基于風(fēng)機(jī)葉片用玻璃纖維復(fù)合材料研究發(fā)展

吳培華

（國(guó)華能源投資有限公司，北京 100000）

自第二次工業(yè)革命以來(lái)，能源對(duì)社會(huì)的發(fā)展就顯得尤為重要，隨著全球人口基數(shù)的不斷增加和對(duì)能源更高的依賴性，現(xiàn)存能源陷入緊缺危機(jī)，清潔能源的開(kāi)發(fā)已經(jīng)迫在眉睫。風(fēng)能的運(yùn)用是利用自然空氣流動(dòng)下的動(dòng)能，通過(guò)風(fēng)車等發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)能具有儲(chǔ)量大、分布廣等優(yōu)點(diǎn)，在沿海、草原和高原等地區(qū)有著優(yōu)越的應(yīng)用地理環(huán)境，是新能源運(yùn)用的主力之一［1］。

為了提高風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率和追求更高的能量轉(zhuǎn)化率，風(fēng)機(jī)葉片就需要減輕其自重，降低無(wú)用功的占比，然而其同時(shí)需要較高的強(qiáng)度來(lái)適應(yīng)高頻率的服役循環(huán)，因此，風(fēng)機(jī)葉片的選材更傾向于密度小質(zhì)量輕和高強(qiáng)度的特性［2］。復(fù)合材料是兩種及以上的材料通過(guò)一定的工藝復(fù)合形成的新材料，在彌補(bǔ)組分中某些缺點(diǎn)的同時(shí)，往往具有各個(gè)材料組分的優(yōu)點(diǎn)，成為在嚴(yán)峻環(huán)境下服役的新材料之一［3］。玻璃纖維復(fù)合材料的質(zhì)量輕，具有耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，同時(shí)其抗壓強(qiáng)度直追金屬材料，因而在許多工業(yè)領(lǐng)域如建筑［4］、交通［5］、航天［6］等都有著廣泛的應(yīng)用，是較為理想的風(fēng)機(jī)葉片的材料［7］。

1 玻璃纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)

玻璃纖維通常由石英砂、白云石等礦石材料在高溫熔化后經(jīng)過(guò)拉絲等成型工藝制成，通常玻璃纖維的直徑在10微米左右，由玻璃纖維作為增強(qiáng)材料與樹(shù)脂等基體材料按照一定的比例混合成型的材料叫做玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料［8］。玻璃纖維復(fù)合材料通常具有以下特點(diǎn)：（1）質(zhì)量低、強(qiáng)度高。玻璃纖維復(fù)合材料的密度普遍較低，加入玻璃纖維混雜后的復(fù)合材料的密度一般在基材的1/2～1/4之間，但抗拉強(qiáng)度卻能達(dá)到基材的1.5倍左右，甚至可與某些高強(qiáng)鋼相比［9］。（2）耐腐蝕，理化性質(zhì)穩(wěn)定。玻璃纖維的本質(zhì)依然是二氧化硅為主，具有良好的穩(wěn)定性和抗腐蝕性，可在大氣、海水等常規(guī)環(huán)境下長(zhǎng)久服役，在低濃度的酸、堿環(huán)境下也有著較好的穩(wěn)定性［10］。（3）可設(shè)計(jì)性。玻璃纖維復(fù)合材料可以根據(jù)不同的零件形狀、性能需求靈活地選擇成型工藝以達(dá)到對(duì)某些設(shè)計(jì)精巧復(fù)雜零件的控制，使得玻璃纖維復(fù)合材料在航天等高精領(lǐng)域也有較為廣泛的應(yīng)用［6］。

2 風(fēng)機(jī)葉片及風(fēng)機(jī)葉片用玻璃纖維復(fù)合 材料的相關(guān)研究

2.1 風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)葉片的形狀和其氣動(dòng)性能直接關(guān)系到設(shè)備的能量利用率和能量轉(zhuǎn)化率，為了使葉片在迎風(fēng)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速更快，不僅需要葉片的材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，也需要葉片擁有合理科學(xué)的結(jié)構(gòu)［11］。風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含葉片的葉展形狀設(shè)計(jì)和葉片鋪層設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，隨著材料科學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)科在風(fēng)力發(fā)電工程上的應(yīng)用，葉片設(shè)計(jì)開(kāi)始走上在確定風(fēng)機(jī)葉片材料后，在模擬材料的性能之后，以空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等物理科學(xué)作為基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)模擬為手段，達(dá)到最佳工藝和結(jié)構(gòu)的道路［12］。

基于空氣動(dòng)力學(xué)，以有限元模擬的方式來(lái)對(duì)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬是研究人員常見(jiàn)的優(yōu)化手段，Chen等［13］通過(guò)對(duì)葉素動(dòng)量理論和流體結(jié)構(gòu)作用模型的改良，以有限元和粒子群算法的方式對(duì)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，而覃海英等［14］是在相關(guān)的宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)下，借助有限元分析發(fā)現(xiàn)在風(fēng)機(jī)葉片的葉展形狀確定的情況下，風(fēng)機(jī)葉片的本身材料和鋪層工藝是影響其力學(xué)性能的主要因素。數(shù)學(xué)模型法也是研究人員對(duì)風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要手段［15］，借助其他物理模型如氣動(dòng)分析模型［16］、數(shù)學(xué)思維如奇異法逆推［17］來(lái)優(yōu)化確定的復(fù)合材料下的風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)。

2.2 風(fēng)機(jī)葉片的疲勞研究

在風(fēng)機(jī)葉片的服役時(shí)間內(nèi)，葉片會(huì)受到長(zhǎng)時(shí)間的較為復(fù)雜的循環(huán)載荷影響，而葉片揮舞方向與擺振方向上的應(yīng)力彎矩會(huì)造成葉片的疲勞狀態(tài)，是造成葉片損傷的主要原因［18］。目前，在對(duì)于風(fēng)機(jī)葉片的疲勞損傷研究中主要是在相關(guān)實(shí)驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)下，以有限元對(duì)葉片的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和疲勞損傷進(jìn)行模擬得到，相關(guān)研究結(jié)果大致分為三個(gè)方向：（1）風(fēng)機(jī)葉片的失效行為分析：S?rensen［19］等人對(duì)失效的復(fù)合材料葉片進(jìn)行了微觀形貌表征，發(fā)現(xiàn)在微觀尺度下，纖維與基體出現(xiàn)許多微小的裂紋，在疲勞狀態(tài)的循環(huán)下造成裂紋的擴(kuò)展進(jìn)而導(dǎo)致葉片的失效，然而也有其他人認(rèn)為，疲勞損傷出現(xiàn)的原因不僅是纖維與基材的界面，還可能是鋪層設(shè)計(jì)中的不同界面的脫膠分層或纖維斷裂［20］引起的，而這些現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是葉片結(jié)構(gòu)和選材的匹配失衡［21］。（2）影響風(fēng)機(jī)葉片疲勞損傷的因素：Brondsted在2009年以單胞模型研究纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維的強(qiáng)度變化、基材的粘度等因素對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面裂紋的影響［22］，但風(fēng)機(jī)葉片的強(qiáng)度是與其材料的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)直接關(guān)聯(lián)的，不同的材料和結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)葉片疲勞損傷的狀態(tài)差異巨大，因而Mishnaevsky等［20］在其研究基礎(chǔ)上，建立了鋪層復(fù)合材料的微觀力學(xué)模型，用來(lái)模擬葉片的疲勞損傷和服役壽命等參數(shù)。其他研究以有限元分析和數(shù)學(xué)模型的建立為主，研究葉片承受的應(yīng)力分布、損傷或疲勞特性等［23］。（3）風(fēng)機(jī)葉片服役時(shí)間預(yù)測(cè)：對(duì)風(fēng)機(jī)服役壽命的評(píng)估方式多種多樣，李德源等［24］依托Palmgren-Miner損傷累積法則和葉片動(dòng)力學(xué)相響應(yīng)分析對(duì)變幅載荷狀態(tài)下的玻璃纖維復(fù)合材料葉片進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，以S-N曲線的形式對(duì)葉片的疲勞性能進(jìn)行表達(dá)。陳余岳等［25］則是以簡(jiǎn)化的疲勞載荷譜代替全尺寸疲勞試驗(yàn)，利用Appel和Besquin兩種S-N曲線對(duì)葉片的疲勞進(jìn)行分析，也有研究人員以有限元模擬葉片各個(gè)截面所受內(nèi)應(yīng)力，以此計(jì)算葉片在各級(jí)風(fēng)速下的疲勞當(dāng)量，進(jìn)而評(píng)估葉片的疲勞壽命［26］。

2.3 風(fēng)機(jī)葉片的損傷檢測(cè)

葉片在長(zhǎng)時(shí)間受到復(fù)雜的載荷情況下，發(fā)生故障和損傷的情況時(shí)有發(fā)生，為了預(yù)防葉片的脫落等嚴(yán)重問(wèn)題，需要對(duì)葉片的損傷定期檢測(cè)和維護(hù)，現(xiàn)有的葉片損傷檢測(cè)技術(shù)如下。

（1）觀察法：觀察法是通過(guò)維修人員的定期巡查實(shí)現(xiàn)的，通常需要望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備的協(xié)助，工作效率低且人工成本較高，近年來(lái)已經(jīng)使用無(wú)人機(jī)的航拍對(duì)人工觀察進(jìn)行取代，激光測(cè)距等高新技術(shù)的發(fā)展更是可以確定葉片的損傷等級(jí)等參數(shù)，大大提高了檢測(cè)效率。

（2）振動(dòng)分析法：當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片發(fā)生損傷或故障時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)會(huì)有細(xì)微的差別，通過(guò)對(duì)葉片振動(dòng)信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)和對(duì)比可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)葉片損傷問(wèn)題。通常而言，當(dāng)葉片出現(xiàn)損傷問(wèn)題，震動(dòng)應(yīng)力的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，而頻率會(huì)有小幅度的降低。

（3）載荷分析法：在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)葉片受到影響時(shí)會(huì)引起載荷的變化，這就意味著，可以通過(guò)在風(fēng)機(jī)葉片上裝上載荷傳感器來(lái)檢測(cè)風(fēng)機(jī)葉片上的載荷，進(jìn)而對(duì)葉片狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)［27］。

（4）聲發(fā)射檢測(cè)：葉片在受損前必定會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中在葉片受損的瞬間會(huì)釋放產(chǎn)生彈性波，通過(guò)對(duì)彈性波的捕捉可以檢測(cè)風(fēng)機(jī)葉片的損傷位置和類型進(jìn)行分別［28］。

（5）超聲波檢測(cè)：葉片在工作時(shí)會(huì)對(duì)超聲波的傳播造成影響，通過(guò)接受超聲波的反射信號(hào)可以判斷出葉片是否出現(xiàn)損傷以及葉片損傷的程度。其他檢測(cè)方式還有聲信號(hào)檢測(cè)、微波成像、射線成像和熱成像檢測(cè)等，都是通過(guò)葉片損傷時(shí)的相關(guān)信號(hào)的變化來(lái)確定葉片是否發(fā)生損傷。

3 風(fēng)機(jī)葉片用纖維復(fù)合材料的發(fā)展

在上世紀(jì)，風(fēng)機(jī)葉片的主要材料仍然是鋼材或木材為主，無(wú)論是鋼材還是木材都易遭受環(huán)境的腐蝕和破壞，而纖維復(fù)合材料具有理化性質(zhì)穩(wěn)定、抗腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在相關(guān)技術(shù)的發(fā)展下，纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能也有著較大幅度的提高，成為風(fēng)機(jī)葉片的理想選材之一。其中，玻璃纖維因?yàn)槌杀镜?、制作工藝?jiǎn)單成為主流纖維增強(qiáng)材料，常見(jiàn)的玻璃纖維分為E型和S型，S型的力學(xué)性能要普遍優(yōu)于E型，但考慮到經(jīng)濟(jì)性，E型玻璃纖維的應(yīng)用仍是主流選擇。

玻璃纖維的可設(shè)計(jì)性極佳，可以根據(jù)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用環(huán)境做出相關(guān)的調(diào)整，以達(dá)到最佳的強(qiáng)度和氣動(dòng)效率，但隨著風(fēng)機(jī)技術(shù)的成熟，大型化、輕量化的葉片開(kāi)始成為風(fēng)機(jī)葉片的發(fā)展趨勢(shì)，而隨著葉片長(zhǎng)度的增加，玻璃纖維的強(qiáng)度開(kāi)始出現(xiàn)下降，不再適用于大型風(fēng)機(jī)葉片的基材。近年來(lái)，隨著碳纖維技術(shù)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料成為以輕質(zhì)高強(qiáng)作為最大特點(diǎn)的復(fù)合材料之一，密度為玻璃纖維的1/4，而抗拉強(qiáng)度卻能達(dá)到玻璃纖維的2倍以上。然而碳纖維的脆性較大，在受到一定應(yīng)力后會(huì)直接斷裂，且碳纖維的制造成本太高，因此碳纖維作為葉片的主材料并不適合，故而，碳纖維和玻璃纖維的混雜復(fù)合材料，綜合了玻璃纖維易加工和碳纖維優(yōu)越的力學(xué)性能的雙重優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)始出現(xiàn)并逐漸應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著風(fēng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)機(jī)葉片必然會(huì)向輕量高強(qiáng)的趨勢(shì)邁進(jìn)，這就對(duì)葉片的材料要求越發(fā)嚴(yán)格，本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的研究做了簡(jiǎn)單的介紹和分類，并展望了風(fēng)機(jī)葉片的材料發(fā)展，希望對(duì)以后風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合材料的研究有一定的幫助。