桑迪亚国家实验室与 Wetzel Wind Energy Services 和 Stratasys Direct Inc. 合作，设计了一种创新的涡轮叶片尖端，可以显著提高风能生产效率。这项新设计是增材制造系统集成尖端 (AMSIT) 项目的一部分，该项目旨在将先进技术集成到风力涡轮机组件中，最终降低风力涡轮机发电成本。
AMSIT 翼尖和翼尖小翼与叶片根部的 3D 扫描精确对齐（插图），并连接到附在叶片短柱上的 3D 打印测试件。图中未显示表面纹理和前缘保护。（照片由 Brent Houchens 拍摄）
涡轮叶片设计的新方法
AMSIT 项目由美国能源部先进材料和制造技术办公室资助，旨在解决涡轮叶片制造目前面临的几个挑战。其中包括手动复合纤维环氧树脂工艺的问题、导致叶片缺陷的质量控制问题、侵蚀损坏以及运输大型叶片的高成本和复杂性。
该项目的关键创新是使用 3D 打印技术来创建模块化叶片尖端。AMSIT 项目首席研究员 Brent Houchens 解释说：“3D 打印通过集成技术提供了解决所有这些问题的途径。我们考虑使用翼尖来增加升力，使用表面纹理来减少流动分离，并使用特征来改善前缘的防腐蚀和防雷保护。”
这款 3D 打印叶片尖端专为配备 13 米叶片的 200 千瓦级涡轮机而设计，可替代约 15% 的传统叶片尖端。新设计通过上风翼和表面纹理提高了空气动力学性能，同时还集成了防腐蚀和防雷保护。该设计的模块化特性使更换受损尖端（例如被雷击中的尖端）更加容易和快速，从而可能减少停机时间和维护成本。
点云扫描捕捉了叶片在移除外壳之前和之后的图像，确保新的 3D 打印尖端（左）与叶片根部（右）完美对齐。研究人员计划在未来使用叶片根部来测试各种尖端设计。（摄影：Brent Houchens）
对风能成本的影响
AMSIT 项目的主要目标之一是降低风力涡轮机使用寿命内的平准化电力成本 (LCOE)。初始模型表明，新的叶片尖端设计可以在风速低于每秒 10 米时平均将 LCOE 降低 3%-4%。这一降低是在不改变涡轮机最大额定功率的情况下实现的，因此可以在现有机器上测试 AMSIT 叶片。
3D 打印与涡轮叶片制造的结合也为探索使用传统方法难以生产的复杂几何形状开辟了新的可能性。随着 3D 打印技术的进步和成本效益的提高，AMSIT 等设计的 LCOE 预计将继续下降。
测试和实地考察
为了确保 3D 打印材料的耐用性，AMSIT 研究人员进行了实验室测试，模拟叶片尖端遭受雷击的情况。这些测试包括直接击中模拟防雷系统、远离系统的表面雷击以及没有任何保护的雷击。这些测试的结果将为叶片尖端的进一步开发和优化提供参考。
该团队还使用激光扫描将 3D 打印的叶尖与现有叶片精确匹配。叶片的外壳被拆除，以安装新的叶尖和翼尖，然后进行地面结构测试。这些组件将在位于德克萨斯州拉伯克的桑迪亚规模化风电场技术基地进一步测试，并在那里进行现场演示。
Brent Houchens 表示，AMSIT 项目展示了 3D 打印如何提高风能性能并降低成本。“AMSIT 项目展示了如何通过 3D 打印集成技术来提高空气动力学性能并降低维修成本，从而降低风能成本，”他说。项目完成后，经过修改的叶片根部和短截线将可用于测试其他新颖的尖端设计，为风力涡轮机技术的未来创新铺平道路。
来源：sandia.gov
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