JBT 10194-2000 风力发电机组风轮叶片(高清版).pdf
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1、ICS 65.060.99 F11 JB/T 101942000 风力发电机组风轮叶片 Rotor blades of wind turbine 2000-04-24 发布 2000-10-01 实施国 家 机 械 工 业 局 发 布 I前 言II 1 范围1 2 引用标准1 3 定义1 4 缩略语4 5 载荷情况定义5 6 设计要求5 7 环境适应性7 8 安全和环保7 9 叶片材料要求7 10 工艺要求10 11 质量保证12 12 试验方法12 13 检验规则及验收18 14 叶片的标志和使用维护说明书19 15 叶片包装、贮存、运输19 附录 A(标准的附录)载荷情况定义21 附录 B
2、(标准的附录)强度计算39 JB/T 101942000 目 次 II前 言 本标准的制订参考了 IEC 614001、IEC 6140023、丹麦标准 DS472 以及德国劳埃德风力发电机组认证规范等标准,对风力发电机组风轮叶片的设计、制造、材料、技术条件、试验方法、检验规则以及叶片的包装、运输和贮存等有关内容给出了通用性技术要求。供国内开发研制风力发电机组风轮叶片参照执行。本标准的附录 A 和附录 B 都是标准的附录。本标准由全国风力机械标准化技术委员会提出并归口。本标准起草单位:中国航空工业总公司保定螺旋桨制造厂、上海玻璃钢研究所。本标准主要起草人:田野、石海增、鲁金华、田卫国、陈余岳。
3、JB/T 101942000 1 1 范围 本标准规定了风力发电机组风轮叶片的通用技术条件。本标准适用于风轮扫掠面积等于或大于 40m2的水平轴风力发电机组风轮叶片。2 引用标准 下列标准所包含的条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时,所示版本均为有效。所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB/T 14471983 玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法 GB/T 14491983 玻璃纤维增强塑料弯曲性能试验方法 GB/T 14631988 纤维增强塑料密度和相对密度 试验方法 GB/T 25761989 纤维增强塑料树脂不可溶分含量试验方法
4、 GB/T 25771989 玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法 GB/T 33561999 单向纤维增强塑料弯曲性能试验方法 GB 9969.11998 工业产品使用说明书 总则 GB/T 139811992 风力机设计通用要求 GB/T 190011994 质量体系 设计、开发、生产、安装和服务的质量保证模式 GB/T 190021994 质量体系 生产、安装和服务的质量保证模式 ISO 12944.31998 涂料和油漆用保护涂料进行钢结构防腐 第 3部分:设计依据 ISO 12944.51998 涂料和油漆用保护涂料进行钢结构防腐 第 5部分:涂料保护系统 IEC 61400241999
5、 结构防雷击保护 第 1 部分:总则 3 定义 本标准采用下列定义。3.1 制动 能有效地降低风轮转速或使其停止转动的手段。3.2 切入风速 风力发电机组开始输出有用功率时,在轮毂高度处的最小风速。3.3 切出风速 设计时规定的风力发电机组输出有用功率时,在轮毂高度处的最大风速。3.4 短期切出风速 使安全系统立即触发的风速。国家机械工业局 2000-04-24 批准 中 华 人 民 共 和 国 机 械 行 业 标 准 风力发电机组风轮叶片 Rotor blades of wind turbine JB/T 101942000 2000-10-01 实施 JB/T 101942000 23.5
6、 设计极限 设计中使用的最大或最小值。3.6 设计工况 机组可能发生的运行模式(如发电、停机等)。3.7 外界条件 影响风力发电机组运行的因素,包括风况和其它气象因素(如温度、盐雾、沙尘等)。3.8 阵风 风速的瞬间变化。可以通过它的形成时间、强弱和持续时间来表示其特性。3.9 水平轴风力发电机组 风轮轴与风向基本平行的风力发电机组。3.10 轮毂 能将叶片或叶片组件安装在风轮轴上的装置。3.11 轮毂高度 风轮中心距地面的高度。3.12 待机 风力发电机组慢速运转无功率输出的状态。3.13 极限状态 载荷作用于结构上的一种状态,若超出此范围,则结构不再满足设计要求(见 ISO 2394)。3
7、.14 载荷情况 结合考虑设计工况和外界条件所产生的结构载荷。3.15 平均风速 在一给定的时间段内,瞬时风速的平均统计值,时间段可以从几秒钟到许多年。3.16 停机 风力发电机组正常关机以后的状态。3.17 输出功率 以特定的方式,为达到特定的目的通过一种装置输出的功率。3.18 安全系统 使机组保持在设计极限范围内的安全保护装置。3.19 额定功率 部件、装置或设备在规定的运行条件下能达到的功率,通常由制造商给出。3.20 额定风速 风力发电机组达到额定功率时的特定风速。3.21 风轮转速 风力发电机组风轮绕其轴的旋转速度。3.22 扫掠面积 风轮叶尖旋转运动所作的圆在垂直于风速矢量平面的
8、投影面积。3.23 风切变 JB/T 101942000 3 在垂直于风向的平面内,风速随高度的变化。3.24 风速 空气通过空间特定点上的瞬时运动速度。3.25 风力发电机组 将风能转变为电能的装置。3.26 瑞利风速分布 在给出的风速频率里用瑞利公式对风速进行的数学描述。3.27 风速频率 一年时间的间距内,相同风速小时数的总和,对于总间距总时数的百分比。3.28 叶尖速度比 同一时刻,叶尖线速度与轮毂高度处风速的比值。3.29 风能利用系数 风轮转换的风的动能与通过风轮扫掠面积的全部风的动能的比值。用 Cp表示。3.30 推力系数 风轮产生的推力与通过风轮扫掠面积的全部风产生的推力的比值
9、。用 Ct表示。3.31 扭矩系数 风轮的输出扭矩与风能对风轮产生的扭矩的比值。3.32 气动性能 表面风轮推力系数、扭矩系数、风能利用系数和叶尖速度比之间关系的属性。3.33 设计使用寿命 风力发电机组在安全风速以下正常工作的设计使用年限。3.34 风轮 由叶片等部件组成的将风能转化为机械能的转动件。3.35 叶片 具有空气动力形状,使风轮绕其轴转动的主要构件。3.36 叶片安装角 叶根确定位置处翼型几何弦与叶片旋转平面所夹的角度。3.37 扭角大小 叶片尖部几何弦与根部几何弦夹角的绝对值。3.38 颤振 风力发电机组风轮叶片在气流中出现自激振动的不稳定状态。3.39 雷诺数 表征流体惯性力
10、和粘性力相对大小的一个无因次相似参数。3.40 相似准则 流动现象的各参数所组成的描述流动特性的无因次量,即判定两个流动现象相似必须遵守的原则。3.41 风洞 在一个按一定要求设计的管道内,产生可控制流动参数的人工气流,供气动实验使用的设备。JB/T 101942000 43.42 风洞试验 利用在风洞试验段中的气流绕模型流动,获得模型气动力特性的试验。3.43 失速 翼型升力系数随迎角增加开始下降,或叶片出现不可承受的抖动或结构振动的异常现象。其机理在于大迎角翼型边界层分离。3.44 中弧线 翼型上下表面内切圆圆心光滑连接起来的曲线。在前部,最小内切圆与翼型周线的切点是中弧线的起点;在后部,
11、最小内切圆与翼型周线的切点是中弧线的终点。3.45 前缘 翼型中弧线的最前点。3.46 后缘 翼型中弧线的最后点。3.47 弦线 连接前缘与后缘的直线。3.48 弦长 弦线的长度。3.49 上弧线 从前缘到后缘,翼型的上部轮廓曲线。3.50 下弧线 从前缘到后缘,翼型的下部轮廓曲线。3.51 厚度 垂直于翼型弦线测得的上下弧线间的距离。一般指最大厚度。3.52 重心 在重力场中,物体处于任何方位时,所有各组成质点重力的合力通过的那一点。3.53 不平衡量 转子某平面上不平衡的量值大小,不涉及不平衡的相角位置。它等于不平衡质量与其质心至轴线距离的乘积。3.54 静平衡 通过调整叶片的质量分布,使
12、每套叶片组成的风轮的不平衡量到达规定的要求。3.55 计数法 把载荷时间历程简化成一系列全循环或半循环,从而编制载荷谱的过程。3.56 雨流计数法 考虑了应力应变迟滞回线的一种计数法。4 缩略语 叶片:风力发电机组风轮叶片 复合材料(FRP):纤维增强塑料 JB/T 101942000 5 5 载荷情况定义 叶片载荷情况定义参考附录 A(标准的附录)。6 设计要求 6.1 气动设计 6.1.1 总则 叶片气动设计是整个机组设计的基础,为了使风力发电机组获得最大的气动效率,建议所设计的叶片在弦长和扭角分布上采用曲线变化;设计方法可采用 GB/T 13981中给定的方法。可采用专门为风力发电机组设
13、计的低速翼型。6.1.2 额定设计风速 叶片的额定设计风速按附录 A 中表 A1 规定的等级进行选取。6.1.3 风能利用系数 CP 为了提高机组的输出能力,降低机组的成本,风能利用系数 CP应大于或等于 0.44。6.1.4 外形尺寸 叶片气动设计应提供叶片的弦长、扭角和厚度沿叶片径向的分布以及所用翼型的外形数据。6.1.5 气动载荷 根据气动设计结果,考虑第 5 章中给定的载荷情况,计算作用在叶片上的气动载荷。6.1.6 使用范围 叶片的气动设计应明确规定叶片的适用功率范围。无论是定桨距叶片还是变桨距叶片,都要求其运行风速范围尽可能宽。对于变桨距叶片,要给出叶片的变距范围。6.2 结构设计
14、 6.2.1 总则 叶片结构设计应根据 6.1.5中的载荷,并考虑机组实际运行环境因素的影响,使叶片具有足够的强度和刚度。保证叶片在规定的使用环境条件下,在其使用寿命期内不发生损坏。另外,要求叶片的重量尽可能轻,并考虑叶片间相互平衡措施。叶片强度通常由静强度分析和疲劳分析来验证。受压部件应校验稳定性。强度分析应在足够多的截面上进行,被验证的横截面的数目取决于叶片类型和尺寸,至少应分析四个截面。在几何形状和/或材料不连续的位置应研究附加的横截面。强度分析既可用应变验证又可用应力验证,对于后者,应额外校验最大载荷点处的应变,以证实没有超过破坏极限。应通过可靠的分析方法和试验验证,证明叶片能满足各种
15、设计使用情况下的静强度和疲劳强度及气动弹性稳定性要求。强度计算见附录 B(标准的附录)。6.2.2 安全系数 叶片的设计安全系数应大于或等于 1.15。6.2.3 刚度 对于复合材料结构叶片,设计时应满足机组振动、气动弹性不稳定性、机械功能等设计目标的要求,还应保证其在承受 50年一遇阵风载荷情况下不损坏及对机组造成灾难性的后果。JB/T 101942000 66.2.4 固有频率 叶片的固有频率应与风轮的激振频率错开,避免产生共振。固有频率既可以通过计算也可以通过实测确定。6.2.5 气动弹性稳定性 应考虑叶片所有设计状态下的颤振及其它不稳定性,使叶片不产生有害的振动,并分析叶片的动态特性。
16、6.2.6 设计使用寿命 叶片的设计使用寿命大于或等于 20 年,结构设计应满足这一要求。叶片的设计使用寿命既可以通过计算,也可以通过疲劳试验确定。用于疲劳分析验证的载荷谱既可以通过计算也可以通过实测的方法确定;载荷循环数可用雨流计数法确定。6.2.7 可靠性 对于叶片中的机械机构,如变桨距叶片的变桨距系统和定桨距叶片的叶尖气动刹车机构(如果有的话),其可靠性应满足用户的要求。6.2.8 物理特性 叶片的结构设计还应给出下列内容:a)叶片的质量及质量分布;b)叶片重心位置;c)叶片转动惯量;d)叶片刚度及刚度分布;e)叶片的固有频率(挥舞、摆振和扭转方向)。6.2.9 接口尺寸 结构设计应给出
17、同轮毂连接的详细接口尺寸。6.3 技术要求 6.3.1 叶片应符合由制造商制定的技术文件要求,叶片图样是叶片的主要技术文件。6.3.2 制造叶片所用的材料应有供应商的合格证明,并符合零件图样规定的牌号。化学成分、力学性能、热处理和表面处理应符合相应标准。6.3.3 叶片的零件、组件及外购件应符合生产的技术文件。6.3.4 为了满足叶片的气动性能,并考虑叶片加工的工艺性及相应的制造成本,下列公差要求是叶片批量生产时应达到的最低值:a)叶片长度公差:(0.13%L)mm,其中 L 为叶片长度;b)叶片型面弦长公差:(1.5%c)mm,其中 c 为翼型型面弦长;c)叶片型面厚度公差:(1%t)mm,
18、其中 t 为翼型型面最大厚度;d)叶片型面扭角公差:0.4;e)叶片成套重量互差:1%;f)叶片轴向重心互差:10mm。JB/T 101942000 7 7 环境适应性 7.1 总则 设计和制造叶片时要考虑环境因素的影响,应进行耐环境设计,采取相应措施,使其具有较高的环境适应性。叶片在一定程度上暴露在腐蚀性环境条件下并且不容易接近。由于运行条件的原因,在许多情况下,不可能重做防腐层,因此重视设计、材料选择和防腐保护措施特别重要。防腐和减轻腐蚀的结构设计对防腐的实施、效果和可修理性具有重大影响。防腐的基本规则见 ISO 129443 和 ISO 129445 的规定。对于不能通过涂层或镀层来防腐
19、的部位,可以选用适当的材料。复合材料叶片应采用胶衣保护层。7.2 环境条件 7.2.1 温度 叶片设计使用温度范围为30+50。7.2.2 湿度 叶片设计使用湿度小于或等于 95%。7.2.3 盐雾 对于在沿海地区运行的风力发电机组,叶片设计时应考虑盐雾对其各部件的腐蚀影响,并采取相应有效的防腐措施。7.2.4 雷电 叶片设计时应充分考虑遭雷击的可能性,并采取相应的雷击保护措施,雷击保护系统的设计按 IEC 61400241999 要求进行。7.2.5 沙尘 叶片设计应考虑沙尘的影响,如沙尘对叶片表面的长期冲蚀,对机械转动部位润滑的影响以及对叶片平衡造成的影响等。7.2.6 辐射 对于复合材料
20、叶片应考虑太阳辐射强度以及紫外线对材料的老化影响。8 安全和环保 8.1 总则 叶片的使用和制造不应对当地居民的安全和环境产生不利影响。8.2 噪声 叶片产生的噪声是机组噪声的一个组成部分,叶片设计时必须考虑这一因素。8.3 环保 制造叶片的材料,尤其是复合材料,在制造过程中可能会产生一些有害的物质,因此,应尽量选择适当的材料,使其在制造和使用过程中不会产生大量有害的粉尘和挥发物,对环境产生不利影响。9 叶片材料要求 9.1 总则 JB/T 101942000 89.1.1 叶片材料选择应遵守下列准则:a)疲劳强度高:b)静强度适当;c)在所有环境下的可靠性;d)重量轻;e)成本低。9.1.2
21、 所选择的材料必须满足设计使用要求,并适合加工制造。9.1.3 所选择材料的性能指标及化学成分应符合现行有效标准或其它有关技术条件要求。9.1.4 材料制造商应具备 GB/T 19002 的质量认证体系,应提供材料的合格证和检验单。9.1.5 材料应有使用说明书,并按其规定使用。9.1.6 主要材料和用于重要零部件的材料,进厂后应进行性能复验,试验类型和范围按设计要求或有关规定进行。9.1.7 不允许使用超期材料,除非经试验证明性能符合要求,并办理有关手续方可使用。9.1.8 代用材料其性能指标及质量等级应与原使用材料相当。9.2 复合材料 9.2.1 增强材料 9.2.1.1 叶片的增强材料
22、通常选择玻璃纤维及其制品,如粗纱、毡、各类织物。必要时可适当选用碳纤维制品。9.2.1.2 纤维表面必须进行保护或附着增强型涂层,并且要适合于使用的层压树脂。9.2.1.3 玻璃纤维应使用 E玻璃纤维、R 或 S玻璃纤维,不得使用其它类型的纤维。9.2.1.4 纤维及其制品的牌号、性能、规格应符合现行国家标准或行业标准。9.2.1.5 性能试验按国家相关标准进行。9.2.2 树脂 9.2.2.1 根据用途和要求,可区分为层压树脂和胶衣树脂,如两种树脂混合在一起,或配套使用,必须证明两种树脂相容,除非两种树脂结构相同。9.2.2.2 胶衣树脂在固化条件下,应具有较好的防潮性和防紫外线辐射及其它有
23、害环境影响的性能,并且应具有良好的耐磨性、低吸水性和高弹性,胶衣树脂中只允许添加触变剂、颜料和固化剂。9.2.2.3 层压树脂在铺层时应有良好的浸渍性能,在固化状态有好的防潮性和高的防老化性能。9.2.2.4 树脂的所有添加物如固化剂、促进剂、催化剂、填料和颜料,要与树脂相协调,并且彼此之间要兼容,保证树脂完全固化。9.2.2.5 填料不得影响树脂的主要性能,填料的类型和填加总量可通过试验确定,在树脂中填料的比例不超过重量的 12%(包括最多 1.5%的触变剂),触变剂的比例在胶衣树脂中不超过重量的 3%。9.2.2.6 颜料应不受气候影响,可由无机或不褪色的有机染料物质组成,颜色由用户决定,
24、填加比例按制造商规定,否则按重量的 5%。9.2.2.7 树脂、固化剂、催化剂、促进剂应根据制造商的工艺说明书使用,通常应选择冷固化系统,即在 1625温度范围内达到良好固化。9.2.2.8 树脂及所有添加物的牌号、规格、性能应符合现行国家标准或有关行业标准。JB/T 101942000 9 9.2.2.9 性能试验按国家相关标准进行。9.2.3 芯材 9.2.3.1 芯材要满足使用要求,并不影响树脂的固化。9.2.3.2 金属材料局部加强件要仔细清洗、去油脂、喷砂或用其他方法得到合适的表面状态,以便达到最佳连接。9.2.3.3 硬质泡沫塑料可以作为芯材,使用的泡沫塑料应为闭孔结构。9.2.3
25、.4 轻质木材可作为芯材,在使用前必须进行灭菌和杀虫处理,并进行热处理及烘干处理,平均水分含量应小于或等于 12%。9.2.4 预浸料 预浸料须满足组件的要求和适当的保存、使用时间,而且树脂含量不低于 30%,在工作温度下有适当的粘性。9.2.5 胶粘剂 9.2.5.1 胶粘剂只允许使用无溶剂胶粘剂,最好使用双组分反应型胶粘剂。如果可能,使用与叶片相同的层压树脂。9.2.5.2 胶粘剂不得降解被粘材料,并能保证叶片的结构性能。9.2.6 玻璃纤维增强塑料层板性能要求 9.2.6.1 玻璃纤维增强塑料层板的性能应满足下列要求:a)树脂含量(重量):40%50%(胶衣、富树脂层除外);b)固化程度
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