（新疆双瑞风电叶片有限公司 新疆维吾尔自治区哈密市 839000）
摘要：风力发电在世界和中国能源战略中占据重要地位，风力发电叶片是关键部件之一，叶片模具的设计制造是决定叶片的空气动力性能关键技术之一。为了满足大型叶片发展要求，新的翼型、材料、设计方法及制造工艺不断出现，本文就风电叶片模具的设计制造向大家介绍一下风电叶片的模具。
关键词：风电叶片；模具；设计制造
风能作为一种清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭，越来越受到世界各国的重视。随着风力发电技术的进步，为了提高风能捕获，降低度电成本，风电机组的单机容量也从最初的十几千瓦发展到现在的兆瓦级，甚至向十兆瓦级、几十兆瓦级迈进。复合材料风电叶片是风力发电机组中能量转化的关键部件，其设计制造的好坏直接关系到风力发电机的效率和使用寿命，影响着整个系统的性能。叶片成型质量的好坏又取决于模具质量的好坏，高精度的模具设计与制造技术是叶片气动外形的重要保证，对产品的生产效率、最终质量和性能起着决定性作用。
1.大型风电叶片产业现状
在低风速叶片开发和应用方面，得益于国内低风速区的大规模开发以及叶片设计制造技术发展，国内的叶片制造厂商走在了世界前列。目前，中科宇能自主研发生产2MW级最长风电叶片，其长度为59.5m。但在低风速叶片设计方面，一些厂商仍然依赖国外叶片设计技术，不具备完全自主设计能力。
从总体上看，目前我国提供了全球最大的单一风电市场，国内叶片厂商在大型叶片的设计和制造技术上取得了长足进步，尤其是在低风速叶片开发和应用上走在世界前列。但在大型叶片设计与制造技术上与国外先进技术相比还有一定差距，没有先进的独特技术和产品应用。
2.国内风电叶片模具制造现状
风电叶片的制造难点之一便是大型模具的制造，模具的型面精度控制、模具的钢结构设计、模具的加热技术、模具的液压翻转技术等都是制造模具的难点。叶片的材料和结构保证叶片的强度和刚度，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。叶片模具是保证外形的直接方法，膜具的设计与制造是叶片的关键技术之一。
目前，风电叶片的模具设计与制造技术基本上掌握在国外几家公司手中，尤其是设计技术。国内仅有极少数单位如上海玻璃钢研究所、北京玻璃钢研究所等，能够自行独立设计，但并不十分成熟，设计指标与实际生产要求有一定的偏差，而且由于工艺方面的研究相对滞后，产品工艺流程远没有达到批量生产的要求。
国内企业叶片模具的技术来源主要有两个：一是仿制。通过购买所需要的产品成品， 进行打磨修整使其光滑顺畅并符合叶面曲线要求，在其上翻制模具。在目前的国 际环境下，仿制的路子是走不通的。二是购买国外公司的技术许可。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆购买技术许可需要支付高额费用，并且时间进度也不能保证，要花费很长的时间排队等待。购买技术又分为两种：购买使用权或者所有权，一般而言，国外较少将所有权卖出， 使用权也仅限于某个很具体的产品，稍有改动就必须另行购买。风力发电是对国 家能源战略和环保战略有积极影响的新兴大产业，叶片设计技术和制造技术的突破将打破国外公司的技术垄断，降低整机成本，对风电设备技术进步起到有力的推动作用，对风电产业的持续、良性发展有着重要的意义。
3.风电叶片模具设计与制造技术
3.1模具设计技术
①模具壳体结构层设计
模具壳体结构层又分为内结构层、外结构层以及加固层。控制模具的各向同性是实现尺寸精确度及稳定性、传热均匀性的重要手段。一般采用0/45/90/－45四轴玻璃纤维织物对模具复合材料结构层进行各向同性设计，保证模具复合材料层结构和传热上的均匀性，避免和消除一部分施工过程中产生的内应力。此外，通过借助 CAE 技术对模具的受力进行分析研究，根据分析结果在模具被覆层一些重要部位进行加固，夹芯加筋结构的使用可增强模具复合材料层的刚性，对稳定模具尺寸有重要作用。
②模具支撑钢架结构设计
钢架结构用来支撑上、下半个模具，首先必须满足强度和刚度要求。在模具起吊、翻转时，模具钢结构必须能够承受大约 20t 的重力而本身无塑性变形，其中包括半个叶片（3t） 与上模自重（17t）。在玻璃钢模具制造过程中，其刚度和重量是两个相互矛盾而又十分重要的因素。对钢架结构进行优化设计可以在保证其强度、刚度的同时减轻重量，从而减轻整个模具的重量，对降低成本、运输起到很大作用。
③模具加热系统设计
目前风电叶片模具最有效且最流行的加热方式为水加热和电加热。模具温度场的均匀性、可靠性以及加热效率等在叶片生产中起着至关重要的作用，最普遍的做法是在模具结构层中分区预埋加热系统，通过温度控制系统、导热层等措施实现精确控温，保证模具温度场的均匀性。进行加热系统设计之前首先应根据模具加热区域的面积进行局部加热试验，确保加热能达到工艺设计要求。加热系统设计应考虑模具大小和加热功率，单个回路加热区域的大小，管路的排布密度和导热方式等因素。
3.2模具制造
①阳模制造
通常阳模有两种制作方法，一种是购买成品叶片进行打磨修整，使其光滑顺畅并符合叶面曲线要求；一种是自行设计并按照设计要求的曲面，采取数控加工法或手工样板控制法制作。叶壳阳模就是构成叶片上、下型面几何型面的模胎结构上需要有一定的强度和刚度，表面有一定的硬度但主要是几何曲面加工精度要高。
②阴模制造
总体形式为“玻璃钢壳体+钢结构框架”， 上、下型面分体结构形式。“玻璃钢壳体”形成叶片所需的几何形面，具有一定的强度和刚度，表面采用模具胶衣层。在壳体内放置加热系统，保证叶片成型时所需的温度，“钢结构框架”为模具提供主要的强度和刚度，并为模具的定位系统和夹紧/顶出系统提供安装基础。合、启模方式采用下模固定不动，与地面紧固，上模由天车移动与下模合或启的方法，由两部天车吊起上模两端，与下模合在一起，或与下模和叶片分离。吊起前应用顶起 系统进行初始分离操作 。
3.3模具制造过程中需要注意的几个问题
①胶衣分层
胶衣分层主要是表面层与内结构层的分层，一般要求表面粗糙，无粉尘颗粒。
②模具基圆收缩变形
目前大型模具制造一般采用环氧树脂作为基体材料，固化时存在一定的收缩，在模具后固化前，必须用钢板将模具基圆进行加固，否则基圆失效将会影响叶片基圆的圆度。
③铜管冻裂
在北方及零度以下的地区，当模具不经常使用时，必须将模具里的水用空气压缩泵完全吹出后方可进行室外放置及转运，否则铜管里的水易结冰，冰的密度比水小，铜管体积不变，在严重时撑爆铜管，造成极大的维修难度。
结语
随着煤、石油、天然气等传统化石能源耗尽时间表的日益临近，风能的开发和利用越来越得到人们的重视，已成为能源领域最具商业推广前景的项目。国内叶片自主研发能力薄弱，是影响我国风电设备技术进步的瓶颈之一。 叶片质量的好坏绝大部分取决于模具质量的优劣，目前我国大型、复杂、高精度的复合材料模具设计、制造和加工技术还很缺乏，核心技术还不具备，模具设计、校核及工艺技术人员的经验尚不足。叶片行业的可持续发展，急需形成自主高质量的模具设计制造技术。
参考文献
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[3]李良君.风力发电机叶片模具制造[J].产业与科技论坛，2013.
[4]杨帅，尹秀云，翟辉.MW级风力发电叶片模具温度控制系统设计[J].制造业自动化，2013.
论文作者:马俊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/4/28
标签：叶片论文; 模具论文; 风电论文; 技术论文; 结构论文; 刚度论文; 模具设计论文; 《电力设备》2017年第35期论文;