基于風機葉片用玻璃纖維復合材料研究發展

吳培華

（國華能源投資有限公司，北京 100000）

自第二次工業革命以來，能源對社會的發展就顯得尤為重要，隨著全球人口基數的不斷增加和對能源更高的依賴性，現存能源陷入緊缺危機，清潔能源的開發已經迫在眉睫。風能的運用是利用自然空氣流動下的動能，通過風車等發電設備轉化為電能，風能具有儲量大、分布廣等優點，在沿海、草原和高原等地區有著優越的應用地理環境，是新能源運用的主力之一［1］。

為了提高風機的發電效率和追求更高的能量轉化率，風機葉片就需要減輕其自重，降低無用功的占比，然而其同時需要較高的強度來適應高頻率的服役循環，因此，風機葉片的選材更傾向于密度小質量輕和高強度的特性［2］。復合材料是兩種及以上的材料通過一定的工藝復合形成的新材料，在彌補組分中某些缺點的同時，往往具有各個材料組分的優點，成為在嚴峻環境下服役的新材料之一［3］。玻璃纖維復合材料的質量輕，具有耐腐蝕、化學穩定性好等特點，同時其抗壓強度直追金屬材料，因而在許多工業領域如建筑［4］、交通［5］、航天［6］等都有著廣泛的應用，是較為理想的風機葉片的材料［7］。

1 玻璃纖維復合材料的特點

玻璃纖維通常由石英砂、白云石等礦石材料在高溫熔化后經過拉絲等成型工藝制成，通常玻璃纖維的直徑在10微米左右，由玻璃纖維作為增強材料與樹脂等基體材料按照一定的比例混合成型的材料叫做玻璃纖維增強復合材料［8］。玻璃纖維復合材料通常具有以下特點：（1）質量低、強度高。玻璃纖維復合材料的密度普遍較低，加入玻璃纖維混雜后的復合材料的密度一般在基材的1/2～1/4之間，但抗拉強度卻能達到基材的1.5倍左右，甚至可與某些高強鋼相比［9］。（2）耐腐蝕，理化性質穩定。玻璃纖維的本質依然是二氧化硅為主，具有良好的穩定性和抗腐蝕性，可在大氣、海水等常規環境下長久服役，在低濃度的酸、堿環境下也有著較好的穩定性［10］。（3）可設計性。玻璃纖維復合材料可以根據不同的零件形狀、性能需求靈活地選擇成型工藝以達到對某些設計精巧復雜零件的控制，使得玻璃纖維復合材料在航天等高精領域也有較為廣泛的應用［6］。

2 風機葉片及風機葉片用玻璃纖維復合 材料的相關研究

2.1 風機葉片的結構設計

風機葉片的形狀和其氣動性能直接關系到設備的能量利用率和能量轉化率，為了使葉片在迎風狀態下的轉速更快，不僅需要葉片的材料具有輕質高強的特點，也需要葉片擁有合理科學的結構［11］。風機葉片的結構設計包含葉片的葉展形狀設計和葉片鋪層設計兩個方面，隨著材料科學、空氣動力學和計算機學科在風力發電工程上的應用，葉片設計開始走上在確定風機葉片材料后，在模擬材料的性能之后，以空氣動力學和結構力學等物理科學作為基礎、計算機模擬為手段，達到最佳工藝和結構的道路［12］。

基于空氣動力學，以有限元模擬的方式來對葉片結構進行模擬是研究人員常見的優化手段，Chen等［13］通過對葉素動量理論和流體結構作用模型的改良，以有限元和粒子群算法的方式對風機的結構進行優化，而覃海英等［14］是在相關的宏觀力學實驗的基礎下，借助有限元分析發現在風機葉片的葉展形狀確定的情況下，風機葉片的本身材料和鋪層工藝是影響其力學性能的主要因素。數學模型法也是研究人員對風機葉片結構優化的重要手段［15］，借助其他物理模型如氣動分析模型［16］、數學思維如奇異法逆推［17］來優化確定的復合材料下的風機葉片的結構。

2.2 風機葉片的疲勞研究

在風機葉片的服役時間內，葉片會受到長時間的較為復雜的循環載荷影響，而葉片揮舞方向與擺振方向上的應力彎矩會造成葉片的疲勞狀態，是造成葉片損傷的主要原因［18］。目前，在對于風機葉片的疲勞損傷研究中主要是在相關實驗取得的數據下，以有限元對葉片的強度、結構和疲勞損傷進行模擬得到，相關研究結果大致分為三個方向：（1）風機葉片的失效行為分析：S?rensen［19］等人對失效的復合材料葉片進行了微觀形貌表征，發現在微觀尺度下，纖維與基體出現許多微小的裂紋，在疲勞狀態的循環下造成裂紋的擴展進而導致葉片的失效，然而也有其他人認為，疲勞損傷出現的原因不僅是纖維與基材的界面，還可能是鋪層設計中的不同界面的脫膠分層或纖維斷裂［20］引起的，而這些現象出現的原因是葉片結構和選材的匹配失衡［21］。（2）影響風機葉片疲勞損傷的因素：Brondsted在2009年以單胞模型研究纖維增強復合材料中，纖維的強度變化、基材的粘度等因素對纖維增強復合材料的界面裂紋的影響［22］，但風機葉片的強度是與其材料的力學性能和結構直接關聯的，不同的材料和結構的風機葉片疲勞損傷的狀態差異巨大，因而Mishnaevsky等［20］在其研究基礎上，建立了鋪層復合材料的微觀力學模型，用來模擬葉片的疲勞損傷和服役壽命等參數。其他研究以有限元分析和數學模型的建立為主，研究葉片承受的應力分布、損傷或疲勞特性等［23］。（3）風機葉片服役時間預測：對風機服役壽命的評估方式多種多樣，李德源等［24］依托Palmgren-Miner損傷累積法則和葉片動力學相響應分析對變幅載荷狀態下的玻璃纖維復合材料葉片進行計算和評估，以S-N曲線的形式對葉片的疲勞性能進行表達。陳余岳等［25］則是以簡化的疲勞載荷譜代替全尺寸疲勞試驗，利用Appel和Besquin兩種S-N曲線對葉片的疲勞進行分析，也有研究人員以有限元模擬葉片各個截面所受內應力，以此計算葉片在各級風速下的疲勞當量，進而評估葉片的疲勞壽命［26］。

2.3 風機葉片的損傷檢測

葉片在長時間受到復雜的載荷情況下，發生故障和損傷的情況時有發生，為了預防葉片的脫落等嚴重問題，需要對葉片的損傷定期檢測和維護，現有的葉片損傷檢測技術如下。

（1）觀察法：觀察法是通過維修人員的定期巡查實現的，通常需要望遠鏡等設備的協助，工作效率低且人工成本較高，近年來已經使用無人機的航拍對人工觀察進行取代，激光測距等高新技術的發展更是可以確定葉片的損傷等級等參數，大大提高了檢測效率。

（2）振動分析法：當風機葉片發生損傷或故障時，風機葉片發出的振動信號會有細微的差別，通過對葉片振動信號的長時間檢測和對比可以及時的發現葉片損傷問題。通常而言，當葉片出現損傷問題，震動應力的持續時間較長，而頻率會有小幅度的降低。

（3）載荷分析法：在風力發電設備在運行過程中，當葉片受到影響時會引起載荷的變化，這就意味著，可以通過在風機葉片上裝上載荷傳感器來檢測風機葉片上的載荷，進而對葉片狀態進行監測［27］。

（4）聲發射檢測：葉片在受損前必定會產生應力集中，而應力集中在葉片受損的瞬間會釋放產生彈性波，通過對彈性波的捕捉可以檢測風機葉片的損傷位置和類型進行分別［28］。

（5）超聲波檢測：葉片在工作時會對超聲波的傳播造成影響，通過接受超聲波的反射信號可以判斷出葉片是否出現損傷以及葉片損傷的程度。其他檢測方式還有聲信號檢測、微波成像、射線成像和熱成像檢測等，都是通過葉片損傷時的相關信號的變化來確定葉片是否發生損傷。

3 風機葉片用纖維復合材料的發展

在上世紀，風機葉片的主要材料仍然是鋼材或木材為主，無論是鋼材還是木材都易遭受環境的腐蝕和破壞，而纖維復合材料具有理化性質穩定、抗腐蝕、耐疲勞等優點，同時在相關技術的發展下，纖維復合材料的力學性能也有著較大幅度的提高，成為風機葉片的理想選材之一。其中，玻璃纖維因為成本低、制作工藝簡單成為主流纖維增強材料，常見的玻璃纖維分為E型和S型，S型的力學性能要普遍優于E型，但考慮到經濟性，E型玻璃纖維的應用仍是主流選擇。

玻璃纖維的可設計性極佳，可以根據風機結構的應用環境做出相關的調整，以達到最佳的強度和氣動效率，但隨著風機技術的成熟，大型化、輕量化的葉片開始成為風機葉片的發展趨勢，而隨著葉片長度的增加，玻璃纖維的強度開始出現下降，不再適用于大型風機葉片的基材。近年來，隨著碳纖維技術的發展，碳纖維復合材料成為以輕質高強作為最大特點的復合材料之一，密度為玻璃纖維的1/4，而抗拉強度卻能達到玻璃纖維的2倍以上。然而碳纖維的脆性較大，在受到一定應力后會直接斷裂，且碳纖維的制造成本太高，因此碳纖維作為葉片的主材料并不適合，故而，碳纖維和玻璃纖維的混雜復合材料，綜合了玻璃纖維易加工和碳纖維優越的力學性能的雙重優點，開始出現并逐漸應用在風力發電設備中。

4 結語

隨著風機技術的發展，風機葉片必然會向輕量高強的趨勢邁進，這就對葉片的材料要求越發嚴格，本文對近年來國內外對風機葉片的研究做了簡單的介紹和分類，并展望了風機葉片的材料發展，希望對以后風機葉片復合材料的研究有一定的幫助。