1.5MW风机叶片VARI工艺模拟分析及验证.pdf

　３０　　　　１．５ＭＷ风机叶片ＶＡＲＩ工艺模拟分析及验证　　２０１３年ｌ２月　　　１５ＭＷ风机叶片ＶＡＲＩ工艺模拟分析及验证　　　　汤扬阁，周红丽，王红，刘进荣（内蒙古工业大学化工学院，呼和浩特　０１００５１）　　　摘要：本文对采用真空辅助成型工艺（ＶＡＲＩ）制造的１．５ＭＷ风机叶片的流道设计进行模拟分析。考察了不同注射方式、　　　　　　　　　　　　　不同导胶管间距的充模时间，分析了树脂流动形态、模腔内压力分布以及溢料口位置，优化得到了风机叶片根部的最佳注射方　案。在此基础上模拟整机充模成型，得到最佳流道设计方案为根部布置间距为４８７ｍｍ的两条管道，沿着叶片长度方向布置三　　　　条注射流道，注射口数量为１３个，两端抽气，溢料１：２数量为１４个。将模拟结果应用于实际叶片成型工艺中，实际充模时间为　　３．６３ｈ。与模拟结果相比误差为０．３８ｈ。　　　　　　　关键词：真空；成型；风机叶片；流道；充模　　　　　———　中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１３）０９００３００６　　　　　１引言　　　风能是可再生能源中最具潜力的能源之一，风　　　力发电是风能利用的主要方式，叶片作为风力发电　　　机组关键部件之一，具有尺寸大，外形复杂，精度要　　…　求高，对强度、刚度和表面光滑度要求高等特点。　　　随着风电技术的发展与日趋成熟，风机机型趋于大　　　　　　型化，因此，轻质高强、耐蚀性好、具有可设计性的复　　　　合材料是目前大型风电叶片的首选材料Ｊ。　　真空导入成型工艺（ＶＡＲＩ）是在ＲＴＭ工艺基础　　　　　　　　　　　　上发展起来的一种复合材料成型液化模塑新工　　　艺Ｊ。国际上普遍认为，ＶＡＲＩ是制造大型平面、曲　　　面的层合结构和加筋、异型复合材料构件的首选工　艺。与传统的开模成型工艺相比，ＶＡＲＩ成型的制品　　　　　　　　　具有机械性能高、可重复性好、空隙率低（不超过　　　　１％）、纤维含量高（一般为６０％～７０％）、环保和效　　　率高等优点Ｊ。　ＶＡＲＩ技术工艺参数及其相关研究需要针对具　　　　　体的工艺体系进行，主要研究内容包括真空度、铺　　　层、导入介质、渗透率等工艺参数对树脂流动方向和　　流动速度的影响以及产品厚度和纤维含量对工艺体　“　　　　　系的影响。至今还未有关于１．５ＭＷ风机叶片　　　　的ＶＡＲＩ工艺参数的研究。本文的前期工作创建了　１．５ＭＷ风机叶片根部和整体的气动外形模型，利用　　　　　有限控制体法模拟了１．５ＭＷ风机叶片根部和整　　体的充模工艺，通过研究不同流道设计方案对树脂　流动特性、充模时间、压力分布的影响，达到了优化　成型周期、减少缺陷、降低成本的目的。　　２数学模型　　　　在ＶＡＲＩ工艺充模过程中，树脂在模腔内的流　　动可看作不可压缩流体在多孔介质中的长程渗流，　　　　符合Ｄａｒｃｙ定律Ｈ，其流动方程为：：一　　Ａｖｅ　（１）　　　　　式中，为流动速度矢量；Ｋ为渗透率张量；为　　　　　粘性系数；Ｐ为压力梯度。在三维流场和笛卡儿　　　坐标下，方程（１）可展开为：　吉　（２）　　　　　　　　其中，，，Ｗ为三个速度分量；Ｋ（＝，ｙ，ｚ）为　笛卡儿坐标系下渗透率分量。假设树脂为不可压缩　　流体，则连续性方程为：　　　　　＋＋：０　　ｆ３１　　讹　　出　　　　结合式（２）和式（３），在某一控制体内对式（２）　　　　　　　　　　　积分，得到描述ＶＡＲＩ充模过程的基本控制方　　程为：　　　收稿日期：２０１３４）１－０８　本文作者还有王彩霞。　　　　　　　　　基金项目：内蒙古工业大学校科学研究基金重点项目（ＺＤ２００９０８）；内蒙科技厅专项引导基金项目（２１０６６００７）；内蒙古自治区自然科　　学基金（２００９ＢＳＯ２０３）　　　　　　作者简介：汤扬阁（１９８８一），男，硕士研究生，主要研究方向为复合材料液体模塑成型技术。　　　　　　通讯作者：王红（１９７０一），女，副教授，博士，ｈｏｎｇｗａｎｇ３９６＠１２６．ｃｏｍ。　嘲　　　　　鲤以鲤塑●●●●●●●●●●●●●●●●，ｆＪ　●●●●●●●　●●●●●ｌｔ，【　●　ｒ¨¨　¨¨　川　　　２０１３年第９期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　２５　　　　　　　　　　　　ＰＲＯＰＥＲＴＹＰＲＥＤＩＣＴＩＯＮＡＮＤＭＵＬＴＩ－ＳＣＡＬＥＭＯＤＥＬＯＦＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥ　　　　　　ＣｏＭＰｏＳＩＴＥＳＲＥＩＮＦＯＲＣＥＤＢＹＣＡＲＢＯＮＮＡＮＯＴＵＢＥＳ　—　　　　　　　ＸＩＥＧｕｉｌａｎ，ＧＵＯＪｉｎ，ＣＡＯＷｅｉｎａｎ，ＴＩＡＮＪｉｅ　　　　　　　　（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉａｎｇｔａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ４１１１０５，Ｃｈｉｎａ）　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｆ　　　　　　　　　　ｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ　　　　　　　　　　　　　　ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅ／ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ／ｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎｂｙｖａｃｕｕｍｒｅｓｉｎｔｒａｎｓｆｅｒ　　　　ｍｏｌｄｉｎｇ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｘｐｅｒ　ｉｍｅｎｔａｌａｎａ　　　ｌｙｓｉｓ，ｉｎｔｅｒｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃａ　ｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅ／ｃａ　　　ｒｂｏｎｆｉｂｅｒ／ｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎ　　　　　　　　　—　　　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｂｙｔｈｒｅｅｌｅｖｅｌｓ（ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ，ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃａｎｄｎａｎｏｓｃｏｐｉｃｌｅｖｅｌｓ）．Ｔｈｅｍｕｌｔｉｓｃａｌｅｍｏｄｅｌｓｏｆ　　　　　　　　　　　　　　　—　ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｙＣＮＴｓａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ＭＡＴＬＡＢｐｒｏｇｒａｍｉｓｗｒｉｔｔｅｎｂａｓｅｄｏｎｔｗｏｌｅｖｅｌ　　　　　　　　　　　　　ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｔｏｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎ，ａｓｐｅｃｔｒａｔｉｏ，ｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕ．　　　　　　　　　　　　　１ｕｓ）ｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣＮＴｓ／ＣＦ／ＥＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｓａｓｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓ，ａｓｐｅｃｔ　　　　　　　　　　　　　—　ｒａｔｉｏａｎｄｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆＣＮＴｓｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｈａｖｅｓｏｍｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｇｕｉｄｉｎｇｐｒｅｐ　　　　　　ａｒａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ；ＣＮＴｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ　　（上接第３４页）　　　　—　［１Ｏ］ＺＨＡＮＧＫｍｐｅｎｇ，ＴＡＮＨｕａ，ＷＡＮＧＪｉｈｕｉ，ＺＨＵＹｉｎｇｄａｎ．Ｎｕ　　　　　　　　　　ｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＭｏｌｄＦｉＵｉｎｇｉｎＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇＵｓｉｎｇ　　　　　　　—　ＩｓｏｐａｒａｍｅｔｒｉｃＭｅｔｈｏｄ【Ｊ１．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌ——　ｏｇｙＭａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｅｄ．，２００５，２０（１）：９８１０１．　　　　　　　　［１１］梁晓宁，李炜，罗永康，张锦南．厚铺层结构纤维增强体渗透性　　　　能研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，２１０（１）：４６－４８．　　　　　　　　　　　　　　［１２］邓京兰，王继辉，连军．ＲＴＭ充模过程（Ｉ）：数学模型的建立　　［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００３，２５（７）：５１－５３．　［１３］江顺亮．ＲＴＭ加工工艺充模过程的计算机模拟［Ｊ］．复合材料　—　学报，２００２，１９（２）：１３１７．　［１４］邓育文．复合材料液体模塑成型工艺增强材料渗透率的研究　　［Ｄ］．武汉理工大学，２００５．１４．　　　　　　　　　　［１５］孙玉敏，段跃新，李丹，梁志勇，张佐．风机叶片ＲＴＭ工艺模拟　　　分析及其优化［Ｊ］．复合材料学报，２００５，２２（４）：２６．　　　　　　　［１７］夏盛来，何景武．基于工程应用的有限元网格划分研究［Ｊ］．飞　　机设计，２００８，２８（４）：１Ｏ－ｌ３．　　　　　　　　　　　　　　　　ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＡＮＡＬＹＳＩＳＡＤＶＥＲＩＦＩＣＡＴＩＯＮＯＦ１．５ＭＷＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥＳＢＹＶＡＲＩ　—　　　　—　ＴＡＮＧＹａｎｇｇｅ，ＺＨＯＵＨｏｎｇ－ｌｉ，ＷＡＮＧＨｏｎｇ，ＪＩＵＪｉｎｒｏｎｇ　　　（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒ　　　　　　　ｉｎｇ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｏｈｈｏｔ０１００５１，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　—　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｕｎｎｅｒｄｅｓｉｇｎｏｆ１．５ＭＷｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓｍａｄｅｂｙｖａｃｕｕｍａｓｓｉｓｔｅｄｒｅｓｉｎｉｎｆｕｓｉｏｎ（ＶＡＲＩ）　　　　　　　　　　　　　　　　ｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｆｉｌｌｉｎｇｔｉｍｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｗａｙｓａｎｄｓｐａｃｅｏｆｉｎｊｅｃｔｉｏｎｒｕｎｎｅｒｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｓｉｍｕｌｔａｎｅ．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｉｎｆｌｏｗｆｏｒｍ，ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｔｈｅｍｏｕｌｄａｎｄｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｖｅｎｔｉｎｇｇａｔｅｓｗｅｒｅａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｂｅｓｔ　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｈａｓｂｅｅｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｔｌａｓｔ．Ｏｎｔｈａｔｂａｓｉｓ，ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｍｏｌｄｆｉｌｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｆｏｒｍｉｎｇｗａｓｄｅｃｏｒａｔｉｎｇｔｗｏｒｕｎｎｅｒｓｉｎｔｈｅｒｏｏｔａｎｄｔｈｅｓｐａｃｅｗａｓ４８７ｍｍ，ａｒｒａｎｇｅｄ３ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｒｕｎｎｅｒｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　—　ａｌｏｎｇｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｂｌａｄｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｔｈｅｂｅｓｔｎｕｍｂｅｒｓｏｆｉｎｊｅｃｔｉｏｎｇａｔｅｓａｎｄｖｅｎｔｇａｔｅｓｗｅｒｅ１３ａｎｄ１４ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｌｙ．Ｗｈｅｎｕｓｅｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｆｏｒａｃｔｕａｌｂｌａｄｅｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｔｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｆｉｌｌｉｎｇｔｉｍｅｗａｓ　　　　　　　　　３．６３ｈ，ｗｈｉｃｈｈａｄ０．３８ｈｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓ．　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖａｃｕｕｍ；ｍｏｌｄｉｎｇ；ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ；ｒ　ｕｎｎｅｒｓ；ｆｉｌｌｉｎｇ　媾