多轴向经编针织物在风力发电中的应用

李丽娟　蒋高明　缪旭红

文章探讨了多轴向经编针织物的结构和性能，同时结合风力发电叶片的结构，指出把多轴向经编针织物用于风力发电叶片上的优势,最后阐述了风力发电叶片材料的发展方向。

The structure and performance of multi-axial warp knitted fabric were discussed in this article. Combined with the structure of wind turbine blade, the authors pointed out the advantages of using multi-axial warp knitted fabric, and finally expounded the developing trend of materials for wind turbine blade.

目前发达国家生产的风力发电叶片正朝着大型化、轻质化的方向发展，传统的材料已不能满足要求，多轴向经编针织物以其高强高模轻质的特点，成为制作叶片蒙皮的最佳载体。

1多轴向经编针织物

1.1结构和性能

多轴向经编技术是一种新型的多头衬纬编织技术。利用这种技术，平行、伸直、无卷曲的纱线垂直或以所需的角度被引入织物结构中，实现最有效的结构预设计定向增强。多轴向经编针织物具有尺寸稳定、延伸率较小等特点，能够更合理地利用材料中每一个组成部分的优良性能。以针织经编结构为增强骨架的复合材料以其结构的多样性、性能的综合性、形态的可设计性、良好的成型性和渗透性在产业用领域已受到广泛的重视。

多轴向经编针织物是在 0°、90°和±θ方向上按照尽可能多的层数衬有增强纱线，最多可衬入 7 层纱线，θ可在 0 ～ 90°内变化，增强纱线层由一个绑缚系统组合在一起。0°、90°、±45°这种增强纱的组合形式是性价比最高的一个组合，4 组衬纱平行伸直排列形成 4 个衬纱层，再由编链或经平组织连接起来。图 1 所示为由编链组织连接的四轴向经编增强织物的示意图。

1.2用于风力发电叶片的多轴向经编针织物

由于风力发电叶片蒙皮的各个部位的受力特点和大小不同，因此双轴向、三轴向、四轴向经编针织物在风力发电叶片上都有应用。其中双轴向经编针织物常采用的衬入纱线的衬入角度为 0°/90°、45°/－45°两种组合，因为只有两层衬入纱线，又要求获得一定的强力，所以一般都采用满穿的形式。0°/90°的组合可以用编链或者经平连接起来，－45°/45°这种组合一般只采用编链组织连接；对于强力等各个方面性能要求较高的部位就要采用三轴向和四轴向织物。常用的三轴向织物的衬入纱线的衬入角度为 －45°/45°/0°，用于风力发电叶片的四轴向织物的衬纱常用的组合形式是 0°/45°/90°/－45°，此时可根据需要对衬入纱线的穿纱形式进行适当的调节，然后可由编链或者经平组织进行连接组成整体。一般增强纱线为 2 000 ～ 4 000 dtex左右，多采用玻璃纤维、碳纤维，绑缚纱一般在 76 ～ 150 dtex左右，常采用高强涤纶。

增强材料中的每层纱线是严格平行的，因此具有准各向同性特点，铺设性和预成型性也都很好，能够充分利用纱线的性能，使得织物具有较高的拉伸强力，又因为当对其进行撕裂时，其平行排列的纱线层会产生集聚现象，因此织物还具有很高的撕裂强力。

在这种结构中还可以和短切毡、泡沫复合，并且所形成复合材料的纤维含量较高，有利于树脂充分浸润，形成结构和性能均匀的复合材料叶片；另外由于增强层中增强纱线都具有很高的强力，经过树脂整理后，最终制得的增强复合材料具有很好的抗冲击能力。

用于风力发电叶片的多轴向经编针织物，其克重一般在 600 g/m2左右，各层衬入纱线所占的比重基本相当。除非对某一方向性能要求特别高时，会加大此方向衬纱的铺设量，而编织纱即上述所说的编链或经平组织的克重一般占总量的 1% 左右，若在此结构中与短切毡、泡沫复合，那么这些复合物的重量一般占总重的 20% 左右。

1.3生产机型

多轴向经编机主要是由铺纬机构和成圈机构两部分组成，铺纬机构与成圈机构之间紧密配合从而形成了多轴向经编针织物。目前世界上采用的多轴向经编机主要是德国Liba 公司的Copcentra Multi – Axial经编机和Karl Mayer（卡尔・迈耶）公司生产的MULTIAXIAL多轴向经编机。国内常州润源率先研制开发的RCD – 1型多轴向经编机，是国内首台自主研发的多轴向经编机，有 50″和 100″两种幅宽，其中50″的机器以 400 g/min产品计算，日产量约为 1 500 kg ，此款机型的开发，必定会带动国内多轴向经编复合材料事业的发展。

2多轴向经编增强复合材料叶片

2.1叶片结构

图 2 所示为典型叶片的截面图，叶片由蒙皮和主梁组成。蒙皮一般采用夹芯结构，中间层为硬质泡沫塑料或Balsa木，上下层为增强复合材料；梁结构形式即可以是夹层结构，也可以是实心的增强复合材料结构。但是在蒙皮和主梁的结合部位即梁帽处必须是实心增强复合材料结构，现多采用由碳纤维制造的多轴向经编增强复合材料，这是因为此部分梁和蒙皮相互作用，应力较大，必须保证蒙皮的强度和刚度。

2.2复合材料叶片的优点

叶片的外形和受力情况非常复杂，而且对尺寸精度、表面光洁度及质量分布等都有较高的要求。当用金属材料制造叶片时，往往会遇到复杂的加工问题，而且工艺装备多，生产周期长，劳动强度大，成品率低。

现代风机的叶片大都采用多轴向经编增强复合材料，叶片是一个大型的复合材料结构，与金属叶片相比，该复合材料叶片具有下列优点：

（1）可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度；

（2）翼型容易成形，并可达到最大气动功率；

（3）抗振性好，自振频率可自行设计；

（4）疲劳度较高；

（5）耐腐蚀性和耐气候性好；

（6）维修简便，易于修补。

2.3叶片材料

2.3.1玻璃纤维复合材料叶片

玻璃纤维增强聚酯树脂和玻璃纤维增强环氧树脂是目前制造风机叶片的主要材料，从性能来讲碳纤维增强环氧树脂较好。美国的研究表明，采用射电频率等离子体沉积去涂覆E – 玻纤，其耐拉伸疲劳强度就可以达到碳纤维的水平。但是，E – 玻纤密度较大，随着叶片长度的增加，叶片也越来越重（图 3），完全依靠玻璃纤维复合材料作为叶片的材料已逐渐不能满足叶片发展的需要。

目前大多数人认为 60 m长的叶片是单纯使用玻璃纤维增强体临界尺度，因此，需要寻找更好材料以适应大型叶片发展的要求。

2.3.2碳纤维复合材料叶片

作为提高风能利用率和发电效益的有效途径，风力机单机容量不断向大型化发展，兆瓦级风力机已经成为风电市场的主流产品。目前，欧洲 3.6 MW机组已批量安装，4.2、4.5 和 5 MW机组也已安装运行；美国已经成功研制 7 MW风力机；英国正在研制 10 MW的巨型风力机。风电机组沿着增大单机容量和提高风能转换效率的方向发展，对叶片提出了更高的要求，叶片长度的增加使得碳纤维在风力发电上的应用不断扩大，研究表明，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 ～ 3 倍，但由于其价格昂贵，是玻璃纤维的 10 倍左右，限制了它在风力发电上的大规模应用。因此，全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面进行深入研究，以求降低成本。现在碳纤维轴已广泛应用于转动叶片根部，因为制动时比相应的钢轴要轻得多，但在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。

2.3.3碳纤维／轻木／玻纤混杂复合材料叶片

由于碳纤维的价格是玻璃纤维的 10 倍左右，目前叶片增强材料仍以玻璃纤维为主。在制造大型叶片时，采用玻纤、轻木相结合的方法可以在保证刚度和强度的同时减轻叶片的质量。

LM公司在《2004全球碳纤维展望》的报告中指出：在风力机叶片中采用碳纤维，应注意它和玻璃纤维混合时所增加的重量；其进一步开发的以玻璃钢为主的 61 m大型叶片，只在横梁和叶片端部选用少量碳纤维，以配套 5 MW的风力机。

目前，碳纤维／玻璃纤维与轻木／PVC混杂使用制造复合材料叶片已被各大叶片公司所采用，轻木／PVC作为填充材料，不仅增加了叶片的结构刚度和承受载荷的能力，而且还能最大程度地减轻了叶片的质量，为叶片向长且轻的方向发展提供了有利的条件。

2.3.4热塑性复合材料叶片

风能是清洁无污染的可再生能源，但退役后的风机叶片却是环境的一大杀手。目前叶片使用的复合材料主要是热固性复合材料，不易降解，而且叶片的使用寿命一般为 20 ～ 30 年，其废弃物处理的成本比较高，一般采用填埋或者燃烧等方法处理，基本上不再重新利用。面对日益突出的复合材料废弃物对环境造成的危害，研究开发“绿色叶片”成为摆在人们面前的一大课题。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有密度小、质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优点，但该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大，制造成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力机叶片的关键问题。随着热塑性复合材料制造工艺技术研究工作的不断深入和相应的新型热塑性树脂的开发，制造热塑性复合材料叶片正在一步步地走向现实。

2.4制造工艺

目前国外的高质量复合材料风机叶片往往采用RIM（反应注射成型）、RTM（树脂传递模塑）、缠绕及预浸料/热压工艺制造。其中RIM工艺投资较大，适宜中小尺寸风机叶片的大批量生产（＞5 万片/a）；RTM工艺适宜中小尺寸风机叶片的中等批量生产（5 000 ～ 30 000 片/a）；缠绕及预浸料/热压工艺适宜大型风机叶片批量生产。

3产品举例

在此介绍一种四轴向经编针织物的生产工艺，其具体技术和规格参数如下。

机型：MULTIAXIAL；

机号：F9（针/25 mm）；

带有衬纬机构；

衬纬纱：衬入角度分别为 90°、＋45°、－45°，3 000 dtex玻璃纤维EC9，克重 148 g/m2；

衬经纱：0°，3 000 dtex玻璃纤维EC9，克重 148 g/m2；

成圈纱：76 dtex/f24，高强涤纶丝，克重 8 g/m2，经平组织：1–0/1–2//；

织入顺序：0°/45°/90°/－45°；

织物克重：600 g/m2。

该织物是在MULTIAXIAL机器上生产的一块有 4 层衬纱的四轴向经编增强织物，增强纱线均采用了EC9型的玻璃纤维，其中在 ±45°、0°、90°方向铺入了 3 000 dtex的玻璃纤维，经平组织，并且以 76 dtex的高强涤纶纱作为捆绑纱使用，在此基础上可以利用RIM、RTM或缠绕及预浸料/热压等工艺将其制造复合材料，用于叶片的生产。此块织物总的克重只有 600 g/m2，重量很轻。因为在各个方向上都铺有高性能的玻璃纤维，所以在所有方向上都具有很高的强力及剪切力，用于叶片蒙皮的生产。

4结语

（1）现用于风力发电叶片的多轴向经编针织物多是双轴向、三轴向、四轴向经编针织物。对于双轴向织物来说，衬纱一般都采用满穿的形式，当只采用两组斜向衬入纱线时，一般绑缚纱采用编链组织把它们连接起来；若是三轴向或四轴向织物，可在满足性能要求的情况下为了节省原料以及减轻重量衬纱可以采用一定的空穿形式。风力发电叶片每一部分的受力特点不同，而多轴向经编针织物以其结构的多样性、性能的综合性、形态的可设计性、良好的成型性和渗透性可以满足其多方面的要求。

（2）复合材料叶片用于风力发电叶片，从最初的设计灵活性、使用过程中的抗振性好、抗疲劳性度、耐腐蚀性和耐气候性等，到后面的维修等方面与其他材料相比都具有绝对的优势。现多采用的复合材料叶片是玻璃纤维复合材料叶片，随着叶片向大型化、轻质化、环保化迈进，其将会向碳纤维复合材料叶片、碳纤维/轻木/玻纤混杂复合材料叶片、热塑性复合材料叶片方向发展。

（3）复合方法有RIM、RTM、缠绕及预浸料／热压工艺制造等方法，其中常用的是RTM，很多树脂整理技术都源于这 3 种技术。

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