復(fù)合材料增強(qiáng)風(fēng)機(jī)葉片智能減震控制前景分析

焦曉熠 張眾堯 高全浩

摘 要：由于日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，各國都加大了對(duì)于清潔能源研究和開發(fā)的投入。而作為主要的一種清潔能源——風(fēng)能，發(fā)電時(shí)為了追求效率，使葉片更加大型化，導(dǎo)致在工作過程中更加容易發(fā)生顫振，損壞葉片。本文介紹的是在葉片上粘貼或嵌入壓電材料，通過給壓電材料施加一定電壓來達(dá)到主動(dòng)控制的目的。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；智能減震；風(fēng)機(jī)葉片

隨著碳排放對(duì)世界環(huán)境的影響日益嚴(yán)重，各國都將目光投向了對(duì)清潔能源的應(yīng)用。而風(fēng)能以其豐富的儲(chǔ)量、高度的可再生性和無公害的清潔性，更加成為清潔能源的主流。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2006年到2007年間，全球風(fēng)能裝機(jī)量劇增，截至2007年，裝機(jī)量已達(dá)到9萬兆瓦，比2006年增加了27%，預(yù)計(jì)在近30年內(nèi)，風(fēng)能市場將以每年25%的速度遞增。與此同時(shí)，我國的風(fēng)能儲(chǔ)量高居世界首位，約為10億千瓦。進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)，風(fēng)能的作用不可小覷。作為風(fēng)力發(fā)電的主要設(shè)備——風(fēng)機(jī)，葉片在其整機(jī)成本占的比重可達(dá)25%-28%，是風(fēng)機(jī)中極重要的一部分。然而，為了使成本降低，提高發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，設(shè)計(jì)師將風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的尺寸大大增加。與此同時(shí)，增大尺寸也無法避免地帶來了副作用——葉片更加呈現(xiàn)出柔性化，剛度明顯降低。

一、顫振現(xiàn)象

正如上文提到的，葉片的大型化帶來了剛度不足的缺點(diǎn)，使葉片在工作過程中，更容易發(fā)生不自主的運(yùn)動(dòng)，影響周圍的風(fēng)場，導(dǎo)致作用于葉片的風(fēng)載荷也發(fā)生改變，產(chǎn)生了彈性力、慣性力以及空氣動(dòng)力的相互作用，讓葉片的各個(gè)模態(tài)發(fā)生了耦合，形成氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定——顫振[ 1 ]。

而這種情況會(huì)讓葉片發(fā)生劇烈振動(dòng)，在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生葉片斷裂、損毀等情況，對(duì)人員和物資造成損壞，因此，如何控制顫振現(xiàn)象就成了亟待解決的一個(gè)重要問題。

二、運(yùn)用復(fù)合材料增強(qiáng)葉片

由于葉片在其使用壽命中要經(jīng)歷108次疲勞交變，因此需要對(duì)葉片的強(qiáng)度進(jìn)行增加，使其不容易產(chǎn)生形變，引起顫振現(xiàn)象[ 2 ]。

增強(qiáng)葉片強(qiáng)度，可在設(shè)計(jì)和制造之時(shí)，運(yùn)用復(fù)合材料，使葉片在保持較小質(zhì)量的同時(shí)，還能獲得更高的強(qiáng)度。

（一）玻璃纖維復(fù)合材料（GRP）

玻璃纖維復(fù)合材料（GRP）是目前增強(qiáng)葉片強(qiáng)度的主流復(fù)合材料之一，選用GRP的原因主要有以下幾點(diǎn)：

①選用GRP，可根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的受力特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，更加符合葉片的工作情況，使設(shè)計(jì)更加合理。

②葉片更易成型，并使氣動(dòng)效率大大提高。使用金屬制造葉片，相較使用GRP而言，不僅難以成型，而且還沒有辦法針對(duì)不同角度，不同位置的部件進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，而使用GRP葉片可大大降低制造的難度，更易達(dá)到批量生產(chǎn)。

③從投入使用到報(bào)廢，葉片要經(jīng)受10^8次以上疲勞交變，因此，用于制造葉片的材料需要具有良好的疲勞性能。而GRP材料的優(yōu)點(diǎn)就是抗震性能好，疲勞強(qiáng)度高，因此，選用GRP作為制造風(fēng)機(jī)葉片的材料非常合適。

④風(fēng)力機(jī)工作環(huán)境較為惡劣，多為沙漠、海邊等使材料易受侵蝕的地區(qū)，需要材料具有耐酸、堿、水汽的性能。而GRP具有良好的耐腐蝕，在保證使用質(zhì)量的前提下，能使葉片的使用年限大大增加[ 3 ]。

（二）碳纖維復(fù)合材料

葉片的大型化，不僅易于產(chǎn)生顫振現(xiàn)象，還使葉片的重量也大大增加。給葉片的安裝、保養(yǎng)和更換都增大了難度。因此，增加葉片剛性，減小葉片重量就成了運(yùn)用大型葉片亟待解決的問題。在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)還要減輕葉片質(zhì)量，采取碳纖維增強(qiáng)葉片是一個(gè)有效的方案。碳纖維復(fù)合材料的彈性模量是GRP的2～3倍。而在剛度更好的同時(shí)，碳纖維還有著比GRP更輕的質(zhì)量，因此，在大型葉片的設(shè)計(jì)中采用碳纖維材料，能充分發(fā)揮其高強(qiáng)度、低質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。

三、運(yùn)用壓電材料對(duì)葉片振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制

選用壓電材料對(duì)葉片振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制，其好處主要有兩點(diǎn)：

第一，壓電材料由于其雙向轉(zhuǎn)換的性質(zhì)，在工作中能起到傳感器和致動(dòng)器兩種作用。

第二，壓電材料其本身質(zhì)量較輕，在工作中能耗較低，且穩(wěn)定性好，具有良好性能，是目前研究和使用最為廣泛的智能材料之一[ 4 ]。

在葉片中運(yùn)用壓電材料，就是在設(shè)計(jì)葉片時(shí)，把壓電材料粘貼在葉片需要進(jìn)行控制的表面，通過給壓電材料施加一定電壓，以達(dá)到主動(dòng)控制的目的。

四、結(jié)語

對(duì)于時(shí)時(shí)都有霧霾籠罩的今天，尋找方法解決環(huán)境問題無疑是最亟待解決的問題。然而，環(huán)境和發(fā)展就像是難以調(diào)和的水和油——專注于環(huán)境問題的解決，勢必會(huì)拖慢發(fā)展的速度，而專注于發(fā)展，又會(huì)造成難以彌補(bǔ)的環(huán)境問題。而平衡這兩個(gè)難題的關(guān)鍵就在于對(duì)清潔能源的開發(fā)和應(yīng)用。既不污染環(huán)境，也能為發(fā)展提供充足的能源供給——新能源，勢必成為未來能源開發(fā)的方向和解決環(huán)境與發(fā)展矛盾的鑰匙。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任勇生，杜向紅，楊樹蓮.風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料柔性葉片的顫振分析[J].振動(dòng)與沖擊，2011（09）：64-69.

[2] 喬印虎，朱志堅(jiān)，張春燕.IIR濾波器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)保護(hù)儀上的應(yīng)用[J].機(jī)電工程，2007，24（2）：8-10.

[3] 陳宗來，陳余岳.大型風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片技術(shù)及進(jìn)展[J].2005（3）：53-56.

[4] 喬印虎，韓江，張春燕，陳杰平.智能復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)與有限元分析[J].材料工程，2013（5）：57-61.

注：“2016年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”資助項(xiàng)目