【摘 要】現代風力發電機組葉片是風力機重要的部件，如何提高葉片壽命、減少意外的折斷、嚴重開裂等損壞，有著極其重要的意義。從結構、材料、工藝方面進行相應的改進，并提出葉片的結構強度的修改設計方法和措施，由此提高葉片的剛度和強度。
　　【關鍵詞】風力機葉片；機構改進；損壞預防
　　風力機葉片折斷等損壞的原因可能是一種或幾種原因共同作用的結果，需要增強其振動節點等地方的葉片的強度。以1.5MW葉片為例，對風力機葉片的結構改進和損壞預防進行研究。復合材料風力機葉片是風力發電系統的關鍵部件，它的性能決定了風力機的性能，它的強度和可靠性是風力機可靠性的關鍵。因此，葉片的設計和制造技術被視為風力發電系統的關鍵技術。本文從結構和材料方面局部使用碳纖維加強，結構和工藝方面采用粘接膠接縫處加復合材料加強，結構和制造方面從主梁上增加合適的托膠板加強這三個方面來提出葉片的結構強度的修改設計方法和措施。
　　1.使用碳纖維材料加強結構強度
　　1.1用碳纖維材料加強結構的必要性
　　我們知道，振動的節點區域應該適當加強，既減少葉片的損壞幾率，又能不增加太多的重量，并且不至于導致結構的過大改變。這樣就可以增加葉片抵抗臺風的襲擊，減少葉片折斷的發生概率。
　　隨著發電機功率的增大，要求葉片長度不斷增加。對葉片來講，剛度也是一個十分重要的指標。自70 年代以來，大多數水平軸風力機葉片都是由復合材料制成的，常用的復合材料是預應力玻璃剛塑料（GRP）。始于上世紀末的相關研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當與樹脂材料混合時，則成為了風力機適應惡劣氣候條件的佳材料之一，碳纖維復合材料葉片的剛度是玻璃鋼復合葉片的兩至三倍。碳纖維作為輕質高強度材料，能滿足葉片強度的需要。
　　1.2碳纖維結構強度的加強技術
　　如果將極少量的碳纖維用于葉片的敏感振動節點處，從成本上來講是劃算的。如果所有的表面都用碳纖維，則將增加整個風力機葉片的成本。如果僅僅在距翼根三分之一處的區域，即2米范圍內；和距翼尖三分之一處的區域2米范圍內，在葉片的內表面和外表面進行碳纖維復合材料加強，就可以提高葉片的敏感振動區域的強度，并增加葉片的抗折斷能力。
　　另外，如果結合生產工藝，提前將加強層在鋪設復合材料前進行鋪設，會減少后續的復合材料敞開式工藝過程時間和葉片輪廓的符合性修理時間和成本。
　　2.粘結膠接縫處加強結構強度
　　2.1粘接工藝的缺點和加強的必要性
　　從葉片損壞的一般情況來看，葉片開裂的地方是粘接層面，正好是粘接膠的膠線。如何減少和避免這種情況的發生，需要認真的分析探討。
　　現階段葉片的絕大多數工藝都采用上下半模葉片膠粘成一體。這樣葉片殼體是由上下兩部分組成的，中間存在一定厚度的粘結膠。但是這種工藝存在先天性的不足：
　?。?）如果工藝過程中使用了質量不太好的膠或質量不太好的硬化劑，就會導致膠的粘接強度不夠。
　　（2）涂膠工藝的局限性。即使使用了合格的粘接原材料，那么在涂膠過程中，無論是手動涂膠還是自動設備涂膠，都難免存在氣泡問題，或者說涂抹不均問題。甚至種種原因導致大面積缺膠，例如合模過程中的某些地方不合適將已經涂好的膠給部分或大部分擦去。
　?。?）如果發生了膠的硬化質量問題，而且沒有及時在出廠前發現，或者質量人員檢查出了膠的內部含有氣泡，或膠線上缺少粘結膠，但是由于葉片的形狀問題，葉片的維修人員和生產人員很難到達葉片的尖部方向的前半部分。使得葉片不容易處理，甚至報廢。
　　（4）當發生運輸時的巨大顛簸振動，或運行中的較大風力載荷，抑或使用中的疲勞因素等等，都有可能造成膠線開膠，裂紋，甚至嚴重開裂。由于葉片的上下半翼不是一個有機的整體，是人為的粘接起來的，所以難免發生開裂的問題。遇到這樣的問題往往會造成很大的麻煩或巨大損失。
　?。?）葉片嚴重開裂會造成極嚴重的后果。如果出廠的葉片大面積出現開膠的問題，或開膠的隱患，往往給葉片生產廠造成致命的打擊，甚至停產倒閉。即使發現及時，報廢的只能無奈接受巨額的損失或賠償，如何能夠修理的也需要召回重修或原地重修。由于葉片維修的特設性，這往往會給葉片生產廠帶來天文數字級別的費用。
　　2.2粘接膠處糊布改進粘接工藝技術概述
　　鑒于上述葉片粘接工藝的缺點，須針對性地做一些改進。核心思路是在葉片外面的整個的粘接線上沿線上下20CM 左右的范圍內人工糊上2層玻璃纖維和聚酯層，然后在做相應的膠衣涂層處理，輪廓打磨處理等和葉片的其他工藝處理。
　　2.3糊布加強的具體的施工工藝
　?。?）兩層復合材料一般來講不易寬度一致，好下層稍長，上層稍短，這樣易于形成一定程度的過度角，在后續的葉片輪廓核對中比較容易達到標準的要求，也可以不影響葉片的空氣動力學的性能。
　?。?）如果葉片另一側的粘接線增加復合材料層難以實施，可以在實際的生產工藝過程中再增加一層用于打磨出葉片的輪廓時保證仍然有足夠的復合材料層留在葉片上。
　?。?）實際的施工過程中，難免會有氣味的揮發。所以這一過程因該在正常生產工藝后續的工段中結合這一增強層的要求進行。也就是在后續工段的開始前先進行上下半翼膠粘線的加強層的涂敷，然后再進行后續的工藝過程。
　　（4）結合成本的要求，具體的實施過程可能需要生產廠家來平衡增加的重量所增加的整機方面的符合性和使用輕型的碳纖維所增加的成本方面的承受度這兩者之間的關系。一般來講，增加的重量不會對整個葉片和整個機組造成實質性的影響。因為，整個加強層的面積和重量相對于整個葉片來講很小，對整體剛度影響不大，但對局部區域的剛度、強度都會有明顯加強。
　　3.主梁上增加托膠板加強結構強度
　　3.1主梁上沒有合適的托膠板引發的問題和加強的必要性
　　前面提到過葉片在運轉過程中的粘結膠脫落的問題，如果不以關注可能會有大的麻煩，直到葉片的開裂，甚至報廢。前面已有說明，這里僅就對這一問題的避免和葉片的結構改良作一探討。
　　原有的主梁上結構，使得大家不得不面對這樣一個難題：將膠少涂一些，可以避免多余的膠溢出，但是又會面臨缺膠的危險，導致粘接面不良， 給將來的葉片質量留下隱患。一旦安裝到風力機的塔筒上面，再進行維修是非常困難的，況且，那樣的翼尖三分之一的區域內維修人員是很難到達去維修的。如果將膠多涂一些，又會導致多余的壓出的膠被擠出粘接面，因為有將近一少半的地方操作人員無法到達，所以，這些被擠出來的膠就會掉落到葉片的內部，或者呈圓弧狀而不是粘接面的平面狀存在，在葉片的運轉狀態中非常容易脫落，導致一系列的問題。我們知道，人們很難在涂膠時去準確掌握膠量，即使膠量可以由自控設備涂抹時精準掌握，由于葉片的上下半翼和主梁的粘結膠層的間隙是存在較大的誤差的，也無法準確確定膠量。終的結果是我們只能將其控制在一定的誤差范圍內。
　　3.2主梁上增加托膠板的結構改進技術
　　如果說接近翼根的多半個葉片長度的地方可以通過人工的方法去掉脫落的膠，但是接近翼尖的三分之一處如何去掉多余的容易脫落的膠呢？必須通過一定的方法來避免易脫膠的存在。具體的設想是在主梁上增加支撐多余膠的薄薄的復合板，并安裝在主梁上。改造方案如圖1（a）、（b）。
　　總之，通過部分使用碳纖維，粘接膠接縫處加復合材料，主梁上增加合適的托膠板這三個方面的改進可以增加結構方面葉片的強度，因而增加葉片抗折斷等損壞的能力，減少折斷，開裂等嚴重的破壞。