基于风机叶片用玻璃纤维复合材料研究发展

2021-01-09吴培华

合成材料老化与应用 2021年6期

吴培华

（国华能源投资有限公司，北京 100000）

自第二次工业革命以来，能源对社会的发展就显得尤为重要，随着全球人口基数的不断增加和对能源更高的依赖性，现存能源陷入紧缺危机，清洁能源的开发已经迫在眉睫。风能的运用是利用自然空气流动下的动能，通过风车等发电设备转化为电能，风能具有储量大、分布广等优点，在沿海、草原和高原等地区有着优越的应用地理环境，是新能源运用的主力之一［1］。

为了提高风机的发电效率和追求更高的能量转化率，风机叶片就需要减轻其自重，降低无用功的占比，然而其同时需要较高的强度来适应高频率的服役循环，因此，风机叶片的选材更倾向于密度小质量轻和高强度的特性［2］。复合材料是两种及以上的材料通过一定的工艺复合形成的新材料，在弥补组分中某些缺点的同时，往往具有各个材料组分的优点，成为在严峻环境下服役的新材料之一［3］。玻璃纤维复合材料的质量轻，具有耐腐蚀、化学稳定性好等特点，同时其抗压强度直追金属材料，因而在许多工业领域如建筑［4］、交通［5］、航天［6］等都有着广泛的应用，是较为理想的风机叶片的材料［7］。

1 玻璃纤维复合材料的特点

玻璃纤维通常由石英砂、白云石等矿石材料在高温熔化后经过拉丝等成型工艺制成，通常玻璃纤维的直径在10微米左右，由玻璃纤维作为增强材料与树脂等基体材料按照一定的比例混合成型的材料叫做玻璃纤维增强复合材料［8］。玻璃纤维复合材料通常具有以下特点：（1）质量低、强度高。玻璃纤维复合材料的密度普遍较低，加入玻璃纤维混杂后的复合材料的密度一般在基材的1/2～1/4之间，但抗拉强度却能达到基材的1.5倍左右，甚至可与某些高强钢相比［9］。（2）耐腐蚀，理化性质稳定。玻璃纤维的本质依然是二氧化硅为主，具有良好的稳定性和抗腐蚀性，可在大气、海水等常规环境下长久服役，在低浓度的酸、碱环境下也有着较好的稳定性［10］。（3）可设计性。玻璃纤维复合材料可以根据不同的零件形状、性能需求灵活地选择成型工艺以达到对某些设计精巧复杂零件的控制，使得玻璃纤维复合材料在航天等高精领域也有较为广泛的应用［6］。

2 风机叶片及风机叶片用玻璃纤维复合材料的相关研究

2.1 风机叶片的结构设计

风机叶片的形状和其气动性能直接关系到设备的能量利用率和能量转化率，为了使叶片在迎风状态下的转速更快，不仅需要叶片的材料具有轻质高强的特点，也需要叶片拥有合理科学的结构［11］。风机叶片的结构设计包含叶片的叶展形状设计和叶片铺层设计两个方面，随着材料科学、空气动力学和计算机学科在风力发电工程上的应用，叶片设计开始走上在确定风机叶片材料后，在模拟材料的性能之后，以空气动力学和结构力学等物理科学作为基础、计算机模拟为手段，达到最佳工艺和结构的道路［12］。

基于空气动力学，以有限元模拟的方式来对叶片结构进行模拟是研究人员常见的优化手段，Chen等［13］通过对叶素动量理论和流体结构作用模型的改良，以有限元和粒子群算法的方式对风机的结构进行优化，而覃海英等［14］是在相关的宏观力学实验的基础下，借助有限元分析发现在风机叶片的叶展形状确定的情况下，风机叶片的本身材料和铺层工艺是影响其力学性能的主要因素。数学模型法也是研究人员对风机叶片结构优化的重要手段［15］，借助其他物理模型如气动分析模型［16］、数学思维如奇异法逆推［17］来优化确定的复合材料下的风机叶片的结构。

2.2 风机叶片的疲劳研究

在风机叶片的服役时间内，叶片会受到长时间的较为复杂的循环载荷影响，而叶片挥舞方向与摆振方向上的应力弯矩会造成叶片的疲劳状态，是造成叶片损伤的主要原因［18］。目前，在对于风机叶片的疲劳损伤研究中主要是在相关实验取得的数据下，以有限元对叶片的强度、结构和疲劳损伤进行模拟得到，相关研究结果大致分为三个方向：（1）风机叶片的失效行为分析：Sørensen［19］等人对失效的复合材料叶片进行了微观形貌表征，发现在微观尺度下，纤维与基体出现许多微小的裂纹，在疲劳状态的循环下造成裂纹的扩展进而导致叶片的失效，然而也有其他人认为，疲劳损伤出现的原因不仅是纤维与基材的界面，还可能是铺层设计中的不同界面的脱胶分层或纤维断裂［20］引起的，而这些现象出现的原因是叶片结构和选材的匹配失衡［21］。（2）影响风机叶片疲劳损伤的因素：Brondsted在2009年以单胞模型研究纤维增强复合材料中，纤维的强度变化、基材的粘度等因素对纤维增强复合材料的界面裂纹的影响［22］，但风机叶片的强度是与其材料的力学性能和结构直接关联的，不同的材料和结构的风机叶片疲劳损伤的状态差异巨大，因而Mishnaevsky等［20］在其研究基础上，建立了铺层复合材料的微观力学模型，用来模拟叶片的疲劳损伤和服役寿命等参数。其他研究以有限元分析和数学模型的建立为主，研究叶片承受的应力分布、损伤或疲劳特性等［23］。（3）风机叶片服役时间预测：对风机服役寿命的评估方式多种多样，李德源等［24］依托Palmgren-Miner损伤累积法则和叶片动力学相响应分析对变幅载荷状态下的玻璃纤维复合材料叶片进行计算和评估，以S-N曲线的形式对叶片的疲劳性能进行表达。陈余岳等［25］则是以简化的疲劳载荷谱代替全尺寸疲劳试验，利用Appel和Besquin两种S-N曲线对叶片的疲劳进行分析，也有研究人员以有限元模拟叶片各个截面所受内应力，以此计算叶片在各级风速下的疲劳当量，进而评估叶片的疲劳寿命［26］。

2.3 风机叶片的损伤检测

叶片在长时间受到复杂的载荷情况下，发生故障和损伤的情况时有发生，为了预防叶片的脱落等严重问题，需要对叶片的损伤定期检测和维护，现有的叶片损伤检测技术如下。

（1）观察法：观察法是通过维修人员的定期巡查实现的，通常需要望远镜等设备的协助，工作效率低且人工成本较高，近年来已经使用无人机的航拍对人工观察进行取代，激光测距等高新技术的发展更是可以确定叶片的损伤等级等参数，大大提高了检测效率。

（2）振动分析法：当风机叶片发生损伤或故障时，风机叶片发出的振动信号会有细微的差别，通过对叶片振动信号的长时间检测和对比可以及时的发现叶片损伤问题。通常而言，当叶片出现损伤问题，震动应力的持续时间较长，而频率会有小幅度的降低。

（3）载荷分析法：在风力发电设备在运行过程中，当叶片受到影响时会引起载荷的变化，这就意味着，可以通过在风机叶片上装上载荷传感器来检测风机叶片上的载荷，进而对叶片状态进行监测［27］。

（4）声发射检测：叶片在受损前必定会产生应力集中，而应力集中在叶片受损的瞬间会释放产生弹性波，通过对弹性波的捕捉可以检测风机叶片的损伤位置和类型进行分别［28］。

（5）超声波检测：叶片在工作时会对超声波的传播造成影响，通过接受超声波的反射信号可以判断出叶片是否出现损伤以及叶片损伤的程度。其他检测方式还有声信号检测、微波成像、射线成像和热成像检测等，都是通过叶片损伤时的相关信号的变化来确定叶片是否发生损伤。

3 风机叶片用纤维复合材料的发展

在上世纪，风机叶片的主要材料仍然是钢材或木材为主，无论是钢材还是木材都易遭受环境的腐蚀和破坏，而纤维复合材料具有理化性质稳定、抗腐蚀、耐疲劳等优点，同时在相关技术的发展下，纤维复合材料的力学性能也有着较大幅度的提高，成为风机叶片的理想选材之一。其中，玻璃纤维因为成本低、制作工艺简单成为主流纤维增强材料，常见的玻璃纤维分为E型和S型，S型的力学性能要普遍优于E型，但考虑到经济性，E型玻璃纤维的应用仍是主流选择。

玻璃纤维的可设计性极佳，可以根据风机结构的应用环境做出相关的调整，以达到最佳的强度和气动效率，但随着风机技术的成熟，大型化、轻量化的叶片开始成为风机叶片的发展趋势，而随着叶片长度的增加，玻璃纤维的强度开始出现下降，不再适用于大型风机叶片的基材。近年来，随着碳纤维技术的发展，碳纤维复合材料成为以轻质高强作为最大特点的复合材料之一，密度为玻璃纤维的1/4，而抗拉强度却能达到玻璃纤维的2倍以上。然而碳纤维的脆性较大，在受到一定应力后会直接断裂，且碳纤维的制造成本太高，因此碳纤维作为叶片的主材料并不适合，故而，碳纤维和玻璃纤维的混杂复合材料，综合了玻璃纤维易加工和碳纤维优越的力学性能的双重优点，开始出现并逐渐应用在风力发电设备中。