風機葉片纖維布鋪層工藝性研究

林 濤，何 明，陶生金，袁維瀚，涂英濤

（國電聯合動力技術（連云港）有限公司，江蘇連云港 222002）

0 引言

葉片是風力發電機組中最關鍵也是最復雜的部件，葉片的質量直接決定了風力發電機的實際壽命。目前葉片結構主要以玻璃纖維/碳纖維增強復合材料為主。纖維增強復合材料是先進復合材料的代表，其增強纖維材料的各向異性特點為葉片鋪層結構設計提供了極高的靈活性，并且將不同類型的增強材料進行組合設計，最終得到最優化的鋪層結構設計。

為盡可能提高風機的整體運行效率與可靠性，需設計出具有更大風能捕獲能力和更低氣動載荷的高性能低重量葉片［1］。在風機葉片氣動設計時，會根據需要選擇不同系列翼型進行組合設計，如NACA44系列翼型、AE02系列翼型、DU翼型、FFA翼型等。通過中弧線、前緣半徑、后緣角、弦長、厚度、彎度［2］再加上風機葉片結構的預彎、預扭等設計，這些都決定了葉片結構是一個不可展曲面［3］。即不能展開成平面的曲面，如橢圓面、橢圓拋物面、曲線回轉面。

因此在葉片外形上進行纖維鋪層結構設計，其纖維布的鋪層工藝性會在一定程度上受到影響，這是因為纖維布是平面，而葉片外形是不可展曲面。理論上，平面纖維布是不可能完全貼實鋪設在葉片外形上的。實際鋪設中，纖維布本身會有輕微的形變，有研究表明纖維紗線角度是否準確對葉片強度會有很大影響。纖維紗線角度對葉片強度可靠性的影響，較高強度可靠指標值的鋪層纖維角度在45°附近［4］，且某些區域±45°單層纖維鋪層對葉片強度的影響要大于0°單層纖維鋪層［5］。因此，在結構設計時，考慮不同類型纖維布的形變特性及其對應不可展曲面的鋪層工藝性的實際表現，保證纖維紗線角度鋪設的可靠性，選擇最合適的纖維布型號，是結構設計的重點，也是保證葉片結構設計性能通過工藝實現的技術保障。

1 鋪層工藝性定義

基于上述分析，本文一方面通過建立簡化的鋪層工藝性數學表達式，另一方面通過對比不同類型玻纖布在特定模型上的實際鋪層工藝性及鋪設質量情況，為葉片結構設計的纖維布選型提供一種思路。

本文將鋪層工藝性P定義為平面纖維布與實際曲面的尺寸偏差；其分為平面鋪層工藝性P1和方向鋪層工藝性P2兩個部分。

1.1 平面鋪層工藝性

其鋪層纖維布鋪設方向不發生改變，此情況適合后緣單向布之外的所有纖維布鋪層。本文以不可展曲面中的弧線回轉面模擬葉片外形，其表達式：

表達式（1）的定義：單位面積范圍內，弦向曲率半徑r，軸向曲率半徑R，其曲面強行展開為平面后與單位面積平面的最大尺寸偏差。

P1值含義說明，單位面積曲面完全展平后的尺寸偏差，其值為0代表其鋪設性最好，平面纖維布可直接鋪設沒有理論褶皺情況。其值不為0代表平面纖維布直接鋪設在上面會有理論褶皺情況，具體數值如0.006，代表每平方米纖維布鋪設會形成一個長度為6 mm的褶皺，或一個3 mm的對折突起。

從表達式可以推廣至任意曲面的鋪層工藝性表達式：

但一般葉片外形設計不可能存在統一的，甚至單個截面都沒有可行的數學表達式，因此，可以采用數值分析的方法對即有的葉片外形進行計算，針對單塊鋪層結構涉及的葉片外形曲面進行均勻數值分析；相應數學表達式改為數值分析求和：

1.2 方向鋪層工藝性

鋪層纖維布鋪設方向發生改變，此情況在葉片后緣單向布鋪層設計中普遍應用，其纖維布軸向方向與葉片軸線不一致且是動態變化的。其表達式：

表達式（4）的定義：纖維布幅寬W，纖維布方向曲率半徑R′；單位長度曲面完全展平后的尺寸偏差，其值含義同P1。

2 實驗及結果

葉片實際鋪層中，不同纖維布在葉片鋪層中的工藝性不盡相同，三軸布在曲面變化較大區域非常難鋪設，會出現無法隨型鋪設的情況，如圖1所示。而同樣區域雙軸布鋪層隨型情況要好很多，如圖2所示。

圖1 三軸布鋪層情況

圖2 雙軸布鋪層情況

本文選定標準定義曲面選段；此選段的r=1 m，R=10 m，制作標準模具；選取四軸玻纖布，三軸玻纖布，雙軸玻纖布，單向玻纖布分別進行了實際鋪層，測量其P1值結果如表1所示。

表1可以看出：四軸玻纖布、三軸玻纖布的實際鋪層工藝性差，其次單向布，雙軸布最好。其原因為三軸玻纖布、四軸玻纖布編制緊密，纖維布硬挺度高，鋪設時人工鋪設無法讓纖維束進行束間相對滑動，與理論鋪層工藝性相差很小；單向布因層數原因，其褶皺情況要輕微一些；雙軸布情況最好，褶皺情況輕微，且人工鋪設可將其完全鋪設貼實葉片外形；主要原因為雙軸布其紋理方向為45°，導致其纖維束長度較短，特別是葉片狹長的結構，雙軸布長度一般不超過10 m，1 m寬的試驗區其長度不足1.5 m；其纖維束的相對滑動相對容易實現。

本文選定標準平面，長度2 m，寬度0.35 m；針對不同類型玻纖布的方向鋪層工藝性P2進行試驗驗證，其結果如表2所示。

針對不同幅寬單向布的方向鋪層工藝性P2進行試驗驗證，其結果如表3所示。

在葉片外形設計確定的情況下，方向鋪層工藝性P2與纖維布幅寬W成正比，即纖維布幅寬W越小，纖維布的方向鋪層工藝性越好。

3 分析及展望

3.1 分析及優化建議

在葉片外形設計結束后，通過計算葉片不同區域的理論鋪層工藝性，掌握葉片外形鋪層工藝性的具體分布情況。結合理論和實際鋪層工藝性的試驗結果差異，對鋪層工藝性差的區域，可以通過以下方式進行優化。

（1）優化氣動外形，r值越大，對應鋪層工藝性越好，可考慮換r值更大的氣動截面進行啟動設計。

（2）優化結構屈曲設計，R值也大，對鋪層工藝性越好，可考慮減緩預彎的優化，增加R值。

（3）優化纖維布選型，將對應鋪層工藝性較差區域的三軸布更換為雙軸布+單向布；雙軸布的鋪層工藝性更好，但實際鋪層中會發現雙軸布的纖維方向性比較差，特別是長距離鋪設，其方向性和理論設計方向偏差較大，在實際應用中不建議大規模采用雙軸布，特別是對方向性要求較高的葉型區域。建議盡量采用三軸布和單向布的設計，因三軸布和單向布在軸向方向纖維束是連續的，且鋪設過程受人工鋪層導致纖維局部彎曲的可能性更小，對保證葉片工藝可實現性更有助益。

表1 P1值結果情況

表2 不同類型玻纖布的方向鋪層工藝性

表3 不同幅寬單向布的方向鋪層工藝性

（4）優化單層纖維布的鋪設面積：降低纖維布幅寬，可理解為弦向的裁剪；縮短單層纖維布的長度，可理解為軸向的裁剪。特別是單向布寬度優化：因單向布纖維束走勢為軸向，保證總設計單向布質量不變，調整單層單向布的幅寬的不會對葉片結構載荷產生影響，但較小的單向布幅寬可以讓單向布鋪層工藝性提高。

3.2 全單向布鋪層結構設計展望

根據單向布幅寬不會對葉片結構載荷產生影響這一特性，本文展望葉片結構設計采用全單向布或全原紗鋪層設計，通過葉片結構外形，確定葉型通用的一種或多種單向布幅寬，采用單向布代替現有的三軸布、雙軸布進行結構設計。這樣既避免了三軸布鋪層工藝性差的缺點，也避免了雙軸布易變性彎曲的缺點，從設計角度充分保證了葉片設計強度的實現。此設計的優點為可以對各個方向纖維紗線角度進行單獨設計，且可以對各個方向的篩選角度進行單獨鋪設控制，優化設計強度，并由此展望未來全自動單向布鋪層系統。