风电用多轴向经编织物的结构设计.pdf

2012年第6期玻璃钢／复合材料69风电用多轴向经编织物的结构设计王雪芳，丛洪莲4，张爱军(江南大学纺织服装学院，江苏无锡214122)摘要：多轴向经编技术是一种新型的多头衬纬编织技术，该技术生产的多轴向经编织物具有尺寸稳定、延伸率小等特点，在产业用领域已受到广泛的重视。本文介绍了多轴向经编织物的结构与性能以及纱层方向的表示方法，从风力发电机叶片结构、多轴向经编织物材料、叶片受力分析、制造工艺方面详细介绍了多轴向经编织物在风力发电机叶片中的应用，以双斜向经编织物为例，采用WKCAD设计仿真并分析。关键词：多轴向经编织物；风力发电叶片；结构性能；纱层铺设中图分类号：TB332；TSl84．3文献标识码：A文章编号：1003—0999(2012)06—0069—05风能作为一种清洁的可再生能源，其蕴量巨大，全球的风能约为2．74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。在我国，风能资源也比较丰富，根据全国第2次风能资源普查结果，中国陆地风能离地面10m高度的经济可开发量2．53亿kw，离地面50m估计可能增大一倍。近海资源估计比陆地上大3倍，10m高经济可开发量约7．5亿kW，50m高约15亿kW。1o。越来越多的国家建立了风力发电场，风力发电是将风的动能转化为机械能。其中叶片是风力发电机组的核心部件，而叶片蒙皮的结构决定着叶片使用寿命和性能，因此对其的研究就显得十分重要。传统的复合材料已不能满足叶片的性能要求，现在大多数都采用多轴向经编针织物作为叶片蒙皮的载体。本文主要针对风电用多轴向经编织物的结构进行阐释，为多轴向经编织物的结构设计提供一定的理论依据和引导。1风力发电机叶片的结构风力发电机叶片是由主梁和表面蒙皮经过粘胶的制造工艺完成的，如图1所示。表面蒙皮分为上蒙皮和下蒙皮，覆盖于主梁之上，一般采用夹芯结构，中间芯层用硬质泡沫塑料等物质，上下表层用多轴向经编织物。双c形梁结构可以采用实心增强复合材料结构，也可采用夹层结构，但在梁帽位置受到的应力较大，需要采用实心增强复合材料结构。采用多轴向经编织物作载体的蒙皮具有良好的刚度和强度，提高了叶片的使用寿命。图1典型叶片的截面图Fig．1Sectiongraphofthetypicalblade2多轴向经编织物的结构与性能2．1多轴向经编织物的结构多轴向经编技术是一种新型的多头衬纬编织技术嵋o。利用这种技术，将一层或多层平行、伸直、无卷曲的纱线以所需的角度引入织物结构中，再按经编针织系统固定在一起，形成多轴向经编织物，还可以与纤维网、胶片、泡沫材料等结合形成三维网络结构。多轴向经编织物能够更合理地利用材料中每一组分的优良性能，具有尺寸稳定、延伸率小等特点，在产业用领域已受到广泛的重视。在多轴向经编织物中，各个纱层的取向方向由产品的方向决定。生产方向定义为0。，根据ISO／DISl268-1使用正负方向角来定义纱层取向的方向(900为最大角)，介于0。和900之间的纱层用该纱层的方向与00“之间的夹角并加上+”“”或．来表示。“如果纱层排列在系统坐标轴的正象限，则用+”表示；如果纱层排列在系统坐标轴的负象限，则用“”一表示，如图2所示旧J。纱层可以与横向平行或收稿日期：2012-01-09作者简介：王雪芳(1989一)，男，主要从事字化纺织技术研究、纺织新产品开发。通讯作者：丛洪莲(1976一)，女，副教授，cong@526．cn。FR∥翟e髓。20}12,No；670风电用多轴向经编织物的结构设计2012年11月与横向成一定角度衬人，最多可达8层纱线(7层纬纱，1层经纱)‘，再加纤网43。z一铺层方向X0。生产方向Zt，averdirectionhoductiondirectioI盛■皇=；；乏矽，rYK图2衬纬方向的定义Fig．2Definitionofthedirectionofweftinsertion编织纱村经纱KnittingyarnLaying—inyam一斜向村纱Slantliningyam衬纬纱Liningwefts斜向树纱Slantliningyam图3多轴向经编织物的效应结构图Fig．3Effectstructureofmuhiaxialwarpknittedfabric图3为一种典型的多轴向经编织物的效应结构图。它包含四个衬纱系统(分别为衬经纱、衬纬纱和两组斜向衬纱)和一个绑缚系统，四组衬纬纱平行伸直排列形成四个纱线层，由编织线圈绑缚在一起，图中地纱组织为编链组织。按照上述的规定，四组衬纱的衬人次序和方向为：0。／900／+450／一450。2．2多轴向经编织物的性能多轴向经编织物由各不同角度铺层的纱线层合”而成，具有各向同性的机械性能I。多轴向经编织物除了在纵横方向能承受很强的拉力外，在斜向也能如此。风力发电机叶片承受自然界风的大小和方向是不稳定的，因此多轴向经编织物适于建造风力‘机的叶片61。2．2．1织物的拉伸性能多轴向经编织物采用平行伸直的纱线进行铺层，各铺层向的纱线取向度高，所有纱线共同承受鞠跬睡肇!￡：城薯2012．No．6外来载荷，因此多轴向织物的拉伸强度和拉伸模量得到显著增强。同时织物还可以按照需要设计成面内拉伸各向同性或各向异性。当p=±450时，织物可以近似认为面内拉伸各向同性。2．2．2织物的悬垂与剪切性能多轴向经编织物可以根据衬纬结构通过线圈系统来调节织物的悬垂性，加大线圈和降低组织密度可以改变织物的变形能力，因而其悬垂性较好。多轴向经编织物中引入了两组对角线纱线，是织物的剪切变形受到抑制，因此具有良好的剪切性能。总之，多轴向经编织物具有整体性能好，设计灵活，工艺灵活，生产效率高，工艺简单，机械化程度高，原料适应面广的优点旧j。3多轴向经编织物中材料的选用风力发电机叶片要求材料具有高强高模轻质量的特点。现在多采用玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料和高性能的碳／玻混杂复合材料作为风力发电机的叶片材料。传统的叶片材料多为不易降解的热固性复合材料，常采用燃烧或者填埋等方法处理，造成了环境污染，随着世界环保要求的提高，密度小、质量轻、抗冲击性能好的热塑性复合材料开始崭露头角，但该材料制造工艺技术较复杂，成本较高等问题限制了其在风力发电机叶片中的使用。3．1玻璃纤维复合材料玻璃纤维是一种无机非金属材料，具有高强，柔软、绝缘、保温、可作为增强材料与树脂复合等特点。目前制造风机叶片的主要材料即为玻璃纤维增强聚酯树脂和玻璃纤维增强环氧树脂\"。。玻璃纤维可分为A型高碱玻纤、E型无碱玻纤和S型玻纤，其中E型玻纤是目前风力发电机叶片的主要增强材料旧J。但是玻纤密度较大，随着叶片长度的增加，叶片的质量也会相应增加，完全采用玻璃纤维增强材料已不能满足叶片发展的要求。3．2碳纤维复合材料随着风机叶片设计技术的提高，风力发电向大功率、长叶片的方向发展，叶片长度增加势必增加叶片的质量，对于大型叶片，刚度成为主要问题【9J。要制作轻质量高刚度的叶片，目前比较有效的方法是采用碳纤维复合材料。碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维，该纤维的模量和轴向强度高，具有无蠕变、耐疲劳、热膨胀系数小、耐腐蚀、低密度等优点。与玻璃纤维相比，碳纤维复合材料叶片的刚度是玻璃纤维复合2012年第6期玻璃钢／复合材料7l材料叶片的2～3倍，且同样长度的碳纤维叶片比玻璃纤维叶片要轻得多【l0。。但碳纤维复合材料的高价位限制了它的大规模应用。3．3碳／玻混杂复合材料由于碳纤维的价格是玻璃纤维的10倍左右，目前叶片增强材料仍以玻璃纤维为主【9j。在制造大型叶片时，可以结合玻璃纤维和碳纤维的优缺点，即采用碳／玻混杂增强方案，该方案能在生产出轻质量、高刚度叶片的同时兼顾价格因素。目前，碳／玻混杂复合材料已被各大叶片公司用于制造纤维增强材料叶片。据悉，Nodex公司已经研制生产出了长56m的海上风电叶片和长43m的陆上风电叶片，其材料即为碳／玻混杂复合材料¨1|。4多轴向经编织物在蒙皮中的铺设通过分析风力发电机叶片结构，可以得出，风力发电机叶片的蒙皮各个区域受力大小和受力特点不同，叶片各部位蒙皮的厚度要求和层数要求就不同。在主受力区域纱层数多，在非主受力区域纱层数少，因此双轴向经编织物、三轴向经编织物、四轴向经编织物在风力发电机叶片蒙皮中均有应用¨引。双c形粱、下絮皮)oubleCgirdersUnderskin图4叶片蒙皮的受力位置分割图Fig．4Divideddiagramofbladeinstressposition叶片蒙皮受力位置分割图(图4)根据叶片表面蒙皮的受力情况将其分割成5个位置。叶片的主受力面为迎风面即上蒙皮位置，图中将上蒙皮分割成ABCE四个受力位置。受力位置A的蒙皮在主梁的正上方，因此为主受力位置，与其它位置相比，该位置对多轴向经编织物x、Y方向以及斜向的性能要求都比较高，因此A①③②④位置的多轴向经编织物需要在方向(图5)铺设玻璃纤维或者碳纤维(碳纤维的成分多)的纱层，然后由编链或者经平组织进行连接组成整体。这种结构的织物纱层更多，密度更大，能够很好地满足A位置各个向受力较大的要求。受力位置B对多轴向经编织物x方向和斜向的纱线性能要求较高，因此该位置的多轴向经编织③②④物可以在方向铺设玻璃纤维或者碳纤维，而①在方向采用普通纱线(图5)。这种结构的织物纱层较多，密度较大，在较好满足B位置受力要求的情况下，降低了成本。图5四轴向经编织物Fig．5Four—axialwarpknittedfabric受力位置C对多轴向经编织物沿Y方向的纱线性能要求较低，但对斜向的纱线性能要求较高，因③④此该位置需要在方向铺设碳纤维或者碳／玻混②①杂纤维，在方向铺设玻璃纤维，而在方向不进行纱层铺设或者采用普通纱线即可(图5)。这种结构根据受力情况采用不同纱线，能够很好地发挥纱线的性能，避免浪费资源。受力位置E对多轴向经编织物沿x方向的纱线性能要求较高，但其沿Y方向的纱线要求较低，②因此该位置需要在方向铺设玻璃纤维或者碳纤①③④维，而在方向铺设低成本纤维，方向需要根据具体情况选择是否铺设(图5)。这种结构可以根据受力情况大小，适当增加x方向的纱层数和密度，使其更好地满足E位置的受力要求，同时该结构也可以适当地降低成本。受力位置D位于下蒙皮上，因为处于背风面，所以受力较小，与上蒙皮相比，该位置对材料的要求稍低。该位置对Y方向的纱线性能要求较高，对x①方向的纱线性能要求较低，因此可以在方向铺设②高性能的玻璃纤维或者碳纤维，而在方向采用成③④本较低的纱线，方向需要根据具体情况选择是否铺设(图5)。这种织物结构能够承担由于背面突然遇到较大外力而造成的叶片损害，同时又可以承担叶片的自FRP／CM2012．N仉672风电用多轴向经编织物的结构设计2012年11月身重量，通过不同方向受力情况来调整纱线、纱层数、密度，能够控制降低的生产成本。总之，由于叶片各个区域受力情况不同，叶片各部位的厚度就不同，多轴向经编织物的纱层数也不同，性能要求高的区域纱层多，非主受力区域铺的层数略少。用于叶片的多轴向经编织物一般采用2000—4000dtex玻璃纤维或碳纤维做增强纱线，采用76～150dtex左右的高强涤纶做编织线，其克重一般为6009／m2左右，编织纱重量一般占总量的l％‘左右13I。5双斜向经编织物设计实例5．1双轴向经编织物具体技术和参数规格(1)机器参数机型：Muhiaxial多轴向经编机，带有纬纱衬入系统和纤维网衬人装置，机号：F5(针／25mm)，幅宽：1270mm(50英寸)。(2)原料(基布)斜向衬纱+45。：4000dtex碳纤纱，斜向衬纱一45。：4000dtex碳纤纱，编织纱：76dtex／24f涤纶变形纱。(3)组织地组织：编链，1—0／0—1／／，织入顺序：一45。／+45。／／。(4)织物参数缝迹长度：2．5ram，平方米克重：550}g／m2。5．2双斜向经编织物CAD仿真图展示分析图6双斜向经编针织物仿真图Fig．6Simulationofdoubletiltedwarpknittedfabric该织物是在Muhiaxial多轴向经编机上生产的一块2层衬纱的双轴向经编增强材料，该增强材料沿±45。方向铺入4000dtex的碳纤纱，采用76dtex／24f涤纶变形纱编织编链组织来捆绑两个斜向纱层。在此基础上利用RIM、RTM或缠绕及预浸料／热压、嘴翰瀚渗馨二鬣鼷i懑渤麓；熬鹾鬣l等工艺将其制造复合材料，用于叶片的生产¨4|。此块织物的平方米克重只有5509／m2，质量很轻。因为在+45。方向上铺有高性能的碳纤维，所以在斜向具有良好的强力和剪切力，但该织物在O。和90。方向未衬入碳纤维，因此该织物适合于非主受力区，对斜向性能有一定要求的叶片蒙皮的生产。6结语多轴向经编织物尺寸稳定，延伸率小，采用玻璃纤维或碳纤维做材料可以使其具有优良的性能。多轴向经编织物用作风力发电机叶片的增强材料，可以根据风力发电机叶片的受力特点设计强度与刚度，翼型容易成型，并可达到最大气动功率，具有抗振性好、自振频率可自行设计、疲劳度较高、耐腐蚀性和耐气候性好、维修简便、易于修补等特点¨“。随着风力发电技术的不断研究与发展，多轴向经编织物在叶片中的应用将会有非常广阔的前景。参考文献[1]陈雯．我国风力发电的现状与展望[J]．应用能源技术，2010，(8)：49-51．[2]李丽娟，蒋高明，缪旭红，多轴向经编针织物在风力发电中的应用[J]．纺织导报，2009，(5)：68-70，72．[3]蒋高明．现代经编产品设计与工艺[M]．北京：中国纺织出版社．2002．[4]顾璐英，蒋高明．多轴向经编织物编织工艺探讨[J]．玻璃钢／复合材料，2010，(3)：76．80．[5]董韵，李炜．经编多轴向织物[J]．玻璃钢／复合材料，2006，(1)：56-57．[6]肖学良，缪旭红．多轴向织物在风力发电机叶片中的应用[J]．产业用纺织品，2007，(12)：37-40．[7]张晓明．风力发电复合材料叶片的现状与未来[J]．纤维复合材料，2006，(2)：60-63．[8]李成良，王继辉，薛忠民．大型风机叶片材料的应用和发展[J]．玻璃钢／复合材料，2008，(4)：49—52．[9]高会焕．纤维增强材料风机叶片发展概述[J]．玻璃钢／复合材料，2009，(4)：104—108．[10]邱冠雄，刘良森，姜亚明．纺织复合材料与风力发电[J]．纺织导报，2006，(5)：56-61．[11]谢晓芳，卞子罕．国外风力机叶片材料的新进展[J]．玻璃钢／复合材料，2006，(4)：21-25．[12]徐进，张伟．多轴向经编复合材料在风电叶片制造中的应用[J]．玻璃钢／复合材料，2010，(5)：78—80．[13]徐进，张伟，林洪芹．纺织复合材料在风力发电叶片制造中的应用研究[J]．玻璃钢／复合材料，2010，(4)：81-83．[14]戴春晖，刘钧，曾竞成，边力平．复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策[J]．玻璃钢／复合材料，2008，(1)：53-56．[15]徐进，张伟，林洪芹．纺织复合材料在风力发电机叶片制造中的应用[J]．棉纺织技术，2010，38(5)：294-296．(下转第32页)32芳纶纤维复合材料基体(AFR—TE)的性能研究2012年11月2010，65：35-44．[8]赖娘珍，周洁鹏，王耀先，董超亮．芳纶纤维／AFR树脂复合材料[4]XiaokangZhang，YaoxianWang，ChongLu，ShujunCheng．INTER一界面粘结性能的研究[J]．玻璃钢／复合材料，2011，(4)：3-8．FACIALADHESIONSTUDYONUHMWPEFIBER—REINFORCED[9]张明，安学锋，唐邦铭等．高性能双组份环氧树脂固化动力学研COMPOSITES[J]．PolymerBulletin，2011，67：527—540．究和rIⅥ\'图绘制[J]．复合材料学报，2006，23(1)：17-25．[5]张兴鲁，王耀先，张小康，程树军．PropertiesofUHMWPEFibre[10]高家武．高分子近代材料测试技术[M]．北京：北京航空航天大ReinforcedComposites[J]．材料工程，2010，增刊：256—262．学出版社，1994．1_54．[6]张兴鲁，王耀先，朱丹，程树军．超高分子量聚乙烯纤维增强复合[11]KissingerHE．Reactionkineticsindifferentthermoanalysis[J]．材料研究进展[J]．玻璃钢／复合材料，2008，增刊：304-307．AnalyticalChemical，1957，29：1702．1706．[7]朱丹，王耀先，程树军．超高分子量聚乙烯纤维复合材料用基体[12]CraneLW．Analysisofcuringkineticsinpolymercomposites[J]．研究进展[J]．玻璃钢／复合材料，2008，增刊：321-324．PolymSci，PolymLetted，1973，(11)：533-540．STUDIESONPROPERTIESOFARAMIDCOMPOSITESMATRIX(AFR・TE)ZHOUJie—peng，WANGYao—xian+，ZHUHeng，CHENGShu-jun(KeyLaboratoryofSpeciallyFunctionalPolymericMaterialsandRelatedTechnologyofMinistryofEducotion，SchoolofMaterialsScienceandEngineering，EastChinaUniversityofScienceandTechnology，Shanghai200237，China)Abstract：Inordertoimprovetheinterfacialadhesionofaramidfiberreinforcedpolymermatrixcomposites。anewthermosettingresin(AFR-TE)hasbeendevelopedaccordingtolawofsimilarmutualsolubilityandthestruc-turalcharacteristicsoffiber．CuringkineticofAFR—TEsystemwasstudiedbynon-isothermaldifferentialscanningcalorimetry(DSC)．Thecuringprocessoftheresinsystemwasdetermined．ThemechanicalpropertiesofAFR—TEresincastingsandaramidfiber／AFR—TEcompositesweremeasured．Theresultsshowthatthecuringreactionorderwereone，TheheatdistortiontemperatureofAFR—TEresincasting(123．5oC)increasedby25％comparedwithE一51epoxyresin．thevariousmechanicalpropertiesofAFR—TEresinallmuchbetterthanE．51resin．theinterlaminarshearstrengthandtransversetensilestrengthofaramid／AFR—TEcompositerespectivelywere71．2MPaand30．2MPa，comparingwitharamid／E一51composite，itimproved22．8％and58．1％．ItindicatedthatinterfacebondpropertiesofAFR—TEresinandaramidfiberobviouslybetterthantheexpoyresinandaramidfiber．Keywords：cure；resin；aramidfiber；mechanicalproperty；interfacebondingperformance(上接第72页)1’HES’l’RUC’I’UREDESIGNo’量MULTIAXIALWARPKNITTEDFABRICINWINDPoWERGENERATIoNWANGXue—fang，CONGHong—lian+，ZHANGAi-jun(SchoolofTextileandGarment，JiangnanUniversity，Wuxi214122，China)Abstract：Muhiaxialwarpknittedtechnologyisthewaythatcanlay-inmoreweftatthesametime，themul-tiaxialwarpknittedfabricproducedbythistechnologyhasstablesize，smallelongationandothercharacteristics，hasbeenappreciatedintheindustrialfieldextensively．Thispaperintroducesthestructureandperformanceofmuhiaxi-alwarpknittedfabricandthemethodtoshowthedirectionofthelay—inyarn，introducestheapplicationofmuhiaxi—alwarpknittedfabricinwindpowergenerationindetailincludingthestructureoftheblade，thematerials，thestressanalysisofthebladeandthemanufacturingprocess．Asaexampleofbiaxialwarpknittedfabric，designandanalysisitbasedonWKCAD．Keywords：muhiaxialwarpknittedfabric；theblade；thestructureandperformance；yarnlaid褓夥CM2012．No,6