風(fēng)機(jī)葉片纖維布鋪層工藝性研究

林 濤，何 明，陶生金，袁維瀚，涂英濤

（國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)（連云港）有限公司，江蘇連云港 222002）

0 引言

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵也是最復(fù)雜的部件，葉片的質(zhì)量直接決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際壽命。目前葉片結(jié)構(gòu)主要以玻璃纖維/碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為主。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是先進(jìn)復(fù)合材料的代表，其增強(qiáng)纖維材料的各向異性特點(diǎn)為葉片鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了極高的靈活性，并且將不同類型的增強(qiáng)材料進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，最終得到最優(yōu)化的鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為盡可能提高風(fēng)機(jī)的整體運(yùn)行效率與可靠性，需設(shè)計(jì)出具有更大風(fēng)能捕獲能力和更低氣動(dòng)載荷的高性能低重量葉片［1］。在風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)根據(jù)需要選擇不同系列翼型進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，如NACA44系列翼型、AE02系列翼型、DU翼型、FFA翼型等。通過(guò)中弧線、前緣半徑、后緣角、弦長(zhǎng)、厚度、彎度［2］再加上風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的預(yù)彎、預(yù)扭等設(shè)計(jì)，這些都決定了葉片結(jié)構(gòu)是一個(gè)不可展曲面［3］。即不能展開(kāi)成平面的曲面，如橢圓面、橢圓拋物面、曲線回轉(zhuǎn)面。

因此在葉片外形上進(jìn)行纖維鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其纖維布的鋪層工藝性會(huì)在一定程度上受到影響，這是因?yàn)槔w維布是平面，而葉片外形是不可展曲面。理論上，平面纖維布是不可能完全貼實(shí)鋪設(shè)在葉片外形上的。實(shí)際鋪設(shè)中，纖維布本身會(huì)有輕微的形變，有研究表明纖維紗線角度是否準(zhǔn)確對(duì)葉片強(qiáng)度會(huì)有很大影響。纖維紗線角度對(duì)葉片強(qiáng)度可靠性的影響，較高強(qiáng)度可靠指標(biāo)值的鋪層纖維角度在45°附近［4］，且某些區(qū)域±45°單層纖維鋪層對(duì)葉片強(qiáng)度的影響要大于0°單層纖維鋪層［5］。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮不同類型纖維布的形變特性及其對(duì)應(yīng)不可展曲面的鋪層工藝性的實(shí)際表現(xiàn)，保證纖維紗線角度鋪設(shè)的可靠性，選擇最合適的纖維布型號(hào)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是保證葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能通過(guò)工藝實(shí)現(xiàn)的技術(shù)保障。

1 鋪層工藝性定義

基于上述分析，本文一方面通過(guò)建立簡(jiǎn)化的鋪層工藝性數(shù)學(xué)表達(dá)式，另一方面通過(guò)對(duì)比不同類型玻纖布在特定模型上的實(shí)際鋪層工藝性及鋪設(shè)質(zhì)量情況，為葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的纖維布選型提供一種思路。

本文將鋪層工藝性P定義為平面纖維布與實(shí)際曲面的尺寸偏差；其分為平面鋪層工藝性P1和方向鋪層工藝性P2兩個(gè)部分。

1.1 平面鋪層工藝性

其鋪層纖維布鋪設(shè)方向不發(fā)生改變，此情況適合后緣單向布之外的所有纖維布鋪層。本文以不可展曲面中的弧線回轉(zhuǎn)面模擬葉片外形，其表達(dá)式：

表達(dá)式（1）的定義：?jiǎn)挝幻娣e范圍內(nèi)，弦向曲率半徑r，軸向曲率半徑R，其曲面強(qiáng)行展開(kāi)為平面后與單位面積平面的最大尺寸偏差。

P1值含義說(shuō)明，單位面積曲面完全展平后的尺寸偏差，其值為0代表其鋪設(shè)性最好，平面纖維布可直接鋪設(shè)沒(méi)有理論褶皺情況。其值不為0代表平面纖維布直接鋪設(shè)在上面會(huì)有理論褶皺情況，具體數(shù)值如0.006，代表每平方米纖維布鋪設(shè)會(huì)形成一個(gè)長(zhǎng)度為6 mm的褶皺，或一個(gè)3 mm的對(duì)折突起。

從表達(dá)式可以推廣至任意曲面的鋪層工藝性表達(dá)式：

但一般葉片外形設(shè)計(jì)不可能存在統(tǒng)一的，甚至單個(gè)截面都沒(méi)有可行的數(shù)學(xué)表達(dá)式，因此，可以采用數(shù)值分析的方法對(duì)即有的葉片外形進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)單塊鋪層結(jié)構(gòu)涉及的葉片外形曲面進(jìn)行均勻數(shù)值分析；相應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式改為數(shù)值分析求和：

1.2 方向鋪層工藝性

鋪層纖維布鋪設(shè)方向發(fā)生改變，此情況在葉片后緣單向布鋪層設(shè)計(jì)中普遍應(yīng)用，其纖維布軸向方向與葉片軸線不一致且是動(dòng)態(tài)變化的。其表達(dá)式：

表達(dá)式（4）的定義：纖維布幅寬W，纖維布方向曲率半徑R′；單位長(zhǎng)度曲面完全展平后的尺寸偏差，其值含義同P1。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

葉片實(shí)際鋪層中，不同纖維布在葉片鋪層中的工藝性不盡相同，三軸布在曲面變化較大區(qū)域非常難鋪設(shè)，會(huì)出現(xiàn)無(wú)法隨型鋪設(shè)的情況，如圖1所示。而同樣區(qū)域雙軸布鋪層隨型情況要好很多，如圖2所示。

圖1 三軸布鋪層情況

圖2 雙軸布鋪層情況

本文選定標(biāo)準(zhǔn)定義曲面選段；此選段的r=1 m，R=10 m，制作標(biāo)準(zhǔn)模具；選取四軸玻纖布，三軸玻纖布，雙軸玻纖布，單向玻纖布分別進(jìn)行了實(shí)際鋪層，測(cè)量其P1值結(jié)果如表1所示。

表1可以看出：四軸玻纖布、三軸玻纖布的實(shí)際鋪層工藝性差，其次單向布，雙軸布最好。其原因?yàn)槿S玻纖布、四軸玻纖布編制緊密，纖維布硬挺度高，鋪設(shè)時(shí)人工鋪設(shè)無(wú)法讓纖維束進(jìn)行束間相對(duì)滑動(dòng)，與理論鋪層工藝性相差很??；單向布因?qū)訑?shù)原因，其褶皺情況要輕微一些；雙軸布情況最好，褶皺情況輕微，且人工鋪設(shè)可將其完全鋪設(shè)貼實(shí)葉片外形；主要原因?yàn)殡p軸布其紋理方向?yàn)?5°，導(dǎo)致其纖維束長(zhǎng)度較短，特別是葉片狹長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，雙軸布長(zhǎng)度一般不超過(guò)10 m，1 m寬的試驗(yàn)區(qū)其長(zhǎng)度不足1.5 m；其纖維束的相對(duì)滑動(dòng)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。

本文選定標(biāo)準(zhǔn)平面，長(zhǎng)度2 m，寬度0.35 m；針對(duì)不同類型玻纖布的方向鋪層工藝性P2進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)果如表2所示。

針對(duì)不同幅寬單向布的方向鋪層工藝性P2進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)果如表3所示。

在葉片外形設(shè)計(jì)確定的情況下，方向鋪層工藝性P2與纖維布幅寬W成正比，即纖維布幅寬W越小，纖維布的方向鋪層工藝性越好。

3 分析及展望

3.1 分析及優(yōu)化建議

在葉片外形設(shè)計(jì)結(jié)束后，通過(guò)計(jì)算葉片不同區(qū)域的理論鋪層工藝性，掌握葉片外形鋪層工藝性的具體分布情況。結(jié)合理論和實(shí)際鋪層工藝性的試驗(yàn)結(jié)果差異，對(duì)鋪層工藝性差的區(qū)域，可以通過(guò)以下方式進(jìn)行優(yōu)化。

（1）優(yōu)化氣動(dòng)外形，r值越大，對(duì)應(yīng)鋪層工藝性越好，可考慮換r值更大的氣動(dòng)截面進(jìn)行啟動(dòng)設(shè)計(jì)。

（2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)屈曲設(shè)計(jì)，R值也大，對(duì)鋪層工藝性越好，可考慮減緩預(yù)彎的優(yōu)化，增加R值。

（3）優(yōu)化纖維布選型，將對(duì)應(yīng)鋪層工藝性較差區(qū)域的三軸布更換為雙軸布+單向布；雙軸布的鋪層工藝性更好，但實(shí)際鋪層中會(huì)發(fā)現(xiàn)雙軸布的纖維方向性比較差，特別是長(zhǎng)距離鋪設(shè)，其方向性和理論設(shè)計(jì)方向偏差較大，在實(shí)際應(yīng)用中不建議大規(guī)模采用雙軸布，特別是對(duì)方向性要求較高的葉型區(qū)域。建議盡量采用三軸布和單向布的設(shè)計(jì)，因三軸布和單向布在軸向方向纖維束是連續(xù)的，且鋪設(shè)過(guò)程受人工鋪層導(dǎo)致纖維局部彎曲的可能性更小，對(duì)保證葉片工藝可實(shí)現(xiàn)性更有助益。

表1 P1值結(jié)果情況

表2 不同類型玻纖布的方向鋪層工藝性

表3 不同幅寬單向布的方向鋪層工藝性

（4）優(yōu)化單層纖維布的鋪設(shè)面積：降低纖維布幅寬，可理解為弦向的裁剪；縮短單層纖維布的長(zhǎng)度，可理解為軸向的裁剪。特別是單向布寬度優(yōu)化：因單向布纖維束走勢(shì)為軸向，保證總設(shè)計(jì)單向布質(zhì)量不變，調(diào)整單層單向布的幅寬的不會(huì)對(duì)葉片結(jié)構(gòu)載荷產(chǎn)生影響，但較小的單向布幅寬可以讓單向布鋪層工藝性提高。

3.2 全單向布鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展望

根據(jù)單向布幅寬不會(huì)對(duì)葉片結(jié)構(gòu)載荷產(chǎn)生影響這一特性，本文展望葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用全單向布或全原紗鋪層設(shè)計(jì)，通過(guò)葉片結(jié)構(gòu)外形，確定葉型通用的一種或多種單向布幅寬，采用單向布代替現(xiàn)有的三軸布、雙軸布進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這樣既避免了三軸布鋪層工藝性差的缺點(diǎn)，也避免了雙軸布易變性彎曲的缺點(diǎn)，從設(shè)計(jì)角度充分保證了葉片設(shè)計(jì)強(qiáng)度的實(shí)現(xiàn)。此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)為可以對(duì)各個(gè)方向纖維紗線角度進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，且可以對(duì)各個(gè)方向的篩選角度進(jìn)行單獨(dú)鋪設(shè)控制，優(yōu)化設(shè)計(jì)強(qiáng)度，并由此展望未來(lái)全自動(dòng)單向布鋪層系統(tǒng)。