风力发电机叶片工艺流程（精选13篇）
传统能源资源的大量使用带来了许多的环境问题和社会问题，并且其存储量大大降低，因而风能作为一种清洁的可循环再生的能源，越来越受到世界各国的广泛关注。风力发电机叶片是接受风能的最主要部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素，其成本约为整个机组成本的15%-20%。根据“风机功价比法则”，风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比，增加长度可以提高单机容量，但同时会造成发电机的体积和质量的增加，使其造价大幅度增加。并且，随着叶片的增大，刚度也成为主要问题。为了实现风力的大功率发电，既要减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，这就对叶片材料提出了很高的要求。
碳纤维在风力发电机叶片中的应用
叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用，进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻，疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。但随着大功率发电机组的发展，叶片长度不断增加，为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，不能满足大型叶片的要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。
1）提高叶片刚度，减轻叶片质量
碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3～8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析，采用碳纤维／玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻20％～30％。Vesta Wind System 公司的V90型3.0 MW发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80 型2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。同样是34 m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。
2）提高叶片抗疲劳性能
风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有良好的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。
3）使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率
使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。
4）可制造低风速叶片
碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。
5）可制造自适应叶片
叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13～15m/s(29～33英里/h)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国Sandia National Laboratories致力于自适应叶片研究，使1.5MW风机的发电成本降到4.9美分/(kW•h)，价格可和燃料发电相比。
6）利用导电性能避免雷击 利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。
7）降低风力机叶片的制造和运输成本
由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都会下降，可缩小工厂的规模和运输设备。
8）具有振动阻尼特性
碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔架短频率间发生任何共振的可能性。
叶片制造工艺及流程
2.1 三维编织体/VARTM 技术
2.1.1 材料选择
目前的风力发电机叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放、树脂注入成型工艺复合而成。对同一种基体树脂，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。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，从而对玻璃纤维的拉伸强度和模量也提出了更高的要求。为了保证叶片能够安全的承担风温度等外界载荷，大型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。华东理工大学华昌聚合物有限公司与上海玻璃钢研究院有限公司合作，成功研发出具有自主知识产权、适用于大型风机叶片的复合材料——高性能环氧乙烯基酯树脂。高性能环氧乙烯基酯树脂黏结性能良好，力学性能优异，收缩率低，成本较低。2.1.2 三维编织
增强材料预成型加工方法有: 手工铺层、编织法、针织法、热成型连续原丝毡法、预成型定向纤维毡法、CompForm 法和三维编织技术等。
编织法过去大多采用经纬交织的机织物来制作玻/碳纤维基布材料，从承载状态上来考虑采用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。如图1所示：
图
1、经编织物结构图
这类轴向织物由于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。另一方面，由于机织物中的纱线呈波浪形弯曲，再加上纱线自身的捻度，使其模量、拉伸强度和抗冲击强度都有一定的损失。而轴向技术使得织物的纱线层能按照特定的方向伸直取向，故每根纤维力学理论值的利用率几乎能达到100%。此外，轴向织物的纱线层层铺叠，按照不同的强度和刚度要求，可以在织物的同一层或不同层采用不同种类的纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维或碳/玻混杂纤维，再按照编织点由编织纱线将其绑缚在一起。
除了经编轴向织物外, 还可以利用纬编绑缚系统开发纬编轴向织物, 如图2所示：
图
2、纬编织物结构图
根据经纬编结构的特性, 纬编轴向织物较经编绑缚结构具有更好的可成型性, 因此在风电叶片结构设计中具有极好的应用前景。
三维编织技术的发展是因为单向或二向增强材料所制得的复合材料层间剪切强度低,抗冲击性差, 不能用作主受力件。采用三维编织技术不仅能直接编织复杂结构形状的不分层整体编织物,从根本上消除铺层。三维编织复合材料采用了三维编织技术,其纤维增强结构在空间上呈网状分布,可以定制增强体的形状,制成的材料浑然一体,不存在二次加工造成的损伤, 因此这种材料不仅具备传统复合材料所具有的高比强度、高比模量等优点,还具有高损伤容限和断裂韧性以及耐冲击、不分层、抗开裂和耐疲劳等特点。按编织工艺分,常见的编织材料可分为四步编织法、二步编织法和多层联锁编织法等3类。其中四步编织法发明最早,应用最广。按编织预制件的横截面形状,三维编织方法可分为矩形编织、圆形编织和异形编织3大类, 其中矩形编织工艺适合编织矩形和板状材料的增强体, 而圆形编织适合编织圆形和管型材料的增强体, 异形编织则用于编织各种特殊形状的增强体。只要织物的结构形状是由矩形组合或是圆或圆的某一部分组合而成,就可以用编织方法一次成型。树脂传递模塑法简称RTM法，是首先在模具型腔中铺放好按性能和结构要求设计的增强材料预成型体,采用注射设备通过较低的成型压力将专用低粘度树脂体系注入闭合式型腔, 由排气系统保证树脂流动顺畅, 排出型腔内的全部气体和彻底浸润纤维, 由模具的加热系统使树脂等加热固化而成型为 FRP构件。RTM 工艺属于半机械化的 FRP成型工艺, 特别适宜于一次整体成型的风力发电机叶片,无需二次粘接。与手糊工艺相比,这种工艺具有节约各种工装设备、生产效率高、生产成本低等优点。同时由于采用低粘度树脂浸润纤维以及加温固化工艺,复合材料质量高, 且 RTM工艺生产较少依赖工人的技术水平,工艺质量仅仅依赖于预先确定好的工艺参数, 产品质量易于保证,废品率低，工艺流程如图4所示。
图
4、RTM工艺流程图
注胶压力的选择一直是 RTM 成型工艺中一个有争议的问题。低压注胶可促进树脂对纤维表面的浸润;高压注胶可排出残余空气,缩短成型周期,降低成本。加大注胶压力可提高充模速度和纤维渗透率。所以有人赞成在树脂传递初期使用低压以使树脂较好地浸润纤维, 而当模具型腔中已基本充满树脂时使用较大压力以逐出残余空气。但压力不能太大, 否则会引起预成型坯发生移动或变形。
注胶温度取决于树脂体系的活性期和达到最低粘度的温度。在不至于过大缩短树脂凝胶时间的前提下, 为了使树脂能够对纤维进行充分的浸润,注胶温度应尽量接近树脂达到最低粘度的温度。温度过高会缩短树脂的活性期，影响树脂的化学性质,进而可能影响到制品的力学性能;温度过低会使树脂粘度增大,压力升高,也阻碍了树脂正常渗入纤维的能力。注射温度和模具预热温度的选择要结合增强体的特性及模具中的纤维量等综合考虑。
RTM 工艺的技术含量高, 无论是模具设计和制造、增强材料的设计和铺放、树脂类型的选择与改性、工艺参数(如注塑压力、温度、树脂粘度等)的确定与实施,都需要在产品生产之前通过计算机模拟分析和实验验证来确定。
2.1.4 VARTM工艺
随着技术的发展，现已开发出多种较先进的工艺，如预浸料工艺、机械浸渍工艺及真空辅助灌注工艺。真空辅助灌注成型工艺是近几年发展起来的一种改进的 RTM工艺。它多用于成型形状复杂的大型厚壁制品。真空辅助是在注射树脂的同时, 在排气口接真空泵,一边注射一边抽真空, 借助于铺放在结构层表面的高渗透率的介质引导将树脂注入到结构层中。这样不仅增加了树脂传递压力,排除了模具及树脂中的气泡和水分,更重要的是为树脂在模具型腔中打开了通道, 形成了完整通路。另外, 无论增强材料是编织的还是非编织的,无论树脂类型及粘度如何, 真空辅助都能大大改善模塑过程中纤维的浸润效果。所以, 真空辅助RTM(VARTM)工艺能显著减少最终制品中夹杂物和气泡的含量, 就算增大注入速度也不会导致孔隙含量增加,从而提高制品的成品率和力学性能。
用真空灌注工艺生产碳纤维复合材料存在困难。碳纤维比玻纤更细，表面更大，更难有效浸渍，适用的树脂粘度更低。SP公司的SPRINT工艺技术就采用树脂膜交替夹在碳纤维中，经加热和真空使树脂向外渗透。树脂沿铺层的厚度方向浸渍，浸渍快且充分，同时采用真空加速树脂的流动。
2.2 叶片复合材料结构设计流程
2.2.1 常规制备流程
1)制造外壳和主梁外壳由玻璃钢在模具内进行制造，主梁在真空袋中高温浇注而成；
2)安置模具，在模具内喷涂胶衣树脂，形成叶片的保护表面；
3)把外壳放入模具中，并铺覆玻璃纤维；
4)安装主梁，起到支撑作用；
5)安装泡沫材料；
6)在泡沫材料上铺覆玻璃纤维；
7)在玻璃纤维和泡沫材料上铺放真空膜； 8)灌注树脂，并进行高温真空浇注；
9)取下真空膜；
10)用相同方法制成另外一半壳体；
12)安装腹板(腹板为夹层结构)；
13)安装避雷装置等；
14)安置主模具，在壳体边缘和腹板上涂胶粘剂，粘合两壳体；
15)加热，使玻璃纤维更硬；
16)叶片脱模，进行最终加工(切割和打磨)。
模具由符合材料制作而成，这样模具更轻，刚度更高。另外，用同种材料制造的叶片和其模具在灌注树脂时对温升的反应相同。
2.2.2 加入碳纤维改进
随着叶片长度的增加，对材料刚度提出了更高的要求。玻璃纤维复合材料的性能已经达到应用极限，不能有效满足材料要求，因此碳纤维在风机叶片中的应用逐年增加。但是由于碳纤维比玻璃纤维昂贵，采用100%的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国外碳纤维主要是和玻璃纤维混合使用，碳纤维只是用到一些关键的部分。碳纤维在叶片中应用的主要部位有，如图5所示：
1)横梁，尤其是横梁盖。
2)前后边缘，除了提高刚度和降低重量外，还起到避免雷击对叶片造成的损伤。
3)叶片的表面，采用具有高强度特性的碳纤维片材。
采用三维四步编织术，主体使用GFR,在图5所示的5、6、7、8区域轴向加入CFR,织出与模具形状一致的预制件。将预制件固定在模具中，采用VARTM的方式注入树脂。市场投资区域选择
1）位于长江三角洲东北翼的如东，东枕黄海，南临长江，西接苏中腹地，北连欧亚大陆桥，沿途一百多公里海岸线，滩涂广袤，拥有丰富的风能，如东近海岸带70米高处平均风速每秒7.2米，浅海滩涂70米高处平均风速每秒7.5米，滩涂广阔，环境空旷，把风能转换成电流，发展风力发电的条件得天独厚。
2）江苏省如东风力发电场是亚洲最大的风力发电场、中国风力发电领域第一个国家特许示范项目。如东的绿色能源产业正不断做大，已获得国家发改委授予的“绿色能源示范县”荣誉称号。
3）港口带动滨江临海新经济
目前，洋口港开发建设已正式启动，随着大港经济的推动以及如东绿色能源的吸引，石化产业，冶金及铁矿石、煤炭中转储运，造船、物流等一大批沿海投资热点项目将逐一实现，大港的巨大优势势必引领经济风潮，而风力发电场项目的开发也必然会给江苏乃至整个沿海经济新一轮腾飞带来巨大的支撑。
（a）四步编织过程（b）材料结构
图
3、四步编织法
四步编织法发明之初, 所有的纱线都参加编织运动,且全部编织纱都在空间 3个方向内发生相对运动, 因此这种编织方法是一种真正的三维编织工艺。具体编织过程如图3（a）所示,在一个编织周期中,编织纱沿着正交的2个方向依次进行往复运动, 一个完整的编织周期中携纱器需要完成 4个动作, 因此被称为四步法。如图3（b）所示,由于结构中所有纱线在空间中的分布只有4 个不同的方向,因此制成的复合材料被称为三维四向编织复合材料。
针对三维编织物的特点, RTM 工艺是三维编织复合材料成型的最有效方法。根据三维编织物的形状制成模具,将预成型坯装入模腔,此时同时控制了纤维体积含量和制品形状;预成型坯中纤维束间的空隙为树脂传递提供了通道, 而且三维编织体很好的整体性提高了预成型坯耐树脂冲刷的能力。
关键词：风力发电,风电叶片,叶片生产制造
1 背景介绍
风力发电机是一种将风能转化为机械能, 再由机械能转化为电能的机组和系统, 前一种转化是由风轮实现的, 后一种转化是由发电机实现的。风轮主要由两部分组成:叶片 (一般为3片) 和轮毂, 轮毂只起连接的作用, 叶片是将风能转化为机械能的唯一关键部件。叶片的外形决定了整个机组的空气动力性能, 一个具有良好空气动力外形的叶片, 可以使机组的能量转换效率更高, 获得更多的风能。同时, 叶片又承受着很大的载荷 (风力和质量力) , 自然界中的风况复杂多变, 叶片上承载的载荷也就很复杂, 整个风力发电机组主要载荷的来源是叶片, 所以叶片必须有足够的强度和刚度。
由此可见, 叶片的材料、结构和工艺是非常关键的。材料和结构保证叶片的强度和刚度, 并且重量要轻, 还要有合适的工艺和方法, 保证能够做出带有复杂的外形、符合空气动力学原理的外形的大尺寸构件。叶片的关键技术有下面几个部分:气动外形设计及性能和载荷计算、材料选择、结构设计与强度和刚度计算、成型工艺、模具设计与制造。
下面以某企业研制生产的1.5M W变速变桨距型风力发电机组叶片为例, 介绍叶片的规格、使用材料、性能、主要技术参数以及生产工艺过程等。
2 产品介绍
2.1 概述
该产品为某公司自行研制设计并生产, 适用于发电机组为水平轴、上风向、3叶片、变速变桨距调节型。叶片分两种规格:X F 37.5型和X F 40.25型, 具有良好的空气动力性能:φ82.5m风轮 (叶片长40.25m) 最大风能利用系数Cpm ax可达到0.493, φ77m风轮 (叶片长37.5m) 最大风能利用系数Cpmax可达到0.488。叶片与轮毂联接方式为叶根法兰连接, 在法兰盘直径1800mm圆周上均布M 30的螺栓孔。
两种叶片的翼型均选用适用于风电叶片的先进的N ACA、DU、F F A等系列翼型, 所用翼型的空气动力特性 (升力、阻力、力矩系数等) 在试验数据的基础上应用专业软件R foil进行了雷诺数和三维修正, 对叶片的气动设计进行了优化设计, 气动性能达到了国际先进水平。
X F 37.5型采用不饱和聚酯复合材料, X F 40.25型采用环氧复合材料。两种叶片均采用真空导注工艺, 采用该工艺制造叶片的质量稳定性好, 整体性好, 尺寸精度高, 叶片重量更易于控制, 能显著提高叶片的强度、刚度和其他物理特性。
2.2 主要技术参数
叶片主要安装尺寸、叶片参数、风轮参数、材料及运行条件如表1所示。
3 叶片生产过程
叶片的生产过程大致有下料、大梁和翼梁制作、层铺、真空吸注、合模和起模、型修、检验配平出厂等工序。
3.1 下料
根据强度、工艺性、经济性要求选择主要复合材料和金属材料。基体树脂选用进口的真空导注专用环氧树脂, 固化温度在80℃左右;增强材料选用国产玻璃纤维制品, 国内产品可大量供应, 成本低, 而且质量可靠;结构粘接胶选用可室温固化的环氧树脂类粘接胶, 进口或国产产品都有合适的产品;金属材料:主要是叶片连接金属件用材料, 采用国产优质合金钢。除按照工艺设计要求准备主材料之外, 下列准备工作也许格外注意以下几点。
(1) 螺栓套准备:堵盖、喷砂、缠丝、清洗、打压。
(2) 配合打磨组下料:前后缘外补强、内补强 (大梁) 所用布。
(3) 配合合模组下料:硫化阻尼板、斜纹布、海绵条、短切毡等。
(4) 叶片下料:P V C泡沫板缝制、聚氨脂泡沫、粘接舌头、楔形条切割打磨。
3.2 大梁、翼梁制作
在大梁模具和翼梁模具上分别制作和组装大梁 (前梁和后梁) , 制作和组装翼梁 (也称梁盖) , 粘结组装制动梁, 并制作叶尖和主体端头组件。其中的层铺和真空吸注、型修工艺参见后述有关叶片相关工艺。
3.3 层铺
在正式层铺之前, 先要将模具准备好, 包括:起模 (撬开预离模装置, 松模具锁紧装置, 松螺栓套螺丝, 吊半圆法兰) 、清理副模 (打蜡, 铺脱模布) 、清理半圆法兰、安装螺栓套、领料, 然后再按照工艺要求逐层进行铺布并缝布。
3.4 真空吸住
真空吸注是叶片生产过程中的关键工艺之一, 密封性、负压控制、导流管的铺设等, 都非常重要, 直接影响叶片的各项性能指标。真空吸注工序包括以下过程:准备 (铺放密封胶条, 铺放双面胶条, 铺放螺旋包套, 铺放脱模布) 、备料 (准备树脂、固化剂、真空罐标识) 、吸注 (连接真空罐、真空泵, 抽真空达到规定负压, 配胶、注胶) 、固化、清理注胶用Ω管和注胶块。
3.5 合模、起模
(1) 准备工作:真空吸注后要先对现场进行清理, 然后撕去脱模布、导流网和Ω管, 手糊预离模装置, 打磨分模面, 清理副模, 分胶。
(2) 试合模:固定梁、小梁、大梁划线, 上下壳铺阻尼, 清理大梁上脱模布。
(3) 合模:大梁锁紧, 叶壳内刮胶, 清理卫生。
起模:结构胶固化后, 松开锁紧装置, 将模具与叶片分离。
3.6 型修
将叶片吊运到一定高度, 切去飞边, 打磨需进行内补强和大梁补强的地方。然后将叶片吊上大圈车, 打磨需外补强的地方, 之后切13切面和窗口, 再进行内外补强和大梁补强。待内外补强和大梁补强固化后, 修理外补强光滑度, 再喷胶衣, 修理13切面和叶尖, 对胶衣光滑面处理。
3.7 检验、配平、出厂
对产品进行进行总体检验, 安装法兰盘、接闪器、标牌, 配平成套 (将3个质量、重心相近的叶片采取补充材料的办法, 使其质量相等、重心一致, 并编号成套) , 最后进行出厂检验。
4 结论
这些工作并不仅仅是为了攀比记录，吸引眼球。找到一种廉价的办法来生产巨形叶片是让海上风机能够匹敌化石燃料的最大挑战之一。风电巨头，例如通用公司（GE）和维斯塔斯（Vestas）都试图找到解决这个问题的办法。
海风是一种最佳的风力资源，因为其风力相比陆地更稳定，更快，扰动更少。风力发电机仅仅占建设海上风电场大约三分之一的成本，安装成本则是主要开支，因为安装需要专门的巨型船只，并且安装时机也会因为恶劣的天气条件而拖延。使用巨型风力发电机可以减少风机数量，降低安装和维护成本。
制造巨型风机的一个问题是叶片的巨额成本。当风力发电机越来越大，叶片承受的风载以及承受风载时的叶片重量成指数增长。传统的叶片生产办法包括叶片成型，也需要和叶片一样长。成型设备和其他制造成型的设备变得异常巨大，而且又是特殊定制的，所以只有极少数的供应商能够供货，这样就提高了生产设备的成本。同时，当叶片变得越来越大时，保证叶片准确成型也越来越困难。
一些主要的风电生产商则坚持走增大叶片成型的路子，不过他们采用了碳加强型的玻璃纤维和创新的叶片设计，这将抵消一部分增加的生产成本。同时，他们也希望能通过减少安装和其他成本来降低总造价。例如，西门子（Siemens）正在使用大型成型技术生产75米长的叶片，维斯塔斯也在为风机研发80米长的叶片，明年将会上市。
与维斯塔斯使用碳加强型玻璃纤维叶片不同，Blade Dynamics公司生产的是完全不使用玻璃纤维的叶片。Blade Dynamics公司已经开发出一些专利技术，可以制造出12到20米的碳纤维叶片片段，之后把这些叶片无缝粘连起来，这样就不需要大型成型设备了。早先的一些对于叶片模块化的尝试使用螺栓将叶片一段段连接起来，但是这么做会在连接处产生压力点，这个问题使叶片很容易被损坏。
碳纤维要比玻璃纤维昂贵，所以对一定长度的叶片来说，碳纤维的价格更高。但是Blade Dynamics公司的高级技术经理大卫克里普斯（DavidCripps）称，使用碳纤维可以从几个方面降低风力发电机的总成本。他说，通过分段生产叶片的方法，可以制造出更精确的空气动力学结构，从而提高风机性能。此外，碳纤维比玻璃纤维要轻很多，这样就可能在现有的风机设计上应用更长的叶片。例如，公司研制的49米叶片的重量比传统标配的45米叶片还轻。更长的叶片能从风中捕获更多的能量，从而在低风速时发出更多电能，增加利润。
更轻的叶片让新型风机设计变成了可能。这些新设计带有更轻、更便宜的部件，例如主轴、塔筒和基建。克里普斯说：“相比24吨重的电机转子，叶片更轻后，你也许只要使用15吨重的转子就可以了。对于超长的悬臂塔筒来说，这些重量上的减少至关重要。”
Microtab对风力机叶片翼型气动特性的影响研究
选取S814风力机叶片翼型进行了二维几何建模和计算网格划分,通过求解Navier-Stokes方程对翼型的空气动力特性进行了数值模拟,并与实验数据进行了对比分析,验证了计算模型及求解器的可靠性.对S814翼型后缘加载Microtab进行了气动数值模拟,分析了其流场和空气动力特性.计算结果表明:风力机叶片翼型后缘加载Microtab可以改变翼型的`环量,达到增升的目的,与此同时伴随一定阻力的增加,但升阻比得到小幅的提升.
作 者：郝礼书 乔志德 宋科 宋文萍 袁先士 HAO Li-shu QIAO Zhi-de SONG Ke SONG Wen-ping YUAN Xian-shi 作者单位：西北工业大学,翼型、叶栅空气动力学国家重点实验室,陕西,西安,710072刊 名：航空计算技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL COMPUTING TECHNIQUE年，卷(期)：201040(2)分类号：V211.3关键词：Navier-Stokes方程 翼型 Microtab 空气动力特性
GBT19068.3-2003 离网型风力发电机组 第3部分 风洞试验方法.pdf 238KBGBT19068.2-2003离网型风力发电机组 第2部分 试验方法.pdf 328KB
GBT19068.1-2003离网型风力发电机组 第1部分：技术条件.pdf 176KB
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GB/T 20319-2006 风力发电机组 验收规范 347KB
JB/T 7323-1994 风力发电机组 试验方法 438KB
JB/T 7143.2-1993 风力发电机组用逆变器 试验方法 296KB
JB/T 7143.1-1993 风力发电机组用逆变器 技术条件 232KB
JB/T 6939.2-2004 离网型风力发电机组用控制器 第2部分：试验方法 656KBJB/T 6939.2-1993 小型风力发电机组用控制器 试验方法 359KB
JB/T 6939.1-2004 离网型风力发电机组用控制器 第1部分：技术条件 405KBJB/T 6939.1-1993 小型风力发电机组用控制器 技术条件 185KB
JB/T 51076-1999 风力发电机组用发电机 产品质量分等 233KB
JB/T 51067-1999 风力发电机组 产品质量分等 242KB
JB/T 10427-2004 风力发电机组一般液压系统 801KB
JB/T 10426.2-2004 风力发电机组制动系统 第2部分：试验方法 552KB
JB/T 10426.1-2004 风力发电机组制动系统 第1部分：技术条件 549KB
JB/T 10425.2-2004 风力发电机组偏航系统 第2部分：试验方法 427KB
JB/T 10425.1-2004 风力发电机组偏航系统 第1部分：技术条件 330KB
JB/T 10405-2004 离网型风力发电机组基础与联接 技术条件 308KB
JB/T 10403-2004 离网型风力发电机组塔架 317KB
JB/T 10402.2-2004 离网型风力发电机组偏航系统 第2部分：试验方法 164KBJB/T 10402.1-2004 离网型风力发电机组偏航系统 第1部分：技术条件 238KBJB/T 10401.2-2004 离网型风力发电机组 制动系统 第2部分：试验方法 223KBJB/T 10401.1-2004 离网型风力发电机组制动系统 第1部分：技术条件 374KBJB/T 10400.2-2004 离网型风力发电机组用齿轮箱 第2部分：试验方法 328KBJB/T 10400.1-2004 离网型风力发电机组用齿轮箱 第1部分：技术条件 322KBJB/T 10399-2004 离网型风力发电机组风轮叶片 620KB
JB/T 10397-2004 离网型风力发电机组验收规范 165KB
JB/T 10396-2004 离网型风力发电机组可靠性要求 188KB
JB/T 10395-2004 离网型风力发电机组 安装规范 225KB
JB/T 10300-2001 风力发电机组 设计要求-1150KB
JB/T 10300-2001 风力发电机组 设计要求 3092KB
1 代号方法
风力发电机偏航、变桨SKF轴承代号方法采用了JB/T 10471D中转盘SKF轴承的代号方法，但是在风力发电机偏航、变桨SKF轴承中出现了双排四点接触球式转盘SKF轴承，而此结构SKF轴承的代号在JB/T 10471D2004中没有规定，因此，在本标准中增加了双排四点接触球转盘SKF轴承的代号。由于单排四点接触球转盘SKF轴承的结构型式代号用01表示，而结构型式代号02表示的是双排异径球转盘SKF轴承结构，因此规定03表示双排四点接触球转盘SKF轴承结构。
2 技术要求
2.1 材料
本标准规定偏航、变桨SKF轴承套圈的材料选用42CrMo，热处理采用整体调质处理，调质后硬度为229HBD269HB，滚道部分采用表面淬火，淬火硬度为55HRC-62HRC。由于风力发电机偏航、变桨SKF轴承的受力情况复杂，而且SKF轴承承受的冲击和振动比较大，因此，要求SKF轴承既能承受冲击，又能承受较大载荷。风力发电机主机寿命要求，SKF轴承安装的成本较大，因此要求偏航、变桨SKF轴承寿命也要达到20年。这样SKF 轴承套圈基体硬度为229HB-269HB，能够承受冲击而不发生塑性变形，同时滚道部分表面淬火硬度达到55HRC-62HRC，可增加接触疲劳寿命，从而保证SKF轴承长寿命的使用要求，
2.2低温冲击功
本标准对偏航、变桨转盘SKF轴承套圈低温冲击功要求：D20℃Akv不小于27J，冷态下的Akv值可与用户协商确定。风力发电机可能工作在极寒冷的地区，环境温度低至D40吧左右，SKF轴承的工作温度在D20~C左右，SKF轴承在低温条件下必须能够承受大的冲击载荷，因此，要求SKF轴承套圈的材料在调质处理后必须做低温冲击功试验，取SKF轴承套圈上的一部分做成样件或者是与套圈同等性能和相同热处理条件下的样件，在D20~C环境下做冲击功试验。
2.3 SKF轴承齿圈
由于风力发电机SKF轴承的传动精度不高，而且齿圈直径比较大，齿轮模数比较大，因此，一般要求齿轮的精度等级按 GB/T10095.2---中的9级或者10级。但是由于工作状态下小齿轮和SKF轴承齿圈之间有冲击，因此，SKF轴承齿圈的齿面要淬火，小齿轮齿面硬度一般在60HRC，考虑到等寿命设计，大齿轮的齿面淬火硬度规定为不低于45HRC。
2.4 游隙
偏航、变桨SKF轴承在游隙方面有特殊的要求。相对于偏航SKF轴承，变桨SKF轴承的冲击载荷比较大，风吹到叶片上震动也大，所以要求变桨SKF轴承的游隙应为零游隙或者稍微的负游隙值，这样在震动的情况下可减小SKF轴承的微动磨损。偏航SKF轴承要求为小游隙值，即0-501~m。另外，由于风力发电机偏航和变桨SKF轴承的转动都由驱动电机驱动，SKF轴承在负游隙或小游隙状态下应保证驱动电机能驱动，因此，SKF轴承在装配后需要空载测量启动摩擦力矩，具体力矩数值根据主机驱动系统的不同也不尽相同。
2.5 防腐处理
随着全球能源结构的调整, 风能作为一种清洁的可再生能源, 越来越受到重视。 利用风机进行风力发电的技术也越来越成熟。 为了能够及时发现风机在运行过程中出现的各种问题, 需要在风机上安装各种传感器, 对风机工况进行监测, 以期能够及时发现运行中的问题, 避免重大事故的发生。
为此, 设计一种以回收风力发电机叶片摆动过程中产生的势能作为能量的风机叶片监测无线传感器网络节点。
1 能量自给型风力发电机叶片监测节点设计
在风力发电机运行过程中叶片的旋转会产生大量的动力势能, 设计的摆动能量回收风力发电机叶片监测节点可以实现将这些势能转化为电能供节点使用, 同时将多余的能量进行存储, 在风机出现故障停止转动时, 能够确保传感器节点正常工作。
节点结构如图1 所示, 主要包括摆动能量回收模块、电源调理与储能模块以及叶片监测模块三个部分。
摆动能量回收模块主要进行能量采集, 实现将风机叶片的动力势能转化为电能输出。 电源调理与储能模块将摆动能量回收模块产生的较低的电压通过升压器件达到无线传感器可用的电压, 同时进行存储。在风机正常运行时, 传感器节点的能量直接由摆动能量回收模块提供, 而在风机停止转动时才由储能装置提供。 无线传感器节点的能耗都比较小, 经过电源调理与储能模块处理后的电能可以实时供应给节点使用。 叶片监测模块用来检测风机叶片上的温度、湿度、声音、振动等信号, 并将其通过无线传感器网络传输给上位机, 用来综合监测风机叶片的工况。
1.1 摆动能量回收模块设计
摆动式能量回收模块核心是摆动式微型发电模块, 其利用风机叶片旋转的特有性质及风机转速相对稳定的特性, 通过采集转化风机叶片的动力势能来给无线传感器节点提供能量。
摆动式微型发电模块结构如图2 所示。 在该发电装置中, 由于重力的作用, 当风机叶片转动时, 摆锤与叶片之间会产生相对转动, 从而带动安装在微发电机转轴上的小齿轮2 的转动。 由于小齿轮2 与微型直流发电机相连, 因此可以带动微型直流发电机发电将风机叶片转动产生的动力势能转化为电能。
摆动式微型发电模块的输出功率可以通过计算摆锤的力矩来确定。 摆锤部件的计算如图3 所示, 其中图3 (a) 为摆锤的截面图, 图3 (b) 为摆锤的外形图, 图3 (c) 为分析计算图。
图3 摆锤部件的计算图
摆锤的体积:
其中, H为截面的高;R为摆锤的半径;β 为扇形摆锤夹角的一半。
转动过程中摆锤的静力矩为:
若取M单位为N·M, r单位为kg/ms, H单位为mm, R单位为mm, β 单位为rad, 则式 (2) 变为:
此时摆锤在风机叶片转动的作用下产生的功率为:
其中, n为摆锤的转速。 考虑齿轮传动效率a1和发电机的发电效率a2, 则摆动式能量回收模块输出功率为:
1.2 电源调理与储能模块设计
因为外界环境的不可控性, 所以风机的转速会随着风量的变化而变化, 将导致摆动能量回收模块输出不稳定的电压电流, 因此需要利用电源调理与储能模块对摆动能量回收模块的输出进行整流、升压、稳压处理后, 才能为监测节点供电。 对多余的电能, 电源调理与储能模块可以利用储能器件进行存储, 在风机停转或不能正常工作时为监测节点的正常工作提供电能。 电源调理与储能模块选用超级电容作为存储器件。 超级电容是一种介于电池和传统电容器之间的一种新型储能元件, 体积小, 具有超大的容量, 功率密度比电池大10~100 倍, 充放电效率高, 充放电次数可达105次以上, 可以小功率充电, 充放电电路简单, 过电压不击穿。 电源调理与储能模块原理如图4 所示。 模块电路由三部分组成: 间歇振荡器 (T、L) 和整流器 (D1、C2) 用来提升发电机发出的电压, 通过TPS71501将输出电压升至3.6V;超级电容C带反向保护二极管存储能量;比较器MIC841 控制输出电压, 主要取决于超级电容C两端的电压, 激活时为3.3V, 关闭时为2.5V, 由于超级电容的输出电压随电容量的减少而下降, 因此需要通过DC/DC转换才能有恒定的电压输出, 电路中采用整流器TPS78001 起稳定比较电压的作用。
1.3 叶片监测模块设计
叶片监测模块用来检测风机叶片上的温度、湿度、声音、振动等信号, 并将其通过无线传输给上位机, 用来综合监测风机叶片的工况。 该模块主要包括电源模块、微处理器模块、射频模块、传感器模块等。其中微处理器采用TI公司生产的CC2530 芯片, 该芯片集成了无线收发功能, 其外接电路如图5 所示。
2 实验测试
摆动式能量回收模块中的原动机即摆锤, 在设计中选用密度较大的硬质合金材料, 密度为14.8g/cm3, 横截面高度H取2cm, 半径约10cm, 扇形摆锤的圆心角取 π/2。 发电机选用低速无阻型直流电机, 额定转速为200~3000r/min, 其转速与输出功率的对应关系如表1 所示。
当风机运转时, 摆锤与风机叶片的相对转速和风机并网时的额定转速相同, 约为9~17.5r/min。 根据式 (3) 、 (5) 可以得出摆锤的静力矩M约为1.37N·m, 原动机的输出功率P1的范围为1.29~2.5W。 部署在风机叶片上的监测节点模块的工作电压一般为2~3.3V, 工作电流一般为1μA~29m A, 其工作时最大功率在0.096W左右。经测试, 该节点的摆动式能量回收模块输出的功率范围为0.89~1.98W, 完全能够满足正常工作的需要, 达到了设计要求。
3 结语
该节点具有结构简单、体积小、安装方便、成本低廉、基本免维护、对风机的正常运行没有影响等特点, 可以广泛布置在风力发电机叶片等需要监测的旋转机构上, 为实现对风机叶片等旋转机构的在线监测提供了一种可行的节点解决方案。
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6.1.1单位工程可按风力发电机组、升压站、线路、建筑、交通五大类进行划分，每个单位工程是由若干个分部工程组成的，它具有独立的、完整的功能。
6.1.2单位工程完工后，施工单位应向建设单泣提出验收申请,单位工程验收领导小组应及时组织验收。同类单位工程完工验收可按完工日期先后分别进行，也可按部分或全部同类单位工程一道组织验收。对于不同类单位工程，如完工日期相近，为减少组织验收次数，单位工程验收领导小组也可按部分或全部各类单位工程一道组织验收。
6.1.3单位工程完工验收必须按照设计文件及有关标准进行。验收重点是检查工程内在质量，质监部门应有签证意见。
6.1.4单位工程完工验收结束后，建设单位应向项目法人单位报告验收结果，工程合格应签发单位工程完工验收鉴定(单位工程完工验收鉴定书内容与格式参见附录A)。
6．2风力发电机组安装工程验收
6.2.1每台风力发电机组的安装工程为一个单位工程．它由风力发电机组基础、风力发电机组安装、风力发电机监控系统、塔架、电缆、箱式变电站、防雷接地网七个分部工程组成。各分部工程完工后必须及时组织有监理参加的自检验收。
6．2．2验收应检查项目。’、l风力发电机组基础。
1)基础尺寸、钢筋规格、型号、钢筋网结构及绑扎、混凝土试块试验报告及浇注工艺等应符合设计要求。
2)基础浇注后应保养28天后方可进行塔架安装，塔架安装时基础的强度不应低于设计强度的75％。
3)基础埋设件应与设计相符。风力发电机组安装。
1）风轮、传动机构、增速机构、发电机、偏航机构、气动刹车机构、机械刹车机构、冷却系统、液压系
统、电气控制系统等部件、系统应符合合同中的技
术要求。． ：
2）液压系统、冷却系统、润滑系统、齿轮箱等无漏、渗油现象，且油品符合要求，油位应正常。
3)机舱、塔内控制柜、电缆等电气连接应安全可靠，相序正确。接地应牢固可靠。应有防振、防潮、防
磨损等安全措施。风力发电机组监控系统。
1)各类控制信号传感器等零部件应齐全完整，连接正
确，无损伤，其技术参数、规格型号应符合合同中的技术要求。
2)机组与中央监控、远程监控设备安装连接应符合设
计要求。塔架。
1)表面防腐涂层应完好无锈色、无损伤。
2)塔架材质、规格型号、外形尺寸、垂直度、端面平
行度等应符合设计要求。
3)塔筒、法兰焊接应经探伤检验并符合设计标准。
4)塔架所有对接面的紧固螺栓强度应符合设计要求。
应利用专门装配工具拧紧到厂家规定舶力矩。检查
各段塔架法兰结合面，应接触良好，符合设计要求。
5电缆。
1)在验收时，应按GB50168的要求进行检查。
2)电缆外露部分应有安全防护措施。
6箱式变电站。
1)箱式变电站的电压等级、铭牌出力、回路电阻、油
温应符合设计要求。
2)绕组、套管和绝缘油等试验均应遵照GB50150的规
定进行。
3)部件和零件应完整齐全，压力释放阀、负荷开关、接地开关、低压配电装置、避雷装置等电气和机械
性能应良好，无接触不良和卡涩现象。
4)冷却装置运行正常，散热器及风扇齐全。
5)主要表计、显示部件完好准确，熔丝保护、防爆装
置和信号装置等部件应完好、动作可靠。
6)一次回路设备绝缘及运行情况良好。
7)变压器本身及周围环境整洁、无渗油，照明良好，标志齐全。
7防雷接地网。
1)防雷接地网的埋设、材料应符合设计要求。
2)连接处焊接牢靠、接地网引出处应符合要求，且标
志明显。
3)接地网接地电阻应符台风力发电机组设计要求。
6．2．3验收应具备的条件。|
1各分部工程自检验收必须全部合格，2施工、主要工序和隐蔽工程检查签证记录、分部工程完工验收记录、缺陷整改情况报告及有关设备、材料、试件的试验报告等资料应齐全完整，并已分类整理完毕。
6．2．4主要验收工作。
l检查风力发电机组、箱式变电站的规格型号、技术性能指标及技术说明书、试验记录、合格证件、安装图纸、备品配件和专用工器具及其清单等。+
2检查各分部工程验收记录、报告及有关施工中的关键工序和隐蔽工程检查、签证记录等资料。
3按6.2.2的要求检查工程施工质量。
4对缺陷提出处理意见。
5对工程作出评价。．
6做好验收签证工作。
6．3升压站设备安装调试工程验收
6．3．1升压站设备安装调试单位工程包括主变压器、高压电器、低压电器、母线装置、盘柜及二次回路接线、低压配电设备等的安装调试及电缆铺设、防雷接地装置八个分部工程。各分部工程完工后必须及时组织有监理参加的自检验收。
6．3．2验收应检查项目。
l主变压器。
1)本体、冷却装置及所有附件应无缺陷，且不渗油。
2)油漆应完整，相色标志正确。
3)变压器顶盖上应无遗留杂物，环境清洁无杂物。
4)事故排油设施应完好，消防设施安全。
5)储油柜、冷却装置、净油器等油系统上的油门均应
打开，且指示正确。
6)接地引下线及其与主接地网的连接应满足设计要求，接地应可靠。．
7)分接头的位置应符合运行要求。有载调压切换装置
远方操作应动作可靠，指示位置正确。
8)变压器的相位及绕组的接线组别应符合并列运行要
求。
9)测温装置指示正确，整定值符合要求。
10）全部电气试验应合格，保护装置整定值符合规定，操作及联动试验正确
11)冷却装置运行正常，散热装置齐全。高、低压电器。
1)电器型号、规格应符合设计要求。
2)电器外观完好，绝缘器件无裂纹，绝缘电阻值符合要求，绝缘良好。
3)相色正确，电器接零、接地可靠。
4)电器排列整齐．连接可靠，接触良好，外表清洁完
整。
5)高压电器的瓷件质量应符合现行国家标准和有关瓷
产品技术条件的规定。
6)断路器无渗油，油位正常。操动机构的联动正常，无卡涩现象。
7)组合电器及其传动机构的联动应正常，无卡涩。
8)开关操动机构、传动装置、辅助开关及闭锁装置应
安装牢靠，动作灵活可靠，位置指示正确．无渗漏。
9)电抗器支柱完整，无裂纹，支柱绝缘子的接地应良
好。
10)避雷器应完整无损，封口处密封良好。
11)低压电器活动部件动作灵活可靠．联锁传动装置动
作正确，标志清晰。通电后操作灵活可靠，电磁器件
无异常响声，触头压力，接触电阻符合规定。
12)电容器布置接线正确，端子连接可靠。保护回路完
整，外壳完好无渗油现象，支架外壳接地可靠，室内通风良好。
13)互感器乡}观应完整无缺损，油浸式互感器应无渗油，油位指示正常，保护间隙的距离应符含规定，相色 应正确，接地良好。
3盘、柜及二次圆路接线。
1)固定和接地应可靠，漆层完好、清洁整齐。
2)电器元件齐全完好，安装位置正确，接线准确，固
定连接可靠，标志齐全清晰，绝缘符合要求。
3)手车开关柜推入与拉出应灵活，机械闭锁可靠。
4)柜内一次设备的安装质量符合要求，照明装置齐全。
5)盘、柜及电缆管道安装后封堵完好，应有防积水、防结冰、防潮、防雷措施。
6)操作与联动试验正确。
7)所有二次回路接线准确，连接可靠。标志齐全清晰，绝缘符合要求。
4母线装置。
1)金属加工、配制，螺栓连接、焊接等应符合国家现
行标准的有关规定。
2)所有螺栓、垫圈、闭口销、锁紧销、弹簧垫圈、锁
紧螺母齐全、可靠。
3)母线配制及安装架设应符合设计规定，且连接正确．
一接触可靠。
4)瓷件完整、清洁，软件和瓷件胶合完整无损，充油
套管无渗油。油位正确。
5)油漆应完好，相色正确，接地良好。
5电缆。．
1)规格符合规定，排列整齐，无损伤，相色、路径标
志齐全、正确、清晰。
2)电缆终端、接头安装牢固，弯曲半径、有关距离、接线相序和排列符合要求，接地良好。
3)电缆沟无杂物，盖板齐全，照明、通风、排水设施、防火措施符合设计要求。
4)电缆支架等的金属部件防腐层应完好。低压配电设备。
1)设备柜架和基础必须接地或接零可靠。
2)低压成套配电柜、控制柜、照明配龟箱等应有可靠的电击保护。
3)手车、抽出式配电柜推拉应灵活，无卡涩、碰撞现
象。
4)箱(盘)内配线整齐，无绞接现象，箱内开关动作
灵活可靠。
5)低压成套配电柜交接试验和箱、柜内的装置应符合设计要求及有关规定。
6)设备部件齐全，安装连接应可靠。防雷接地装置。
1)整个接地网外露部分的连接应可靠，接地线规格正
确，防腐层应完好，标志齐全明显。
2)避雷针(罩)的安装位置及高度应符合设计要求。
3)工频接地电阻值及设计要求的其他测试参数应符合设计规定。
6.3.3验收应具备的条件。
l各分部工程自查验收必须全部合格。
2倒送电冲击试验正常，且有监理签证。
3设备说明书、合格证、试验报告、安装记录、调度记录等资料齐全完整。
6．3．4主要验收工作。
l检查电气安装调试是否符合设计要求。
2检查制造厂提供的产品说明书：试验记录、合格证件、安装图纸、备品备件和专用工具及其清单。
3检查安装调试记录和报告、各分部工程验收记录和报告及施工中的关键工序和隐蔽工程检查签证记录等资料。
4按6.3.2的要求检查工程质量。
5对缺陷提出处理意见。
6对工程作出评价。
把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的`速度提升，来促使发电机发电。依据风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。
风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。
1 轴承加工工艺分析
1.1 轴承强度及内径的计算
轴承加工, 主要是针对其具体的结构形式和尺寸以及精度等条件, 进行合理的工艺路线安排。因此可以知道, 发电机转子铁芯内径的大小直接决定着轴承内径的取值。这也是轴承选型的关键步骤之一。因为如果铁芯内径很大, 当风机处于较高的飞逸转速工况时, 磁极和磁轭所承受的应力会比较大;而当铁芯内径非常小的时候, 转动惯量便无法满足设计要求, 此时磁极极间距较小, 发电机的冷却性能较差, 线圈无法侧向固定也存在较大难度。
综上所述, 对于风力发电机而言, 轴承主要与电机转轴配合, 其内径计算方程如下式所示:
式中, τ为许用切应力;P为发电机功率;n为发电机转速。
假设轴承的主要失效方式为疲劳变形, 则仅考虑扭矩的影响, 安全系数可由下式得出:
建立轴承3维模型, 边界条件设置按照电机轴电磁转矩计算结果设置, 网格采取六面体非结构化网格, 计算结果如图1所示。
1.2 加工工艺分析
由图1所示, 在轴承的加工工艺安排上, 主要从以下几个方面来考虑:
(1) 轴承长度与发电机轴的长度L相等, 轴承的内表面与电机轴配合。
(2) 由于风力发电机转子的运转速度n一般比较快, 所以表面精度越低, 疲劳屈服极限越小, 变形量越大, 故轴承内表面必须保持一个较高的精度。
(3) 待产品加工成型后, 内表面需进行淬火、渗碳等处理, 以提高强度。
2 误差分析
通常情况下, 风力发电机的轴承和电机轴之间的配合为过盈配合。在加工过程中, 该步骤的实现过程为: (1) 对轴承进行加热, 使其内径增大; (2) 待电机轴穿入之后, 再对轴承冷却, 继而完成整个配合过程。在这个环节中, 如若材料选择不合理, 或是温度控制不理想。都将会导致配合后的轴承变形量增大, 从而影响其工作性能。
3 新工艺方案的提出
由以上误差分析可知, 若采用传统的工艺加工方式, 其累计误差较大。因此, 本文拟采取一种新的工艺方式进行加工, 即开发一套新的工艺加工设备。其操作步骤为: (1) 制造部件模具, 将转子轴和轴承尺寸修改到恰好能过盈配合的状态, 这样做的好处是, 减少了轴承内径加工的环节 (即将毛坯件先压入再加工) ; (2) 工艺夹具可以采用液压形式的, 类型为楔形, 油压; (3) 加工工具驱动装置可采用伺服电机2套 (如图2所示) 。因为伺服电机是靠信号转换进行工作, 一旦加工过程出现尺寸、精度等偏差, 信号反馈至首端, 继而电机自动调整电压, 改变介质油的体积和压强, 从而达到调整加工精度的目的。
1.床身;2.刀架1;3.平直导轨;4.工件;5.液压夹头;6.刀架2
4 轴承参数测试
按照上述方法, 对某小型风力发电机的轴承进行加工。已知机组的部分参数条件为:功率P=2MW, 风轮直径D=60m, 额定风速度v=12m/s, 功率控制形式为变速变浆矩。
完成风力发电机轴承的工艺加工流程后。对产品进行质量检测, 其结果如下:
(1) 少了更换夹具加工的流程, 且该设备是以转子铁芯内圆为基准, 可两端同时进行, 故轴承同轴度比较高;
(2) 采用先配合再加工的形式, 能够有效保证尺寸偏差在允许范围内;
(3) 加工出的风力发电机的转子两个轴承同轴度为0.01mm, 轴承和转子的同轴度为0.02mm, 完全满足设计要求。
5 结论
对于风力发电机而言, 电机轴和轴承之间的尺寸偏差、变形量以及同轴度标准的高低, 是决定机组性能好坏的一个关键性问题, 加工出的产品能否和设计图纸保持一致, 主要取决于工艺路线的合理安排。本文在对发电机轴承的工艺编排中, 通过开发新的设备, 改变了传统加工方式的弊端, 有效地提高了产品的加工精度, 为今后该类型的轴承加工方式, 探索出了一个行之有效的方法。
摘要：在中小型风力发电机转子轴承的加工过程中, 存在无法一次成型, 且多次加工会造成累计误差大的问题。故传统的轴承加工方式, 已经不能满足该产品高精度的要求。鉴于上述问题, 拟开发一种专用加工设备, 从最后的产品制造质量来看, 轴承的加工精度较高, 累计误差小, 为今后同类型产品的加工提供了一个可供参考的思路。
关键词：风力发电机,工艺,轴承
参考文献
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[3]张江华.机械制造工艺[M].北京:机械工业出版社, 2012.
[4]电机工程手册编辑委员会.机械工程手册[M].北京:机械工业出版社, 1997.
[5]James Locke and Ulyses Valencia.Design Studies For Twist-coupled Wind Turbine blades[M].2004.
你接受了风的每一次抚摸
这是爱的力量
是自然流动新鲜的血液啊
输入你的身体
积蓄了巨大的体能
你迸发出无数地光芒
灯光璀璨
让黑夜变成了白昼
机器轰鸣
人们享受着物质文明
让干涸的.土地滋润
五谷丰登，粮食满仓
网络连接
美好的事物传递到世界每个角落
缩短了心的距离
地球的家园里
都是姐妹弟兄
……
万物灵长的人类啊
是自然之子
生而为人，吸取天地之精华
怎么可能自暴自弃，碌碌无为，甘愿平庸
泯灭了内心的火种
让人生转眼成灰
这是对自己这个“人”字最大的不敬
每个人都是一座风力发电站
释放出你的潜能吧
你可以变成耀眼的星辰
同山河同在
与日月争辉
给你一个杠杆
可以把地球撬起
给你一艘飞船
宇宙是你散步的花园
给你一枝神笔啊
画一只和平的白鸽
没有了生灵涂炭的战争
给你一把开启人灵魂的钥匙
人与人之间的交往
不再是利益的纷争
……
万物灵长的人类啊
回归自然母亲的怀抱吧
尽情享受着无私的馈赠
鸟叫虫鸣是最美的音乐
青山绿水这幅壮观的画卷
在你的眼前展现
一花一叶皆生命啊
一枝一叶总关情
把爱心传递
让温暖驱散寒冰
伸张正义
把邪恶扼杀在萌芽中
就算是一棵小草
也要给人绿的希望
顽强活下去
敢于和命运抗争
微笑着享受着生命的过程
欣赏着路边的每一处风景
品味着无悔的人生
站在村头
遥望远山之巅
在广袤的天宇下
风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95%以上，已是一种安全可靠的能源，风力发电的经济性日益提高，发电成本已接近煤电，低于油电与核电，若计及煤电的环境保护与交通运输的间接投资，则风电经济性将优于煤电。风力发电场建设工期短，单台机组安装调试仅需几周，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间，是煤电、核电无可比拟的。投资规模灵活，有多少钱装多少容量。对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆来说，可作为解决生产和生活能源的一种有效途径，因此显得更加重要。
为什么说风能是一种绿色能源？
风能是一种干净的自然能源，没有常规能源（如煤电，油电）与核电（裂变）会造成环境污染的问题。平均每装一台单机容量为1.5MW的风能发电机，每年可以减排3,000吨二氧化碳（相当于种植1.5平方英里的树木）、15吨二氧化硫、9吨二氧化氮。风能产生1,000度的电量可以减少0.8到0.9吨的温室气体，相当于煤或矿物燃料一年产生的气体量。除了部分鸟类，风力发电机组不会危害其它野生动物。在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为一种高效清洁的新能源有着巨大的发展潜力。
我国风能总量有多少？
我国10米高度层的风能资源总储量为32.26亿千瓦，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿千瓦。而据估计，中国近海风能资源约为陆地的3倍，所以，中国可开发风能资源总量约为10亿千瓦。其中青海、甘肃、新疆和内蒙可开发的风能储量分别为1,143万千瓦、2,421万千瓦、3,433万千瓦和6,178万千瓦，是中国大陆风能储备最丰富的地区。
什么是风能？
风能就是空气的动能,是指风所负载的能量，风能的大小决定于风速和空气的密度。
风能来源于何处？
1 制造工艺流程图解
2 制作工序简述
2.1 钢板数控下料
筒体瓦片按照图纸要求进行双定尺切割, 并对切割位置精准钢印, 并对材料原始信息进行移植;瓦片边缘坡口依据板厚进行不同坡口制备, 坡口采用半自动火焰切割机进行切割, 切割完成后进行打磨, 去除熔渣、毛刺、氧化层, 并对瓦片尺寸进行复核。
2.2 瓦片卷板
通过数控卷板机对瓦片进行冷弯卷制, 卷板前依据图纸制作内弧面样板, 便于卷制过程中比对。纵缝合拢处进行打底焊接, 防止卷制变形。
2.3 瓦片焊接
纵缝焊接采用埋弧自动焊焊接内缝, 外缝使用碳弧气刨进行清根后, 使用十字悬臂埋弧焊机进行外缝焊接。埋弧自动焊采用H10Mn2φ4.0mm焊丝和SJ101焊剂。焊接完毕后进行100%UT检验。检验合格进行卷板机校圆。
2.4 法兰节拼装与焊接
法兰节拼装采用水平拼装平台进行拼装, 法兰平置于拼装平台, 法兰节瓦片竖直吊起, 瓦片坡口与法兰坡口精准对接, 进行点焊加固。
法兰节焊接采用十字悬臂埋弧焊机机型内外缝焊接, 焊接过程中需严密监控, 严格按照焊接工艺进行, 防止法兰面水平度局部变化及外翻。依据制造工艺要求, 焊接完毕后进行100%UT检验及其他检验。
2.5 单元节拼装与焊接
单元节拼装采用液压组队机与滚焊台车配合进行拼装。拼装顺序为:法兰节-相邻瓦片-法兰节。拼装完成是需对整体尺寸、双侧法兰同轴度进行检验, 检验合格后转交焊接。
单元节焊接采用埋弧自动焊机进行焊接, 先焊接内缝, 内缝焊接完毕后, 利用碳弧气刨进行外缝清根, 打磨清根部位, 进行外缝盖面焊接。埋弧自动焊采用H10Mn2φ4.0mm焊丝和SJ101焊剂。依据制造工艺要求, 焊接完毕后进行100%UT检验及其他检验。
2.6 门框及焊接件拼装、焊接
焊接件拼装严格执行焊接件拼装工艺, 精准放样, 确保拼装位置准确, 进行点焊。拼装完毕后进行检验。
焊接件焊接采用二氧化碳气体保护焊进行焊机, 使用ER50-6φ1.2mm实芯气体保护焊焊丝, 角焊缝全部满焊, 并打磨光滑。
门框拼装于底节塔筒上, 拼装前按图纸尺寸在响应位置放样, 进行切割门框口, 并切割坡口, 打磨干净, 进行拼装, 组装后焊缝间隙小于3mm。
门框焊接采用二氧化碳气体保护焊进行焊机, 使用E501T-1Lφ1.2mm药芯气体保护焊焊丝, 焊前对焊接位置进行预热, 预热温度高于100℃。焊接采用分散施焊, 控制焊接变形。
2.7 防腐
防腐主要对筒体主体机型喷砂、喷漆, 法兰面热喷锌等工作。喷砂进行表面预处理, 起到除锈、清洁、提高表面粗糙度等作用, 喷砂完毕后进行相应检验, 合格后进行喷漆。
喷漆一般在表面预处理后4h内进行, 漆层分为底、中、面三层, 每层喷涂需在上一层油漆完全固化后进行。涂层应该表面光滑、颜色一致、无气泡、流挂、褶皱、漏涂等缺陷。
2.8 其他安装件安装
安装件包括镀锌件、爬梯滑轨、导电轨、电缆、电气件等功能性零配件, 安装过程中需严格按照安装工艺执行, 确保安装位置正确, 零部件间距离安全, 螺栓力矩适当。
2.9 包装运输
塔筒制作完成, 并经检验合格后, 可运往现场。集中包装的方式进行运输。将备品备件按照要求进行包装, 并采取防止损坏、防潮、防尘的措施, 与主设备同时、一并发运。
在运输过程中, 为了防止法兰变形, 采用8#槽钢将塔架下、上法兰进行米字型支撑固定。进行包装时, 塔筒在采用包装带缠绕包扎后, 放置于运输鞍座上, 将毛毡和胶皮铺于鞍座上。为防止雨雪及灰尘进入塔筒内侧, 应用防雨布将塔筒两端封堵。
3 质量控制关键节点
(1) 钢板验收:钢板进厂后, 对钢板进行长、宽、厚度进行测量, 与侧喷标识进行核对, 按照原材料入库程序进行登记;按照技术要求, 以炉批号为依据, 对钢板进行10%UT复检;切割前, 将钢板至于水平下料平台, 检查钢板表面;切割取样, 按照炉号进行化学成分复验、按照批号进行力学性能复验。
(2) 法兰验收:法兰进厂后, 依据图纸对法兰进行内外直径、高度、螺栓孔进行测量, 检查外表面是否存在缺陷;按照技术要求对法兰进行100%UT复检;使用激光平面度仪, 对法兰进行100%平面度检验。按照法兰炉批号, 对法兰试样进行化学成分、力学性能、金相组织复验。
(3) 下料:数控下料后进行四边、对角线尺寸复核, 坡口尺寸符合技术要求, 边缘打磨干净, 物熔渣、毛刺、氧化层及火焰切口缺陷。
(4) 卷圆:使用内弧样板对卷制弧度进行复核, 要求对接口错边≤1.5mm, 管口纵缝错牙≤1mm。
(5) 法兰节、单元节拼装:法兰拼装采用水平拼装平台进行, 只允许咋内侧压缝, 法兰外侧与筒体外壁对齐拼装, 要求坡口间隙<2mm, 错边<2mm, 筒节中心与法兰面垂直度≤1mm。
单元节拼装:相邻筒节纵缝相对拼装, 法兰节拼装时, 螺栓孔应该跨纵缝拼装, 拼装中严禁在筒壁上焊接工装、使用锤击等方式。环缝对口错边量≤0.1板厚+1mm, 不得大于2mm, 环缝对口间隙≤2mm。拼装后检查整体尺寸, 长度差-10~5mm, 塔筒上下左右对角线≤3mm, 领用水准仪对双侧法兰同轴度进行检验。
(6) 法兰节、单元节焊接:依据焊接工艺进行焊接, 焊接完毕后, 进行外观检查, 确保无咬边、宽度不均、高度不一等缺陷。焊缝冷却后进行100%UT检查, 确保焊缝无未融合、未焊透、夹杂、气孔等内部缺陷。制造工艺有RT要求的, 特别注意纵环缝丁字接口处影像。按照工艺要求, 对焊缝进行磁粉、PT检验。
(7) 焊接件、门框焊接:依据焊接工艺进行焊接, 焊接完毕后, 进行打磨, 角焊缝圆滑, 无漏焊、烧穿、裂纹、气孔等缺陷, 焊接件需要进行30%PT检验。
门框焊接后外观平整, 高低、宽窄均匀, 不得有焊疤、飞溅、弧坑、咬边等缺陷, 进行100%UT检测和PT检测。
(8) 防腐:喷砂后, 对钢板进行表面清洁度等级、表面粗糙度检验;喷漆后, 对油漆喷涂厚度、油漆颜色、附着性能检验。检测仪器使用粗糙度仪、漆膜测厚仪、涂层划割仪。
4 生产中安质环境管理主要事项
(1) 质量保证基础:焊接工艺评定。焊接工艺评定按照《压力容器焊接工艺评定》 (NB/T47014) 标准进行试板制备, 选取具有省级资质金属材料检验机构进行检验, 确保焊接工艺符合产品生产技术要求。
(2) 认真、如实、准确做好原材料原始信息、作业人员信息移植, 使用钢印在规定位置进行移植, 确保产品信息持续可追溯。
(3) 生产过程中注意各岗位安全作业, 严格按照设备操作规程进行操作;特种设备作业人员必须持证上岗、对起重作业的吊具进行定期检查、维护和保养;集中供气站须有专人进行看护, 严格按照操作规程作业, 适时调整管道压力;焊接与打磨过程中做好个人防护, 口罩、面罩、护目镜、手套等劳保齐全, 高空作业必须在稳固高点位置系紧安全带;涉及电气作业必须由电工进行, 其他人员不准进行操作。
(4) 做好危险源辨识工作, 塔筒制作危险源主要有:物体打击、机械伤害、起重伤害、触电和灼伤等。这些危险源主要分布在部件吊装、拼装、焊接、校正和倒运过程中。
(5) 环境保护及职业健康, 在塔筒制作中主要有以下几种因素:噪声、焊接烟尘、喷砂粉尘、油漆等有害化学品、废弃物污染等。对于影响人员健康的这些因素应做好积极预防措施。
摘要：重点介绍了大型风力发电机组塔筒的制造工艺、质量控制节点, 并对塔筒的制造流程、质量节点检验方式、安全环境管理进行简单阐述。
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