文/崔新维（北京三力新能科技有限公司）

叶片之于风力发电机组就像发动机之于汽车，是实现从风能到机械能转换的主要部件，而且其成本一直占整机的四分之一以上，关键核心作用不言而喻。最早的叶片技术来自于航空领域，人们把叶片当作旋转的机翼来研究的。伴随着风电产业的兴起和发展，风电叶片技术才逐渐演变成一个专门的领域。在机组大型化过程中，叶片也随之大型化，叶片大型化带来了一系列问题值得谈论一番。

1. 风电机组中的叶片

从风电机组的基本功能看，叶片和发电机是两个最基本部件，叶片捕获风能，发电机发出电能。发电机是一个传统部件，产业基础良好。而叶片则是伴随着始于1970年代的现代并网型风电机组的商业化，衍生出的一个新型部件。它的学科基础是空气动力学、复合材料和工程力学，产业基础是彼时的航空工业和小型风电机组产业。

但是，叶片的研发和量产不是一件容易的事，以至于一家丹麦的叶片厂曾经供应了全世界三分之一的叶片。随着风电产业的发展，出于市场竞争的需求，主机厂商都意识到叶片的重要性而逐渐转向叶片自给。以至于当今海上风电机组的三大整机商（Siemens、Vestas和GE）都是自己研发叶片。

国内的叶片产业是伴随着1990年代后期引进整机生产技术逐步兴起的。发展到现在，叶片的供应有三种模式：

• 整机商自带叶片厂——出产的整机配套自产的叶片，类似于国外整机商的做法，不同的是有关叶片的基础研究差距较大。
• 独立叶片厂商——叶片厂为不同的整机商供应叶片，类似于国外早期的做法。
• 代工生产叶片——由整机商提供叶片设计，按订单代工生产后给整机商供货，有些独立叶片厂商也加入这个行列。

2. 机组大型化的叶片

要实现机组大型化，叶片大型化需要先行，尤其是叶片基础研究。欧洲现在开发的10MW~20MW风电机组采用了超过100米的叶片，而早在十年前就围绕100米以上超长叶片的气动、高转速、气弹、轻量化、结构、载荷控制等专题开展不止一轮的专项研究和测试。这种关键技术研究先行支撑后续产品研发的做法，是任何一个可持续发展行业的通行且有效的做法，无论国内国外。

国内海上风电和大基地风电的兴起，推动了机组的大型化，又带动了叶片大型化。在此过程中，下列问题可能是必须要谨慎面对的。

2.1叶尖线速度是否提高

从整机的角度看，提高叶尖线速度，可以适当提高叶轮的转速，降低输出扭矩，有利于传动系的降载；对叶轮来说，叶片的离心力会增大，既增加了叶片的动刚度，也会增加叶根弯矩。更重要的是，叶尖部分的气动特性可能会发生突变，同时会带来新的噪音问题。

2.2如何承受过大的载荷

长叶片的柔性会加大，气动推力导致挥舞弯矩增加，气动扭矩导致摆动弯矩加大，而且都是严重非线性增加，较大的弯曲变形又带来了结构动态特性、气弹特性、载荷特性和净空等新的问题。而所有这些弯矩又是叶根结构、变桨支承和轮毂乃至变桨驱动必须承受的。另外，由于仿真工具的局限性，这类载荷仅通过常规软件仿真计算是不现实的。

2.3叶片的总体结构如何优化

常规的叶片结构是叶片外形主要满足气动要求，内部结构主要承受弯矩载荷。出于增加弯曲刚度的需要，人们采用了在外壳中添加部分高弹性模量材料（如碳纤维）、内部结构布局优化设计、采用人造轻质钢化材料等措施。但似乎都无法摆脱叶片加长带来的平方-立方效应（也可能是平方-2.5次方效应）。既要承受非线性增加的载荷，又要增加刚度不至于变形过大，还要轻量化避免成本的大幅提高，如何平衡这些矛盾的诉求。

2.4气动弹性如何控制

超长叶片的过大变形带来的气弹稳定性，是叶片大型化无法回避的问题。气弹问题和叶片的气动外形、总体结构、运行状态与控制以及外部风资源都密切相关，可以认为是多种因素的耦合效应。国外三家整机商的两家推出的236米叶轮直径的15MW海上风电机组，在设计阶段要分析气弹稳定性，样机测试中要检测气弹特性。现有的室内叶片检测系统由于诱因不足，是无法测试叶片气弹特性的。

2.5设计寿命能延长多少

海上机组多出五年的设计寿命，既是由于海上风资源相对平稳，零部件疲劳损伤的外因弱化，也是出于降低海上风电度电成本的考虑。但是，对于叶片来说，捕获前方来风所受的挥舞弯矩和驱动叶轮的摆动弯矩只会增加不会减小，叶片外壳上的弯曲应力幅也会增加。如何在应力幅增加的前提下还能提高叶片的疲劳寿命，也是叶片大型化的一个难题。

2.6运行维护有哪些难点

叶片加长，其体积和表面积都增加。叶片前后缘、上下翼面、外部壳体、合缝部位、内部支撑结构，包括叶根联接部位都会增加失效的概率。海上运行环境和陆地沙漠环境都是加剧失效的恶化因素。

综上所述，随着叶片大型化，由于其特殊的外形、结构、受载和状态，呈现出严重的非线性特性，而且还存在着复杂的耦合关系。所以，叶片不像齿轮箱，简单放大还可以过得去，开发一款超长的叶片需要开展的前期工作有很多。否则将会面临不可预估的风险，而叶片出现失效要比齿轮箱失效的损失大得多。

面对上述问题，要么迎难而上，逐一破解；要么合理绕过，另辟蹊径。

 3. 结束语

在多个风电强国中，叶片的研发一直占有绝对优势的地位。叶片强则风电可能强，叶片不强则风电肯定不强。叶片是风电机组中最重要的部件，叶片大型化也是风电机组大型化中最关键的环节。

伴随机组大型化的叶片大型化，有许多非线性复杂问题耦合起来需要面对和解决，这一点要比齿轮箱复杂。

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