风力发电机叶片复合材料性能分析

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热度0票  浏览145次 时间：2020年4月26日 14:45

李天凯

（上海电气风电集团有限公司 上海 200235）

摘 要：风力发电机叶片是风力机捕获、利用风能的重要部件，故为了优化风力发电机的性能，现阶段已经有越来越多的研究者重视起对风力发电机叶片的性能探索。由此本文就对风力发电机叶片中复合材料性能进行分析，不仅阐述了风力发电机及其叶片的概念与重要作用，还通过利用真空灌注工艺以及如巴氏硬度计、万能试验机等设备开展了风机叶片的材料性能实验。

关键词：风力发电机叶片；复合材料；性能分析

现代社会中可持续发展的环保理念不断普及，诸如太阳能、潮汐能、风能等可再生能源逐渐占据了更重要的地位。由此现阶段的电力企业中也逐渐改变了过去仅依靠火力发电的模式，相关的风力发电机逐渐拥有了更为广泛的应用空间。而作为风力发电机核心技术，风机叶片技术也同样受到了更多人的注重，由此本文就对风机叶片的构成、性能、结构等方面进行了深入探索。

1.风力发电机叶片

作为风力发电机中的重要部件之一，风机叶片通常可占一架风机总成本的15%到20%，这主要是由于风机叶片的质量常会影响到风机性能及其相关效益，根据相关数据显示，风机叶片每增加6%的长度，风机对风能的利用率即可提升12%左右。一般来说，风机叶片主要是由外壳、腹板、梁帽、挡雨环、人孔盖等结构组成，再经由相关结构的结合后，风机叶片常能够具备良好的力学性能和防水性，而且相关结构的连接也在一定程度上保障了风机叶片的质量。并且随着现阶段复合材料在风机叶片制造中的广泛应用，风机叶片的性能、质量等也得到了良好提高。而现阶段一个制造完成的风机叶片，其中复合材料可占整个叶片90%及以上的比重，故现代的风机叶片通常不仅具备有较轻的重量，其耐腐蚀、抗疲劳等性能也较为优越，相关特点往往来源于复合材料的特性。同时，随着复合材料的多样化发展，如夹层结构复合材料、先进复合材料等材料的应用都在不同程度上提高了风机叶片的质量。此外，现阶段在制造风力发电机叶片时，也常会根据所制造叶片部位的不同而使用不同种类的复合材料，如在叶片外壳的制造中常会选择玻璃纤维增强树脂作为原材料，而在叶尖、叶片主梁的制造中则会选用具备更高强度的碳纤维材料，只有叶片前缘、后缘和抗剪腹等处则常会以夹层结构复合材料为主要原材料 [1] 。这种制造方法不仅保障了风机叶片良好的使用性能，还具备着强化相应部件质量、性能的作用，2.风力发电机叶片性能测试

在风力发电机的运行过程中，叶片需要承受多种载荷。随着风力发电机功率的增大，对风机叶片性能的要求也越来越高。叶片材料的强度和刚度是决定风机叶片性能的关键因素。为了提高叶片的性能，采用了许多新型复合材料，比如玻璃纤维增强复合材料和碳纤维增强复合材料等。但在对风力发电机叶片复合材料性能进行分析的过程中，为了保障分析结果的客观、准确，故采用了性能测试，经由具体实验来对风机叶片的表面硬度、压缩性能、弯曲性能三方面进行深入分析。

2.1实验准备

在实验准备环节，首先对实验所用材料进行了确认，本次实验中主要使用的原材料有环氧树脂、固化剂与E玻璃纤维布，而为了保障实验结果的准确性，还采用了巴氏硬度计、微机控制电子万能试验机等设备进行辅助实验。而在实验前，还对实验所需试剂进行制备，试剂成分为树脂与玻璃纤维，而其中两材料的调配比例为4 ∶ 6。在试剂调配完成后，还应在确保模具清洁且密封性良好的情况下，在模具上平铺一层脱模纸，并且每铺垫6层玻纤布后再放置一张脱膜纸，之后再将真空袋膜铺于脱膜纸上。之后还需将装置内部抽成真空，而后将EP和固化剂按照100:28的质量比例进行调配，再向模具中灌注持续至充满玻纤布，并于完成后进行保压固化操作，65 ℃加热6h，最后再放置于80 ℃ 的环境下固化6h则完成。

2.2性能实验

在风力发电机叶片的表面硬度测试中主要使用了巴氏硬度计，并按照GB/T3854–2005制度进行实验。而在对风机叶片的压缩性能进行实验时，主要以GB/T1448–2005为主要制度，相关试样的尺寸均为30mm×10mm× 10mm，而加载速度为3mm/min，实验过程共取5组试样进行测试，并以各组试样性能测试后的平均值为准。至于弯曲性能的测试中，则按照GB/T 1449–2005制度为准，同时将试样厚度作为变量，探究其厚度对弯曲性能的影响。在该实验中的主要内容是分别将5mm与10mm厚度的叶片分组，且每组各测出5个试样。其中，5mm叶片厚度的分组中试样跨距为80mm，而10mm叶片厚度的分组中相关的试样跨距则为160mm，两组的加载速度控制在10mm/min。

3.风力发电机叶片性能测试总结

3.1风机叶片表面硬度测试结果

在使用巴氏硬度计对风机叶片表面硬度进行巴氏硬度测试法中，为确保实验过程的科学性、准确性，实验过程分别取了二十个测试点来对其表面硬度进行检测。在对测试点上硬度值的平均值进行计算后，得出其硬度测试值的平均值为60Hba。随后还对数据中的标准差与离散系数进行计算，通过这组数据中较低的标准差与离散系数值，从而保障总的离散程度、差异程度等较小，由此证明通过玻璃纤维以及树脂基复合材料制成风机叶片的表面质量较好，并具备良好的完整性 [2] 。

3.2风机叶片压缩性能测试结果

在进行叶片压缩性能测试时，主要采用了纵向压缩试验，也即是向相关试样施加荷载，并在施加荷载时低风机叶片的性能进行实时检测。而在施加荷载的过程中，相关试样的形变与位移等都有着明显变化，试验中试样的最大位移为1.5mm，而破坏荷载值为32171N，在对试样位移规律进行探究后，发现所绘制的试样位移变化曲线图类似于抛物线和直线的结合，由此可以得出试样形变、位移是随着荷载增加而增加的。同时，以相关的试验数据为基础，在经由一定计算后得出了纵向压缩弹性模量平均值为28.16 Gpa，而其中压缩强度的平均值是337.86Mpa而在经由实际测量后发现，试样拉伸强度的平均值为580Mpa，故可以得出样压缩强度数值大致在拉伸强度数值的百分之六十左右，故为了保障试样良好的质量与稳定性，就需要复合材料中的相关纤维较短，从而在确保良好稳定性的基础上，才能逐渐承受住相关的应力、荷载等。而本次试验中的材料主要是纤维布，由于纤维布往往需要与树脂基体相粘结才能承受住相关荷载与压力，故纤维布的纵向压力承受能力往往较差。然而由于纤维布具备较为优良的抗拉能力，故相比于其压缩性能，玻璃纤维增强树脂基的复合材料往往具备更为优良的拉伸性能 [3] 。

3.3风机叶片弯曲性能测试结果

在弯曲性能测试前已根据不同叶片厚度将相关试样分为两组，现以叶片厚度为5mm的试验组作为a组，而叶片厚度为10mm的试验组则作为b组。

在a组的性能测试中，相关试样的挠度曲线变化幅度较大，并且在加载开始阶段其弯曲挠度的变化规律与施加荷载大小成正比，故此阶段也可称之为弹性阶段。在渡过弹性阶段后，可以看出荷载的变化幅度较小，但是相关应变值却仍在继续增大，这主要是因为树脂基体中的形变导致。而随着荷载的继续增加，试样弯曲形变会逐渐伴随着荷载的增加而逐渐变大，其变化规律为线形关系，继续增大所施加荷载，荷载会出现突然降低的现象并且相关应变值接近零，这应是次外层中相关纤维断裂产生 [4] 。持续到15mm到24mm之间，相关荷载再无突变现象，预估是相关纤维已全部断裂。至于b组试样的挠度曲线变化中，其相关的变化规律与a组类似。

4结语

综上所述，应用复合材料能够有效保障风力发电机叶片的性能与质量，往往能够对风机叶片的硬度、完整性、质量、压缩性能、弯曲性能等各个方面产生一定影响。而通过将基体更换为纤维，风机叶片的拉伸性能往往有着明显提高，由此相关叶片的抗弯曲、抗破坏等性能也得到了良好保障。

故相关人员就应对风机叶片的制造原料加以重视，并通过采取一定的措施起到提高叶片性能的作用。■

参考文献

[1]芦丽丽, 祁文军, 陈海霞,等. 风力发电机叶片结构优化和模态分析[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2017, 22(5):7-12.

[2]周里群, 彭杰, 李玉平,等. 2MW级风力发电机叶片结构强度设计仿真[J].

计算机仿真, 2017, 34(12):101-109.

[3]杨海如, 马祥禹, 喻国铭,等. 碳纤维复合材料风力发电机叶片振动特性研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2018, 296(9):71-75.

[4]黄天立, 何彦杰, 王宁波,等. 基于症状的风机复合材料叶片疲劳可靠度及维护策略优化[J]. 中南大学学报（自然科学版）, 2018, 49(7):1784-1792.