林廣義，董方晨，牛世同

（青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院，山東 青島266061）

0 前言

風(fēng)力發(fā)電將成為一種利用新能源推動社會發(fā)展的有力途徑。據(jù)預(yù)測，未來10年內(nèi)全球風(fēng)能市場將保持每年20%的速度增長。隨著風(fēng)力發(fā)電機功率的不斷提高，葉片的長度將從20m左右發(fā)展到50m以上。因此增強纖維與基體之間的黏合強度，提高樹脂基復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能，降低其制造成本是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。在風(fēng)力發(fā)電機葉片上最常使用的是不飽和聚酯樹脂和玻璃纖維復(fù)合而成的材料，其各方面的優(yōu)良特性使之已成為制造風(fēng)力發(fā)電機葉片的理想材料［1］。

國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)電葉片進行了諸多的研究。Amano等［2］借助計算流體動力學(xué)（CFD）分析軟件對風(fēng)力發(fā)電機葉片進行了氣動優(yōu)化設(shè)計以提高其安全系數(shù)和使用壽命。趙峰等［3］運用基于葉素－動量理論與有限元相結(jié)合的方法分析了風(fēng)電機葉片強度與載荷情況。程鵬［4］通過風(fēng)洞試驗對水平軸風(fēng)電葉片氣動彈性進行了研究，提高了風(fēng)力機的安全性和可靠性。李仁年等［5］從分析葉片表面壓力的方向出發(fā)，利用外場試驗所得數(shù)據(jù)與CFD數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)進行比較從而揭示了現(xiàn)實與模擬之間數(shù)據(jù)存在的誤差。盡管國內(nèi)外學(xué)者針對風(fēng)電葉片做了很多工作，但仍有不足之處，尤其在葉片的靜力學(xué)和動力學(xué)分析方面有待進一步研究。

本文將主要從數(shù)值模擬的角度出發(fā)，應(yīng)用ProE／Mechanica對不飽和聚酯樹脂制備的風(fēng)電葉片模型進行了構(gòu)建，并對風(fēng)電葉片靜力學(xué)和固有頻率進行了模擬研究，運用Moldflow對葉片注射成型過程、加工方法進行了討論，提出了運用真空輔助樹脂傳遞來成型風(fēng)電葉片等大型結(jié)構(gòu)件的思路。

1 實驗部分

1．1 葉片設(shè)計

風(fēng)電葉片三維模型的建立是風(fēng)電葉片和葉輪流場分析的重要前提。風(fēng)力機的葉片截面形狀比較復(fù)雜，特別是在翼展方向還存在扭轉(zhuǎn)角和漸縮的弦長，葉片的實體三維建模比較困難。通過二維轉(zhuǎn)三維的思想，構(gòu)造出葉片截面翼型的樣條曲線來建立風(fēng)電葉片的三維實體模型。

為了驗證不飽和聚酯樹脂基OMMT復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機葉片中的性能，設(shè)計一小型葉片，進行模擬分析，獲得一些性能參數(shù)。設(shè)計要求：在空氣密度（ρ）為1．2 5kg／m3，額定風(fēng)速（V1）為12m／s，最大風(fēng)速（V2）為25m／s的環(huán)境條件下，設(shè)計一臺功率為80W、功率系數(shù)為0．43、用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)電葉片。

1．2 風(fēng)輪參數(shù)的確定

風(fēng)輪直徑通常根據(jù)所設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機的功率來確定，其計算公式為：

式中P——風(fēng)力發(fā)電機功率，kW

V1——設(shè)計的額定風(fēng)速，m／s

CP——功率系數(shù)

η1——電機效率

η2——傳動效率

由于CP＝0．43，η1η2＝0．9，從而得出風(fēng)輪直徑（D）為0．5m。

因小型風(fēng)力發(fā)電機一般為高速風(fēng)輪，葉尖速比系數(shù)比較高，其范圍一般為6～7，本設(shè)計中將葉尖速比確定為7。

風(fēng)輪轉(zhuǎn)速由式（2）確定：

式中λ0——尖速比

由λ0＝7，得到轉(zhuǎn)速（N）為3209r／min。

2 結(jié)果與討論

2．1 風(fēng)電葉片靜力學(xué)和動力學(xué)分析

2．1．1 風(fēng)電葉片靜力學(xué)分析

（1）根據(jù)計算的參數(shù)，用三維軟件ProE進行三維實體建模，如圖1所示。

圖1 風(fēng)電葉片模型Fig．1 Model of the blade

（2）增加約束，添加載荷。

軸向推力的確定：

根據(jù)丹麥Gedser風(fēng)力發(fā)電機的經(jīng)驗公式：

式中F——葉輪上單位面積上的壓力，N／m2

V——風(fēng)速，m／s

在最大風(fēng)速時，V＝25m／s，F(xiàn)＝250N／m2，以面載的方式將此載荷加到葉片的迎風(fēng)面，即模型的下表面，完成軸向推力的施加。

扭矩的確定：

根據(jù)所設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機的功率，通過式（4）確定：

式中M——力矩，N·m

ω——角速度，rad／s

本文將扭矩以集中力的形式施加在距葉尖1／4葉片長度處。

先說說我對“夕陽”的定位。50歲左右，竊以為不能算作“夕陽”，應(yīng)是“下午四五點鐘的太陽”。但是，以我長期所處的縣、鄉(xiāng)級為例，很多這個年齡段的人，都以不同形式“下崗”了，他們往往也自稱“夕陽”，但非常勉強。65歲之前，只是剛踏上“夕陽”的邊，雖然精力、體力比不上以往，但仍有自己的優(yōu)勢，還不失為人生的一個“黃金期”，仍可“大有作為”。

（3）設(shè)定材料特性。設(shè)定材料密度（ρ）為1．6g／cm3，彈性模量（E）為17．6GPa，泊松比為0．17。該材料特性符合不飽和聚酯樹脂基OMMT復(fù)合材料。

（4）網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格有限元模型為198個四面體，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig．2 Mesh generation

（5）建立分析并進行有限元計算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 靜態(tài)分析結(jié)果Fig．3 Static analysis results

由圖3所示，在分析過程中選取安全系數(shù)為4，即當(dāng)滿足式（4）時符合設(shè)計準(zhǔn)則。

式中σ——分析應(yīng)力，MPa

σs——強度極限，MPa

由此可得，該葉片設(shè)計強度為σs＝325MPa，最大分析應(yīng)力在葉根，為σ＝18．9MPa，滿足σ≤σs／4，設(shè)計符合要求［6］。

2．1．2 風(fēng)電葉片動力學(xué)分析

模態(tài)分析的前4階固有頻率如圖4和表1所示。

表1 葉片固有頻率Tab．1 Blade inherent frequency

葉片的自振頻率不與轉(zhuǎn)速頻率的整數(shù)倍重合時即可避免共振，在對葉片進行動態(tài)設(shè)計時，一般要求葉片的第一頻率大于轉(zhuǎn)速的某個倍數(shù)。

在標(biāo)準(zhǔn)工況時，即V＝12m／s，由葉尖速比系數(shù)λ0＝7，可以算得葉尖線速度為v＝84m／s，由式（6）可以得到激振頻率（f）。

從而算得葉片風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時葉片的激振頻率為22．3Hz，與表1比較可看出，葉片第一固有頻率與外部激振頻率相差較遠(yuǎn)，因此葉片在額定風(fēng)速下運行時不會引起共振［6］。

2．2 葉片注射流場模擬及加工方法確定

Autodesk Moldflow的設(shè)計分析解決方案是塑料注射成型行業(yè)中使用較廣泛、技術(shù)較先進的軟件產(chǎn)品?？梢杂脕韺峁绦运芰线M行流動模擬分析［7］。本文采用Autodesk Moldflow軟件進行流場模擬。對設(shè)計的小型風(fēng)力發(fā)電葉片采用注塑方法分析，把模型導(dǎo)入到Moldflow中，進行材料參數(shù)與邊界條件的設(shè)定，運用后處理，得到模擬分析圖，其中不飽和聚酯樹脂（AROPOL G102）屬于非牛頓流體，OMMT的含量是1．2 5%，在室溫20℃下的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 OMMT含量為1．2 5%的不飽和聚酯樹脂在20℃下的試驗數(shù)據(jù)Tab．2 The test data of the unsaturated polyester resin with 1．2 5%OMMT at 20 ℃

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，選取葉片分析最佳澆口位置，其最佳澆口位置如圖5（a）所示，填充時間、流動前沿溫度、總體溫度分別如圖5（b）、（c）、（d）所示。

圖5 葉片模擬分析Fig．5 Simulation analysis of the blade

根據(jù)軟件最佳澆口位置的分析，由圖5可知，其澆口位置在實際應(yīng)用中的不合理性。按照最佳澆口位置分析，充填時間為0．7181s，其結(jié)果明顯與實際操作中不符，容易產(chǎn)生熔接痕，可見樹脂的黏度太大，將會影響其流動性能，進而影響整個試件的注塑效果。

用不飽和聚酯樹脂和玻璃纖維制備風(fēng)力發(fā)電機葉片，由于加入的OMMT增加了樹脂的黏度，因此不適合采用注射成型，而真空輔助樹脂傳遞技術(shù)是一種可以顯著降低大尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造成本的液體模塑工藝，真空輔助樹脂傳遞技術(shù)目前普遍應(yīng)用于大尺寸復(fù)合材料成型中。

真空輔助樹脂傳遞是一種改進的樹脂傳遞工藝。真空輔助是在注射樹脂的同時，在排氣口接真空泵，一邊注射樹脂一邊抽真空，借助于結(jié)構(gòu)層表面的高滲透率的介質(zhì)引導(dǎo)將樹脂注入到結(jié)構(gòu)層中。利用真空輔助樹脂傳遞方法制造葉片的主要流程如圖6所示。

圖6 真空輔助樹脂傳遞法制造葉片的流程Fig．6 Vacuum assisted resin transfer method for manufacturing process of the blade

其中，殼體鋪設(shè)主要分為芯材的鋪設(shè)和纖維布的鋪設(shè)，輔材鋪設(shè)主要有脫模布的鋪設(shè)、真空單元放置以及真空袋鋪設(shè)和抽真空設(shè)備的布置。抽真空完成后要注意氣密性的檢查。后處理包括制品修整、制品品質(zhì)檢測、包裝貯藏等。真空輔助樹脂傳遞法可改善纖維在樹脂中的浸潤性、延長模具使用壽命、提高制品品質(zhì)以及制品的成品率和力學(xué)性能，具有傳統(tǒng)注射成型方法不可比擬的優(yōu)點。

3 結(jié)論

（1）利用ProE／Mechanica對風(fēng)電葉片三維物理模型進行了靜力學(xué)分析，該葉片強度符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；

（2）在葉片強度校核的基礎(chǔ)上，利用ProE／Mechanica軟件對風(fēng)力發(fā)電葉片進行了模態(tài)分析，得到了風(fēng)電葉片的前4階固有頻率以及振型圖，從而確定了葉片在額定風(fēng)速下運行時不會引起共振；

（3）通過對風(fēng)力發(fā)電機葉片最佳澆口位置的選擇以及其流場分析，得出葉片注射成型容易產(chǎn)生熔接痕，對于黏度大的不飽和聚酯樹脂／OMMT復(fù)合材料，可采用真空輔助樹脂傳遞方法來制造風(fēng)力發(fā)電葉片等大型結(jié)構(gòu)件，該方法可改善纖維在樹脂中的浸潤性、延長模具使用壽命、提高制品品質(zhì)以及制品的成品率和力學(xué)性能。

［1］ 李成良，王繼輝，薛忠民．大型風(fēng)機葉片材料的應(yīng)用和發(fā)展［J］．玻璃鋼／復(fù)合材料，2008，（4）：49－51．

Li Chengliang，Wang Jihui，Xue Zhongmin．Application and Development of Materials of Large－Scale Wind Turbine Blades［J］．Fiber Reinforced Plastics／Composites，2008，（4）：49－51．

［2］ R S Amano，R J Malloy．CFD Analysis on Aerodynamic Design Optimization of Wind Turbine Rotor Blades［J］．Proceedings of World Academy of Science，Engineering and Technology，2009，60：20－46．

［3］ 趙 峰，段 ?。谌~素—動量理論及有限元方法的風(fēng)力機葉片載荷分析和強度計算［J］．機械設(shè)計與制造，2010，8（8）：42－44．

Zhao Feng，Duan Wei．Loading Analysis and Strength Cacluation of Wind Turbine Blade Based on Blade Element Momentum Theory and Finite Element Method［J］．Machinery Design ＆ Manufacture，2010，8（8）：42－44．

［4］ 程 鵬．水平軸風(fēng)力機葉片氣動彈性的風(fēng)洞試驗研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，2009．

［5］ 李仁年，袁尚科，魏列江，等．風(fēng)力機葉片表面壓力的計算與外場測試分析［J］．實驗流體力學(xué)，2012，26（10）：52－56．

Li Rennian，Yuan Shangke，Weiliejiang，et al．Measurement and Calculation of Blade Surface Pressure for a Wind Turbine in Field［J］．Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2012，26（10）：52－56．

［6］ 王 飛．小型風(fēng)力發(fā)電機葉片設(shè)計與制造工藝研究［D］．廣西：廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，2007．

［7］ 陳艷霞，陳如香，吳盛金．Moldflow 2010完全自學(xué)與速查手冊［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2010：25－26．