風機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

（國電聯(lián)合動力技術(shù)（連云港）有限公司，江蘇連云港 222002）

0 引言

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

為盡可能提高風機的整體運行效率與可靠性，需設(shè)計出具有更大風能捕獲能力和更低氣動載荷的高性能低重量葉片［1］。在風機葉片氣動設(shè)計時，會根據(jù)需要選擇不同系列翼型進行組合設(shè)計，如NACA44系列翼型、AE02系列翼型、DU翼型、FFA翼型等。通過中弧線、前緣半徑、后緣角、弦長、厚度、彎度［2］再加上風機葉片結(jié)構(gòu)的預彎、預扭等設(shè)計，這些都決定了葉片結(jié)構(gòu)是一個不可展曲面［3］。即不能展開成平面的曲面，如橢圓面、橢圓拋物面、曲線回轉(zhuǎn)面。

因此在葉片外形上進行纖維鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計，其纖維布的鋪層工藝性會在一定程度上受到影響，這是因為纖維布是平面，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鋪設(shè)在葉片外形上的。實際鋪設(shè)中，纖維布本身會有輕微的形變，有研究表明纖維紗線角度是否準確對葉片強度會有很大影響。纖維紗線角度對葉片強度可靠性的影響，較高強度可靠指標值的鋪層纖維角度在45°附近［4］，且某些區(qū)域±45°單層纖維鋪層對葉片強度的影響要大于0°單層纖維鋪層［5］。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，考慮不同類型纖維布的形變特性及其對應不可展曲面的鋪層工藝性的實際表現(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，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，也是保證葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計性能通過工藝實現(xiàn)的技術(shù)保障。

1 鋪層工藝性定義

基于上述分析，本文一方面通過建立簡化的鋪層工藝性數(shù)學表達式，另一方面通過對比不同類型玻纖布在特定模型上的實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，其表達式：

表達式（1）的定義：單位面積范圍內(nèi)，弦向曲率半徑r，軸向曲率半徑R，其曲面強行展開為平面后與單位面積平面的最大尺寸偏差。

P1值含義說明，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)會形成一個長度為6 mm的褶皺，或一個3 mm的對折突起。

從表達式可以推廣至任意曲面的鋪層工藝性表達式：

但一般葉片外形設(shè)計不可能存在統(tǒng)一的，甚至單個截面都沒有可行的數(shù)學表達式，因此，可以采用數(shù)值分析的方法對即有的葉片外形進行計算，針對單塊鋪層結(jié)構(gòu)涉及的葉片外形曲面進行均勻數(shù)值分析；相應數(shù)學表達式改為數(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)計中普遍應用，其纖維布軸向方向與葉片軸線不一致且是動態(tài)變化的。其表達式：

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

2 實驗及結(jié)果

葉片實際鋪層中，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)，會出現(xiàn)無法隨型鋪設(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

本文選定標準定義曲面選段；此選段的r=1 m，R=10 m，制作標準模具；選取四軸玻纖布，三軸玻纖布，雙軸玻纖布，單向玻纖布分別進行了實際鋪層，測量其P1值結(jié)果如表1所示。

表1可以看出：四軸玻纖布、三軸玻纖布的實際鋪層工藝性差，其次單向布，雙軸布最好。其原因為三軸玻纖布、四軸玻纖布編制緊密，纖維布硬挺度高，鋪設(shè)時人工鋪設(shè)無法讓纖維束進行束間相對滑動，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)貼實葉片外形；主要原因為雙軸布其紋理方向為45°，導致其纖維束長度較短，特別是葉片狹長的結(jié)構(gòu)，雙軸布長度一般不超過10 m，1 m寬的試驗區(qū)其長度不足1.5 m；其纖維束的相對滑動相對容易實現(xiàn)。

本文選定標準平面，長度2 m，寬度0.35 m；針對不同類型玻纖布的方向鋪層工藝性P2進行試驗驗證，其結(jié)果如表2所示。

針對不同幅寬單向布的方向鋪層工藝性P2進行試驗驗證，其結(jié)果如表3所示。

在葉片外形設(shè)計確定的情況下，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)計結(jié)束后，通過計算葉片不同區(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)合理論和實際鋪層工藝性的試驗結(jié)果差異，對鋪層工藝性差的區(qū)域，可以通過以下方式進行優(yōu)化。

（1）優(yōu)化氣動外形，r值越大，對應鋪層工藝性越好，可考慮換r值更大的氣動截面進行啟動設(shè)計。

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

（3）優(yōu)化纖維布選型，將對應鋪層工藝性較差區(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，但實際鋪層中會發(fā)現(xiàn)雙軸布的纖維方向性比較差，特別是長距離鋪設(shè)，其方向性和理論設(shè)計方向偏差較大，在實際應用中不建議大規(guī)模采用雙軸布，特別是對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，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)過程受人工鋪層導致纖維局部彎曲的可能性更小，對保證葉片工藝可實現(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為軸向，保證總設(shè)計單向布質(zhì)量不變，調(diào)整單層單向布的幅寬的不會對葉片結(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)計展望

根據(jù)單向布幅寬不會對葉片結(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)計采用全單向布或全原紗鋪層設(shè)計，通過葉片結(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、雙軸布進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。這樣既避免了三軸布鋪層工藝性差的缺點，也避免了雙軸布易變性彎曲的缺點，從設(shè)計角度充分保證了葉片設(shè)計強度的實現(xiàn)。此設(shè)計的優(yōu)點為可以對各個方向纖維紗線角度進行單獨設(shè)計，且可以對各個方向的篩選角度進行單獨鋪設(shè)控制，優(yōu)化設(shè)計強度，并由此展望未來全自動單向布鋪層系統(tǒng)。