高模玻纤单向布在风电叶片上的应用-论文.pdf

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1、2014年第4期玻璃钢／复合材料51高模玻纤单向布在风电叶片上的应用闫文娟，陶生金，吉翔(1．国电联合动力技术有限公司，北京100039；2．国电联合动力技术(连云港)有限公司，连云港222000)摘要：本文对某兆瓦级叶片进行结构分析，对比了使用E玻纤单向布和高模玻纤单向布对叶片重量、刚度、频率和正应力安全系数的影响。结果表明，在保证叶片刚度基本不变的前提下，使用高模玻纤单向布可以使叶片大梁显著减重。提高安全性。关键词：高模玻纤；风机叶片；结构分析；安全系数中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003—0

2、999(2014)04—0051—031引言根增强层为三轴向布。叶片示意图如图1所示。我国低风速风能资源分布区域广阔，并较为丰富。因往往临近用电负荷中心，并网条件较好，开发利用此类风能资源成为目前我国风电发展的重点方向之一，并成为我国实现2020年节能减排目标及可再生能源发展目标的重要补充力量¨J。在不改变风电机组功率的情况下，为保证发电量，叶片也随之加长，以1．5MW机组为例，从开发初期适合I类风况的29m叶片到目前适合IV类风况的45m叶片，叶片长度增加了55％_2J。随着叶片长度的增加，叶片的刚度和强度也需要

3、相应增加，以避免叶片在高风图1某型号叶片的示意图Fig．1Sehem~icdiagramofsomeblade力负荷作用下扭曲变形，甚至扫到塔筒，这正在成为一项难度日益增大的挑战。该叶片在设计中，“模型1”的大梁(图1的1)近几年，美国OCV公司、美国AGY公司、美国使用了E玻纤单向布，而“模型2”的大梁使用了高PPG公司、巨石集团、重庆国际、泰山玻纤都推出了模单向布。高性能玻纤产品，与E玻璃纤维相比具有更高的拉伸强度、拉伸模量和更佳的耐疲劳性能J。3材料性能与分析本文通过模拟计算，展现了高模玻纤在大型风3．1材料

4、性能电叶片的应用特点。大梁在叶片中的主要作用是提供叶片挥舞方向上的刚度，承载叶片的大部分弯矩载荷。大梁设计2模型建立的好坏，直接影响整机的净空安全性。用于大梁设本文所研究的叶片是由压力面壳体、吸力面壳计的单向层合板的主要性能见表1。体和前后缘两侧的抗剪腹板结构组成，其中壳体由表1单向层合板的主要性能蒙皮、大梁、大梁两侧的芯材、后缘增强层和叶根增Table1Themainpropertiesofunidirectionallaminates强层组成，所涉及的主要增强材料包括单轴向布、双材料kg·mEI／MPaE2／M

5、PaGI2／MPa~1／MPa轴向布、三轴向布、Balsa木、PVC泡沫。蒙皮为双轴向布和三轴向布，大梁为单轴向布，大梁两侧的芯材为PVC泡沫和Balsa木，后缘增强层为单轴向布，叶收稿日期：2013-06~6作者简介：阐文娟(1983一)，女，硕士，主要从事风机叶片结构设计及成型工艺领域的研究。52高模玻纤单向布在风电叶片上的应用2014年4月由表1可知，与E玻纤单向层合板相比，本文所相同的载荷条件下，模型2和模型1的叶尖位移选用的高模单向层合板的0。拉伸模量提高了23％，一致。0。拉伸强度提高了17％，90。拉

6、伸模量和剪切模量也3．3频率分析略有提高。对模型1和模型2的模态进行了分析，其特征3．2重量及刚度分析频率见表3。在模型2的设计中，大梁宽度保持不变，大梁的表3两个模型的频率对比Table3Frequencycomparisonoftwomodels起止点保持不变，仅对大梁的铺层层数和每层铺层的起止点位置进行调整，所引起的重量变化见表2，刚度变化见图2。表2大梁的铺层及重量Table2Thelayersandweightofsparcap由表3可知，模型2的特征频率均大于模型1的对应频率，其中对挥舞方向和摆振方向的

7、频率影响大，前两阶频率分别对应增加了5％左右，而对扭转方向的频率影响小，为1．5％左右。由于频率是与重量和刚度有关的，模态1和模态2的刚度一致，因此可知叶片重量对挥舞方向和摆振方向的影响大，对扭转方向的影响小。3．4诲九分析图2模型1和模型2的刚度对比Fig．2Stifnesscomparisonofmodel1andmodel2将bladed计算的各类极限载荷分别施加到模型1和模型2中，得到的模型中大梁位置处正应力安由表2可知，相对于模型1，模型2的压力面壳全系数的对比结果见图3。体和吸力面壳体的大梁总铺层层数均

8、减少了8层，重量降低了491kg，占大梁重量的18．9％，减重效果显著。考虑到玻纤单价和含胶量的因素，高模玻纤单向层合板的成本约为E玻纤单向层合板的1．2倍，因此使用高模玻纤后，叶片大梁的成本下降了约[1—1．2×(1—18．9％)]=3％，降本效果十分可观。图2中，E玻纤挥舞、E玻纤摆振、E玻纤扭转分别表示了使用E玻纤单向布的模型1在挥舞方向、摆振方向、扭