本文摘要：摘要：風(fēng)能的開發(fā)利用是新能源領(lǐng)域的重要組成部分，為了提高風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率，風(fēng)車的葉片更趨于大型化、輕量化，這就對風(fēng)機(jī)葉片的材料性能做出新的要求。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有著密度
摘要：風(fēng)能的開發(fā)利用是新能源領(lǐng)域的重要組成部分，為了提高風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率，風(fēng)車的葉片更趨于大型化、輕量化，這就對風(fēng)機(jī)葉片的材料性能做出新的要求。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有著密度小、力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，在航天、交通等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，近年來作為新型材料運(yùn)用在風(fēng)機(jī)葉片中。本文綜述了國內(nèi)外研究人員對風(fēng)機(jī)葉片的研究，以及玻璃纖維復(fù)合材料在風(fēng)機(jī)葉片中的應(yīng)用與發(fā)展。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī);葉片;玻璃纖維;復(fù)合材料。
自第二次工業(yè)革命以來，能源對社會的發(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下的動能，通過風(fēng)車等發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)能具有儲量大、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，降低無用功的占比，然而其同時需要較高的強(qiáng)度來適應(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，往往具有各個材料組分的優(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)兩個方面，隨著材料科學(xué)、空氣動力學(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]。
基于空氣動力學(xué)，以有限元模擬的方式來對葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬是研究人員常見的優(yōu)化手段，Chen等[13]通過對葉素動量理論和流體結(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分析模型[16]、數(shù)學(xué)思維如奇異法逆推[17]來優(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)葉片的服役時間內(nèi)，葉片會受到長時間的較為復(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)果大致分為三個方向：
(1)風(fēng)機(jī)葉片的失效行為分析：Sørensen[19]等人對失效的復(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)葉片服役時間預(yù)測：對風(fēng)機(jī)服役壽命的評估方式多種多樣，李德源等[24]依托Palmgren-Miner損傷累積法則和葉片動力學(xué)相響應(yīng)分析對變幅載荷狀態(tài)下的玻璃纖維復(fù)合材料葉片進(jìn)行計(jì)算和評估，以S-N曲線的形式對葉片的疲勞性能進(jìn)行表達(dá)。陳余岳等[25]則是以簡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截面所受內(nèi)應(yīng)力，以此計(jì)算葉片在各級風(fēng)速下的疲勞當(dāng)量，進(jìn)而評估葉片的疲勞壽命[26]。
2.3風(fēng)機(jī)葉片的損傷檢測
葉片在長時間受到復(fù)雜的載荷情況下，發(fā)生故障和損傷的情況時有發(fā)生，為了預(yù)防葉片的脫落等嚴(yán)重問題，需要對葉片的損傷定期檢測和維護(hù)，現(xiàn)有的葉片損傷檢測技術(shù)如下。
(1)觀察法：觀察法是通過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，近年來已經(jīng)使用無人機(jī)的航拍對人工觀察進(jìn)行取代，激光測距等高新技術(shù)的發(fā)展更是可以確定葉片的損傷等級等參數(shù)，大大提高了檢測效率。(2)振動分析法：當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片發(fā)生損傷或故障時，風(fēng)機(jī)葉片發(fā)出的振動信號會有細(xì)微的差別，通過對葉片振動信號的長時間檢測和對比可以及時的發(fā)現(xiàn)葉片損傷問題。通常而言，當(dāng)葉片出現(xiàn)損傷問題，震動應(yīng)力的持續(xù)時間較長，而頻率會有小幅度的降低。(3)載荷分析法：在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在運(yùn)行過程中，當(dāng)葉片受到影響時會引起載荷的變化，這就意味著，可以通過在風(fēng)機(jī)葉片上裝上載荷傳感器來檢測風(fēng)機(jī)葉片上的載荷，進(jìn)而對葉片狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測[27]。
(4)聲發(fā)射檢測：葉片在受損前必定會產(chǎn)生應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中在葉片受損的瞬間會釋放產(chǎn)生彈性波，通過對彈性波的捕捉可以檢測風(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：葉片在工作時會對超聲波的傳播造成影響，通過接受超聲波的反射信號可以判斷出葉片是否出現(xiàn)損傷以及葉片損傷的程度。其他檢測方式還有聲信號檢測、微波成像、射線成像和熱成像檢測等，都是通過葉片損傷時的相關(guān)信號的變化來確定葉片是否發(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�、制作工藝簡單成為主流纖維增強(qiáng)材料，常見的玻璃纖維分為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、輕量化的葉片開始成為風(fēng)機(jī)葉片的發(fā)展趨勢，而隨著葉片長度的增加，玻璃纖維的強(qiáng)度開始出現(xiàn)下降，不再適用于大型風(fēng)機(jī)葉片的基材。
近年來，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
隨著風(fēng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)機(jī)葉片必然會向輕量高強(qiáng)的趨勢邁進(jìn)，這就對葉片的材料要求越發(fā)嚴(yán)格，本文對近年來國內(nèi)外對風(fēng)機(jī)葉片的研究做了簡單的介紹和分類，并展望了風(fēng)機(jī)葉片的材料發(fā)展，希望對以后風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合材料的研究有一定的幫助。
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作者：吳培華
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