風力被認為(wei) 是目前可獲得的最清潔，最環境友好的能源之一，並且風力渦輪機在這點上已獲得越來越多的關(guan) 注。現代風力渦輪機通常包括塔架、發電機、變速箱、機艙和一個(ge) 或多個(ge) 轉子葉片。轉子葉片使用已知的翼片原理捕獲風的動能。轉子葉片傳(chuan) 送以旋轉能形式的動能，以便轉動將轉子葉片聯接至變速箱(或如果未使用變速箱，則直接地聯接至發電機)的軸。發電機然後將機械能轉換成電能，電能可部署至公用電網。根據3D科學穀的市場觀察，GE通過3D打印技術積極布局對自身產(chan) 業(ye) 的變革。

l 點擊文中出現的紅色字體(ti) 打開延伸閱讀 l

l 歡迎轉載l

....

更好的風能

/ 風力渦輪的回轉支承軸承

通常，風力渦輪包括塔架、安裝在塔架上的機艙和聯接到機艙的轉子。轉子大體(ti) 上包括可旋轉的轂和聯接到轂並從(cong) 轂向外延伸的多個(ge) 轉子葉片。每個(ge) 轉子葉片可圍繞轂間隔開，以便於(yu) 旋轉轉子，使得動能能夠被轉換成可用的機械能，然後該機械能可被傳(chuan) 輸到設置在機艙內(nei) 的發電機，以用於(yu) 產(chan) 生電能。

為(wei) 了使機艙和轉子葉片相對於(yu) 風的方向正確定向，風力渦輪典型地包括一個(ge) 或多個(ge) 偏航軸承或變槳軸承。偏航軸承允許機艙旋轉，並安裝在塔架和機艙之間。變槳軸承允許轉子葉片旋轉，並安裝在可旋轉轂和轉子葉片之間。

目前，偏航軸承和變槳軸承是回轉支承軸承，其包括外座圈和內(nei) 座圈，在外座圈和內(nei) 座圈之間有多個(ge) 滾珠軸承。此外，典型的變槳軸承包括在內(nei) 座圈上的多個(ge) 齒輪齒，而典型的偏航軸承包括在外座圈上的多個(ge) 齒輪齒。因此，一個(ge) 或多個(ge) 驅動機構配置成通過接合齒輪齒來驅動軸承。

常規變槳軸承和偏航軸承的內(nei) 座圈和外座圈經由鍛造過程製造，該過程可能是耗時且昂貴的。因此，GE將增材製造技術用於(yu) 製造風力渦輪的偏航軸承和變槳軸承的改進 。

▲風力渦輪機艙的詳細內(nei) 部視圖

GE專(zhuan) 利

▲風力渦輪的偏航軸承透視圖

GE專(zhuan) 利

根據3D科學穀的市場研究了解，GE經由增材製造過程將塗層材料施加到多個(ge) 齒輪齒的至少一部分。塗層材料不同於(yu) 基底材料。增材製造包括冷噴塗、熱噴塗、激光熔覆、粘合劑噴射、材料噴射、定向能量沉積、粉末床選區金屬熔化等技術種類。塗層材料包括氮化硼、氧化鋁、碳化矽、碳化鎢、鎳基合金或能夠提供期望硬度的任何其它材料。

/ 輕質轉子葉片構件(如抗剪腹板)

風力渦輪機轉子葉片大體(ti) 包括通常利用模製工藝形成的吸入側(ce) 殼和壓力側(ce) 殼，吸入側(ce) 殼和壓力側(ce) 殼在沿葉片的前緣和後緣的粘合線處粘合在一起。此外，壓力殼和吸入殼是相對輕質的，並且具有未構造成承受操作期間施加在轉子葉片上的彎矩和其它負載的結構性質(例如，剛度、抗屈曲度和強度)。因此，為(wei) 了增加轉子葉片的剛度、抗屈曲度和強度，通常使用接合殼半部的內(nei) 部壓力側(ce) 表麵和吸入側(ce) 表麵的一個(ge) 或多個(ge) 結構構件(例如，在其間構造有抗剪腹板的相對的翼梁帽)來增強主體(ti) 殼。

▲轉子葉片的橫截麵視圖

GE專(zhuan) 利

這種結構構件通常由各種材料構成，包括但不限於(yu) 玻璃纖維層壓複合物和/或碳纖維層壓複合物。更具體(ti) 地說，轉子葉片的殼大體(ti) 通過將纖維織物層堆疊在殼模具中而圍繞葉片的翼梁帽構建。然後通常將這些層與(yu) 樹脂材料一起灌注。此外，通常使用類似的模製工藝來構造抗剪腹板，且然後將抗剪腹板安裝在翼梁帽之間。

隨著轉子葉片的尺寸繼續增加，翼梁帽和抗剪腹板的尺寸也增加並且增加了整個(ge) 轉子葉片的重量。因此，不停在尋找新的和改進的結構構件(如抗剪腹板)及其製造方法成為(wei) 製造商的追求，而更高性能的結構構件為(wei) 轉子葉片提供所需的強度和剛度，同時還使轉子葉片的總重量最小化。

根據3D科學穀的市場研究發現，GE在探索通過3D打印-增材製造、自動纖維沉積的技術以及利用CNC控製和多種自由度來沉積材料製造具有格構結構的輕質轉子葉片構件(如抗剪腹板)。這其中由3D打印形成轉子葉片構件的內(nei) 部格構結構包括多個(ge) 開孔。

/ 葉片

讓風機變得更高後，更輕則是下一個(ge) 追求。3D科學穀了解到GE與(yu) 美國能源部建立合作，研究使用3D打印製造風機葉片。這個(ge) 為(wei) 期25個(ge) 月、耗資670萬(wan) 美元的項目將重點研究如何通過低成本的熱塑性材料和3D打印技術製造一套風機葉片的葉尖部分。完成後，GE團隊及其合作夥(huo) 伴——橡樹嶺國家實驗室和美國國家可再生能源實驗室將對產(chan) 品的結構特性進行測試，並將三套葉尖安裝到風機上。

對於(yu) 技術創新的不斷追求促使GE一直在尋求改良葉片生產(chan) 製造的方式，包括將3D打印技術與(yu) 熱成型、自動化和熱塑性材料等先進工藝結合起來。

目前，風機葉片大多是由在玻璃纖維和碳纖維中加入環氧樹脂或聚酯樹脂的複合材料製成的，而使用輕型熱塑性複合材料和3D打印的葉片則具有多項優(you) 勢，包括：

- 輕型葉片可以帶動風機轉子產(chan) 生更多動力，提高風機的發電量

- 輕型葉片可以減輕對塔筒和輪軸的負載，減少齒輪箱、傳(chuan) 動係統、軸承和基座的磨損，從(cong) 而降低全生命周期成本

- 熱塑性材料更方便進行拆除後的熔化和回收

葉尖部分完成後，GE團隊接下來還會(hui) 將3D打印技術應用於(yu) 風機葉片的其他部分。20多年前，GE開始在航空發動機中引入輕型複合材料風扇葉片。今天，通過合作夥(huo) 伴的共同努力，GE正在把更先進的材料技術應用於(yu) 風機葉片中，以降低風電度電成本，提高性能，並持續推動行業(ye) 的綠色低碳發展。

l3D科學穀全球戰略合作夥(huo) 伴AMPower曾預測，金屬3D打印領域，以粘結劑噴射為(wei) 代表的間接金屬3D打印將以加速發展的態勢超越當前基於(yu) 粉末床的選區金屬熔化3D打印技術的市場占有率。關(guan) 於(yu) 全球增材製造技術與(yu) 市場發展趨勢洞察，歡迎參加2021年5月27日國家會(hui) 展中心（7.1號館）舉(ju) 辦的TCT亞(ya) 洲3D打印、增材製造展覽會(hui) 期間3D科學穀創始人Kitty關(guan) 於(yu) 《全球增材製造市場技術趨勢、市場概況及發展預測，中國市場典型產(chan) 業(ye) 化應用》的主題分享。