風(fēng)力被認(rèn)為是目前可獲得的最清潔，最環(huán)境友好的能源之一，并且風(fēng)力渦輪機(jī)在這點(diǎn)上已獲得越來(lái)越多的關(guān)注?，F(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)通常包括塔架、發(fā)電機(jī)、變速箱、機(jī)艙和一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片。轉(zhuǎn)子葉片使用已知的翼片原理捕獲風(fēng)的動(dòng)能。轉(zhuǎn)子葉片傳送以旋轉(zhuǎn)能形式的動(dòng)能，以便轉(zhuǎn)動(dòng)將轉(zhuǎn)子葉片聯(lián)接至變速箱(或如果未使用變速箱，則直接地聯(lián)接至發(fā)電機(jī))的軸。發(fā)電機(jī)然后將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，電能可部署至公用電網(wǎng)。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)市場(chǎng)觀察，GE通過(guò)3D打印技術(shù)積極布局對(duì)自身產(chǎn)業(yè)的變革。

更好的風(fēng)能

風(fēng)力渦輪的回轉(zhuǎn)支承軸承

通常，風(fēng)力渦輪包括塔架、安裝在塔架上的機(jī)艙和聯(lián)接到機(jī)艙的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子大體上包括可旋轉(zhuǎn)的轂和聯(lián)接到轂并從轂向外延伸的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片。每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片可圍繞轂間隔開(kāi)，以便于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，使得動(dòng)能能夠被轉(zhuǎn)換成可用的機(jī)械能，然后該機(jī)械能可被傳輸?shù)皆O(shè)置在機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)，以用于產(chǎn)生電能。

為了使機(jī)艙和轉(zhuǎn)子葉片相對(duì)于風(fēng)的方向正確定向，風(fēng)力渦輪典型地包括一個(gè)或多個(gè)偏航軸承或變槳軸承。偏航軸承允許機(jī)艙旋轉(zhuǎn)，并安裝在塔架和機(jī)艙之間。變槳軸承允許轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)，并安裝在可旋轉(zhuǎn)轂和轉(zhuǎn)子葉片之間。

目前，偏航軸承和變槳軸承是回轉(zhuǎn)支承軸承，其包括外座圈和內(nèi)座圈，在外座圈和內(nèi)座圈之間有多個(gè)滾珠軸承。此外，典型的變槳軸承包括在內(nèi)座圈上的多個(gè)齒輪齒，而典型的偏航軸承包括在外座圈上的多個(gè)齒輪齒。因此，一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配置成通過(guò)接合齒輪齒來(lái)驅(qū)動(dòng)軸承。

常規(guī)變槳軸承和偏航軸承的內(nèi)座圈和外座圈經(jīng)由鍛造過(guò)程制造，該過(guò)程可能是耗時(shí)且昂貴的。因此，GE將增材制造技術(shù)用于制造風(fēng)力渦輪的偏航軸承和變槳軸承的改進(jìn) 。

風(fēng)力渦輪機(jī)艙的詳細(xì)內(nèi)部視圖© GE專利

風(fēng)力渦輪的偏航軸承透視圖© GE專利

根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的市場(chǎng)研究了解，GE經(jīng)由增材制造過(guò)程將涂層材料施加到多個(gè)齒輪齒的至少一部分。涂層材料不同于基底材料。增材制造包括冷噴涂、熱噴涂、激光熔覆、粘合劑噴射、材料噴射、定向能量沉積、粉末床選區(qū)金屬熔化等技術(shù)種類。涂層材料包括氮化硼、氧化鋁、碳化硅、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(zhì)轉(zhuǎn)子葉片構(gòu)件(如抗剪腹板)

風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片大體包括通常利用模制工藝形成的吸入側(cè)殼和壓力側(cè)殼，吸入側(cè)殼和壓力側(cè)殼在沿葉片的前緣和后緣的粘合線處粘合在一起。此外，壓力殼和吸入殼是相對(duì)輕質(zhì)的，并且具有未構(gòu)造成承受操作期間施加在轉(zhuǎn)子葉片上的彎矩和其它負(fù)載的結(jié)構(gòu)性質(zhì)(例如，剛度、抗屈曲度和強(qiáng)度)。因此，為了增加轉(zhuǎn)子葉片的剛度、抗屈曲度和強(qiáng)度，通常使用接合殼半部的內(nèi)部壓力側(cè)表面和吸入側(cè)表面的一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(例如，在其間構(gòu)造有抗剪腹板的相對(duì)的翼梁帽)來(lái)增強(qiáng)主體殼。

轉(zhuǎn)子葉片的橫截面視圖© GE專利

這種結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常由各種材料構(gòu)成，包括但不限于玻璃纖維層壓復(fù)合物和/或碳纖維層壓復(fù)合物。更具體地說(shuō)，轉(zhuǎn)子葉片的殼大體通過(guò)將纖維織物層堆疊在殼模具中而圍繞葉片的翼梁帽構(gòu)建。然后通常將這些層與樹(shù)脂材料一起灌注。此外，通常使用類似的模制工藝來(lái)構(gòu)造抗剪腹板，且然后將抗剪腹板安裝在翼梁帽之間。

隨著轉(zhuǎn)子葉片的尺寸繼續(xù)增加，翼梁帽和抗剪腹板的尺寸也增加并且增加了整個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的重量。因此，不停在尋找新的和改進(jìn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如抗剪腹板)及其制造方法成為制造商的追求，而更高性能的結(jié)構(gòu)構(gòu)件為轉(zhuǎn)子葉片提供所需的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)還使轉(zhuǎn)子葉片的總重量最小化。

根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的市場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn)，GE在探索通過(guò)3D打印-增材制造、自動(dòng)纖維沉積的技術(shù)以及利用CNC控制和多種自由度來(lái)沉積材料制造具有格構(gòu)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)轉(zhuǎn)子葉片構(gòu)件(如抗剪腹板)。這其中由3D打印形成轉(zhuǎn)子葉片構(gòu)件的內(nèi)部格構(gòu)結(jié)構(gòu)包括多個(gè)開(kāi)孔。

 葉片

讓風(fēng)機(jī)變得更高后，更輕則是下一個(gè)追求。3D科學(xué)谷了解到GE與美國(guó)能源部建立合作，研究使用3D打印制造風(fēng)機(jī)葉片。這個(gè)為期25個(gè)月、耗資670萬(wàn)美元的項(xiàng)目將重點(diǎn)研究如何通過(guò)低成本的熱塑性材料和3D打印技術(shù)制造一套風(fēng)機(jī)葉片的葉尖部分。完成后，GE團(tuán)隊(duì)及其合作伙伴——橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室將對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行測(cè)試，并將三套葉尖安裝到風(fēng)機(jī)上。

對(duì)于技術(shù)創(chuàng)新的不斷追求促使GE一直在尋求改良葉片生產(chǎn)制造的方式，包括將3D打印技術(shù)與熱成型、自動(dòng)化和熱塑性材料等先進(jìn)工藝結(jié)合起來(lái)。

目前，風(fēng)機(jī)葉片大多是由在玻璃纖維和碳纖維中加入環(huán)氧樹(shù)脂或聚酯樹(shù)脂的復(fù)合材料制成的，而使用輕型熱塑性復(fù)合材料和3D打印的葉片則具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括：

- 輕型葉片可以帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更多動(dòng)力，提高風(fēng)機(jī)的發(fā)電量

- 輕型葉片可以減輕對(duì)塔筒和輪軸的負(fù)載，減少齒輪箱、傳動(dòng)系統(tǒng)、軸承和基座的磨損，從而降低全生命周期成本

- 熱塑性材料更方便進(jìn)行拆除后的熔化和回收

葉尖部分完成后，GE團(tuán)隊(duì)接下來(lái)還會(huì)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片的其他部分。20多年前，GE開(kāi)始在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中引入輕型復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。今天，通過(guò)合作伙伴的共同努力，GE正在把更先進(jìn)的材料技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片中，以降低風(fēng)電度電成本，提高性能，并持續(xù)推動(dòng)行業(yè)的綠色低碳發(fā)展。

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