风力发电机叶片知多少？且与你简单唠一唠

2024-01-26 16:30:33 英斯特朗（上海）试验设备贸易有限公司

随着风力发电机功率的不断提高，风机叶片呈大型化发展趋势，质量也随之不断增大，对叶片材料的要求也越来越高。复合材料由于具有体重轻、比强度高、良好的抗疲劳、抗蠕变、抗冲击等优点成为当今风机叶片的首选材料，先后主要是玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料。

玻璃纤维复合材料

玻璃纤维复合材料，其基体材料为不饱和聚酯树脂（UPR）和环氧树脂（EPR），无碱玻璃纤维（E2玻纤）是主要增强材料。

与许多传统结构材料如钢和铝相比，UPR/玻纤复合材料具有质量轻、强度高的优点。而UPR基体的作用是将负荷从基体转移到增强玻纤，将应力分布到每个增强单元，保护增强材料免受环境的攻击，并起到将增强材料定位的作用。近30 年来，UPR/玻纤复合材料的应用得到了持续发展。

作为另一类玻璃纤维复合材料基体的环氧树脂（EPR）是优良的热固性树脂，它与目前大量应用的不饱和聚酯树脂（UPR）相比，具有更优良的力学性能、电绝缘性、耐化学药品性、耐热性和粘结性能。EPR/玻纤复合材料是目前研究比较成熟、应用最广的一种复合材料。

不过，随着发电机组向大型化发展风机的叶片长度不断增加，越来越重的叶片不仅影响了风电机组的运行性能和转换效率，而且对发电机和塔架也提出了更苛刻的要求。由于玻璃纤维复合材料质量密度比较大，弹性模量和层间剪切强度比较低等缺点，已经不能够满足风电机叶片的需要了。此时，碳纤维复合材料登上了风机叶片的舞台。

碳纤维复合材料

在碳纤维复合材料中，碳纤维是由有机母体纤维（粘胶丝、聚丙烯腈或沥青等）采用高温分解法在高温的惰性气体下碳化制成的，具有强度大、密度低、模量高、线膨胀系数小等特点，是一种力学性能优异的材料。碳纤维复合材料具有刚度强、质量轻等一系列优异特性，研究表明，碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合叶片的2-3倍。当叶片长度为34m 时，UPR/玻纤复合材料叶片质量为5800kg；EPR/玻纤复合材料叶片质量为5200kg，减轻质量600kg; 而碳纤维增强EPR叶片，质量为3800kg，又可减轻质量2000kg。

由此可见，叶片材料发展的趋势是采用碳纤维增强复合材料，特别是随着功率的增大，要求叶片长度增加，更需采用碳纤维增强复合材料。同时，碳纤维的抗疲劳性能也优于玻璃纤维复合材料，叶片质量的减小和刚度的增加，改善了叶片的空气动力学性能，降低了叶片对塔架和轮轴的载荷，风机的输出功率更平滑更均衡、运行效率更高。

从材料性能角度来看，碳纤维复合材料应当成为大型风力机叶片的首选材料，但是目前碳纤维复合材料的价格昂贵，进一步推广应用受到制约，目前只能采用碳纤维/玻璃纤维混杂增强的方案，在叶片的一些关键部位如横梁、叶片的前后边缘或者叶片的表面上用碳纤维复合材料加强。采用这种方法可以大大减轻叶片的重量同时大大提高叶片的机械性能，制造成本增加也不多。

未来，随着对热塑性复合材料研究的深入，相信会生产出更多性能更好，成本可控的复合材料。

（声明：以上内容节选自《风力机叶片结构基础介绍》作者叶片开发团队）

静态测试

在测试叶片材料纤维增强树脂基复合材料的解决方案中，使用Instron电子万能试验机，采用对中效果较好的液压楔形夹具。实验时将样条放在夹面中心位置上，依靠对中机构保持样条的轴线与上下夹头中心线保持一致，控制一定的加载速率，通过在样条中部安装引伸计或应变片测量其变形，加载至样条破坏，测试数据系统自动采集并保存，即可得到该材料的完整拉伸性能结果。