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风力发电机叶片材料选用介绍

2012-07-23 16:36
龙凰
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  叶片是风力发电机组的重要构件。它将风能传递给发电机的转子,使之旋转切割磁力线而发电。为确保在野外极其恶劣环境中长期不停、安全地运行,对叶片材料的要求是:①密度小且具有最佳的疲劳强度和力学性能,能经受住极端恶劣条件和随机的负荷(如暴风等)的考验,确保安全运转20年以上;②成本(精确说为分摊到每度电的成本)低;③叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲红都正常,传递给整个发电系统的负荷稳定性好;④耐腐蚀、耐紫外线(UV)照射和抗雷击性好;⑤维护费用低。

  FRP完全可以满足以上要求,是最佳的风力发电机叶片材料。

  1.1 GFRP

  目前商品化的大型风机叶片大多采用玻璃纤维增强塑料(GFRP)制造。GFRP叶片的特点为:

  ①可根据风机叶片的受力特点来设计强度与刚度 风机叶片主要是纵向受力,即气动弯曲和离心力,气动弯曲载荷比离心力大得多,由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用玻璃纤维(GF)受力为主的受力理论,可将主要GF布置在叶片的纵向,这样就可使叶片轻量化。

  ②翼型容易成型,可达到最大气动效率 为了达到最佳气动效果,利用叶片复杂的气动外形,在风轮的不同半径处设计不同的叶片弦长、厚度、扭角和翼型,如用金属制造则十分困难。同时GFRP叶片可实现批量生产。

  ③使用时间长达20年,能经受108以上疲劳交变载荷GFRP疲劳强度较高,缺口敏感性低,内阻尼大,抗震性能较好。

  ④耐腐蚀性好 由于GFRP具有耐酸、碱、水汽的性能,可将风机安装在户外,特别对于近年来大力发展的离岸风电场来说,能将风机安装在海上,使风力机组及其叶片经受各种气候环境的考验。

  为了提高GFRP的性能,还可通过表面处理,上浆和涂覆等对GF进行改性。美国的研究表明,采用射电频率等离子体沉积去涂覆E-GF,其拉伸及耐疲劳性可达到碳纤维(CF)的水平。

  GFRP的受力特点是在GF方向能承受很高的拉应力,而其它方向承受的力相对较小。

  叶片由蒙皮和主梁组成,蒙皮采用夹芯结构,中间层是硬质泡沫塑料或Balsa木,上下面层为GFRP。面层由单向层和±45°层组成。单向层可选用单向织物或单向GF铺设,一般用7或4GF布,以承受由离心力和气动弯矩产生的轴向应力;为简化成型工艺,可不用±45°GF布层,而采用1:1GF布,均沿轴向铺设,以承受主要由扭矩产生的剪切应力,一般铺放在单向层外侧。梁的结构形式既可以是夹芯结构,也可以是实心GFRP结构。但是,在蒙皮与主梁的结合部位即梁帽处必须是实心GFRP结构。这是因为此部分梁与蒙皮相互作用,应力较大,必须保证蒙皮的强度和刚度。

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