复合材料在风力机叶片上的应用

复合材料在风力机叶片上的应用

刘鑫熊鸿钧吴松庐

（中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部湖南株洲412007）

摘要：目前，我国电力事业发展迅速，风力发电的快速发展也推动了相关技术水平的提高。文章主要对复合材料在风力机叶片上的应用展开分析与研究。

关键词：复合材料；风力机；风力叶片；材料应用

引言

在风能利用过程中符合材料风力机片叶是主要部件之一，铺层结构相对较为复杂，叶片整体结构性能会在一定程度上受到纤维布所占铺层厚度影响，在设计不同方向纤维布铺设层厚度过程中应该保证其能够实现最优化处理。在风力机的运行过程中，叶片受到周围流场的影响产生变形，这一变形又会使流场发生改变，这种流体与固体之间的相互作用会对风力机的正常运转产生极大的影响，因此分析风力机叶片的流固耦合问题十分重要。

1风电叶片的结构及常见缺欠

风力叶片是复合材料制成的薄壳结构，一般由根部、外壳和加强梁等3部分组成，复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上。复合材料叶片最初采用的是廉价的玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂体系，直到现在其仍是大部分叶片的制造材料。随着叶片长度的不断增大，自身重量的不断增加，这种体系在某些场合已不能满足要求，于是碳纤维增强结构逐渐得到应用。对于玻璃纤维复合材料叶片，一般采用开模工艺，尤其手糊黏接方式较多，其本身在加工过程中会产生气孔、干纤、褶皱、纤维断裂以及夹杂等缺欠，在与梁的合模过程中还会产生缺胶、脱黏等缺欠。

2叶片铺层结构模型

目前，风力机叶片主要由增强玻璃纤维布材料复合而成，其目的是在保证叶片强度和刚度的前提下，减轻叶片的质量和载荷。本文以某1.5MW叶片为例对叶片的结构模型和强度计算方法进行研究，1.5MW叶片的长度为38m，重量为7.9t，所用的复合材料及其规格参数和力学性能如表1所示，其中，Vf为纤维的体积分数，Ex为纤维主方向弹性模量，Ey为纤维次方向弹性模量，νxy为纤维面内泊松比，Gxy为纤维面内剪切弹性模量。

表1材料力学性能Table1Mechanicalpropertiesofthebladematerial

叶片各截面主要采用主梁梁帽、腹板、翼面，以及前、后缘增强的基本结构形式，其中主梁是主要构件，承受大部分的挥舞和摆振方向的载荷，并将其传递到叶片根部。从主梁梁帽和腹板的构造形式上分类，叶片截面结构主要有I型梁、O型梁、箱型梁等形式。对于本文所研究的1.5MW叶片，主梁和主腹板构成I形梁形式，为了增加尾缘的刚度和屈曲稳定性，在叶片尾缘部位增设了副腹板。1.5MW叶片的截面结构如图1所示，上下翼面具有相似的铺层结构，可将其结构划分为六个区域：梁冒（CAP）、前缘加强层（LER）、后缘加强（TER）、前缘面板（LEP）、后缘面板（TEP）和后缘单向布加强（TE-UD）。为了支撑和固定上下翼面，在其之间安装有主腹板和副腹板。LEP和TEP的铺层结构如图1（c）所示，LER、CAP和TEUD的铺层结构如图1（d）所示，TER的铺层结构如图1（e）所示，图1（f）为主副腹板的铺层结构。

图1叶片铺层结构模型Fig.1Structuralmodelofthewindturbineblade

叶片翼面的三轴布，主梁梁帽和后缘加强层中的单轴布的铺层厚度分布如图2所示。

图21.5MW叶片主要材料的铺层厚度分布

4风机叶片厚度遗传优化设计

其中对于风机叶片本身材料的铺层厚度优化设计可以归类于是一种典型的离散设计变量或混合设计变量优化问题，相较于传统的优化方法来说遗传算法本身所具备的良好全局搜索能力能够避免陷入具备最优解问题，在满足层和板铺层基本原则以及刚强度等要求之下，通过对初始种群、迭代树木、遗传算子等重要参数进行合理的选取，更够更好的用于对复合前卫铺层厚度对叶片结构性能的优化和影响作用研究中。同时铺层的角度、厚度以及顺序都会对复合材料风力机叶片性能造成严重影响作用。一般情况下当叶片铺层中：0°纤维布铺层方向和主要承受荷载方向基本保持一致，承担主要轴向力；而当处于±45°纤维布有较大铺层范围，此时主要承受叶片扭转产生的剪应力；当纤维布铺层主方向和叶片呈现出垂直状态时主要起到调节作用。在提升叶片本身机械性能过程中确定铺层比例非常重要，而可以通过建立叶片近似模型的方式简化叶片原始铺层结构，并通过叶片刚度以及强度作为优化目标函数，利用有限元法和遗传算法两者相结合的方式对近似模型结构寻找最优化设计。

结语

综上所述，复合材料风力机叶片铺层厚度对叶片性能影响作用明显，不同角度纤维布所占铺层厚度不同对叶片结构性能影响不同。采用合适的方法提高风力机叶片运行水平，充分发挥符合材料的作用有助于电力事业的健康发展。

参考文献：

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