復合材料增強風機葉片智能減震控制前景分析

焦曉熠 張眾堯 高全浩

摘 要：由于日益嚴重的環境污染，各國都加大了對于清潔能源研究和開發的投入。而作為主要的一種清潔能源——風能，發電時為了追求效率，使葉片更加大型化，導致在工作過程中更加容易發生顫振，損壞葉片。本文介紹的是在葉片上粘貼或嵌入壓電材料，通過給壓電材料施加一定電壓來達到主動控制的目的。

關鍵詞：復合材料；智能減震；風機葉片

隨著碳排放對世界環境的影響日益嚴重，各國都將目光投向了對清潔能源的應用。而風能以其豐富的儲量、高度的可再生性和無公害的清潔性，更加成為清潔能源的主流。據統計，在2006年到2007年間，全球風能裝機量劇增，截至2007年，裝機量已達到9萬兆瓦，比2006年增加了27%，預計在近30年內，風能市場將以每年25%的速度遞增。與此同時，我國的風能儲量高居世界首位，約為10億千瓦。進行可持續發展和環境保護，風能的作用不可小覷。作為風力發電的主要設備——風機，葉片在其整機成本占的比重可達25%-28%，是風機中極重要的一部分。然而，為了使成本降低，提高發電機的發電效率，設計師將風力發電機葉片的尺寸大大增加。與此同時，增大尺寸也無法避免地帶來了副作用——葉片更加呈現出柔性化，剛度明顯降低。

一、顫振現象

正如上文提到的，葉片的大型化帶來了剛度不足的缺點，使葉片在工作過程中，更容易發生不自主的運動，影響周圍的風場，導致作用于葉片的風載荷也發生改變，產生了彈性力、慣性力以及空氣動力的相互作用，讓葉片的各個模態發生了耦合，形成氣動彈性不穩定——顫振[ 1 ]。

而這種情況會讓葉片發生劇烈振動，在極短的時間內發生葉片斷裂、損毀等情況，對人員和物資造成損壞，因此，如何控制顫振現象就成了亟待解決的一個重要問題。

二、運用復合材料增強葉片

由于葉片在其使用壽命中要經歷108次疲勞交變，因此需要對葉片的強度進行增加，使其不容易產生形變，引起顫振現象[ 2 ]。

增強葉片強度，可在設計和制造之時，運用復合材料，使葉片在保持較小質量的同時，還能獲得更高的強度。

（一）玻璃纖維復合材料（GRP）

玻璃纖維復合材料（GRP）是目前增強葉片強度的主流復合材料之一，選用GRP的原因主要有以下幾點：

①選用GRP，可根據風機葉片的受力特點進行設計，更加符合葉片的工作情況，使設計更加合理。

②葉片更易成型，并使氣動效率大大提高。使用金屬制造葉片，相較使用GRP而言，不僅難以成型，而且還沒有辦法針對不同角度，不同位置的部件進行分別設計，而使用GRP葉片可大大降低制造的難度，更易達到批量生產。

③從投入使用到報廢，葉片要經受10^8次以上疲勞交變，因此，用于制造葉片的材料需要具有良好的疲勞性能。而GRP材料的優點就是抗震性能好，疲勞強度高，因此，選用GRP作為制造風機葉片的材料非常合適。

④風力機工作環境較為惡劣，多為沙漠、海邊等使材料易受侵蝕的地區，需要材料具有耐酸、堿、水汽的性能。而GRP具有良好的耐腐蝕，在保證使用質量的前提下，能使葉片的使用年限大大增加[ 3 ]。

（二）碳纖維復合材料

葉片的大型化，不僅易于產生顫振現象，還使葉片的重量也大大增加。給葉片的安裝、保養和更換都增大了難度。因此，增加葉片剛性，減小葉片重量就成了運用大型葉片亟待解決的問題。在滿足強度要求的同時還要減輕葉片質量，采取碳纖維增強葉片是一個有效的方案。碳纖維復合材料的彈性模量是GRP的2～3倍。而在剛度更好的同時，碳纖維還有著比GRP更輕的質量，因此，在大型葉片的設計中采用碳纖維材料，能充分發揮其高強度、低質量的優點。

三、運用壓電材料對葉片振動進行主動控制

選用壓電材料對葉片振動進行主動控制，其好處主要有兩點：

第一，壓電材料由于其雙向轉換的性質，在工作中能起到傳感器和致動器兩種作用。

第二，壓電材料其本身質量較輕，在工作中能耗較低，且穩定性好，具有良好性能，是目前研究和使用最為廣泛的智能材料之一[ 4 ]。

在葉片中運用壓電材料，就是在設計葉片時，把壓電材料粘貼在葉片需要進行控制的表面，通過給壓電材料施加一定電壓，以達到主動控制的目的。

四、結語

對于時時都有霧霾籠罩的今天，尋找方法解決環境問題無疑是最亟待解決的問題。然而，環境和發展就像是難以調和的水和油——專注于環境問題的解決，勢必會拖慢發展的速度，而專注于發展，又會造成難以彌補的環境問題。而平衡這兩個難題的關鍵就在于對清潔能源的開發和應用。既不污染環境，也能為發展提供充足的能源供給——新能源，勢必成為未來能源開發的方向和解決環境與發展矛盾的鑰匙。

參考文獻：

[1] 任勇生，杜向紅，楊樹蓮.風力機復合材料柔性葉片的顫振分析[J].振動與沖擊，2011（09）：64-69.

[2] 喬印虎，朱志堅，張春燕.IIR濾波器在風力發電機振動保護儀上的應用[J].機電工程，2007，24（2）：8-10.

[3] 陳宗來，陳余岳.大型風力機復合材料葉片技術及進展[J].2005（3）：53-56.

[4] 喬印虎，韓江，張春燕，陳杰平.智能復合材料風力機葉片設計與有限元分析[J].材料工程，2013（5）：57-61.

注：“2016年遼寧省大學生創新創業訓練計劃”資助項目