多軸向經編針織物在風力發電中的應用

李麗娟　蔣高明　繆旭紅

文章探討了多軸向經編針織物的結構和性能，同時結合風力發電葉片的結構，指出把多軸向經編針織物用于風力發電葉片上的優勢,最后闡述了風力發電葉片材料的發展方向。

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.

目前發達國家生產的風力發電葉片正朝著大型化、輕質化的方向發展，傳統的材料已不能滿足要求，多軸向經編針織物以其高強高模輕質的特點，成為制作葉片蒙皮的最佳載體。

1多軸向經編針織物

1.1結構和性能

多軸向經編技術是一種新型的多頭襯緯編織技術。利用這種技術，平行、伸直、無卷曲的紗線垂直或以所需的角度被引入織物結構中，實現最有效的結構預設計定向增強。多軸向經編針織物具有尺寸穩定、延伸率較小等特點，能夠更合理地利用材料中每一個組成部分的優良性能。以針織經編結構為增強骨架的復合材料以其結構的多樣性、性能的綜合性、形態的可設計性、良好的成型性和滲透性在產業用領域已受到廣泛的重視。

多軸向經編針織物是在 0°、90°和±θ方向上按照盡可能多的層數襯有增強紗線，最多可襯入 7 層紗線，θ可在 0 ～ 90°內變化，增強紗線層由一個綁縛系統組合在一起。0°、90°、±45°這種增強紗的組合形式是性價比最高的一個組合，4 組襯紗平行伸直排列形成 4 個襯紗層，再由編鏈或經平組織連接起來。圖 1 所示為由編鏈組織連接的四軸向經編增強織物的示意圖。

1.2用于風力發電葉片的多軸向經編針織物

由于風力發電葉片蒙皮的各個部位的受力特點和大小不同，因此雙軸向、三軸向、四軸向經編針織物在風力發電葉片上都有應用。其中雙軸向經編針織物常采用的襯入紗線的襯入角度為 0°/90°、45°/－45°兩種組合，因為只有兩層襯入紗線，又要求獲得一定的強力，所以一般都采用滿穿的形式。0°/90°的組合可以用編鏈或者經平連接起來，－45°/45°這種組合一般只采用編鏈組織連接；對于強力等各個方面性能要求較高的部位就要采用三軸向和四軸向織物。常用的三軸向織物的襯入紗線的襯入角度為 －45°/45°/0°，用于風力發電葉片的四軸向織物的襯紗常用的組合形式是 0°/45°/90°/－45°，此時可根據需要對襯入紗線的穿紗形式進行適當的調節，然后可由編鏈或者經平組織進行連接組成整體。一般增強紗線為 2 000 ～ 4 000 dtex左右，多采用玻璃纖維、碳纖維，綁縛紗一般在 76 ～ 150 dtex左右，常采用高強滌綸。

增強材料中的每層紗線是嚴格平行的，因此具有準各向同性特點，鋪設性和預成型性也都很好，能夠充分利用紗線的性能，使得織物具有較高的拉伸強力，又因為當對其進行撕裂時，其平行排列的紗線層會產生集聚現象，因此織物還具有很高的撕裂強力。

在這種結構中還可以和短切氈、泡沫復合，并且所形成復合材料的纖維含量較高，有利于樹脂充分浸潤，形成結構和性能均勻的復合材料葉片；另外由于增強層中增強紗線都具有很高的強力，經過樹脂整理后，最終制得的增強復合材料具有很好的抗沖擊能力。

用于風力發電葉片的多軸向經編針織物，其克重一般在 600 g/m2左右，各層襯入紗線所占的比重基本相當。除非對某一方向性能要求特別高時，會加大此方向襯紗的鋪設量，而編織紗即上述所說的編鏈或經平組織的克重一般占總量的 1% 左右，若在此結構中與短切氈、泡沫復合，那么這些復合物的重量一般占總重的 20% 左右。

1.3生產機型

多軸向經編機主要是由鋪緯機構和成圈機構兩部分組成，鋪緯機構與成圈機構之間緊密配合從而形成了多軸向經編針織物。目前世界上采用的多軸向經編機主要是德國Liba 公司的Copcentra Multi – Axial經編機和Karl Mayer（卡爾?邁耶）公司生產的MULTIAXIAL多軸向經編機。國內常州潤源率先研制開發的RCD – 1型多軸向經編機，是國內首臺自主研發的多軸向經編機，有 50″和 100″兩種幅寬，其中50″的機器以 400 g/min產品計算，日產量約為 1 500 kg ，此款機型的開發，必定會帶動國內多軸向經編復合材料事業的發展。

2多軸向經編增強復合材料葉片

2.1葉片結構

圖 2 所示為典型葉片的截面圖，葉片由蒙皮和主梁組成。蒙皮一般采用夾芯結構，中間層為硬質泡沫塑料或Balsa木，上下層為增強復合材料；梁結構形式即可以是夾層結構，也可以是實心的增強復合材料結構。但是在蒙皮和主梁的結合部位即梁帽處必須是實心增強復合材料結構，現多采用由碳纖維制造的多軸向經編增強復合材料，這是因為此部分梁和蒙皮相互作用，應力較大，必須保證蒙皮的強度和剛度。

2.2復合材料葉片的優點

葉片的外形和受力情況非常復雜，而且對尺寸精度、表面光潔度及質量分布等都有較高的要求。當用金屬材料制造葉片時，往往會遇到復雜的加工問題，而且工藝裝備多，生產周期長，勞動強度大，成品率低。

現代風機的葉片大都采用多軸向經編增強復合材料，葉片是一個大型的復合材料結構，與金屬葉片相比，該復合材料葉片具有下列優點：

（1）可根據風力機葉片的受力特點設計強度與剛度；

（2）翼型容易成形，并可達到最大氣動功率；

（3）抗振性好，自振頻率可自行設計；

（4）疲勞度較高；

（5）耐腐蝕性和耐氣候性好；

（6）維修簡便，易于修補。

2.3葉片材料

2.3.1玻璃纖維復合材料葉片

玻璃纖維增強聚酯樹脂和玻璃纖維增強環氧樹脂是目前制造風機葉片的主要材料，從性能來講碳纖維增強環氧樹脂較好。美國的研究表明，采用射電頻率等離子體沉積去涂覆E – 玻纖，其耐拉伸疲勞強度就可以達到碳纖維的水平。但是，E – 玻纖密度較大，隨著葉片長度的增加，葉片也越來越重（圖 3），完全依靠玻璃纖維復合材料作為葉片的材料已逐漸不能滿足葉片發展的需要。

目前大多數人認為 60 m長的葉片是單純使用玻璃纖維增強體臨界尺度，因此，需要尋找更好材料以適應大型葉片發展的要求。

2.3.2碳纖維復合材料葉片

作為提高風能利用率和發電效益的有效途徑，風力機單機容量不斷向大型化發展，兆瓦級風力機已經成為風電市場的主流產品。目前，歐洲 3.6 MW機組已批量安裝，4.2、4.5 和 5 MW機組也已安裝運行；美國已經成功研制 7 MW風力機；英國正在研制 10 MW的巨型風力機。風電機組沿著增大單機容量和提高風能轉換效率的方向發展，對葉片提出了更高的要求，葉片長度的增加使得碳纖維在風力發電上的應用不斷擴大，研究表明，碳纖維復合材料葉片的剛度是玻璃纖維復合材料葉片的 2 ～ 3 倍，但由于其價格昂貴，是玻璃纖維的 10 倍左右，限制了它在風力發電上的大規模應用。因此，全球各大復合材料公司正在從原材料、工藝技術、質量控制等各方面進行深入研究，以求降低成本?，F在碳纖維軸已廣泛應用于轉動葉片根部，因為制動時比相應的鋼軸要輕得多，但在發展更大功率風力發電裝置和更長轉子葉片時，采用性能更好的碳纖維復合材料勢在必行。

2.3.3碳纖維／輕木／玻纖混雜復合材料葉片

由于碳纖維的價格是玻璃纖維的 10 倍左右，目前葉片增強材料仍以玻璃纖維為主。在制造大型葉片時，采用玻纖、輕木相結合的方法可以在保證剛度和強度的同時減輕葉片的質量。

LM公司在《2004全球碳纖維展望》的報告中指出：在風力機葉片中采用碳纖維，應注意它和玻璃纖維混合時所增加的重量；其進一步開發的以玻璃鋼為主的 61 m大型葉片，只在橫梁和葉片端部選用少量碳纖維，以配套 5 MW的風力機。

目前，碳纖維／玻璃纖維與輕木／PVC混雜使用制造復合材料葉片已被各大葉片公司所采用，輕木／PVC作為填充材料，不僅增加了葉片的結構剛度和承受載荷的能力，而且還能最大程度地減輕了葉片的質量，為葉片向長且輕的方向發展提供了有利的條件。

2.3.4熱塑性復合材料葉片

風能是清潔無污染的可再生能源，但退役后的風機葉片卻是環境的一大殺手。目前葉片使用的復合材料主要是熱固性復合材料，不易降解，而且葉片的使用壽命一般為 20 ～ 30 年，其廢棄物處理的成本比較高，一般采用填埋或者燃燒等方法處理，基本上不再重新利用。面對日益突出的復合材料廢棄物對環境造成的危害，研究開發“綠色葉片”成為擺在人們面前的一大課題。與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料具有密度小、質量輕、抗沖擊性能好、生產周期短等一系列優點，但該類復合材料的制造工藝技術與傳統的熱固性復合材料成型工藝差異較大，制造成本較高，成為限制熱塑性復合材料用于風力機葉片的關鍵問題。隨著熱塑性復合材料制造工藝技術研究工作的不斷深入和相應的新型熱塑性樹脂的開發，制造熱塑性復合材料葉片正在一步步地走向現實。

2.4制造工藝

目前國外的高質量復合材料風機葉片往往采用RIM（反應注射成型）、RTM（樹脂傳遞模塑）、纏繞及預浸料/熱壓工藝制造。其中RIM工藝投資較大，適宜中小尺寸風機葉片的大批量生產（＞5 萬片/a）；RTM工藝適宜中小尺寸風機葉片的中等批量生產（5 000 ～ 30 000 片/a）；纏繞及預浸料/熱壓工藝適宜大型風機葉片批量生產。

3產品舉例

在此介紹一種四軸向經編針織物的生產工藝，其具體技術和規格參數如下。

機型：MULTIAXIAL；

機號：F9（針/25 mm）；

帶有襯緯機構；

襯緯紗：襯入角度分別為 90°、＋45°、－45°，3 000 dtex玻璃纖維EC9，克重 148 g/m2；

襯經紗：0°，3 000 dtex玻璃纖維EC9，克重 148 g/m2；

成圈紗：76 dtex/f24，高強滌綸絲，克重 8 g/m2，經平組織：1–0/1–2//；

織入順序：0°/45°/90°/－45°；

織物克重：600 g/m2。

該織物是在MULTIAXIAL機器上生產的一塊有 4 層襯紗的四軸向經編增強織物，增強紗線均采用了EC9型的玻璃纖維，其中在 ±45°、0°、90°方向鋪入了 3 000 dtex的玻璃纖維，經平組織，并且以 76 dtex的高強滌綸紗作為捆綁紗使用，在此基礎上可以利用RIM、RTM或纏繞及預浸料/熱壓等工藝將其制造復合材料，用于葉片的生產。此塊織物總的克重只有 600 g/m2，重量很輕。因為在各個方向上都鋪有高性能的玻璃纖維，所以在所有方向上都具有很高的強力及剪切力，用于葉片蒙皮的生產。

4結語

（1）現用于風力發電葉片的多軸向經編針織物多是雙軸向、三軸向、四軸向經編針織物。對于雙軸向織物來說，襯紗一般都采用滿穿的形式，當只采用兩組斜向襯入紗線時，一般綁縛紗采用編鏈組織把它們連接起來；若是三軸向或四軸向織物，可在滿足性能要求的情況下為了節省原料以及減輕重量襯紗可以采用一定的空穿形式。風力發電葉片每一部分的受力特點不同，而多軸向經編針織物以其結構的多樣性、性能的綜合性、形態的可設計性、良好的成型性和滲透性可以滿足其多方面的要求。

（2）復合材料葉片用于風力發電葉片，從最初的設計靈活性、使用過程中的抗振性好、抗疲勞性度、耐腐蝕性和耐氣候性等，到后面的維修等方面與其他材料相比都具有絕對的優勢?，F多采用的復合材料葉片是玻璃纖維復合材料葉片，隨著葉片向大型化、輕質化、環保化邁進，其將會向碳纖維復合材料葉片、碳纖維/輕木/玻纖混雜復合材料葉片、熱塑性復合材料葉片方向發展。

（3）復合方法有RIM、RTM、纏繞及預浸料／熱壓工藝制造等方法，其中常用的是RTM，很多樹脂整理技術都源于這 3 種技術。

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