風(fēng)機(jī)葉片用玻璃纖維復(fù)合材料研究概述*

蘇國(guó)梁，李國(guó)慶，李鳳俊，范晨亮，康 宏，張慧強(qiáng)，張晉宇

（國(guó)電電力內(nèi)蒙古新能源開(kāi)發(fā)有限公司，呼和浩特 010080）

0 前言

能源是人類社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的原動(dòng)力。目前以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)，不僅資源難以支撐，而且對(duì)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重污染問(wèn)題。風(fēng)能作為一種清潔的、無(wú)污染的可再生能源，其開(kāi)發(fā)和利用不僅可以緩解世界能源危機(jī)，而且還具有常規(guī)化石能源不可比擬的優(yōu)勢(shì)，如可持續(xù)開(kāi)發(fā)，不存在資源枯竭，不排放溫室氣體和其他有害物質(zhì)等。據(jù)有關(guān)調(diào)查顯示，預(yù)計(jì)2020年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到2億 kW，其中海上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到3000萬(wàn) kW，年發(fā)電量達(dá)到3900億 kW·h，力爭(zhēng)風(fēng)電發(fā)電量在全國(guó)發(fā)電量中所占比重超過(guò)5%［1］。

葉片作為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)和關(guān)鍵的部件，是風(fēng)機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的重要組成部分，如圖1所示，其性能決定風(fēng)機(jī)的性能和壽命。隨著葉片向大型化方向發(fā)展，且常年運(yùn)行在復(fù)雜自然環(huán)境中，承受大部分的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)載荷［2］，尤其要經(jīng)受108次以上的疲勞交變載荷作用及70 m/s極限強(qiáng)風(fēng)的作用。因此，對(duì)葉片重量、強(qiáng)度、剛度及耐疲勞性提出越來(lái)越高的要求，即：（1）足夠強(qiáng)度抵抗極端惡劣靜態(tài)載荷條件，如50年一遇的大風(fēng)；（2）足夠的抗彎剛度，以確保任何時(shí)候葉尖與塔架之間的隔距符合安全要求；（3）至少20年的疲勞壽命；（4）與風(fēng)機(jī)葉片大重量相關(guān)的各種結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)要求。

國(guó)電電力內(nèi)蒙古新能源開(kāi)發(fā)有限公司已投入使用UP 77/1500風(fēng)電機(jī)組，其中葉輪直徑77.36 m，重量為33.1 t，額定轉(zhuǎn)速17.4 r/min。因此，輕質(zhì)高強(qiáng)且具有可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料［3-5］成為大型風(fēng)機(jī)葉片的首選材料。

圖1 風(fēng)力機(jī)主要組成部分

工況環(huán)境下，載荷分布在風(fēng)機(jī)葉片截面揮舞方向和擺振方向上，如圖2所示。

圖2 葉片翼型界面及受載［6］

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于以鋪層復(fù)合材料作為風(fēng)機(jī)葉片增強(qiáng)體，采用實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法研究風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)性能分析及疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)等。

1 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉片設(shè)計(jì)包括外形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，外形設(shè)計(jì)即葉展形狀設(shè)計(jì)，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即鋪層設(shè)計(jì)，葉片鋪層工藝對(duì)于葉片質(zhì)量有很重要的影響。葉片的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不僅要進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，還要進(jìn)行彈性力學(xué)和復(fù)合材料力學(xué)計(jì)算。目前國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用有限元軟件優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)，比較與結(jié)構(gòu)相關(guān)的性能參數(shù)，確定最終方案。Chen，等［6］基于改進(jìn)的葉素動(dòng)量理論及新型流體/結(jié)構(gòu)相互作用法則，通過(guò)有限元分析和粒子群算法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化；李成良［7］基于風(fēng)輪葉片氣動(dòng)性能分析模型及風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型研究水平軸向風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)；Kamoun，等［8］通過(guò)奇異法逆向設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)葉片，基于空氣動(dòng)力學(xué)特性優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)；覃海英等［9］結(jié)合宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)和有限元分析方法，研究玻璃纖維多軸向鋪設(shè)方法對(duì)風(fēng)機(jī)葉片力學(xué)性能的影響。認(rèn)為翼型確定時(shí)，影響玻璃鋼葉片力學(xué)性能的主要因素有組份材料、鋪層工藝及成型工藝；Jureczko，等［10］應(yīng)用數(shù)值模型和優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)微觀、細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析，優(yōu)化復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)，降低葉片制造成本，提高發(fā)電效率；張春麗，等［4］基于復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)非線性本構(gòu)理論橋聯(lián)模型編寫(xiě)用戶子程序，有限元模擬風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度。根據(jù)纖維和基體的材料性能參數(shù)、纖維體積含量以及蒙皮和增強(qiáng)筋的鋪層參數(shù)（鋪設(shè)角、層厚和鋪層數(shù)）預(yù)測(cè)葉片的承載能力及破壞位置。

2 葉片動(dòng)力學(xué)分析

風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)特性對(duì)于風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的作用，李鋼強(qiáng)［11］根據(jù)風(fēng)力機(jī)所受外部時(shí)變載荷，建立風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程，預(yù)測(cè)時(shí)變載荷作用下風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)；Larsen 和 Nielsen［12］基于由離心力和哥氏力引起的線性和非線性項(xiàng)表征非線性轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)，研究葉片振動(dòng)特性；甘文艷［13］應(yīng)用 ANSYS 建立葉片實(shí)體模型，計(jì)算葉片振動(dòng)模態(tài)、固有頻率及各階振型及模態(tài)對(duì)應(yīng)應(yīng)力；Konstantinos，等［14］基于 IEC 61400-5《風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)第5部分：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片》標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用隨機(jī)法研究極限載荷下復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3 風(fēng)機(jī)葉片性能有限元數(shù)值模擬

葉片強(qiáng)度影響風(fēng)機(jī)的可靠性，國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)機(jī)葉片研究較多的是從強(qiáng)度方面著手，采用試驗(yàn)和有限元分析相結(jié)合的方式校核葉片性能。有限元模擬時(shí)采用實(shí)體模型或殼模型模擬葉片特性，且模型結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，很少考慮復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性。Wu 和Young［15］基于 Matlab 開(kāi)發(fā)了 GUI（Graphical User Interface）界面，通過(guò)建立葉片幾何模型，基于葉素動(dòng)量理論 BEM、FAST、ANSYS CFX 模擬極限風(fēng)速下的風(fēng)載荷，確定風(fēng)機(jī)葉片失效準(zhǔn)則應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)用 ANSYS 數(shù)值模擬葉片應(yīng)力分布；建立葉片有限元模型，基于有限元法結(jié)合 Tsai-Wu 強(qiáng)度準(zhǔn)則，研究葉片強(qiáng)度特性，疲勞壽命，穩(wěn)定性及截面特性等性能［16-19］；也有學(xué)者采用 ANSYS 軟件建立葉片有限元模型，分析額定功率下葉片靜力特性和結(jié)構(gòu)模態(tài)［20，21］。張建海［22］基于 GH bladed 建立水平軸風(fēng)機(jī)模型，分析風(fēng)速、錐角、葉片弦長(zhǎng)、葉片厚度、葉片扭角對(duì)風(fēng)機(jī)的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、功率系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響；Lekou，等［23］應(yīng)用集成了材料非線性特性及相互作用的數(shù)值連續(xù)力學(xué)模型［24］研究纖維增強(qiáng)復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片強(qiáng)度和可靠性，模擬復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片在受力作用下的失效和損傷。

4 葉片疲勞及漸進(jìn)損傷分析

工作周期內(nèi)，葉片受復(fù)雜、多軸向、周期性載荷作用。風(fēng)機(jī)葉片的疲勞主要由沿?fù)]舞方向和擺振方向的彎矩造成，2個(gè)彎矩占葉片損傷的97%［25］。葉片疲勞壽命、穩(wěn)定性及損傷方面的研究集中于幾個(gè)方面：①風(fēng)機(jī)葉片失效機(jī)理，復(fù)合材料葉片失效是由于微觀（纖維/基體尺度）的微裂紋引發(fā)［26-28］，疲勞損傷實(shí)質(zhì)包含了界面脫膠和基體開(kāi)裂、邊緣和層板內(nèi)部分層、纖維斷裂［29-31］，也有學(xué)者認(rèn)為層合板風(fēng)機(jī)葉片失效源自葉片結(jié)構(gòu)和材料不平衡［32］。②風(fēng)機(jī)葉片疲勞損傷及影響因素，Jr.和Brondsted［24］基于單胞模型研究纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉片疲勞損傷，分析纖維強(qiáng)度變化、基體粘度以及損傷中基體、纖維界面對(duì)葉片疲勞的影響；由于風(fēng)機(jī)葉片強(qiáng)度和可靠性依賴于組份材料性能、結(jié)構(gòu)及各相間相互作用，Jr.［31］提出建立鋪層復(fù)合材料葉片材料細(xì)觀力學(xué)模型，預(yù)測(cè)材料的強(qiáng)度、剛度和壽命；Chen，等［33］應(yīng)用有限元 ANSYS 求得風(fēng)機(jī)葉片所受應(yīng)力，數(shù)值模擬葉片受風(fēng)載作用時(shí)的漸進(jìn)損傷特性；Ronold 和 Larsen［34］應(yīng)用概率模型計(jì)算葉片翼面彎曲失效；也有學(xué)者基于試驗(yàn)研究了葉片材料及結(jié)構(gòu)疲勞特性［35］。③風(fēng)機(jī)葉片壽命預(yù)測(cè)，有些學(xué)者應(yīng)用強(qiáng)度累積損傷模型和S-N曲線，預(yù)測(cè)變幅載荷下纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合板的疲勞壽命和剩余強(qiáng)度［36，37］，有文獻(xiàn)［38］采用簡(jiǎn)化疲勞載荷譜代替葉片全尺寸結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)等幅試驗(yàn)譜，結(jié)合 Miner 線性累積損傷理論研究玻璃鋼葉片疲勞特性；有學(xué)者通過(guò)將風(fēng)機(jī)葉片各截面上的內(nèi)力等效轉(zhuǎn)化為有限元模型分布面力，計(jì)算不同風(fēng)速下葉片疲勞當(dāng)量載荷，估算葉片疲勞壽命［39］；楊忠清［40］理論研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試復(fù)合材料試件疲勞特性，提出了疲勞壽命預(yù)測(cè)模型；李德源等［37］研究風(fēng)機(jī)氣動(dòng)和機(jī)械載荷譜，基于 Palmgren Miner 損傷累積法則，提出應(yīng)用工程近似算法估計(jì)玻璃鋼葉片疲勞壽命。④風(fēng)機(jī)葉片疲勞載荷計(jì)算，F(xiàn)itzwater 和 Winterstein［41］提出選用合適的模型來(lái)預(yù)測(cè)葉片設(shè)計(jì)載荷及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工況載荷；Jayantha 和 Philip［42］研究使用短期空氣彈性變形、風(fēng)速及長(zhǎng)期風(fēng)速平均值建立小型風(fēng)機(jī)葉片疲勞載荷譜，采用雨流法［43］分析葉片疲勞載荷譜，計(jì)算相應(yīng)風(fēng)場(chǎng)的疲勞載荷；文獻(xiàn)［44］假設(shè)葉片為固定懸臂梁，通過(guò)沿翼展方向4個(gè)點(diǎn)施加剪切力來(lái)模擬等效揮舞載荷；Noda 和 Flay［45］模擬單葉片揮舞運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用Delphi 語(yǔ)言編寫(xiě) HAWT 風(fēng)機(jī)葉片疲勞載荷計(jì)算程序。

綜上所述國(guó)內(nèi)外對(duì)于復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片多基于實(shí)驗(yàn)和有限元實(shí)體建模研究層合板葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、振動(dòng)特性和疲勞損傷。在葉片設(shè)計(jì)及力學(xué)性能分析方面，研究人員以層合板復(fù)合材料葉片為對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法研究其強(qiáng)度及疲勞特性，但在計(jì)算葉片受載、建立風(fēng)模型和分析葉片細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響方面有待進(jìn)一步研究。

風(fēng)機(jī)葉片疲勞及累積損傷的研究可在以下幾方面進(jìn)一步突破：①完善疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；②科學(xué)確定疲勞載荷譜；③科學(xué)應(yīng)用疲勞載荷的簡(jiǎn)化準(zhǔn)則；④確定材料疲勞壽命參數(shù)。

風(fēng)機(jī)葉片強(qiáng)度和可靠性依賴于組成材料（高性能纖維和聚合物基體）的力學(xué)特性和材料強(qiáng)度，以及受外力作用時(shí)組成材料之間的相互作用。工況載荷作用下，由多軸向經(jīng)編織物增強(qiáng)的復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的主要失效形式有基體裂紋、纖維/基體界面脫粘和纖維斷裂3種形式。

目前葉片失效中，以葉片分層失效為主，即層合板分層及纖維/樹(shù)脂脫膠，究其原因主要在于復(fù)合材料中增強(qiáng)體玻璃纖維為無(wú)機(jī)纖維，與基體樹(shù)脂界面相沒(méi)有很好得結(jié)合。如圖3所示，復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片失效中可以看到大面積的纖維/樹(shù)脂脫膠和分層失效現(xiàn)象。

為克服傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)葉片鋪層成型層間力學(xué)性能弱、容易分層等常見(jiàn)疲勞失效，采用三維機(jī)織物為復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的增強(qiáng)體，該織物具有尺寸穩(wěn)定、剛度高、強(qiáng)度高、抗分層、抗損傷的優(yōu)點(diǎn)［46，47］，織物結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片分層失效

圖4 三維正交結(jié)構(gòu)示意圖

三維正交織物由3種紗線即經(jīng)紗、緯紗及 Z 紗（捆綁紗）組成，其中任意2種紗線以正交形式排列，構(gòu)成內(nèi)部具有緊密結(jié)構(gòu)的三維多層織物。織物內(nèi)部經(jīng)、緯紗分別分層平行排列，不發(fā)生交織，減少了因交織產(chǎn)生的紗線彎曲現(xiàn)象，該結(jié)構(gòu)可更有效地發(fā)揮沿紗線鋪層方向的力學(xué)性能，賦予織物更好的面內(nèi)強(qiáng)度，且由于厚度方向 Z 紗的捆綁作用，使得多層織物一次性成型，層間具有較好的穩(wěn)定性，有效增加了紗線層數(shù)，提高了織物整體性。

5 結(jié)論

高性能纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于大型風(fēng)機(jī)葉片中，主要由多軸向經(jīng)編玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制備而成。多軸向經(jīng)編織物增強(qiáng)復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片由于缺少沿厚度方向纖維束連接，以分層失效、纖維/樹(shù)脂界面脫膠為主要失效形式?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型紡織結(jié)構(gòu)即三維正交機(jī)織織物，該織物由沿 X，Y 和 Z 相互垂直的三向平直排列紗線即經(jīng)紗，緯紗和捆綁紗，分層垂直交織而成。由三維正交機(jī)織物制備的風(fēng)機(jī)葉片，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、抗分層失效和抗疲勞失效特性，較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。