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        風(fēng)機(jī)葉片用玻璃纖維復(fù)合材料研究概述*

        2021-06-02 11:49:24蘇國(guó)梁李國(guó)慶李鳳俊范晨亮張慧強(qiáng)張晉宇
        玻璃纖維 2021年2期
        關(guān)鍵詞:織物風(fēng)機(jī)復(fù)合材料

        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)境帶來嚴(yán)重污染問題。風(fēng)能作為一種清潔的、無污染的可再生能源,其開發(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 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,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 開發(fā)了 GUI(Graphical User Interface)界面,通過建立葉片幾何模型,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,通過沿翼展方向4個(gè)點(diǎn)施加剪切力來模擬等效揮舞載荷;Noda 和 Flay[45]模擬單葉片揮舞運(yùn)動(dòng),應(yīng)用Delphi 語言編寫 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)體玻璃纖維為無機(jī)纖維,與基體樹脂界面相沒有很好得結(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/樹脂界面脫膠為主要失效形式。基于此,本文設(shè)計(jì)開發(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。

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