的方向，主梁帽之間的距離越來越小，因此靠近葉尖的葉片段不會(huì)從靠近葉根的葉片段脫出，因此連接可靠性更高［8］。但是，由于外延大梁和腹板的存在，而且要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的卡接，對(duì)葉片的成型工藝要求較高。

圖6 后緣殼體粘接截面示意

1.7 柔性連接

此種連接方式與預(yù)埋螺栓套連接基體連接方式類似，它的連接基體并非整體，而是由連接框架、鉸接件、支座、限位彈簧等部件柔性連接而成，如圖15—16所示。此方式拆裝方便，相對(duì)于其他機(jī)械連接方式有很強(qiáng)的抗沖擊性能［9］。

2 各種連接形式綜合評(píng)價(jià)

綜合考慮各連接方式的優(yōu)缺點(diǎn)，由于現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境的影響，膠接的應(yīng)用受到限制。預(yù)埋螺栓套雙法蘭的連接形式因增重過多，而且改變了葉片的氣動(dòng)外形，此種方式的應(yīng)用鮮有報(bào)道。柔性連接、預(yù)埋螺栓連接、基體連接等方式也都因?yàn)轭A(yù)埋件的引入較多，增加了葉片重量；T型螺栓、卡接以及預(yù)埋螺栓套雙頭螺柱連接因較高的連接強(qiáng)度以及現(xiàn)場(chǎng)的可操作性，將具有較好的應(yīng)用前景。

3 葉片分段技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

葉片分段技術(shù)是解決大型風(fēng)電機(jī)組葉片運(yùn)輸難、制造難的有效措施，近幾年來，由于長(zhǎng)葉片的種種優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)葉片的需求不斷增加，其運(yùn)輸問題變得更加突出。目前，我國(guó)南方低風(fēng)速區(qū)風(fēng)場(chǎng)，雖然地處偏遠(yuǎn)，道路復(fù)雜，但是因?yàn)槲挥谟秒娯?fù)荷中心，已經(jīng)成為風(fēng)電裝機(jī)的熱點(diǎn)地區(qū)，這些都為葉片分段技術(shù)提供了良好的市場(chǎng)前景?？v觀葉片分段技術(shù)發(fā)展過程，具有如下特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 嚴(yán)格的性能評(píng)估

分段式風(fēng)電葉片由相互獨(dú)立的兩個(gè)或多個(gè)部分組成，相鄰的組件通過膠接或者機(jī)械連接成為一個(gè)整體來實(shí)現(xiàn)葉片的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)功能。連接的引入會(huì)不可避免地增加葉片的質(zhì)量，引起結(jié)構(gòu)剛度的不連續(xù)變化。葉片結(jié)構(gòu)特征的變化會(huì)進(jìn)一步影響其在外載荷下動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和氣動(dòng)性能［10］。因此，葉片連接完成后，連接處的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、葉片整體的氣動(dòng)性能需要

進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試與評(píng)估。

圖15 柔性連接示意

圖16 柔性連接示意

3.2 精確的工裝

通過上述連接方式的介紹，各種連接方式想要實(shí)現(xiàn)葉片段的準(zhǔn)確對(duì)接，或是葉片與連接件的連接，都需要精確的工裝作為保證。此外，預(yù)埋件的引入對(duì)葉片的成型提出了更高的要求，也需要精確的工裝來實(shí)現(xiàn)。

3.3 海上風(fēng)電機(jī)組葉片的應(yīng)用

目前風(fēng)電葉片發(fā)展趨勢(shì)是陸機(jī)大功率低風(fēng)速、海機(jī)超大功率，海上風(fēng)電機(jī)組的大型化已然成為現(xiàn)實(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，分段式葉片的成本也會(huì)逐漸降低，海上風(fēng)電機(jī)組采用分段式葉片也可以降低海上運(yùn)輸成本，解決海上風(fēng)電機(jī)組葉片制造難和吊裝難的問題。因此，葉片分段技術(shù)在海上風(fēng)電機(jī)組葉片具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

3.4 共享葉尖或葉根

隨著各地區(qū)風(fēng)資源開發(fā)，風(fēng)場(chǎng)也不斷增加，但極限風(fēng)況對(duì)風(fēng)電機(jī)組破壞也越來越多。特殊海上風(fēng)場(chǎng)、高原風(fēng)場(chǎng)，其常年風(fēng)況優(yōu)異，但是某個(gè)時(shí)間段天氣惡劣，尤其是在南方和內(nèi)蒙古地區(qū)極端氣候高發(fā)地區(qū)，風(fēng)速超極限風(fēng)況，常規(guī)整機(jī)一旦安裝在這類風(fēng)區(qū)，惡劣風(fēng)況來臨時(shí)，輕則葉片折斷損壞，重則整機(jī)受損、倒塌或基礎(chǔ)傾覆等，遭受災(zāi)難性損失。葉片分段技術(shù)可有效地緩解這一問題，在面臨惡劣風(fēng)況時(shí)，分段葉片的葉尖段能夠?qū)崿F(xiàn)自毀，以此防止整支葉片報(bào)廢，防止整機(jī)過載，導(dǎo)致災(zāi)難性損失。而強(qiáng)風(fēng)過后從分段位置更換新的葉尖段，即可快速發(fā)電，維修周期短，減少發(fā)電量損失，適應(yīng)苛刻風(fēng)場(chǎng)能力更強(qiáng)。