[發(fā)明專利]一種碳纖和玻纖混合材料的風(fēng)電葉片

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310384539.7
• 申請日: 2013-08-29
• 公開（公告）號: CN103437965A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 史曉雷;張鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 長春市雷力機械制造有限公司
• 主分類號: F03D11/00
• 分類號: F03D11/00;B32B17/12
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 張文祎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及風(fēng)電葉片領(lǐng)域，特別是一種碳纖和玻纖混合材料的風(fēng)電葉片。

背景技術(shù)

葉片是風(fēng)力機的關(guān)鍵部件之一，涉及氣動、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、工藝等領(lǐng)域。葉片的長度和風(fēng)機的功率成正比，風(fēng)機功率越大，葉片越長。葉片也是風(fēng)機中成本最高的部件，雖然它的重量不到風(fēng)機重量的15％。但風(fēng)葉成本約占風(fēng)電成本的10％。風(fēng)葉類似于航空葉片，要求提高提升比，并且其提升特性不易受葉片表面污染和粗糙度影響。從結(jié)構(gòu)考慮要求葉片有較厚的葉型。葉片要經(jīng)受20年應(yīng)用，以受風(fēng)力造成的疲勞次數(shù)達10（也有以500萬次作標準）。隨著風(fēng)機功率的增加，風(fēng)葉尺寸也相應(yīng)增加。

經(jīng)過正常風(fēng)力下模擬現(xiàn)實中每2B風(fēng)站點的極端風(fēng)力下所承受的負載，當(dāng)葉片長度增加時，重量的增加要快于能量的提取，因為重量的增加和風(fēng)葉長度的立方成正比（圖1），而風(fēng)機產(chǎn)生的電能和風(fēng)葉長度的平方成正比。同時隨著葉片長度的增加，對增強材料的強度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足。為了保證在極端風(fēng)載互感器測試儀器下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的重量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強。國外專家認為，由于現(xiàn)有材料性不能很好滿足大功率風(fēng)力發(fā)電裝置的需求，玻璃纖維復(fù)合材料性能已經(jīng)趨于極限，因互感器測試儀器此，在發(fā)展更大功率風(fēng)力發(fā)電裝置和更長轉(zhuǎn)于葉片時，采用懺能更好的碳纖維復(fù)合材料是勢在必行。根據(jù)國外有關(guān)資料報道，當(dāng)風(fēng)力機超過3MW、葉片長度超過40米時，在葉片制造時采用碳纖維已成為必要的選擇。事實上，當(dāng)葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片反而比玻纖葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降了。但由于碳纖維比玻纖昂貴，采用百分之百的碳纖維制造葉片從成本上來說是不合算的。目前碳纖維主要是和玻纖混和使用，碳纖維只是用到一些關(guān)鍵的部分。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種風(fēng)電葉片的混合材料，根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)要求，把碳纖維鋪設(shè)在剛度和強度要求最高的方向，達到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種風(fēng)電葉片，所述風(fēng)電葉片由三層材料構(gòu)成，第一層為玻纖織物層，第二層為碳纖維層，第三層為玻纖織物層，所述第一層玻纖織物層與第三層玻纖織物層成45°角，第二層碳纖維層夾在第一層玻纖織物層與第三層玻纖織物層之間。

優(yōu)選地，所述第一層玻纖織物層：第二層碳纖維層：第三層玻纖織物層的重量比為3:10:3。

以下是對風(fēng)電葉片使用碳纖維情況做的對照測試：展示如何將碳纖維應(yīng)用在分量葉片上和通過葉片系統(tǒng)的設(shè)計研究來確定結(jié)構(gòu)。

對三種不同的9米風(fēng)電葉片進行研究，葉片設(shè)計中心為100kw速控制汽輪機。第一種葉片被稱為CT-100。其內(nèi)部有一部分葉片整長的碳纖維層。第二種葉片被稱為TB-100,其幾何形狀與CT-100葉片相同，但其由三層材料構(gòu)成，第一層為玻纖織物層，第二層為碳纖維層，第三層為玻纖織物層，所述第一層玻纖織物層與第三層玻纖織物層成45°角，第二層碳纖維層夾在第一層玻纖織物層與第三層玻纖織物層之間。其結(jié)構(gòu)如圖2a和2b所示，最后一種葉片稱為CB-100，其實際長度為8.325m，接近9m，其是在傳統(tǒng)風(fēng)電葉片的基礎(chǔ)上進行了改進，與傳統(tǒng)葉片相比包括一個大直徑根部，平翼型；整個葉片等密度，但偏薄。三種葉片均無扭曲。

圖3顯示了葉片的形狀以及根部直徑大小的比較,三組葉片均無扭曲。CT-100葉片可以看到有一個更大的根部直徑同時長度較短而且更薄。通過實驗來確定制造葉片的設(shè)計目標。此實驗進行模擬靜態(tài)的剛度試驗。到目前為止,樣本的每個設(shè)計都經(jīng)歷了模模擬靜態(tài)測試。此外,第一種CT-100葉片測試失敗,確定影響葉片的因素。這個因素是由于沒有額外的邊緣加固材料CB-100被加一個拉力為68%的極端負荷。三種葉片被安裝到一個1360kn/m測試站和一個近似極端風(fēng)力的地區(qū)。對于CT-100,極端負荷情況下所能承受的張力為86.4kn。對TB-100和CT-100葉片,極端負荷情況下所能承受的張力為53.8kn。所有測試的葉片采用三點測試方式，并設(shè)置上拉裝置示意圖見圖4：對TB-100葉片測試,一個繩索與滑輪裝置附著在一固定點,拉伸葉片做扭曲測試,系統(tǒng)裝置可以測試其旋轉(zhuǎn)范圍，如圖5所示。CT-100也進行了扭曲測試,但是有不同的測試點。測試點所施加的負荷如表1所示。葉片加載負荷的范圍從25%增加到100%，直到葉片斷裂，示意圖見圖6、7、8、9。