【文章內(nèi)容簡介】 .... 45 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)聲明書 ................................................................................................. 46 學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明 ..................................................................................... 47 新疆大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 1 第一章 緒 論 工程背景及意義 全球非可再生能源的緊缺，不斷加快了再生能源的開發(fā)，風(fēng)能作為其中的一項綠色資源，受到了越來越多的關(guān)注，是未來持續(xù)發(fā)展的新能源之一。根據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會的最新統(tǒng)計， 2022 年上半年世界風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)到 萬千瓦，累計的裝機(jī)容量達(dá)到 億千瓦，其中，中國新增安裝風(fēng)電機(jī)組 11409 臺，裝機(jī)容量 MW，累計安裝風(fēng)電機(jī)組 45894 臺，裝機(jī) 容量 MW，年增長 %，位居全球第一 [14]。 裝機(jī)容量的增多對風(fēng)力機(jī)性能的要求將不斷提高，安全、穩(wěn)定、長壽命的風(fēng)力機(jī)是可持續(xù)發(fā)展的追求目標(biāo)。在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的過程中，研究風(fēng)力機(jī)的性能成為熱點(diǎn)的方向之一，其中 葉片 作為 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，成本約占風(fēng) 力 機(jī) 機(jī) 組總成本的 l/5～ l/4，葉片性能的變化直接影響著風(fēng)力機(jī)的實(shí)際應(yīng)用價值。結(jié)合葉片作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，進(jìn)一步分析該部件性能的變化對實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價值 [58]。 新疆是 我 國風(fēng)資源最豐富的地區(qū)之一，占全國可開發(fā)風(fēng)能資源總量的 %，擁有達(dá)坂城、準(zhǔn)葛爾盆地、哈密南北戈壁、百里風(fēng)區(qū)、塔城老風(fēng)口、額爾齊斯河谷、羅布泊等九大風(fēng)區(qū) 。 風(fēng)力 發(fā)電 機(jī) 在很短的時間內(nèi)獲得 了 大規(guī)模的應(yīng)用。 然而，新疆擁有自身獨(dú)特的地理和自然環(huán)境，多沙漠、風(fēng)沙大是典型特點(diǎn)之一。同時， 新疆 也是 我國大風(fēng)天數(shù)最多的地區(qū)之一，風(fēng)沙運(yùn)動也尤為顯著，風(fēng)沙對暴露在外面的設(shè)備，如：建筑物，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，各種露天設(shè)備的沖刷磨損影響不容忽視。由于大風(fēng)天氣比較多，風(fēng)帶動沙粒高速運(yùn)動，一方面起到搬運(yùn)的作用，一方面在這種搬運(yùn)過程中，對處在其中的物 體 造成強(qiáng)烈的風(fēng)蝕作用，導(dǎo)致流過件表面被嚴(yán)重沖刷磨損，長期在這種 風(fēng)沙作用了導(dǎo)致失效，引起事故隱患，對設(shè)備的損傷破壞不容忽視 [910]。 在新疆風(fēng)電場的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，風(fēng)力機(jī) 葉片在承受強(qiáng)大的風(fēng)載荷的同時，還要抵抗沙粒的沖擊， 雙重作用將 對其 是一個嚴(yán)峻的考驗(yàn)， 風(fēng)力機(jī)葉片的 受力情況 變得 復(fù)雜。風(fēng)沙 的 懸移，躍移和蠕移 三種不同的運(yùn)動形式對葉片將產(chǎn)生不同的 沖磨損 傷影響。針對風(fēng)沙流下葉片性能的變化情況，進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉片材料的沖刷磨損試驗(yàn)。從材料的組織結(jié)構(gòu)上，研究葉片在風(fēng)沙環(huán)境下的材料性能變化情況，分析結(jié)果對葉片的設(shè)計提供一定依新疆大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 2 據(jù)，使其更好的應(yīng)用于新疆特殊的環(huán)境中，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。 本論文是在國家自然科學(xué)基金項目 “ 多相流下風(fēng)力機(jī)關(guān)鍵部件的沖刷磨損和腐蝕行為研究 ” （ 51101132）資助下，針對新疆地區(qū)風(fēng)沙的侵蝕以及惡劣環(huán)境的具體情況 ， 研究風(fēng)力機(jī)葉片材料在風(fēng)沙沖刷的惡劣環(huán)境下的磨損行為，考察沖擊速度、沖擊角、粒 徑等參量對材料的沖刷磨損行為的影響規(guī)律，分析材料的組織結(jié)構(gòu)，揭示沖刷磨損失效機(jī)制和損傷規(guī)律，提高 葉片的 可利用率和風(fēng) 力 機(jī)的 整體 使用壽命， 為 降低運(yùn)行維護(hù)成本提供理論依據(jù)。 風(fēng)力機(jī)葉片的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展 風(fēng)力發(fā)電作為未來最具有競爭力的能源之 一，已經(jīng)越來越受到世界各國的重視，葉片是風(fēng)力機(jī) 機(jī) 組有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件。在發(fā)電機(jī)功率確定的條件下，如何提高發(fā)電效率，以獲得更大的風(fēng)能，一直是風(fēng)力發(fā)電追求的目標(biāo)，而捕風(fēng)能力的提高與葉片的形狀、長度和面積有著密切的關(guān)系，葉片尺寸的大小則主要依賴于制造葉片的材料。葉片的材料越輕、強(qiáng)度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強(qiáng)，葉片就可以 大型化 ，捕風(fēng)能力也就越強(qiáng)。因此，輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性好的復(fù)合材料成為目前大型風(fēng)力發(fā)電葉片的首選材料 [1113]。 風(fēng)力機(jī)葉片材料的發(fā)展 目前正在服役的風(fēng)力 機(jī) 葉片多為復(fù)合材料葉 片 ， 這些葉片基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂與 E玻璃纖維、 S玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復(fù)合而成，以滿足不同風(fēng)場的使用要求。由于玻璃纖維的價格僅為碳纖維價格的 1/10 左右，目前的葉片制造采用的增強(qiáng)材料仍以玻璃纖維為主。 LM 公司等復(fù)合材料葉片的制造商們對樹脂基體系統(tǒng)進(jìn)行了精心設(shè)計和改進(jìn)。采用性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂代替不飽和聚酯樹脂，改善了玻璃纖維 和 樹脂界面的粘結(jié)性能，提高了葉片的承載能力，擴(kuò)大了玻璃纖維在大型葉片中的應(yīng)用范圍。為提高復(fù)合材料葉片在惡劣工 作環(huán)境中的長期使用性能， SP 公司專門研究開發(fā)出耐紫外線輻照的新型環(huán)氧樹脂系統(tǒng)，以滿足風(fēng)力發(fā)電葉片耐久性的要求。 新疆大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 3 愛爾蘭 Gaoth 風(fēng)能公司與日本三菱重工和美國 Cyclics 公司正在探討如何共同研制低成本熱塑性復(fù)合材料葉片。 Limerick 大學(xué)和 Galway 國立大學(xué)開展了熱塑性復(fù)合材料的先進(jìn)成型工藝技術(shù)的基礎(chǔ)研究。 三菱公司將負(fù)責(zé)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上進(jìn)行 “ 綠色 ” 葉片的試驗(yàn)。此項試驗(yàn)成功后，將繼續(xù)研究開發(fā) 30 米以上的熱塑性復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)葉片。根據(jù)有關(guān)資料介紹，與環(huán)氧樹脂 P玻璃纖維復(fù)合材料大型葉片相比較，如果采用熱塑性復(fù)合 材料葉片，每臺大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的葉片重量可以降低 10%，抗沖擊性能大幅度提高，制造成本至少降低 1/4，制造周期至少降低 1/3，而且可以完全回收和再利用。安全快捷地制造 “ 綠色 ” 的復(fù)合材料葉片正期待著復(fù)合材料葉片制造商去實(shí)現(xiàn) [1416]。 風(fēng)力機(jī)葉片成型工藝的發(fā)展 風(fēng) 力 機(jī)葉片的制造工藝隨著風(fēng)力機(jī)功率的 增大而 不斷提高，復(fù)合材料葉片 逐漸占領(lǐng)大型風(fēng)力機(jī)的制造市場。 為了保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)和塔座安全，不僅要求葉片的質(zhì)量輕也要求葉片的質(zhì)量分布必須均勻、外形尺寸精度控制準(zhǔn)確、長期使用性能可靠。若要滿足上述要求 ，需要相應(yīng)的成型工藝來保證。 （ 1）手糊工藝 [1720] 手糊工藝 是復(fù)合材料最早的一種成型方法，也是最簡單的成型工藝。基本的成型工藝流程為：模具準(zhǔn)備 → 涂脫模劑、樹脂膠液配置、增強(qiáng)材料準(zhǔn)備 → 手糊成型 → 固化 → 脫模 → 后處理 → 檢驗(yàn) → 制品。 手糊工藝成型具有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)為；不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大、批量小、形狀復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)；設(shè)備簡單、投資少、設(shè)備折舊費(fèi)低；工藝簡單；易于滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，可以在產(chǎn)品不同部位任意增補(bǔ)增強(qiáng)材料；制品樹脂含量較高，耐腐蝕性好。缺點(diǎn)為：生產(chǎn)效率低、勞動強(qiáng)度大、勞動衛(wèi)生條件差 ；產(chǎn)品質(zhì)量不易控制、性能穩(wěn)定性不高；產(chǎn)品力學(xué)性能較低。 該工藝在制備葉片的過程中， 產(chǎn)品質(zhì)量對工人的操作熟練程度及環(huán)境條件依賴性較大，生產(chǎn)效率低和產(chǎn)品的而且產(chǎn)品質(zhì)量均勻性波動較大，產(chǎn)品的動靜平衡保證性差，廢品率較高。 同時，制備的葉片 在使用過程中出現(xiàn)問題往往是由于工藝過程中的含膠量不新疆大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 4 均勻、纖維 /樹脂浸潤不良及固化不完全等引起的裂紋、斷裂和葉片變形等。 （ 2）真空袋壓成型工藝 [2022] 真空袋壓成型工藝 是將產(chǎn)品密封在模具和真空袋之間，通過抽真空對產(chǎn)品加壓，產(chǎn)品更加密實(shí)、力學(xué)性能更好。該成型方法分為真空袋濕法和 真空袋干法兩種，其中真空袋干法成型的產(chǎn)品力學(xué)性能更加優(yōu)越，其工藝流程為：模具準(zhǔn)備、涂脫模劑 → 膠衣、產(chǎn)品積層（不含樹脂的增強(qiáng)材料） → 鋪脫模布 → 鋪導(dǎo)流布、導(dǎo)流管 → 粘貼密封膠條 → 鋪真空袋膜 → 安裝真空閥、快換接頭和真空管 → 接氣源、檢驗(yàn)真空度 → 抽真空、導(dǎo)入樹脂 →產(chǎn)品固化 → 產(chǎn)品脫模。 該成型工藝優(yōu)點(diǎn)為：纖維含量高、產(chǎn)品的力學(xué)性能更好；均勻加壓、產(chǎn)品的性能均勻；有效控制產(chǎn)品厚度和含膠量；減少產(chǎn)品中的氣泡；可以成型復(fù)雜、大型制件；減少揮發(fā)化學(xué)成分對工作人員的損害。缺點(diǎn)為：成本高；對于其中的 熱壓罐成型工藝 ， 制件尺寸 同時 受 到 限 制 。 面對日漸大型化的葉片外形，真空袋壓成型工藝中要求更大的成型內(nèi)腔及其完善的抽真空裝置，采用該方法制作葉片的成本將不斷增大。 （ 3） RIM 成型工藝 [2325] 反應(yīng)注射成型 （ Reaction Injection Molding，簡稱 RIM）是 將雙組份聚氨酯材料經(jīng)混合后，在常溫、低壓環(huán)境下注入快速模具中，通過材料的聚合、交聯(lián)、固化等化學(xué)和物理的過程形成制品。 RIM 的工藝過程為：單體或預(yù)聚物以液體狀態(tài)經(jīng)計量泵以一定的配比進(jìn)入混合頭進(jìn)行混合，混合物注入模具后，在模具內(nèi)快速反應(yīng)并交聯(lián)固化，脫模后即為 RIM 制品。 工藝過程可以簡化為：貯存 → 計量 → 混合 → 充模 → 固化 → 脫模 → 后處理。 RIM 成型工藝的優(yōu)點(diǎn) ：高強(qiáng)度，低重量 ； 在物理性能方面，它強(qiáng)度高，重量低，耐熱，絕熱，尺寸穩(wěn)定，并且抗沖擊性良好 ； 在化學(xué)性能方面，它耐腐蝕，耐候性良好 ；比起熱塑性塑料的注塑成型，反應(yīng)注射成型溫度低，注射壓力小，消耗的能量要少，而且使用的設(shè)備和場地也少，因而更加經(jīng)濟(jì) ； 比起其它的熱固性塑料成型，反應(yīng)注射的自動化程度更高。 缺點(diǎn)： RIM 制品可能存在分層與氣泡、表面附帶氣泡、外觀不一致、表新疆大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 5 面光潔度不高、制件收縮率較大、皮層太薄或過于疏松而引起的局部凹陷； 皮層有起鱗片或剝離現(xiàn)象。 （ 4） RTM 成型 工藝 [2627] 樹脂傳遞模塑成型 （ Resin Transfer Molding，簡稱 RTM） 首先在模腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計好的增強(qiáng)材料預(yù)成型體，采用注射設(shè)備將專用低粘度注射樹脂體系注入閉合模腔，模具具有周邊密封 、 緊固 、 注射 以 及排氣系統(tǒng)以保證樹脂流動順暢 、 排出模腔中的全部氣體 、 徹底浸潤纖維， 同時 模具有加熱系統(tǒng)可進(jìn)行加熱固化而成型復(fù)合材料構(gòu)件。 RTM 工藝簡化為：預(yù)成型 → 注塑 → 固化 → 開模 → 剪邊。 RTM 工藝的優(yōu)點(diǎn) ：閉模成型，產(chǎn)品尺寸和外型精度高，適合成型高質(zhì)量 的復(fù)合材料整體構(gòu)件 ，可以 整個葉片一次成型；與 SMC 及 RIM 相比 ， 初期投資?。恢破繁砻婀鉂嵍雀?；與手糊工藝相比 ， 成型效率，適合成型年產(chǎn) 20,000 件左右的復(fù)合材料制品；環(huán)境污染小。 缺點(diǎn)：嚴(yán)密的成型工藝也給制備的產(chǎn)品帶來了一定的缺陷，如裂紋、厚度不均、氣泡、浸漬不良、白斑、折皺、撓曲變形等。 （ 5）拉擠成型工藝 [2830] 拉擠成型工藝中，首先將浸漬過的樹脂膠液的連續(xù)纖維束或帶狀織物在牽引裝置作用下通過成型模而定型。其次，在模中或固化爐中固化，制成具有特定橫截面形狀和長度不受限制的復(fù)合材料。在拉擠成型過程中， 要求增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度高、集束性好、不發(fā)生垂直和容易被樹脂膠液浸潤。成型工藝流程為：增強(qiáng)材料浸漬 → 預(yù)成型模板導(dǎo)向 →初步定型 → 加熱固化 → 開模。 拉擠成型工藝的優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)過程完全實(shí)現(xiàn)自動化控制，生產(chǎn)效率高；拉擠成型制品中纖維含量可高達(dá) 80%，浸膠在張力下進(jìn)行，能充分發(fā)揮增強(qiáng)材料的作用，產(chǎn)品強(qiáng)度高；制品縱、橫向強(qiáng)度可任意調(diào)整，從而滿足不同力學(xué)性能制品的使用要求；生產(chǎn)過程中無邊角廢料，產(chǎn)品不需要后加工，相對于其他工藝省工、省材料、省能耗；制品質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性好，長度可以任意切斷。缺點(diǎn)：產(chǎn)品形狀單調(diào)，只能生產(chǎn)線形型材，而 且橫向強(qiáng)度不高。 新疆大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 6 （ 6）模壓成型工藝 模壓成型是一種對熱固性樹脂和熱塑性樹脂都適用的纖維復(fù)合材料成型方法。模壓成型的工藝為：將定量的模塑料或顆粒狀樹脂與短纖維的混合物放入敞開的金屬對模中，閉模后加熱使其溶化，并在壓力作用下充滿模腔，形成與模腔相同形狀的模制品，再經(jīng)加熱使樹脂進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而固化，或者冷卻使熱塑性樹脂硬化，脫模后得到復(fù)合材料制品。工藝流程簡化為：金屬對模準(zhǔn)備 → 涂脫模劑、模塑料顆粒樹脂、短纖維→ 模壓成型 → 固化 → 脫模 → 后處理 → 檢驗(yàn) → 制品。 該成型工藝的優(yōu)點(diǎn)：較高的生產(chǎn)效率；制品尺寸準(zhǔn)確、表面 光潔；多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可一次成型，無需二次加工；制品外觀及尺寸的重復(fù)性好；容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化等。缺點(diǎn)：模具設(shè)計制造復(fù)雜，壓機(jī)及模具投資高；制品尺寸受到設(shè)備限制；在一般情況下，只適合制造批量大的中、小型制品。 流體動力學(xué)在葉片設(shè)計中的應(yīng)用 當(dāng)今社會隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，各種規(guī)格的風(fēng)力機(jī)已成為企業(yè)的主流產(chǎn)品，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特性優(yōu)化設(shè)計、計算機(jī)輔助設(shè)計也成為了 重要的 研究 手段 。流體動力學(xué)與直接的風(fēng)洞試驗(yàn)相比，有其優(yōu)越性：具有模擬真實(shí)風(fēng)環(huán)境的能力，可以構(gòu)造與結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸相當(dāng)?shù)挠嬎隳Ｐ?，?可以按照實(shí)際的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行仿真和模擬，避免了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)只能進(jìn)行縮尺試驗(yàn)的不足。并且隨著湍流模型的發(fā)展，結(jié)合計算技術(shù)的軟硬件的飛速發(fā)展，運(yùn)用湍流模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬成為了目前主要的模擬方法。 在自然環(huán)境下，風(fēng)力機(jī)葉片直接與大氣相接觸，流體的流動狀態(tài)在一定程度上影響著風(fēng)力機(jī)的工作效率。而在流體動力學(xué)中，葉片和氣流之間的相互作用，決定了風(fēng)機(jī)的使用性能。因此，在葉片的設(shè)計過程中，不僅要依賴風(fēng)洞測試試驗(yàn)，而且應(yīng)運(yùn)用 CFD計算方法及其 Fluent 流體軟件，模擬工作狀態(tài)下葉片的性能變化，從而更好的補(bǔ)充風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果