风力叶片范文
风力叶片范文（精选11篇）
风力叶片 第1篇
风能被誉为可再生能源中最具潜力的能源。风力发电是风能利用的主要方式, 叶片是用来转换风能的最重要部件。风能利用效率取决于叶片良好的气动外形, 以及具有高强度、高刚度、低密度以及长寿命的材料。
叶片的设计和材料选择不仅决定风力机性能和效率, 同时决定了每千瓦时电量的成本。选择合适的材料对于叶片设计起着关键性作用。一般来讲, 叶片的材料越轻, 强度和刚度越高, 则叶片承受载荷的能力就越大, 这样叶片就可以做的更长, 它的捕风能力也越强。除此之外, 材料的经济性也不容忽视。
材料的选择
叶片材料的选择是叶片结构设计之前很重要的一项工作, 优良的材料是风力机叶片具有优异特性的重要保证。由于叶片运行于野外, 恶劣的气候频繁发生, 因此叶片材料的选择受到很多因素的制约, 例如:材料的特性、可靠性、安全性、物理属性、可用性、易处理性、回收再利用特性以及经济特性。材料选择的原则如下:用于制造叶片的材料必须具有良好的力学、热、化学特性, 包括高强度、高刚度、低密度、长寿命、良好的耐腐蚀性等等;材料要易于加工制造、价格合理、能够保证加工制造过程中不产生污染环境的废物。
在风力机叶片材料选择时, 应该分析材料的应用问题, 选择并且评价其替代材料。目前, 材料的选择方法是对候选材料进行各种性能的综合比较, 最终确定一个相对较好的材料作为叶片的材料, 这种方法只是一种定性的分析。
材料特性
1. 合金钢与铝合金
合金钢因其价格低廉, 易加工成细长的形状, 并且可以按照翼型的形状来成形, 因而曾经一度被认为是首选的风力机叶片材料。然而, 它的密度太大, 疲劳特性差, 易腐蚀, 难以加工成扭曲形状, 因而慢慢被别的材料所替代。铝合金的密度为钢铁的1/3, 常用来制造等弦长叶片, 易于加工制造并且能满足屈曲设计的要求。但是还没有很好挤压成形技术可以将铝合金加工成从根部到尖部的细长形状。
2. 纤维增强复合材料
纤维增强复合材料是由纤维和基体材料组成的, 其中基体包括聚酯和环氧树脂, 这些复合材料有很好的力学、热、化学性能。
(1) 玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料有很多的优点, 如高比强度, 很好疲劳特性、防腐性能、减振性等等。玻璃钢复合材料叶片有很多显著特点:第一, 与金属材料制造的叶片相比, 重量轻, 如8m长的玻璃钢叶片的重量为53kg, 而同型号的金属叶片, 单个重达260k g。第二, 玻璃钢复合叶片可以根据其受力条件对叶片的强度和刚度进行设计, 从而达到减轻重量和降低离心载荷的目的。此外, 玻璃钢复合叶片容易制造, 气动特性好;具有较高的固有频率, 能够避免共振带来的破坏。因此, 玻璃纤维材料被广泛应用于风力机叶片。
(1) E-玻璃纤维。在当前的叶片材料领域, E-玻璃纤维几乎占据主导地位。因为它与许多树脂及成形工艺匹配良好。研究表明, E-玻璃纤维层在叶片轴方向的模量为27.1GPa, 它的价格为4.18美元/kg。但是它的密度很大, 人们积极寻找它的替代材料。如果采用射电频率等离子体沉积去覆盖E玻璃纤维, 其耐拉伸疲劳可以达到碳纤维的水平, 而且经这种处理后可以降低纤维间的微动磨损, 这将为它的广泛应用提供了一种新的途径。
(2) S-玻璃纤维。虽然S-玻璃纤维也是玻璃纤维材料, 但是它的模量高达85.5GPa, 比E-玻璃纤维材料的72.4 GPa高出了18%;它的纤维拉伸强度为4600M P a, 比E-玻璃纤维的3450M P a增加了33%。从技术角度来讲, 它是风力机叶片的热门材料, 然而它的价格居高不下, 使得它难以成为风力机叶片的主流材料。从目前的价格来讲, S-玻璃纤维材料明显高于E-玻璃纤维材料, 但是由于两种材料的制造工艺很相似, S-玻璃纤维价格迟早会下降到E-玻璃纤维的价格水平, 届时S-玻璃纤维将被广泛采用。
(2) 碳纤维随着叶片长度的不断增加, 具有更高强度和刚度的新型材料成为了新的需求。碳纤维材料较之玻璃纤维材料, 在叶片制造上有其多方面的优点。一般来说, 廉价的E-玻璃纤维用于相对较小的风力机叶片 (叶片长度小于22m) , 碳纤维材料用于较大的风力机叶片 (长度大于42m) 。
碳纤维材料被选用的首要优势在于它重量轻。例如, 34m长度叶片的重量为3800kg, 而同样的玻璃纤维叶片则重达5800kg, 重量降低超过了34%。由不同材料制成叶片的重量与其长度的关系如表1所示。
材料刚度对于叶片是个重要的指标。碳纤维复合材料的刚度约为玻璃纤维复合材料的2~3倍。疲劳强度对于制造叶片而言是个关键性因素。事实上, 大气扰动引起叶片的振动和周期性载荷, 将会导致叶片的疲劳损坏。相关研究表明, 碳纤维材料具有很好的疲劳特性, 碳纤维与树脂的复合材料是运行于恶劣环境条件下的风力机叶片的首选制造材料之一。碳纤维复合材料较之玻璃纤维复合材料有很多的优点, 然而, 它的价格约为玻璃纤维复合材料的10倍, 所以未能广泛应用于风力机叶片。
除上述特性之外, 碳纤维材料还有不少其他优点。它有助于降低叶片端部附近的柔曲性, 避免叶片自然频率与塔架瞬时频率间发生任何共振的可能性振动阻尼特性, 具有导电性有效避免雷击对叶片的损伤。基于以上的种种原因, 我们确信碳纤维材料在风力机叶片中的应用具有美好的前景。
3. 层压复合木板
虽然层压复合木板被归入复合材料的行列, 但是它在形式上明显有别于玻璃璃纤维复合材料, 在这种复合材料中纤维被木材所取代。已应用于或正在考虑应用于叶片制造中的一些木材的性能如表2所示。最常用的木材为花旗松。研究表明, 木材的比强度大, 并且它的疲劳强度性能良好。一项报告宣称, 目前还从未有层压复合木板叶片的损坏是由于疲劳破坏引起的。
笔者对上述材料的性能进行了比较, 如表3所示。
*:纤维体积含量为60%。
4. 混合复合材料
(1) 碳/E-玻璃混合材料鉴于碳纤维高昂的价格, 碳纤维与玻璃纤维的混和材料在叶片中被应用。在E.C.公司资助的研究表明, 在120m叶片转子中加入碳纤维材料能有效减少总体质量达38%, 另外亦可使得其玻璃纤维设计成本费用降低14%。目前, 一些碳/玻璃混合材料被应用于商业生产的大型风轮叶片 (如4.5M W和5M W的风力机叶片) 。
(2) 碳/木/E-玻璃混合材料“Zebrawood”是一个通俗名称, 指的是在环氧包裹花旗松木层之间包含碳纤维的结构。这种情况下, 环氧树脂既可以起到连接薄片层的作用, 又可以对碳进行润湿, 这样, 重量和费用的增长不会超过碳纤维材料很多。由于杉木和碳纤维在工作疲劳性能方面的近似性, 研究生产这种木质环氧叶片是很经济的。另外, 杉木可以保护所有碳结构免受外部撞击。
在价格方面, Zebrawood和S-玻璃纤维差不多, 甚至可以低至E-玻璃纤维的程度, 而且有可能在将来大丝束碳纤维材料成本降低时成为最经济的材料。
5. 新材料
(1) 热塑性复合材料 (C B T树脂系统) 众所周知, 当前叶片都是采用热固性复合材料制成的, 如玻璃纤维环氧树脂复合材料, 碳纤维环氧树脂复合材料。由于环氧树脂的使用, 使得这种材料制成的叶片有两个缺陷:第一, 生产过程中产生大量含有苯基的有毒气体。第二, 热固性材料制作的叶片, 很难在其退役后被回收利用。就目前的形势来看, 研发一种可回收再利用的热塑性复合材料制成的“绿色叶片”是很有必要的。
与热固性复合材料相比, 热塑性复合材料有很多优异特性, 比如密度小, 抗冲击性能好, 生产时间短等。相关文献表明, 热塑性复合材料叶片的重量可比热固性复合材料叶片减少10%, 而且制造费用和生产时间分别减少25%和33%。
(2) Wind Strand™增强材料Owens Corning提出的Wind Strand™增强材料是新一代的增强玻璃纤维。这一技术的产生使得叶片生产商能够继续使用玻璃纤维材料而不必采用其他昂贵的技术或者材料, 如碳纤维材料。
Wind Strand™增强材料与目前应用的材料相比有很多的优点:与E-玻璃纤维增强材料相比, 刚度提高17%、强度提高30%、疲劳寿命提高10倍, 这一特性使得风轮在叶片偏航和抗风中表现出一种很高的水平, 同时使得风力机寿命和风能利用率大大提高。此外, Wind Strand™增强材料重量轻10%, 这样叶片可以做的更长, 最终可以降低单位电量的成本。
结语
通过对叶片材料的特性分析比较, 我们可以发现叶片的发展趋势为重量更轻, 使用寿命更长, 造价更低廉。现在使用的风力机叶片大部分都是采用玻璃纤维增强材料。其他候选材料包括碳纤维增强塑料、混合复合材料、Wind Strand™增强材料等。随着风力机风轮直径的增大, 叶片生产材料必然向着强度更大, 抗疲劳特性更好的方向发展。相对而言, Wind Strand™增强材料由其自身价格低廉, 性能优异的特点决定了它将会有广阔的应用前景。当然, 在对造价更低、性能更为可靠的材料的追求之下, 还会出现其他更加优异的材料。我们可以肯定新型材料诸如Wind Strand™增强材料的应用会给能源工业提供更多机会, 实现在2020年风能提供超过世界总电力12%的目标。
大型风力机的复合材料叶片 第2篇
随着现代风电技术的发展与日趋成熟，风力发电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。上世纪末，风电机组主力机型是750kW。到2002年前后，主力机型已经达到1.5MW以上。1997年兆瓦级机组占当年世界新增风电装机容量的9.7%，而2001年和2003年分别占到52.3%和71.4%。海上风电场的建设要求单机容量更大的机组，欧洲已批量安装 3.6MW机组，5MW机组也已安装运行。
叶片是风力机的关键部件之一，涉及气动、复合材料结构、工艺等领域。在兆瓦级风电机组中，叶片更是技术关键。如1.5MW主力机型风力机叶片长 34～37m，每片重6t，设计制造难度很高。在国外叶片集中在几家专业公司生产。最著名的叶片公司是丹麦的LM公司，是世界上唯一一家全球叶片生产商。目前在全世界正在运行的风机叶片中1/3以上都是LM的产品。至2000年LM已生产6万片叶片，当年生产7200片叶片，占居世界市场的45%，近来一些著名的风力机制造商也开始自己生产叶片。大型风力机的复合材料叶片技术 2.1 材 料
目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料(GRP)。长度大于40m叶片可以采用碳/玻混杂复合材料，但由于碳纤维的价格，未能推广应用。GRP叶片有以下特点： ①可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲荷载比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用纤维受力为主的受力理论，可把主要纤维安排在叶片的纵向，这样就可减轻 叶片的重量。②翼型容易成型，并达到最大气动效率。为了达到最佳气动效果，叶片具有复杂的气动外形。在风轮的不同半径处，叶片的弦长、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金属制造十分困难。GRP叶片可实现批量生产。
③叶片使用20a，要经受108次以上疲劳交变，因此材料的疲劳性能要好。GRP疲劳强度较高，缺口敏感性低，内阻尼大，抗震性能较好，是制作叶片的理想材料。
④GRP耐腐蚀性好。风力机安装在户外，近年来又大力发展离岸风电场，风力机安装在海上，风力机组及叶片要受到各种气候环境的影响。它应具有耐酸、碱、水汽的性能。
2.2 气动设计
风力机气动理论是在机翼气动理论基础上发展而来。19世纪20年代一些著名气动学家对机翼理论做出了贡献。Betz、Glauert、Wilson等在此基础上发展了风轮气动理论。我国的气动学家对风轮气动理论也做出过贡献。
Betz采用一元定常流动的动量定理，研究理论状态下风轮的最大风能利用系数。理论假定，风轮没有锥角;风轮旋转时没有摩擦阻力;风轮流动模型可简化为一元流管;风轮前后气流静压相等;作用在风轮上推力均匀。应用动量方程，Betz推导出风能利用系数： Cpmax=16/27≈0.59
3这就是著名的Betz极限。叶片的外形设计包括决定风轮直径、叶片数、叶片剖面弦长、厚度、扭角及选取叶片剖面的翼型。运用Betz理论可建立简易叶片外形设计方法，但目前不常用。Glauert优化设计方法是考虑了风轮尾流的叶素理论。但该方法忽略了翼型阻力和叶尖损失的影响。这两点对叶片外形设计影响较小，但对风轮气动性能影响较大。Glauert方法是目前常用方法之一。它注重外形的理论设计，根据结构要求应进行修正和气动性能的计算，以达到优化。Wilson气动优化设计理论是目前常用的方法。该理论对Glauert设计方法进行了改进。研究了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及风轮在非设计状态下的气动性能。为使风轮Cp值最大，须使每个叶素dCP值最大。理论建立了dCP与气动参数的关系式，从而得到最佳气动参数和气动外形。确定气动外形后计算气动性能，主要包括轴向推力、转矩、功率及相对应的系数。上述气动理论有其局限性，理论设计须结合风场运行验证更精确的理论应考虑3D效应及动态失速影响。
2.3 风力机复合材料叶片构造设计
设计GRP叶片的构造时主要考虑叶片根端连接与叶片剖面形式。叶片与轮箍连接使叶片成悬臂梁形式。作用在叶片上的荷载通过叶片根端连接传到轮毂上，因此叶根的荷载最大。根端必须具有足够的剪切强度、挤压强度，与金属的胶结强度也要足够高。上述强度均低于其拉弯强度，因而叶片的根端设计应予以重视。大型风力机的GRP叶片根端形式主要有金属法兰(法兰与叶根螺栓连接或胶结)、预埋金属杆及T型螺栓。金属法兰与叶根柱壳胶结，而不是传统的螺栓连接，这可减轻根部的重量。大型风力机的GRP叶片剖面采用蒙皮与主梁构造形式。蒙皮的功能主要提供叶片的气动外形同时承担部分弯曲荷载和大部的剪切荷载。蒙皮由双向玻纤织物增强，以提高蒙皮的剪切强度。蒙皮的后缘部分采用夹层结构，以提高后缘空腹结构的抗屈曲失稳能力。主梁为主要承力结构，承载叶片的大部弯曲荷载，它采用单向程度较高的玻纤织物增强，以提高主梁的强度及刚度。
2.4 结构设计
叶片结构设计主要考虑制订荷载规范、荷载计算、极限强度及疲劳强度验算、变形计算、固有频率计算和屈曲稳定计算。作用在叶片上的荷载主要有惯性力和重力、气动力、运行荷载。荷载工况要考虑正常设计工况和正常外部条件、正常设计工况和极端外部条件、故障设计工况和允许的外部条件、运输安装和维修设计工况等组合工况。对每种荷载工况要区分极限荷载与疲劳荷载。对于极限荷载，至少要计算50a一遇的极端风速，要求叶片在极限荷载
下满足强度、变形、稳定条件。叶片的疲劳荷载较复杂，规范提供了简化疲劳荷载谱。根据叶片材料的S N曲线，应用Palmgren
miner线性累积损伤准则进行叶片的疲劳强度计算。
风力机叶片的固有频率是重要的动态性能参数。作用在叶片上的气动荷载是动荷载，其频率为风轮转速的整数倍。对于3叶片风力机组，频率为转速3倍的动荷载分量最大。为避免叶片共振或产生较大的动应力，规范要求叶片的一阶频率高于3倍转速频率的20%。通过复合材料铺层设计及气动外形的优化使叶片的频率满足动态性能要求。叶片的频率计算较复杂。叶片是变截面的，各截面的扭角是不同的。振动时各个截面可分解为两个方向的位移，产生了两个方向互相耦合的弯曲振动，计算时应考虑耦合影响。叶片的弯曲耦合振动方程：
(EIyu″+EIxyv″)″-mw2u=0
(EIxyu″+EIxv″)″-mw2v=0
上述方程可采用数值方法求解。大型风力机叶片采用空腔结构形式，在气动荷载作用下叶片局部受压区域可能发生突然损坏，称为曲屈失稳现象。叶片后缘空腔较宽，易发生失稳。为此本设计采用夹层结构。芯层和面层的厚度可采用复合材料夹层结构稳定理论进行计算。复合材料叶片的设计计算可采用经典的层合梁理论，叶片简化为悬臂梁。初步设计计算可满足工程要求，但优化设计应采用有限元方法。有限元强大的建模和结构分析功能适于叶片的应力、变形、频率、屈曲、疲劳及叶根强度的分析。叶片的构造较复杂，由外壳、主梁、夹层等构件组成，模型建立较困难。目前有叶片专用前处理软件，简化了叶片的结构分析。2.5 工艺制造
大型风力机叶片大多采用组装方式制造。在两个阴模上分别成型叶片蒙皮，主梁及其他GRP部件分别在专用模具上成型，然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起，合模加压固化后制成整体叶片。胶粘剂是叶片的重要结构材料。它应具有较高的强度和韧性以及良好的操作工艺性，如不坍落、易泵输及室温固化特性等。
早期国外的叶片成型工艺为手糊工艺，目前已开发出多种较先进的工艺，如预浸料工艺、机械浸渍工艺及真空辅助灌注工艺。真空辅助灌注成型工艺是最近几年发展起来的一种改进的RTM工艺。真空辅助灌注技术是应用薄膜包覆敞口模具，应用真空泵抽真空，借助于铺在结构层表面的高渗透率的介质引导，将树脂注入到结构铺层中。它多用于成型形状复杂的大型厚壁制品，在国外已用于成型大型的GRP叶片。
我国GRP叶片的制造厂家由于受市场、技术、材料及资金等方面的影响，大多采用湿法手糊工艺，常温固化。工艺相对简单，不需要加温加压装置。但对于大型的兆瓦级风力机叶片，由于叶片体形庞大，最宽处达300cm左右，最高处大于200cm，传统的手糊成型工艺已不适用。况且手糊成型具有生产效率低、劳动强度大、劳动卫生条件差、产品质量不易控制、性能稳定性不高、产品力学性能较低的缺点。真空辅助灌注技术是解决这一难题的一种新的成型工艺。本文通过多次试验摸索，解决了一系列技术问题，如布管方式、真空度控制、树脂选择、层板皱折等，取得了很好的效果。为国内的叶片成型工艺技术水平的提高和今后兆瓦级风力机叶片的产业化奠定了技术基础。2.6 产品认证
风力机及部件的用户自己很难评估机械部件的质量和安全性，须经权威机构检验和认证，如德国 GL、丹麦的RISOE、中国船级社等。商业化风力机机组的安全等级评估是认证的最重要的内容，对风力机的结构设计和安全性进行评估，确认是否符合IEC 标准或其他相关标准。考虑不同的气象和地理环境，标准将风力机的安全等级按50a一遇的极端风速及年平均风速分类，对一些特殊情况规定了S级。S级风力机组的设计值由设计者确定。
我国风力机标准委员会组织制订了一系列标准，其中关于大型风力机叶片的标准为“风力机组风轮叶片”。该标准基本上参照了IEC标准与德国劳埃德船级社规范。标准对复合材料叶片的材料选择、制造工艺、结构设计等方面均作出规定。中国船级社组织制订了风力机认证规范。国家标准及认证规范的颁布实施使国内生产厂家可按与国际标准等效的技术要求进行整机及部件的设计、生产与质量控制。风力机复合材料叶片发展趋势
风电技术发展的一个重要标志是单机容量的增加。在欧洲，尤其是德国、丹麦、西班牙，自 1997年以来，风力机组的平均单机容量已经增加了一倍多目前世界平均单机容量为1MW，主力机型是1.5～3MW。海上风电是风电发展的新领域。欧洲有十多个国家计划在近海增加装机容量2000万kW以上。我国也将进行海上风电的开发。第一个海上风电项目的装机容量为2万kW，采用8台2.5MW机组。在近海建立风电场的主要原因是海上的风速相对较高，大部分海上风场的发电量会比陆上风场高20～40%，其次是减少风场对陆上景观的影响。为适应海上风电的需求，制造商已制造出单机容量为2～5MW的风力机组，与其配套的复合材料叶片长40～60m。在未来10年，还有可能出现大于5MW机组用的更长的叶片。丹麦RISOE实验室新筹建的叶片试验中心能进行长度100m的叶片结构试验，为今后风电技术发展做准备。
叶片长度增加势必增加叶片的重量。对10--60m长度的叶片进行了统计研究，发现叶片重量按长度的三次方增加。
叶片重量对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。由于叶片运行，重力产生交变荷载，使叶片本身及机组产生疲劳。叶片减重可相应减少轮毂、机舱、塔架等结构的重量。
对于大型叶片，刚度成为主要问题。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强。碳纤维复合材料的弹性模量是GRP的2～3倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。据分析，采用碳/玻混杂增强方案，叶片可减重20～30%。目前世界上最大碳/玻混杂风力机叶片是Nodex公司为海上风电5MW机组配套研制的，叶片长56m。Nodex公司还开发了43m(9.6t)碳/玻叶片，可用于陆上2.5MW机组。Enercon公司开发了4.5MW风力机组用碳纤维增强叶片。对于大型叶片是否需用碳纤维增强，目前还有争议。LM公司开发的60m叶片是GRP的。目前大多数人认为这应有一个临界尺度，大于此尺度的叶片须使用碳纤维增强。
风力机叶片故障诊断方法研究 第3篇
摘 要：风力机叶片是风电机组的最为关键部件之一，其作用是将风能转换为机械能，对整个风电机组安全运行起着关键作用。并且逐步朝着大尺寸、大功率发展，叶片结构也越复杂，在运行及维护方面出现的问题也越来越多。在运行中，叶片易出现表面磨损、腐蚀、脱落及裂纹等缺陷，更严重的会发生开裂甚至断裂事故。叶片成本比较高，其维修费用、部件费用占到风力机总收入的10～15%。风力机寿命在很大程度上取决于叶片的寿命。叶片故障诊断就是及时发现并加以消除安全隐患，确保叶片的良好运行，将叶片的危险降低到最低限度的一项重要工作。利用在线监测及故障诊断技术是提高风电机组企业经济效益的重要途径，也是降低发电成本的重要环节。
关键词：风力发电机；叶片；故障诊断
一、诊断方法及失效机理分析
（一）故障诊断方法。在国家政策的支持下，风力机叶片故障诊断方法得到飞速发展，其主要技术有应变测量、振动测量、激光超声技术、红外热成像技术、视觉技术、声发射技术、光纤技术和摄影技术。比较先进的是视觉技术、声发射技术、光纤技术和摄影技术。光纤技术和摄影技术成本高，应变测量成本低。摄影技术精度极高，视觉技术、光纤技术和声发射技术精度较高。激光超声技术和光纤技术适用于远距离监测。光学应变测量（光学三维测试技术、激光散斑图干涉技术、DIC技术）适合三维监测，并且激光散斑图干涉技术和DIC技术互补，可以无限制量程监测。视觉技术可以监测最小尺寸缺陷。振动测量特别适合检测叶片裂纹。
（二）失效模式。风力机叶片损伤机理及识别方法的探索对风力机叶片故障诊断尤为重要。表1为叶片失效机理。
表1 叶片失效机理
二、状态监测及故障诊断
（一）传感器。传感器是将反映设备状态的各种物理量的信息监测出来的部件，是状态监测和故障诊断的第一步，也是很重要的一步。她直接影响着监测技术的发展。
对传感器的基本要求是：①监测出来的状态特征量信号有良好的静态特性和动态特性；②对被测设备无影响或影响很微弱，吸收待测系统的能量很小，能和后续单元很好的匹配；③可靠性好，寿命长。
在风力机叶片在线监测与故障诊断中，传感器占有重要地位。用于叶片监测的主要有压电陶瓷传感器、光纤光栅传感器、应力应变传感器、光纤视觉传感器、声波（AE）传感器、脉冲传感器和振动传感器等。
通过分析相关文献，可以得出结论：
1、 经济性：从低到高依次为电阻应变测量、振动测量、激光超声测量、声发射测量、光学应变测量、光纤测量、视觉技术测量、红外成像测量、摄影测量。
2、 安全可靠性：主要以精度为参考量，从高到低依次为摄影测量、视觉技术测量、光学应变测量、光纤测量、激光超声测量、声发射测量、电阻应变测量、振动测量、红外成像测量。
3、 适用性：
（1） 叶片裂纹：振动测量、光学应变测量（三维裂纹、夹层结构裂纹）、声发射测量（特别是微型）、摄影技术。
（2） 叶片开裂：振动测量、摄影测量（三维开裂）。
（3） 叶片断裂：声发射测量、光纤测量、摄影测量。
（4） 叶片覆冰：振动测量、激光超声测量、光纤测量。
（5） 雷击：光纤测量。
（6） 叶片变形：视觉技术测量、光学应变测。
（7） 结构分层：激光超声测量、红外成像测量、光纤测量。
（8） 叶片腐蚀：声发射测量。
（9） 叶片碳化：摄影技术。
（10） 局部应力集中：电阻应变测量、光纤测量。
三、结论
本文以风力机叶片为研究对象，其主要结论如下：
（1）风力机叶片损伤类型和损伤机理的分析，为故障诊断奠定了理论基础，有利于快速有效的诊断出故障原因。
风力发电机叶片模具制造 第4篇
(一) 风电行业背景。
随着全球应对气候变化呼声的日益高涨, 以及能源短缺、能源供应安全形势的日趋严峻, 可再生能源以其清洁、安全、永续的特点, 在各国能源战略中的地位不断提高。风能作为可再生能源中成本较低、技术较成熟、可靠性较高的新能源, 近年来发展很快并开始在能源供应中发挥重要作用。国际上利用风力发电是本世纪发展壮大起来的, 随着风电技术不断进步, 容量逐步增大。
我国幅员辽阔、海岸线长、风能资源丰富, 特别是新疆、内蒙古与沿海地区。我国可开发的风能潜力巨大, 陆上加海上的总的风能可开发量约有1, 000~1, 500GW。我国风力发电在二十世纪八十年代开始发展, 2003年开始迅猛增长, 2006年至2009年累计风电装机容量连续四年保持翻番增长。2010年新增装机增长率为37.1%, 累计装机增长率为73.3%, 首次低于100%。2011、2012两年由于世界经济大环境的影响, 风电行业也比较低迷。但据BTM预测, 今后全球风电年新增装机平均增速将保持在10%~15%。风力发电是新能源中比较成熟的一种, 如果充分利用, 可成为仅次于火电、水电的第三大电源。随着风电经济性的进一步提升和风电并网消纳问题的逐步解决, 未来五年, 由于政府政策的强力支持, 中国将继续引领世界风电的发展。
(二) 国内风电叶片模具制造现状。
风力发电机是一种将风能转化为机械能, 再由机械能转化为电能的机组和系统, 叶片是将风能转化为机械能的唯一关键部件。叶片的空气动力外形决定了整个机组的空气动力性能, 一个具有良好空气动力外形的叶片, 可以使机组的能量转换效率更高, 获得更多的风能。叶片的材料和结构保证叶片的强度和刚度, 还要有合适的工艺和方法, 保证能够做出带有复杂的外形、符合空气动力学原理的外形的大尺寸构件。叶片模具是保证外形的直接方法, 模具的设计与制造是叶片的关键技术之一。
目前, 风电叶片的模具设计与制造技术基本上掌握在国外几家公司手中, 尤其是设计技术。国内仅有极少数单位如上海玻璃钢研究所、北京玻璃钢研究所等, 能够自行独立设计, 但并不十分成熟, 设计指标与实际生产要求有一定的偏差, 而且由于工艺方面的研究相对滞后, 产品工艺流程远没有达到批量生产的要求。国内企业叶片模具的技术来源主要有两个:一是仿制。通过购买所需要的产品成品, 进行打磨修整, 使其光滑顺畅并符合叶面曲线要求, 在其上翻制模具。在目前的国际环境下, 仿制的路子是走不通的;二是购买国外公司的技术许可。购买技术许可需要支付高额费用, 并且时间进度也不能保证, 要花费很长的时间排队等待。购买技术又分为两种:购买使用权或者所有权, 一般而言, 国外较少将所有权卖出, 使用权也仅限于某个很具体的产品, 稍有改动就必须另行购买。风力发电是对国家能源战略和环保战略有积极影响的新兴大产业, 叶片设计技术和制造技术的突破, 将打破国外公司的技术垄断, 降低整机成本, 对风电设备技术进步起到有力的推动作用, 对风电产业的持续、良性发展有着重要的意义。
二、风电叶片模具制造
(一) 概念。
叶片模具通常指的是阴模, 阴模用于生产糊制叶片。制造阴模前还需先制造用于制作阴模的阳模。叶片主模具 (即上、下型面模具, 也俗称叶壳模具) 阳模和阴模的制造方法和模具结构很复杂, 是叶片制造的关键技术之一。
(二) 阳模制作。
叶片前后大梁、上下翼梁阳模的制造方法和模具结构较为简单, 在此不赘述, 下面仅介绍叶壳阳模的制作。通常, 阳模有两种制作方法, 一种是购买成品叶片进行打磨修整, 使其光滑顺畅并符合叶面曲线要求;一种是自行设计, 并按照设计要求的曲面, 采取数控加工法或手工样板控制法制作。叶壳阳模就是构成叶片上、下型面几何型面的模胎, 结构上需要有一定的强度和刚度, 表面有一定的硬度, 但主要是几何曲面加工精度要高。国外先进的阳模制造工艺是大型数控加工设备加工型面, 因为叶片很长, 需分段加工, 然后组装成一体。先是在易加工的硬质泡沫体上粗加工, 加工到一定尺寸, 在泡沫体表面喷涂一定厚度的硬壳, 再加工这一硬壳到尺寸, 再抛光, 达到翻制阴模所需的尺寸精度和表面光洁度。这种加工设备国内还很少, 采用这种方法困难较大。另一种制造阳模的方法, 是使用大量数控加工的精确切面样板, 控制手工修理型面, 这样也可达到精度要求。
(三) 叶片模具 (阴模) 制造。
主模具是指生产叶片叶壳的模具 (阴模) 。叶壳模具的总体形式为:“玻璃钢壳体+钢结构框架”, 上、下型面分体结构形式。“玻璃钢壳体”形成叶片所需的几何形面, 具有一定的强度和刚度, 表面采用模具胶衣层。在壳体内放置加热系统, 保证叶片成型时所需的温度。“钢结构框架”为模具提供主要的强度和刚度, 并为模具的定位系统和夹紧/顶出系统提供安装基础。合、启模方式采用下模固定不动, 与地面紧固, 上模由天车移动与下模合或启的方法, 由两部天车吊起上模两端, 与下模合在一起, 或与下模和叶片分离。吊起前应用顶起系统进行初始分离操作。
总体来说, 主模具的制作工艺过程是:糊制上下模壳体 (在模胎即阳模上) 、焊接上下模钢架、上下模钢架与上下模壳体糊制成一体、喷聚氨酯保温材料、上下模起模, 下模调平、安装上下模定位装置、安装翻转机构、上下模型面打磨、检验。糊制壳体时还要考虑加热带的布线和固定。主模具的结构如图1所示。
注:1.定位系统;2.夹紧/顶起系统;3.钢架;4.模具胶衣;5.FRP层;6.加热层;7.FRP层;8.木夹芯层;9.FRP层
(四) 前后大梁、上下翼梁模具制作。
前后大梁、上下翼梁模具的制作相比主模具的制作要简单, 只需要在阳模 (模胎) 上糊制模具, 焊接支撑钢架, 并将钢架与模具糊制成一体, 然后进行调平, 对模型面进行打磨、检验, 不需要起吊机构、定位装置、翻转机构和加温系统。
三、存在问题及发展展望
目前, 国内叶片自主研发能力薄弱, 是影响我国风电设备技术进步的瓶颈之一。随着技术的发展, 风电机组的单机容量越来越大, 而海上风场的开发利用, 更需要大型的机组。越来越大的机组需要越来越大的叶片, 叶片及模具的技术难度会越来越大。如果现在不跟上世界发展的速度, 以后会更加困难。仿制的路子走不通, 购买技术的代价越来越高昂, 如果现在开始迎头赶上, 占领技术的制高点, 会在今后风电产业的发展中占有一席之地, 确立市场竞争中的优势, 发展空间将会越来越大。
中国风力发电机叶片行业研究报告 第5篇
第一章 风电叶片概述
1.1 风力发电设备的主要部件
1.1.1 风力发电机
1.1.2 风电机齿轮箱
1.1.3 风电叶片
1.1.4 叶轮
1.2 风电叶片的结构及原理
1.2.1 风电叶片的组成部件
1.2.2 风电转子叶片的工作原理
1.2.3 风电叶片的设计规范
1.3 风电叶片的生产工艺
1.3.1 手糊工艺
1.3.2 RTM工艺
1.3.3 手糊工艺与RTM工艺的比较
第二章 中国风电叶片发展的外部环境分析
2.1 中国风电叶片政策环境
2.1.1 中国逐步建设完备的风力发电工业体系
2.1.2 风力发电借政策东风谋求发展壮大
2.1.3 我国政策推动风电设备自主创新
2.1.4 国家财政部出台政策支持风电设备发展
2.1.5 我国风电设备制造业准入门槛提升
2.2 中国风电叶片经济环境
2.2.1 中国GDP分析
2.2.2 消费价格指数分析
2.2.3 城乡居民收入分析
2.2.4 社会消费品零售总额
2.2.5 全社会固定资产投资分析
2.2.6进出口总额及增长率分析
2.3 中国风电叶片社会环境
2.3.1 我国面临能源紧缺局面
2.3.2 我国加快调整优化电力结构
2.3.3 中国风能资源储量丰富
2.3.4 风能开发可有效缓解中国能源压力
2.3.5 节能环保成社会发展趋势
2.4 2011年中国风电叶片行业环境
2.4.1 中国风电产业日益走向成熟
2.4.2 中国风电装机突破4000万千瓦
2.4.3 风电市场发展挑战与机遇并存
2.4.4 中国风电产业投资迅速增长
2.4.5 中国风电发展目标与前景展望
第三章 中国风电设备产业发展走势分析
3.1 2011年国际风电设备发展概况
3.1.1 世界风电设备制造业快速发展
3.1.2 世界风电设备装机容量分地区统计
3.1.3 全球风电机组供求趋于平衡
3.1.4 欧洲风能设备市场竞争逐渐激烈
3.1.5 英美两国风电设备的概况
3.2 中国风电设备产业的发展动态分析
3.2.1 中国风电设备行业发展研析
3.2.2 中国风电设备制造异军突起
3.2.3 风电设备市场迎来高速增长期
3.2.4 国内风电设备企业发展状况
3.2.5 国内风电市场中外竞争加剧
3.3 相关风电设备及零件发展分析
3.3.1 风电制造业遭遇零部件掣肘
3.3.2 风电机组市场需求持续增长
3.3.3 中国风电机组实现自主研发大跨越
3.3.4 中国风机市场发展及竞争格局
3.3.5 风电轴承业市场机遇及风险
3.4 2011年风电设备产业发展存在的问题及对策分析
3.4.1 中国风力发电设备的产业化困境
3.4.2 国产化水平低制约风电产业发展
3.4.3 国产风电设备突围的对策
3.4.4 中国风电设备制造技术发展路径
第四章 中国风电叶片行业总体发展分析
4.1 2011年中国风电叶片行业发展现状
4.1.1 我国风机叶片产能持续增长
4.1.2 我国风电叶片行业发展迅猛
4.1.3 中国风电叶片投资持续升温
4.1.4 国内风电叶片市场规模巨大
4.1.5 中国风电叶片制造企业发展格局
4.1.6 我国风机叶片发展面临专利权掣肘
4.2 中国风电叶片行业发展动态分析
4.2.1 中材科技签订风电叶片大单
4.2.2 首支慈竹风电叶片在德州诞生
4.2.3 兆瓦级风电叶片出口实现新突破
4.3 中国风电叶片技术发展综述
4.3.1 风电叶片材料的技术路线
4.3.2 LM公司海上风电叶片新技术
4.3.3 结构优先的风电叶片设计方法
4.3.4 风电叶片的清洁及修补技术
第五章 中国风电叶片重点项目进展及区域格局分析
5.1 国内风电叶片重点项目进展状况
5.1.1 我国第一套2MW45.3米风电叶片成功下线
5.1.2 上玻院1.5兆瓦风电叶片生产体系获认证
5.1.3 我国自主研发的首片复合材料风机叶片下线
5.1.4 苏北沿海风电叶片制造发展迅猛
5.1.5 河南名都自主研发1.5兆瓦风电叶片下线
5.2 2011年中国风电叶片重点区域发展状况分析
5.2.1 黑龙江大型风电叶片研发基地落户哈尔滨
5.2.2 内蒙古风机叶片项目陆续上马
5.2.3 甘肃首片兆瓦级风电叶片成功下线
5.2.4 湖南风电叶片制造技术取得新突破
5.2.5 大型风电叶片生产基地落户秦皇岛
5.2.6 连云港大力建设风机叶片基地
第六章 国外风电叶片生产企业分析
6.1 GE
6.2 VESTAS
6.3 Gamesa
6.4 艾尔姆玻璃纤维制品有限公司（LM）
第七章 2011年国内风电叶片生产企业关键性财务数据分析
7.1 新疆金风科技股份有限公司
7.2 株洲时代新材料科技股份有限公司
7.3 中材科技股份有限公司
7.4 东方电气集团
第八章 中国风电叶片行业发展趋势与前景展望
8.1 中国风电叶片行业发展前景
8.1.1 中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔
8.1.2 盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升
8.1.3 风电
开始成为越来越多投资者的逐金之地
8.2中国风电叶片行业市场预测
8.2.1 风电叶片供给预测分析
8.2.2 风电叶片需求预测分析
8.2.3 风电叶片价格走势预测分析
8.3中国风电叶片行业市场盈利能力预测分析
第九章 中国风电叶片产业投资前景预测
9.1 中国风电叶片投资概况
9.1.1 中国风电叶片投资环境分析
9.1.2 中国风电叶片投资与在建项目分析
9.2 中国风电叶片行业投资机会分析
复合材料在风力发电机叶片中的应用 第6篇
【关键词】复合材料；风力发电机；叶片
引言
随着世界性能源危机的日益加剧和公众对于改善生态环境的呼声不断高涨，风力发电作为一种清洁的可再生能源在全球范围内迅猛发展。各国都加快了对风力发电机组的研发，不断推出新的材料和技术。目前国内的主流风机是1500kW，正在开发2000kW、3000 kW、5000kW的风机。随着风力发电机装机容量的增加和叶片长度的增大，对叶片的制造技术和材料提出了更高的要求。不断发展的技术和市场开发使得风力发电从复合材料的边缘应用变成全球复合材料最广泛的应用之一。风力发电机叶片是风力发电的核心技术，由于对叶片的外形、精度、表面粗糙度、强度和刚度的要求很高，使得叶片技术成为制约风力发电快速发展的瓶颈。旺盛的市场需求促进了风电叶片材料的研发和应用。
1、叶片主要原材料
风力发电机叶片的应用材料已经由木质、帆布等发展为复合材料。复合材料是以某种材料为基体，另一种材料为增强体组成的材料。在性能上各种材料取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料，可以满足各种不同的要求。合理选择基体和增强体的材料，并充分考虑两者之间的相互作用是风力发电机叶片选择材料的关键。当前，我国风机叶片的主要原材料是树脂和增强材料。
1.1树脂
不饱和聚酯树脂具有工艺性良好、价格低廉等优点，在中小型风机叶片的生产中占有绝对优势，但它也存在固化时收缩率大、放热剧烈和成型时会有一定的气味和毒性等缺点。环氧树脂具有良好的力学性能、耐腐蚀性能和尺寸稳定性，是目前大型风电叶片的首要选择，但它的成本较高，阻碍了它的广泛应用。乙烯基树脂的性能介于两种树脂之间，目前在大型风电叶片中的应用较少，但随着生产厂家对成本的要求越来越高，乙烯基树脂可能会成为兆瓦级风电叶片的材料。
1.2叶片用增强材料
（1）玻璃纤维
玻璃纤维是一种性能优越的无机非金属材料，它具有很好的柔软性、绝缘性和保温性且强度高，是复合材料中常用的一种增强材料，和树脂组成复合材料后可以成为良好的结构用材。目前，制造风电叶片的主要材料就是玻璃纤维增强环氧树脂和玻璃纤维增强聚酯树脂。玻璃纤维可分为不同的级别和类型，E级玻璃纤维的使用最为普遍，也是风电机叶片的主流增强材料。但是E级玻璃纤维体积质量较大，影响叶片速度的提高。
（2）碳纤维
碳纤维是指含碳量高于90%的无机高分子纤维。碳纤维不仅具有碳材料的固有特性，还具备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维具有很多优点，它的轴向强度和模量都很好高，无蠕变，导电性介于金属和非金属之间，耐疲劳性好，耐腐蚀性能好，热膨胀系数小，纤维的体积质量低。碳纤维复合材料使风力发电机的输出功率更平滑、均衡，提高了风能利用效率。相对于传统的玻璃纤维，同样长度的碳纤维叶片比玻璃纤维叶片质量要轻得多，并且碳纤维复合材料叶片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍～3倍。随着风机叶片长度的增加，将碳纤维作为增强材料应用于风电叶片更能发挥其质量低、强度高的优点，但由于价格比较高，限制了它的大规模应用。
（3）碳纤维和玻璃纤维混杂材料
随着风电叶片长度的增加和对其刚度要求的提高，同时考虑到玻璃纤维和碳纤维之间的价格差异，因此采用碳纤维和玻璃纤维混杂材料的方法既能减轻叶片质量，提高叶片强度、刚度和抗疲劳能力，又能使叶片价格不至于太高。实践证明，当风电叶片长度大于40m时，可以采用碳纤维和玻璃纤维混杂材料。
2、复合材料风机叶片制造工艺
2.1湿法手糊成型
湿法手糊成型法是手工将增强材料浸胶一层一层地紧贴在模具上，再真空压实浸胶。这种方法生产效率低，而且在制造过程中会产生有害物质，造成环境污染，所以只适合小批量、质量要求不高的风机叶片的生产。
2.2预浸料成型
预浸料成型方法是首先按要求的铺层顺序将预浸料铺放在模具内，然后用真空袋将没有成型的制件密封，抽成真空，排除其中的气体和挥发成分，按最佳的固化工艺参数在热压罐内固化成型。预浸料成型法可以提高叶片综合性能，使叶片厚度均匀、空隙率低，表面光滑平整。美国通用电气公司和丹麦维斯塔斯集团对于40m以上的风机叶片使用这种成型方法[1]。
2.3真空导入成型
真空导入成型法是目前生产风机叶片的主导工艺，它是先将纤维等增强材料铺放在模腔里进行抽真空作业，同时，在真空压力的作用下将树脂基体导入模腔来浸渍增强材料。真空导人工艺是密闭成型的，具有污染小、生产的叶片质量稳定和生产效率高等优点，有助于提高产品的性能、降低生产成本。
3、结语
目前国外风电叶片广泛采用复合材料，并向大型化、低成本、高性能、轻量化、柔性化的方向发展，中国风电产业发展也非常迅速，生产技术也日趋成熟，逐步形成多个国产自主品牌。随着风电技术的不断发展，風机容量不断增加，新材料的广泛应用，为风机叶片设计产生提供更大的空间。
参考文献
[1]高克强,薛忠民,陈淳,邱桂杰.复合材料风电叶片技术的现状与发展[J].新材料产业,2010(12):4-7.
风力发电复合材料叶片的研究进展 第7篇
大型叶片可以改善风力发电的经济性。但是随着叶片长度的增加,叶片质量的增加速度要快于能量的提取速度[1],同时对增强材料的强度和刚度性能提出了更高的要求。现代大型风机叶片基本上都由各种纤维增强树脂基复合材料制成,气动设计和翼型结构会影响风力机性能与发电效率,增强材料和树脂基体等关键原材料的力学性能、抗疲劳和耐气候等特性,成型工艺的选择决定叶片的承载能力、运行稳定性、长期使用寿命和每千瓦时电量的成本[2]。
1 风力发电叶片的研究进展
随着现代风力发电叶片技术的快速发展和日趋成熟,风力发电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦质量、提高转换效率的方向发展。20世纪80年代早期至中期,典型的风电机组单机容量仅为0.02~0.06MW;从80年代末至90年代初,风电机组单机容量从0.1MW增至0.5MW;到90年代中期,典型的风电机组单机容量为0.75~1MW;到90年代末期,风电机组单机容量已经达到2.5MW;目前世界上最大单机容量为5MW,平均单机容量为1MW[3]。
随着风电机组单机容量的增大,叶片的外形尺寸趋于大型化。目前,世界上最长的风机叶片达61.5m,由全球风力发电最大制造商LM GLASFIBER公司生产。由于风机叶片的尺寸增大,因此对翼型设计、材料的选择以及成型工艺提出了更高的要求。风力发电叶片涉及气动、复合材料结构、工艺等领域,目前国内外的研究主要从叶片结构、成型工艺、铺层设计和应用于叶片的新型复合材料的开发等方面展开,主要研究内容包括叶片气动外形与叶片结构的优化设计、不同材料的叶片成型工艺技术等[4,5,6]。
1.1 风力发电叶片的设计
叶片的设计包括气动外形设计和结构设计。叶片的形状及气动性能直接影响到风力发电机转换风能的效率。随着风力发电技术和相关学科的发展,空气动力学、新型材料学、数值模拟、计算机等学科已经被广泛应用于叶片设计技术中。
现代风力机大都采用水平轴转子,叶片多采用轻型玻璃钢纤维增强材料,三叶片呈翼面形状[7]。性能优良的叶片除了要求有高效的翼型、合理的安装角外,还要有科学的升阻比和尖速比。由于叶片直接迎风获得风能,所以还要求叶片有合理的结构、优质的材料和先进的工艺,以使叶片能可靠地承担风力、叶片自重、离心力等给予叶片的各种弯矩、拉力。同时还要求叶片质量轻、结构强度高、制造成本和使用成本低[2]。
1.2 复合材料叶片成型技术
随着不同复合材料体系和树脂体系的开发,叶片的制造工艺由开模成型工艺向闭模工艺发展,成型技术在不断改进。成型技术主要有手糊成型、模压成型、预浸料成型、拉挤成型、纤维缠绕、树脂传递模塑(Resin transfer molding,RTM)以及真空灌注成型、真空导入成型(Vacuum assisted resin infusion,VARI)等。目前文献报道了一些新型低成本成型加工工艺,如真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VAR-TM)和轻型树脂传递模塑工艺(Light-RTM)。
风力发电叶片成型工艺存在的核心问题是工艺参数的确定,包括预制件渗透率、树脂体系、铺层情况、注射压力、注射口形状、溢料口布置等主要工艺参数对充模过程中树脂流动方向和流动速度的影响、后固化阶段的固化时间、固化温度及脱气时间等因素的确定[8,9,10,11,12,13]。从工艺设计角度考虑,RTM-WORX、PAM-WORX等计算机软件可模拟复合材成型工艺尤其是RTM工艺中的树脂流动过程[14,15],模拟预测的结果将为优化工艺设计、提高叶片成品性能、减少缺陷等提供重要依据和方法。
1.3 增强材料体系
风力发电叶片是一个复合材料制成的薄壳结构,一般由根部、外壳和加强筋或梁三部分组成。
20世纪70年代风力机叶片主要由钢材、铝材或木材制成。纺织复合材料耐疲劳、结构稳定、抗腐蚀、耐高温,综合性能明显优于金属材料,因此复合材料成为目前制备风力发电叶片的首选材料。其中玻璃纤维复合材料是复合材料叶片所使用的主流增强材料,常用的玻纤材料包括E-玻璃纤维、S-玻璃纤维。虽然从性能角度来说,S-玻璃纤维的弹性模量和拉伸强度均高于E-玻璃纤维,但是由于其价格居高不下,因此在当前的叶片材料领域仍然是E-玻璃纤维占据主导地位。
玻璃纤维具有可根据风机叶片的受力特点来设计强度与刚度、翼型容易成型、可达到最大的气动效率、疲劳强度较高、抗震性好和耐腐蚀性好等优点,而且玻璃纤维价格便宜,供应量宽松,采用玻璃纤维作为叶片材料的成型工艺成熟。但是随着叶片长度的增加,传统的E-玻璃纤维在强度、刚度和质量等方面显现出不足。针对大型复合材料风电叶片市场,国内外厂商从提高强度、刚度方面出发,研制生产了各种高性能玻璃纤维[16,17,18,19,20,21]。目前主要产品和生产国家包括:巨石/Gibson的E6T M,法国Saint-Gobain集团的H玻纤,美国的StarRov 086、S-2TM、AdvantexTM、Hiper-texTM、HYBON2002和HYBON 2026两种无捻连续直接纱,日本的“T”纤维,俄罗斯的BM“π”纤维,中国中材科技股份有限公司的HS2和HS4高强硅-铝-镁玻璃纤维[22]、重庆国际复合材料有限公司(CPIC)的无硼无氟环保型的TM粗纱等。
当风机叶片超过一定的临界长度后,玻璃纤维复合材料的力学性能就已趋于极限,有效的办法是使用性能更高的碳纤维增强材料来提供必要的刚度和减轻质量[23,24,25]。碳纤维是一种力学性能优异的新材料,碳纤维的抗拉强度是E-玻璃纤维的1.12~1.44倍,且具有较高的抗压缩强度、抗剪切强度和优良的阻尼特性[26]。虽然碳纤维价格比玻璃纤维高,但有文献指出,当叶片超过一定尺寸后,材料用量、劳动力、运输和安装成本等均有明显下降,碳纤维叶片要比玻璃纤维叶片便宜[27]。欧洲EC公司的研究结果指出,在Φ120m叶片转子中添加碳纤维复合材料能有效减轻总体质量达38%,也可使其设计成本费用比玻璃纤维的减少14%。其它类似的研究也指出,添加碳纤维复合材料制得的风机叶片质量会比玻璃纤维叶片减轻约32%[28,29]。
2 碳纤维在风机叶片上的应用
碳纤维复合材料叶片技术的开发与研究顺应叶片大型化和轻量化的方向发展。碳纤维增强材料的拉伸弹性模量是玻璃纤维增强材料的2~3倍,大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。碳纤维叶片的几何轮廓可以设计得更薄,叶片更细长。同时叶片质量的降低和刚度的增加可以有效改善叶片的空气动力学性能,减少对塔和轮轴的负载,使风机的输出功率更平滑、更均衡,提高了能量效率。充分利用碳纤维增强材料的特性还能制造自适应叶片(“Self-adaptive”blade),发电成本有望降低。利用碳纤维的导电性还能避免雷击,可以有效地避免雷击对叶片造成损伤[30]。目前已开始根据需要将碳纤维复合材料(CFRP)应用在风机叶片的局部区域。
2.1 碳纤维与玻璃纤维混杂复合材料应用的部位
与玻璃纤维相比,碳纤维是脆性材料,材料受力过大会直接断裂。另外从成本角度考虑,碳纤维比玻璃纤维价格贵将近10倍,因此,采用100%的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国内外碳纤维主要是与玻璃纤维混合使用,碳纤维只是用在一些关键部位。碳纤维在叶片中应用的主要部位有:
(1)大梁(Spar)[31,32]。质量更轻,模量更大,刚度增加且在叶片的设计中减小了叶片的预弯,降低了叶片生产的难度,同时极大地降低了生产成本。
(2)前后边缘。除了加强叶片强度和降低质量外,还能转移雷电的来袭,避免雷击对叶片造成损伤[33]。
(3)叶片的表面。采用具有高强度特性的碳纤维片材,降低了风机叶片的制造和运输成本,提高了风机发电的效率[34]。
(4)定桨矩风机叶尖刹车段的碳纤维轴。
在风力发电叶片的材料选用上,混杂纤维增强技术需要发挥各种纤维的性能优势,保证良好的浸润性,保证碳纤维的伸直取向,在保证性能优良的情况下降低成本。我国还需要进一步探索这种混杂技术。
2.2 碳纤维的实际应用情况
图1为近些年碳纤维在风力发电叶片中的用量,从图1可知2001年以来,碳纤维在风机叶片中的应用量逐年增加。其中2005-2007年碳纤维在风机叶片中的需求量增幅不大,这是由于自2005年起,世界范围内碳纤维普遍供应短缺,出现了世界性的碳纤维危机。但是从2008年开始出现好转,各大纤维生产厂扩大生产,供应量增加,价格回落。人们越来越意识到碳纤维在风机叶片中的优势,碳纤维在风机叶片中的应用呈现出前所未有的繁荣状态。
目前国外已经把碳纤维应用于叶片制造的厂家有很多。其中有丹麦LM Glass fiber“未来”叶片家族,德国叶片制造商Nordex Rotor和Enercon GmbH、Vestas Wind System,西班牙Gamesa、NEG Micon,华盛顿的Kirkland公司和TPI Composites公司,主要叶型产品是2MW、44m以上的叶片。LM公司下一代5~10MW风力机的设计将更多地采用碳纤维。国内有报道的是中复连众,该公司制造的2MW、39.2m的叶片上采用碳纤维取代玻璃纤维,质量与2MW、37.5m的叶片的一样(5.8t)。
2.3 碳纤/玻纤混杂纺织材料的研制
目前,许多科研机构和企业致力于研究生产碳纤/玻纤混杂纺织材料,并已取得一定成果。Devold公司采用Devold多轴衬纬工艺、以Tenax STS纤维制成的碳纤/玻纤混杂材料综合了玻纤易加工的优点和碳纤维的性能。Devold的织物缝编专利技术和功能性流动助剂极大地提高了灌注性能,与标准玻纤方案相比,不损害力学性能,可以应用于叶片主梁和根部区域。
3TEX开发了一种三维混杂结构,这种结构具有高强度、高刚度的特性,同时该结构能使树脂灌注速度加快且结构较厚,减少了铺层层数,节约了劳动力,降低了生产成本。结果表明,使用这种混杂纤维形式比全玻璃钢叶片质量减轻了约10%[35]。
Nodex公司已经率先利用碳纤/玻纤混杂增强复合材料研制生产出长为56m的海上风力发电机叶片和长为43m的陆上风力发电机叶片。
2.4 碳纤维叶片的铺层设计技术
碳纤维由于本身的特性对于工艺要求严格,尤其是铺层的设计。根据叶片结构与载荷要求,采用特殊的纤维织物混编铺层设计技术可以把碳纤维铺设在刚度和强度要求最高的方向,达到结构的最优化设计。有文献指出,采用600g的T-300/0°碳纤维夹在两层300g呈±45°的玻纤织物内。大型叶片中碳纤维呈0°,玻纤三轴向织物(Triaxial fabric)为±45°,这种方向的铺层可充分地控制层间剪切负载。利用纤维增强材料的特性能生产非对称性和各向异性的材料,采用弯曲/扭曲叶片设计可使叶片在强风中旋转时减少瞬时负载。
TPI公司采用碳纤维织物为800g的三轴向织物(Triaxial fabric),由一层500g 0°的T-600碳纤维夹在两层150g呈±45°的玻纤织物内。原型叶片中碳纤维呈20°,玻纤层的三轴向织物为±65°和-25°,这种方向的铺层可充分地控制剪切负载[30]。
目前碳纤维材料与国内普遍使用的叶片环氧树脂材料都具有较好的浸润性。在碳纤维叶片成型工艺中,预浸料和真空辅助树脂传递模塑工艺(VARTM)已成为最常用的两种技术;对于40m以上叶片,采用VARTM技术完全可以实现碳纤维复合材料叶片的成型,技术关键是控制树脂粘度、流动性、注入孔的设计和减少材料孔隙率。
总之,碳纤维复合材料叶片设计与制造技术研究为风力发电机组单机容量的大型化发展提供了有力的技术基础和保障,具有非常良好的应用前景。但是碳纤维本身价格高,叶片的成型技术不够成熟,再加上国产碳纤维品质不高,所以碳纤维在风机叶片的应用仍然困难重重。
3 碳纤维在风力发电叶片中应用所存在的问题
与传统的玻璃纤维相比,碳纤维在提高叶片刚度、减轻叶片质量等方面具有较大优势,但是碳纤维应用在风力发电叶片上也有许多不足:(1)韧性差,形变量不足,耐磨性及止滑性不佳,脆性较大;(2)价格昂贵;(3)容易受工艺影响(如铺层方向),浸润性较差,对工艺要求较高,多数局限于使用预浸料生产叶片的厂商才能制备;(4)成品透明性差,且难于进行内部检查。
碳纤维的这些缺陷限制了其在风机叶片中的应用,这是迫切需要解决的主要问题。应该从原材料、工艺技术、质量控制等方面深入研究,以求碳纤维增强材料的广泛应用。
4 结语
随着风电单机容量的增大,叶片尺寸趋于大型化,叶片生产材料必然向着强度更大、抗疲劳特性更好、质量更轻的方向发展,碳纤维复合材料叶片具有极大优势和发展前景。研究结果和实际应用情况均证实碳纤维应用到风机叶片中的可行性,关键在于碳纤维复合叶片成型工艺、相应树脂体系的开发、叶片气动外形与叶片结构的优化设计等方面的开发研究。但不可否认的是,碳纤维材料给叶片材料的发展提供了新的契机,为叶片的长度增加提供了更大的空间。
摘要：综述了现有复合材料风电叶片的外形设计、成型工艺、叶片增强材料体系的研究进展,介绍了碳纤维与玻璃纤维混杂复合材料在风机叶片中的应用和目前存在的问题。碳纤维复合材料叶片设计与制造技术为风力发电机组单机容量的大型化发展提供了有力的技术基础与保障,具有非常良好的研究应用前景。
美国成功研制出巨型风力涡轮机叶片 第8篇
桑迪亚国家实验室海上风能叶片项目首席设计师托德·格里菲思表示, 这种超级风力涡轮机利用的是规模经济。美国拥有巨大的海上风能潜力, 但海上设施很昂贵, 因此需要更大的涡轮机来捕捉能源, 才能负担得起所需费用。格里菲思指出, 传统的用于10 MW至15 MW风力涡轮机的迎风叶片造价昂贵, 而且必须十分坚韧, 以免作业疲劳, 或在强劲的阵风中停工。这些叶片十分沉重, 质量越大, 成本越高。
据物理学家组织网近日报道, 新研制的巨型风力涡轮机叶片的设计灵感源于棕榈树在风暴中的摇曳方式。叶片被设计成由一段一段小的叶片衔接组装而成, 其轻量化的分段躯干相当于一系列的圆柱壳, 可使整个叶片在风中弯曲的同时保持每段叶片自身的硬度, 从根本上降低了对叶片硬度的要求。而由于分段制造, 生产和安装成本都大大降低。在危险飓风来袭时, 巨型叶片会收起, 与风向一致, 降低了损坏的风险。而在风速较低情况下, 叶片会展开, 使产生的能量最大化。
美国最近发布的《风电愿景报告》称, 到2030年, 风能在美国国家能源总量占比应达到20%。而巨型风力涡轮机的开发将是达成这一目标的重要手段。
风力叶片 第9篇
世界第一台用于发电的风力机于1891年在丹麦建成,但由于各种原因未能成为电网中的电源,直到1973年发生石油危机,美欧的一些国家为寻求替代化石燃料的电源,投入大量经费,研制现代风力发电机组,开创了风能利用的新时代[1]。
风力机叶片翼型设计理论是决定风力机功率特性和载荷特性的根本因素,一直是各国学者研究的热点所在。目前叶片翼型的研究和设计都基于特定的几何轮廓曲面,来研究其空气动力学特性,并进行参数的设计和优化。但是,由于特定的几何曲线数学模型一经确定,其固有的几何特性和数学特性无法变更,因而性能受到根本制约。
因此,研究风力机叶片翼型廓线应具有怎样的函数特性,该函数的数学模型如何表达,该数学模型表征的几何曲线具有怎样的空气动力学特性,如何对该几何曲线进行形状优化等根本问题,对于风力机叶片翼型的优化设计研究,具有重大的理论指导意义。
1 翼型型线的几何理论
翼型的流型研究一般采用保角变换理论,即按照某个变换关系,把一个平面的图形变换到另一个平面上去,成为另外一个图形。变换后的图形不仅决定于具体的变换公式,而且还决定于原来图形的位置[2,3,4,5,6]。
z平面上的一个圆,通过改变圆心的位置,利用儒科夫斯基变换式:
ζ=f(z)=z+a2/z (1)
就能够变换成ζ平面上的一个翼型。同时,为了保证翼型后缘存在尖角,z平面上的圆需要通过x=a点。其中,a为1/4翼型弦长,这样,实际上就把具有复杂形状的翼型流型转变成了简单的典型流型。
ζ平面上的翼型坐标就可以表示为
式中,ξ为横坐标;η为纵坐标;r为翼型曲线的矢径长度;θ为幅角。
2 型线的集成表达
从上述翼型几何理论可知,翼型的形状可以通过保角转换理论来表达。但是,实际的翼型形状并不是简单的变换。通过将实际翼型的逆向转换,可以看出转换的结果是一个近似的圆。在这里,将这个图形表示为
z=a exp(φ(θ)+iθ) (3)
如果φ(θ)取为常数,上式就是一个圆,其变换的结果只是一个对称的缺乏弯度和尖角的翼型。如果φ(θ)是一个可变化的未知函数,通过选取不同的φ(θ),就可以变换出无穷多种具有弯度和尖角的翼型。r=aexp(φ(θ))为曲线的矢径长度。
根据Taylor级数对等思想,任意函数曲线的数学表达式都可以将其展开为级数,反之可通过级数来表征任意函数曲线,其几何形状及解析特性可通过级数系数的调整和优化加以控制。同时,三角函数、指数函数、对数函数等均可用幂级数函数来表达。这里采用三角函数形式表达:
φ(θ)=a1(1-cosθ)+b1sinθ+a2(1-cosθ)2+
b2sin2θ++ak(1-cosθ)k+bksinkθ+
k=1,2,,n (4)
同时可以看出该式满足φ(0)=0,保证了翼型的尖后缘特性。将式(4)代入式(3),就得到曲线z的集成表达式。
3 典型型线的分析
这里我们以1作为翼型的弦长,分别取不同系数来验证表达式具有翼型特征。
3.1 Ⅰ型型线
当a1=0.1,b1=0.05时,k取1,其他系数为0时:
φ(θ)=0.1(1-cosθ)+0.05sinθ (5)
将式(5)代入式(2)、式(3)可得
如图1所示,该曲线具有翼型特性。
3.2 Ⅱ型型线
当a2=0.05,b2=0.05时,k取2,其他系数为0时:
φ(θ)=0.05(1-cosθ)2+0.05sin2θ (7)
将式(7)代入式(2)、式(3)可得
如图2所示,同样该曲线具有翼型特性。
3.3 Ⅲ型型线
当a3=0.03,b3=0.05时,k取3,其他系数为0时:
φ(θ)=0.03(1-cosθ)3+0.05sin3θ (9)
将式(9)代入式(2)、式(3)可得
如图3所示,该曲线也具有翼型特性。
4 翼型集成型线通用性
现有翼型的表达都是通过离散的点来实现的,并不存在函数的具体表达形式。在翼型平面内,翼型可以表示为[3]
ζ=ξ+iη (11)
根据式(3)和式(11)可知:
从式(12)可以看出,知道了翼型的相应坐标,根据计划拟采用的级数项数目,选取一定的离散点,将各点坐标代入式(3)、式(4)及式(12)中就可以确定集成式的系数,从而实现翼型的集成表达。所以从理论上来讲,该集成式对于任意翼型的表达都是可行的。
为了更好地论证集成表达式的通用性,这里针对风力机中常用的NACA64418和S809两种翼型,通过逆向的求解进而确定集成式的各个系数,实现翼型的表达,很好地证明了集成表达式的通用性,同时为叶片翼型的优化提供了参考。
首先采用一次项的形式来表达两种翼型,这时得到的系数见表1。
代入系数分别得到图4和图5,其中线形代表了集成表达式,方框为现有的翼型,从图中可以看出采用一次项拟合并不能很好完成现有翼型的表达。
再引入二次项,通过求解得到的系数见表2。
代入系数分别得到图6和图7,可以看出此时的集成翼型形状已经在逐渐接近现有翼型,两者区别在缩小。
进而引入三次项,通过求解得到的系数见表3。
代入系数分别得到图8和图9,可以看出此时的集成翼型形状已经基本和现有翼型吻合。
通过上述集成表达,很好地论证了集成表达式的通用性,并且可以通过控制级数项的选取来实现翼型型线的变化和控制,为叶片翼型的优化提供了理论支持。
5 结论
本文通过对风力机翼型几何形状的研究,基于保角变换和级数理论提出了翼型形状的通用集成表达方程,通过控制函数方程的系数就能得到各种不同形状的翼型;通过对方程选取系数,得到了三种典型翼型型线,验证了方法的可用性。最后通过对两种常用风力机翼型进行集成表达和比较,理论研究了集成表达式的通用性,为翼型的优化设计提供了参考。
提出的翼型集成型线方程突破了原有翼型其数学模型固有特性的限制,为风力机叶片翼型的设计研究拓宽了思路,具有一定的理论意义和工业应用价值。
摘要：在叶片翼型设计过程中,提出了翼型型线的集成设计理论和方法,阐述了保角变换理论及其在翼型设计过程中的应用,引入了级数思想,推导出了能够广泛应用的翼型集成表达式,构造出了三种典型的翼型曲线,最后对常用的两种翼型进行了集成表达,并比较分析了级数项对翼型形状的影响,验证了函数表达方程的集成性和通用性。该研究突破了现有翼型数学模型固有特性的限制,提出的函数集成表达方式能够表征翼型的本质特征,为风力机叶片翼型的优化设计理论与方法研究拓宽了思路。
关键词：风力机,翼型型线,集成设计,通用性
参考文献
[1]贺德馨.风工程与工业空气动力学[M].北京:国防工业出版社,2006.
[2]Abbott I H,Albert E,Doenhoff V.Theory of WingSections[M].New York:Dover Publications,INC.,1959.
[3]钱翼稷.空气动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[4]Shen W Z,Srensen J N.Quasi-3D Navier StokesModel for a Rotating Airfoil[J].Journal of Compu-tational Physics,1999,150:518-548.
[5]Fuglsang P,Bak C.Development of the Ris WindTurbine Airfoils[J].Wind Energy,2004(7):145-162.
风力叶片 第10篇
风电作为新能源, 因其自身的清洁环保性和可持续性而有着广阔的发展前景和提升空间。叶片是整个风力发电装置中的关键部件之一, 它的几何形状直接影响着风力发电机的效率、可靠性、噪声的大小, 以及风力发电机的使用寿命。在风力发电机叶片的设计过程中, 为了满足各项气动性能的要求, 叶片的表面通常设计成复杂的扭曲面, 整个设计过程非常复杂。风力发电机叶片形状是影响其气动特性的关键因素, 为了引进和吸收先进的风力发电机叶片设计技术, 采用反求技术对其三维几何模型进行反求重构。在流体分析软件Fluent中对其攻角和风速之间的流场情况做了仿真分析, 得出了不同攻角下的流场情况, 对相关的气动参数进行了分析。
1 叶片表面的三维测量
以某公司的2k W风力发电机叶片为研究对象, 采用Brown&Sharpc公司生产的Brown&Sharpc GLOBAL三坐标测量机 (CMM) 对该风力发电机叶片进行三维曲面测量, 测头半径为1mm, 测量精度为1μm, 测量软件为PC-DMIS。应用三坐标测量机对风力发电机叶片表面进行三维测量之前, 必须对测量路径进行规划, 其主要目的是:1) 使测头以尽可能短的测量路径安全、高效地测量待测曲面;2) 测量过程中测量机的测头从上一个测量点移至下一个测量点时不与被测物体发生干涉, 并且测量路径应覆盖整个被测曲面[1]。测量路径的规划将直接影响测量效率和三维几何模型重构的精度。
为了便于测量和提高测量的准确性, 使叶片的翼型截面垂直于y轴放置, 沿风力发电机叶片径向选取120条截面线, 各截面之间的距离Sn按叶片曲面形状设定 (5mmSn25mm) , 对风力发电机叶片的吸力面和压力面分段测量, 如图1所示。得到相应的测量数据, 格式为.PRG类型, 然后保存为.txt格式数据以便于处理。
测量得到的数据为测量机原始数据, 原始数据含有测量过程中软件生成的代码和指令, 为了得到x、y、z各轴向的空间位置数据, 把.txt格式数据存入Excel中, 进行处理并提取出测量点的空间位置数据。截面曲线测量时, 测头沿x、z向移动, 在y向为定值, 故测量数据导入到MATLAB中以点坐标的y值为判断条件对数据进行翼型截面的区分:设定判断值△y=1mm, 若yi+1-yi<△y, 则认为这两点在同一截面线内;若yi+1-yi≥△y, 则认为这两点不在同一截面线内, 由此分出120组曲线点, 然后保存为.ibl格式数据。
2 实体建模
2.1 Pro/E中建立翼型截面曲线
在软件中执行命令:新建曲线自文件完成。然后选择.ibl格式数据类型导入, 得到原始的截面曲线。
由于测量中存在的各种因素影响, 导致所得到的数据会有一定的误差, 同一个截面上测量得到的数据会有微小的浮动, 通过已测截面曲线上的一点创建垂直于y轴的参考面, 共创建120组参考面。原始数据投影到参考面上得到新的曲线, 然后对新的曲线各向内偏移1mm以补偿测头半径造成的测量误差 (Pro/E中曲线偏移沿着点在曲线中的法向偏移) 。最后连接成新的封闭的翼型截面曲线。
2.2 实体创建
测量出各个截面之间的距离并记录, 然后通过:插入混合伸出项 (平行、规则截面、草绘截面) 完成光滑完成选取初始截面正向缺省使用命令[2]。
再依次选取每个截面的曲线, 之后输入截面之间的距离, 就可得到光滑的叶片实体模型, 而不会出现表面扭曲现象, 如图3所示。
3 CFD仿真计算分析
3.1 网格划分
风轮半径为1.5m, 轮毂半径为0.1m, 叶片有效长度为1.4m, 选取位于叶片展长66.7%处距叶根1m的翼型截面作为分析对象。在Pro/E中另存为.stp格式文件, 在弹出的输入面板中勾选线框边、基准线和点两个选项。在Gambit里采用四边形非结构化网格划分, 其中网格局部放大如图4。
3.2 气动特性分析
将网格导入流体分析软件Fluent中, 模拟风洞实验对其进行相关条件的设定:设定速度入口, 大小为10 m/s;选择压力出口;理想流体无黏模型 (Inviscid) ;理想无黏不可压缩气体 (100m/s以下) 密度为1.225 kg/m3;压力速度耦合:SIMPLE Standard Second Order Upwind;不考虑重力影响[3]。通过改变攻角α值设计6组仿真实验, 得到不同攻角情况下翼型的相关气动特性参数如表1。
流场入口设定风速为10m/s时, 翼型的相关气动参数随攻角的变化关系如图5、图6所示。
由图5~6和表1中数据表明, 升力系数会在某一确定攻角时最大, 阻力系数会随着攻角的增大而有增大的趋势, 叶片设计时一般不选取最大升力或者最大升力系数时的攻角, 而是选取升阻比最大时的攻角作为最佳设计攻角, 由仿真数据得出本文所选翼型最佳攻角在5°左右。
流场入口风速为10m/s时, 其中两组攻角下的压力云图对比如图7所示。
翼型设计中通常上缘比下缘要长, 当空气的流速小于0.3马赫时可以认为空气是不可压缩的理想流体, 由流体流动的连续性原理 (质量守恒定律) 和伯努利原理知道, 流经质量不变, 流线越长, 流速越大, 压强越小。对翼型而言, 空气流经上缘时流速较流经下缘时快, 对上缘产生的压力较小而形成吸力面, 对下缘产生压力较大而形成压力面, 上下面的压力差就形成了翼型的升力。
由仿真压力云图可以明显看出, 翼型压力面的压力中心主要在翼型的下缘靠近前端, 而吸力面的负压中心在翼型上缘也靠近前端, 两中心位置上下并未对齐。图7 (b) 中形成了两个负压中心, 是由于攻角过大, 使得风流经翼型上缘时发生剥离, 形成漩涡所致, 由速度云图和速速矢量图可以清楚地看到。
流场入口风速为10 m/s时, 其中两组攻角下的速度云图如图8所示。由速度云图8中可以看出攻角不同, 流场也在变化, 攻角在小范围变化时, 流场虽然变化, 但仍处于稳定, 当攻角变化到一定程度时, 空气流体出现紊流现象, 甚至在翼型尾部出现涡流如图8 (b) 所示。这也是压力云图中出现负压的原因。
流场入口风速为10 m/s时, 其中两组攻角下的速度矢量图如图9所示。这两组速度矢量图更清晰地表示了流场的流动情况, 由图9 (a) 和图9 (b) 可以清楚地看到不同的攻角下, 流质流经翼型的情况。图9 (a) 图中出现了剥离现象, 图9 (b) 图中不但出现了剥离现象, 而且在翼型末端出现严重的涡流, 这些情况对实际应用产生严重的不良影响。应减轻或者消除这些情况的发生, 进而提高叶片的气动性能, 所以叶片气动外形的设计要求每个翼型面在额定风速下具有合理的攻角。
4 结论
为获得风力发电机叶片的三维几何模型, 采用三坐标测量机对叶片表面进行测量, 获取了叶片表面的三维点云数据。利用MATLAB软件对获取的点云数据进行分组处理及点云数据精简。通过Pre/E软件进行曲线拟合及实体造型, 重构出了风力发电机叶片的三维几何模型, 并对叶片设计中的攻角参数进行了二维翼型仿真分析, 得到了该叶片翼型相关的气动特性参数, 研究了攻角与升力系数、阻力系数以及升阻比之间的关系, 得到了不同攻角下流场的压力和速度的分布及变化情况, 并对结果进行了相关分析, 为三维整机仿真分析提供参考。对产品进行三维测量, 基于测量数据进行实体建模, 然后再进行仿真分析, 不仅可以对产品进行性能的验证, 在此基础上还可以对产品进行优化设计, 具有一定的工业实际意义。
参考文献
[1]金永平, 刘德顺, 等.矿用轴流通风机叶片三维几何模型反求重构[J].现代制造工程, 2011 (11) :24-27.
[2]崔彦彬, 姚志岗.基于Pro/E、Fluent软件的风机叶片造型及分析[J].矿山机械, 2009, 30 (2) :191-193.
风力叶片 第11篇
关键词：铺层参数,静态性能影响,铺层优化,风力机叶片,复合纤维
0 引言
风力机叶片的受力情况十分复杂, 承担了大部分动态和静态载荷, 其结构性能对风力机的稳定运行起着非常重要的作用。为了提高其性能和质量, 复合材料风力机叶片采用铺放和树脂浸透等成型工艺制造[1]。风力机叶片的性能取决于其铺层结构。叶片结构由承载层和夹芯复合而成, 而承载层又由纤维层多方向铺设合成。在铺层结构设计中, 除了综合考虑铺层原则、铺放工艺, 还要使铺层结构适应叶片的承载情况。为使纤维轴向高刚强度的特性得以最大化利用, 要求铺层的纤维轴线应与构件所受的拉压方向一致[2]。合理的铺层结构设计, 是叶片在各种风载情况下性能得以保证的前提。
论文基于风力机叶片复杂的气动外形、承载情况及非等厚度铺层结构, 探讨风力机叶片的有限元建模和铺层结构设计;研究铺层参数对叶片静态结构性能的影响。
1 有限元模型的建立
大型风力机叶片在运行中最大应力集中部位主要出现在叶中段1/3-2/3处, 论文中采用某公司的成熟叶片改进后加以分析, 取距叶根28.75m的一段为研究对象, 建立其有限元模型。叶片有限元模型如图1所示。
2 风力机叶片强度校核准则
复合材料的性能受多指标约束, Tsai-Wu强度失效准则引入材料影响系数F12, 综合考虑了外力作用及材料中各应力之间的影响。对不同应力状态的复合材料破坏可正确预测[3]。
式 (1) 中F.I.表示复合材料的破坏指标, 也称为失效因子;F.I.=1表示材料即将发生破坏;F.I.<1表示材料未发生破坏;F.I.>1表示材料已发生破坏。在F.I.<1的范围内, F.I.越趋近于1, 则材料越接近破坏。
3 铺层参数对叶片静态结构性能的影响分析
3.1 铺层原则
复合材料层合板的铺层设计应该综合考虑强度、刚度、结构稳定性等方面的要求, 达到提高层合板承载能力的目的。铺层设计应遵循以下原则:
(1) 铺层定向原则 (2) 均衡对称铺设原则 (3) 铺层取向按承载选取原则 (4) 铺层最小比例原则
3.2 基于双因素铺层参数对风力机叶片静态结构性能的影响分析
通过不同角度和各角度所占比例交叉组合, 探讨二者共同变化的情况下, 对风力机叶片铺层静态结构性能的影响。
由图2 (a) 可知, 综合考虑铺层角度和铺层角度所占比例对风力机叶片静态结构性能的影响。叶片铺层结构设计中, 各铺层角度的比例在50%-55%左右时, 叶片的Tsai-Wu失效因子处于曲线低谷状态, 在66.6%-75%时Tsai-Wu失效因子处于曲线高峰状态;相比各角度及其比例下的铺层, 采用45°各比例铺层时, Tsai-Wu失效因子均小于相同比例的其他铺层角度下的失效因子, 且45°铺层所占比例为60%-66%时, 叶片的失效因子处于最小;分析图6 (b) 可知, 相同角度铺层比例在50%-60%范围内, 叶片的位移比其他比例下的位移小;铺层角度处于40°-50°范围内, 叶片的位移较小, 其变化平缓, 且在45°铺层比例在50%-60%范围内, 叶片的位移值处于最小。
相比前人的单因素铺层参数分析法, 该方法考虑了铺层参数的耦合影响, 获得结果更为准确。
4 风力机叶片铺层方案优化
4.1 铺层方案优化
风力机叶片铺层结构合理与否直接关系到叶片的性能以及使用寿命。叶片主梁主要用于抗弯, 采用0°单向纤维布铺设;腹板主要承受剪力, 以±45°纤维铺层为主, 故不再对其铺层结构进行优化;由于蒙皮承担部分弯曲载荷和主要扭转载荷, 其结构复杂、厚度较大;本节针对叶片蒙皮结构进行铺层优化, 确定最优铺层方案并予以强度校核。
根据第3节铺层参数对叶片性能影响分析结论, 对原有铺层方案予以优化。原始铺层方案及改进方案如表1所示。
4.2 铺层方案比较分析
对原始铺层方案以及改进铺层方案的叶片进行静态结构性能分析, 优化前后Tsai-Wu失效因子分布及最大位移分布如图3-4所示。
相比风力机叶片铺层优化前, 优化后叶片的Tsai-Wu失效因子减小约23%, 最大位移量减小约21%;由此表明, 在叶片的蒙皮部分采用适量0°、90°铺层, 且与±45°铺层交叉铺放更有利于叶片性能的提高。
5 结论
综合考虑铺层角度和铺层角度所占比例对风力机叶片静态结构性能的影响。叶片铺层结构设计中, 各角度及其比例下的铺层, 采用45°各比例铺层且45°铺层所占比例为60%-66%时, 叶片Tsai-Wu失效因子及位移量最小。相比单因素铺层参数分析法, 该方法考虑了铺层参数的耦合影响, 获得结果更为准确。根据以上结论, 优化原设计方案, 结果表明改进后叶片的Tsai-Wu失效因子和最大位移明显降低, 验证了所得结论的正确性。
参考文献
[1]李成良, 王继辉, 薛忠民.大型风力机叶片材料的应用和发展[J].玻璃钢/复合材料, 2008 (04) :49-51.
[2]安鲁陵, 周燚, 周来水.复合材料纤维铺放路径规划与丝数求解[J].航空学报, 2007, 28 (03) :745-750.
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