該葉片被命名為LM 88.4 P，比LM以往生產(chǎn)的最長葉片 LM 73.5 P還要長15米，但重量僅增加6噸。這是通過將具有高強度、高剛度的輕質(zhì)碳纖維引入到葉片主梁層壓板中實現(xiàn)的。 

 

      風機葉片制造使用碳纖維已有超過10年的歷史，主要是采用拉擠工藝生產(chǎn)的碳纖維增強環(huán)氧樹脂預浸料主梁，并通過有競爭力的單位兆瓦時能源發(fā)電成本（LCoE）證明了其較高價格的合理性。如今，LM探索出了一種不同的方法，將碳?；祀s增強復合材料主梁沿著長度方向嵌入標準玻璃纖維復合材料基殼層壓板。這樣，葉片殼體與主梁能夠在同一模具中制造，葉片殼體充當了碳玻混雜復合材料主梁的模具，大大節(jié)省了時間和成本。LM復合材料技術(shù)項目主任Michael Lund-Laverick介紹說：“LM 88.4 P是首個采用混雜增強技術(shù)生產(chǎn)的葉型，采用干的碳玻混雜纖維鋪放和真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VARTM）制造。”該混雜增強設(shè)計使LM利用現(xiàn)有工藝生產(chǎn)出了LM 88.4 P葉型，顯著提升了核心競爭力。完全滿足客戶已經(jīng)建立起的成本和工期的設(shè)計規(guī)范。Lund-Laverick補充道：“我們選擇了與實際應用最接近的技術(shù)方案，顯著降低了風險，并促進了客戶所需技術(shù)的快速開發(fā)。” 

 

       88.4米葉片的用戶Adwen公司（Siemens Gamesa的所屬企業(yè)）表示希望將該風機用于I級風況條件下的海上風電場，因此，LM 88.4 P 葉片的設(shè)計工程師將該葉片能夠承受的參考風速設(shè)定為50米/秒（112mph），符合I級風況的使用要求。

 

　　新產(chǎn)品的設(shè)計驅(qū)動力：不確定性和風險

 

       接下來，葉片的設(shè)計受到LM公司運營戰(zhàn)略的不確定性影響。Lund-Laverick表示：“混雜增強法首先解決了最大的不確定性問題，這也是我們能夠想到的最大的失敗。”LM采用失效模式效果分析軟件（FMEAs）——一款評價設(shè)計（dFMEA）和工藝（pFMEA）風險的形式分析工具，來分析設(shè)計和工藝的可行性。當然，在轉(zhuǎn)向計算機輔助之前，工程師們首先會口頭討論可能出現(xiàn)的風險。“這樣，我們可以通過控制風險來管理項目的進展，憑借公司扎實的專業(yè)知識、豐富的開發(fā)經(jīng)驗和良好的溝通機制，來確定關(guān)鍵問題所在。工程師們將可能出現(xiàn)的問題一一列出，隨后通過相應的測試和工程方案避免這些問題的出現(xiàn)。” 

 

       FMEA所分析出的結(jié)構(gòu)用來確定要進行什么樣的測試和實驗，在該過程中，試制并測試實際樣品零件，在計算機建模和分析開始之前驗證設(shè)計極限和失效模式。計算機模擬也是建立在現(xiàn)實基礎(chǔ)之上，而不是在初級理論之上的，無論該理論如何強大。

 

       在確認了葉片的風況等級、設(shè)計極限和失效模式之后，工程師們用該公司開發(fā)的設(shè)計程序和三維建模軟件套裝LM Blades模擬大型葉片在極限范圍內(nèi)的靜態(tài)和動態(tài)疲勞加載、大型氣動面板的屈曲、單向纖維增強復合材料強度的Puck斷裂準則，以及其他的力學/強度、化學/環(huán)境要求。

 

　　碳?；祀s 兩全其美

 

       LM公司的混雜技術(shù)是指采用碳?；祀s纖維增強復合材料主梁對標準玻璃纖維增強聚酯復合材料的葉片基殼層壓板進行強化的技術(shù)。按照LM技術(shù)要求生產(chǎn)的葉片殼體用玻璃纖維織物由多家供應商供貨，典型應用H玻纖的供應商為Owens Corning。葉片殼體層壓板是由巴薩輕木為芯材的三明治結(jié)構(gòu)灌注LM標準聚酯樹脂獲得。

 

       葉片主梁所需的單軸向碳纖維/H玻纖混雜織物由SAERTEX公司所屬的挪威企業(yè)Devold AMT AS公司生產(chǎn)，該織物產(chǎn)品獲得了LM公司“2017最佳創(chuàng)新伙伴大獎”。葉片殼體和主梁所需的纖維織物結(jié)構(gòu)由不同面密度的±45°雙軸向織物、0°/ ±45°組合織物和0°單向織物組合而成。首次在88.4米葉片使用的該新型纖維織物組合由LM團隊自主研發(fā)，配合一款LM專有的未知樹脂使用，獲得了優(yōu)異的葉片性能。灌注葉片主梁所用的專有樹脂在分子結(jié)構(gòu)上雖具有不同的主鏈結(jié)構(gòu)，但能夠與葉片殼體所用聚酯樹脂通過化學反應產(chǎn)生較強結(jié)合力。

 

　　碳?；祀s制造策略 

 

       葉片由迎風面和背風面上下兩部分固化后結(jié)合而成。迎風面和背風面分別包含一根主梁。碳?；祀s生產(chǎn)技術(shù)包含兩個階段的灌注工藝：第一階段，葉片殼體，包含除主梁之外的所有結(jié)構(gòu)元素，制造步驟如下：

 

　　在88.4米模具中噴涂膠衣：工人在鋪放葉片殼體所用玻璃纖維織物之前在模具內(nèi)表面噴涂膠衣，可以省略葉片脫模后的噴漆過程。

 

 

      鋪放葉片外表面雙軸向玻璃纖維織物覆蓋層。  

 

      鋪放葉根和邊緣強化材料，主要是單向織物材料。

 

      放置三明治結(jié)構(gòu)用巴薩輕木芯材，用小緊固件固定。巴薩輕木芯材由工人手工鋪放固定。

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       鋪放內(nèi)部雙軸向織物層。 

 

       采用真空袋和LM標準聚酯樹脂進行真空灌注。

 

       根據(jù)LM專有的操作規(guī)范，部件在室溫下固化。 

 

       固化完成后，基殼脫離真空袋，檢查后準備進入下一階段。

 

       在第二階段，混雜復合材料葉片主梁直接在固化后的基殼上以基殼為模具來成型：

 

干的碳?；祀s單向織物層被半自動鋪放機沿葉片長度方向直接鋪放在葉片基殼上較為平坦中心部位，從距離葉根4米的位置鋪起。

 

 

       加入LM設(shè)計的輕質(zhì)保護部件。  

 

       鋪放±45°雙軸向標準玻璃纖維覆蓋層。  

 

       同樣采用真空袋和真空灌注工藝，精確控制灌注條件，僅使專用樹脂浸入混雜纖維層。 

 

       根據(jù)LM專有的操作規(guī)范，主梁部件在室溫下固化。 

 

       Lund-Laverick說：“我們有能力將現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)放大應用到不斷變長的風機葉片上。在這些巨大的葉片半殼上，沿著葉片長度方向有輕微的預彎，同時葉片兩側(cè)有少許卷曲，但中心部位卻相當平坦。” 在每個半殼的平坦區(qū)域，LM通過內(nèi)部設(shè)計、計算機控制的半自動設(shè)備將寬幅的干性混雜纖維織物按照程序設(shè)定的鋪層方式進行鋪放，以獲得理想的強度性能。 

 

       彎曲的葉邊部位由于幾何形狀復雜，因此通常必須手工鋪層來完成。 

 

       基殼和混雜主梁都需要設(shè)備進行鋪放。由于碳?；祀s織物比普通玻璃纖維織物更加敏感，因此LM開發(fā)了無需手工的鋪放技術(shù)以避免褶皺和其它可能由人工操作引入的缺陷。 

 

       葉片筋板是由玻璃纖維復合材料和泡沫芯材組成的三明治夾心結(jié)構(gòu)，主要用雙軸向織物層與標準聚酯樹脂經(jīng)灌注工藝成型。

 

       在質(zhì)量控制方面，LM采用了六西格瑪精益管理模式。Lund-Laverick表示：“在生產(chǎn)過程中，我們有一整套嚴格的質(zhì)量控制文件和手續(xù)，包括對葉片的連續(xù)目視檢查。”固化后，超聲檢查和目視檢查保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。隨后，兩片葉片半殼采用常規(guī)方法粘合在一起。 

 

 

　　合模和后固化操    

 

　　兩個半殼粘合在一起后，LM使用導流板來補償大型葉片葉根附近相對較差的氣動性能。導流板專為個別葉片的幾何外形設(shè)計，類似于鰭，通過注射工藝成型，并在最終的葉片裝配過程中采用3M公司生產(chǎn)的VHB膠帶粘附于背風面半殼的外表面上，通常從距離葉根5m左右的位置一直延伸到葉片中部。這樣做能夠減少氣流分離（空氣在到達葉片后緣之前發(fā)生分離），并提高升力和能量輸出。另外，LM還會在葉根附近的葉片內(nèi)弦采用專有技術(shù)、定制化地安裝導流板，進一步提高升力，通常采用反應注射成型（RIM）工藝生產(chǎn)。

 

       目前，LM 88.4 P 葉片已在LM的測試平臺和丹麥獨立的葉片測試中心（Blaest Blade Test Center）通過了全尺寸靜態(tài)力學和疲勞測試，并已通過了挪威DNV GL船級社的認證。 

 

 

 

       第一套商用LM 88.4 P葉片已安裝至Adwen的下一代風機AD 8-180上，額定功率8MW，轉(zhuǎn)子直徑180米。LM生產(chǎn)的3支葉片通過卡車和駁船運輸，由Adwen實施安裝，目前已在德國不萊梅港并網(wǎng)?？上?，由于Adwen被Gamesa收購，Gamesa又并入了Siemens，而新的Siemens Gamesa可再生能源公司取消了AD 8-180平臺，因此該項目產(chǎn)品成為了行業(yè)整合的犧牲品。

 

       Lund-Laverick稱LM將繼續(xù)進行碳?；祀s主梁平臺的開發(fā)，目前正在向Siemens Gamesa交貨的是69.3米葉片。這是目前全球最大的陸上風機葉片。該葉片仍沿用了88.4米葉片相同的設(shè)計、材料和生產(chǎn)規(guī)范，同樣將利用干性碳玻混雜織物和樹脂體系獲得更低的能源發(fā)電成本（LCoE）。他補充說，目前混雜增強葉片主要依據(jù)客戶的需求生產(chǎn)，未來隨著葉片長度不斷增加，LM將增加采用混雜技術(shù)生產(chǎn)葉片的數(shù)量。