近年來，海上風(fēng)力發(fā)電為中心的風(fēng)車葉片的大型化和提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的利用率是大勢所趨。為此開展了以提高風(fēng)力發(fā)電設(shè)備利用率為目的，實(shí)現(xiàn)成電葉片輕量化的技術(shù)研發(fā)。特別是，如何提高風(fēng)電傳動系統(tǒng)的可靠性和使用壽命是首要目標(biāo)，所以結(jié)合樹脂和成型方法的改進(jìn)，開發(fā)葉片輕量化的技術(shù)。

01高可靠性風(fēng)電葉片材料的開發(fā)

在現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，葉片的大型化是提升單機(jī)容量的關(guān)鍵，也是提高發(fā)電效率的重要路徑。隨著風(fēng)電系統(tǒng)的大型化，葉片也成比例地變長，但由于其重量與轉(zhuǎn)子直徑的成3次方比例地變重，所以對風(fēng)電系統(tǒng)來說是很大的負(fù)擔(dān)，有可能因發(fā)電效率降低或傳動系統(tǒng)的負(fù)荷增加而導(dǎo)致故障增加。因此，要求將由玻璃纖維/環(huán)氧樹脂組成的增強(qiáng)纖維復(fù)合材料（以下稱為FRP）構(gòu)成的葉片的機(jī)械強(qiáng)度維持為與現(xiàn)行產(chǎn)品相同，同時(shí)實(shí)現(xiàn)葉片的輕量化。為此，需要提高FRP的強(qiáng)度，但目前使用的FRP是玻璃纖維捻合而取向性低，尚達(dá)不到所期待的強(qiáng)度要求。

復(fù)材生態(tài)圈推動復(fù)材產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、在線化、智能化，共建復(fù)材生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級75篇原創(chuàng)內(nèi)容公眾號

因此，通過使玻璃纖維在取向的狀態(tài)下固化，開發(fā)出含有高強(qiáng)度且實(shí)現(xiàn)輕量化的高取向玻璃纖維樹脂（高取向FRP）是主要目標(biāo)（如圖1）。
為了制造該高取向FRP，在保持張力的狀態(tài)下用樹脂進(jìn)行固化，因此速固化技術(shù)成為關(guān)鍵，應(yīng)用特殊光的固化技術(shù)和低溫速固化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)葉片的高強(qiáng)度化和輕量化目標(biāo)。另外，通過開發(fā)上述樹脂及成型方法，不是以往的勞動集約型的VaRTM成型，而是不依賴人力的自動化和機(jī)械化。

圖1?高取向FRP的成型示意圖

02高信賴性風(fēng)電葉片

2.1 高強(qiáng)度樹脂的開發(fā)

在高強(qiáng)度樹脂開發(fā)中，應(yīng)用了具有的特殊光固化技術(shù)和低溫速固化技術(shù)，開發(fā)了特殊改性環(huán)氧樹脂材料PMX，其混合粘度、固化時(shí)間如表1所示，樹脂物性如圖2所示。

表1?樹脂的代表特性（混合粘度、固化時(shí)間）

圖2 樹脂的物性

2.2 特殊光快速固化系統(tǒng)的開發(fā)在PMX開發(fā)過程中，特別對特殊光的快速固化進(jìn)行了研究。為了利用特殊光使FRP固化，如果僅加熱表面，則會產(chǎn)生未固化部分，有可能無法保持玻璃纖維的取向性，因此從樹脂內(nèi)部加熱并固化變得尤為重要。通過利用抑制對表面對流加熱的特殊光，利用從PMX所具有的內(nèi)部發(fā)熱的特征，可以實(shí)現(xiàn)快速固化，其固化性的評估如圖3所示。

圖3?特殊光的固化性能評估

2.3 高取向FRP成形裝置的成型研究

如上所述，高取向FRP成型裝置是在對纖維施加張力的狀態(tài)下，將浸漬樹脂的纖維固化的裝置，成型裝置如圖4所示。

圖4?高取向FRP成型裝置

在本裝置中，將“玻璃纖維的開纖”、“纖維的取向”、“樹脂浸漬”、“利用紅外線的樹脂固化”作為一個(gè)循環(huán)的成型過程，通過反復(fù)進(jìn)行該工序并重疊層疊，能夠自動化的完成成型。我們使用開發(fā)的速固化樹脂PMX，利用高取向FRP成型裝置開展成型研究。其結(jié)果，通過90ply的層疊，成功地制作了厚度為50mm的FRP（圖5），F(xiàn)RP的纖維體積含有率Vf為約60%，得到不遜色與通過VaRTM成型的FRP。

圖5?高取向FRP（90層疊層）2.4 高取向FRP的物性針對制作的高取向FRP實(shí)施各種靜強(qiáng)度試驗(yàn)，其與標(biāo)準(zhǔn)FRP的結(jié)果比較如圖6~圖8所示。

圖6?拉伸強(qiáng)度測試

圖7?彎曲強(qiáng)度測試

圖8?壓縮強(qiáng)度測試

由圖可知高取向FRP的拉伸、彎曲、壓縮強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)FRP相比分別為1.4倍、2.2倍、2.4倍非常高的強(qiáng)度（如圖6~8）。特別是關(guān)于彎曲強(qiáng)度，測量值約1800MPa，基本上與CFRP同等的強(qiáng)度（1600~200MPa）（如圖7）。上述結(jié)果表明，纖維的高取向化對FRP的高強(qiáng)度化有很大貢獻(xiàn)。另一方面，在本成型法中，由于包含層疊工序，有可能會影響層間剪切強(qiáng)度，但從圖9可以看出，與標(biāo)準(zhǔn)FRP相比顯示出非常高的值，層間密合性也沒有受大的影響。

圖9 層間剪切強(qiáng)度測試

由于風(fēng)電系統(tǒng)的葉片等結(jié)構(gòu)物承受連續(xù)疲勞負(fù)荷，因此抗疲勞特性也是FRP的重要因素。為了研究高取向FRP的抗疲勞特性，對產(chǎn)品進(jìn)行了拉伸疲勞試驗(yàn)（圖10）。其結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)FRP相比，高取向FRP的S-N曲線平緩，而且在重復(fù)最大應(yīng)力相同的情況下，直到斷裂為止的重復(fù)次數(shù)也較大，因此具有優(yōu)異的抗疲勞特性。

圖10?疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

2.5 高強(qiáng)度化的因素

如上所述，高取向FRP與標(biāo)準(zhǔn)FRP相比，靜強(qiáng)度和抗疲勞特性都顯示出優(yōu)良的特性。為了確定其原因，對試驗(yàn)片進(jìn)行X射線CT掃描，調(diào)查高取向FRP的成型狀態(tài)。首先，將FRP成型物的纖維的取向程度標(biāo)準(zhǔn)FRP和高取向FRP進(jìn)行比較（圖11）。在標(biāo)準(zhǔn)FRP中，纖維以波浪起伏的狀態(tài)成型，但在高取向FRP中，可以確認(rèn)纖維相對筆直地取向。使用單向纖維布的FRP在拉伸方向上相對于纖維方向的角度越大，其強(qiáng)度越低。因此，通過在高取向FRP中消除在標(biāo)準(zhǔn)FRP中看到的纖維皺褶，可以提高強(qiáng)度。

圖11 X射線觀察的纖維取向

然后，對FRP成型物的截面進(jìn)行觀察，確認(rèn)纖維的分散度（圖12）。在標(biāo)準(zhǔn)FRP中，由于使用單向GF布料，所以觀察到成纖維束的部分和僅樹脂的部分。與此相反，在高取向FRP中纖維均勻地分散。在高取向成型工序中，為了發(fā)現(xiàn)纖維取向性，包含了纖維開纖工序，所以纖維得以均勻地分散。

圖12?X射線觀察的FRP斷面

在高取向FRP中，由于纖維分散，施加在纖維上的負(fù)荷被均勻地分散，在絲束上承擔(dān)負(fù)荷，從拉伸試驗(yàn)后的試驗(yàn)片破壞方式可以看出其強(qiáng)度變高（圖13）。在標(biāo)準(zhǔn)FRP中，發(fā)生纖維束的破壞，而在高取向成型中，是每一根纖維發(fā)生了細(xì)小的破壞，這意味著在高取向FRP中，是整個(gè)絲束承受負(fù)荷。

圖13 拉伸試驗(yàn)后的斷裂的樣子（左：標(biāo)準(zhǔn)FRP，右：高取向FRP）

盡管高取向FRP包括層疊工藝，但顯示出高的層間剪切強(qiáng)度。在對實(shí)施層間剪切試驗(yàn)后的斷裂試驗(yàn)片截面進(jìn)行X射線掃描后發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)FRP中，龜裂筆直地發(fā)生在層間并擴(kuò)展直至破壞，與此相反，在高取向FRP中，看不到明確的層，龜裂是不規(guī)則地發(fā)展直至破壞（圖14）。從以上的結(jié)果可知，在高取向FRP中，分層消失，所以層間剪切強(qiáng)度得到提高，但分層消失的原因目前尚不明確，需要進(jìn)一步的研究。

圖14 層間剪切試驗(yàn)后斷面（X射線）

2.6 葉片輕量化模擬

本項(xiàng)目開發(fā)的高取向成形FRP對風(fēng)力發(fā)電葉片的輕量化有多大貢獻(xiàn)，對作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的橫梁蓋在實(shí)際應(yīng)用時(shí)葉片輕量化進(jìn)行了模擬。具體而言，以Vestas V661、750kW風(fēng)車的33m葉片為對象，實(shí)施了通過減少橫梁蓋的厚度來優(yōu)化層疊結(jié)構(gòu)。為了優(yōu)化，使用結(jié)構(gòu)分析工具Co-Blade，在結(jié)構(gòu)的限制條件（拉伸、壓縮、剪切壓曲強(qiáng)度）和翼端的撓曲以及葉片固有頻率的限制條件下，改變?nèi)~片內(nèi)部結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)部件的寬度厚度、形狀），進(jìn)行質(zhì)量的最小化。結(jié)果表明，與使用標(biāo)準(zhǔn)FRP的情況相比，葉片重量從6.1t降低20%至4.9t（圖15）。另外，以最優(yōu)化得到的層疊結(jié)構(gòu)、厚度為基礎(chǔ)，構(gòu)筑葉片的有限元模型，進(jìn)行基于FEM的線性壓曲分析，結(jié)果表明，與使用標(biāo)準(zhǔn)FRP的葉片相比，壓曲強(qiáng)度是標(biāo)準(zhǔn)FRP的約3倍。從以上結(jié)果可知，高取向FRP對今后大型化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的輕量化有很大的貢獻(xiàn)空間。

圖15 最優(yōu)化葉片重量

2.7 30kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的實(shí)地試驗(yàn)

為了實(shí)地驗(yàn)證上述模擬的結(jié)果，對30kW風(fēng)電用葉片進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證。成型后葉片的參數(shù)如表2所示。

圖16 30kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片（左：壓力面和吸力面，右：涂裝后葉片）
作為成形的葉片的耐久性評估，對風(fēng)速50m/s時(shí)施加在葉片上的載荷進(jìn)行FEM分析（圖17），使用圖18所示的裝置對其算出的載荷實(shí)施靜載荷試驗(yàn)。

圖17 30kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的有限元分析

圖18 30kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的靜態(tài)負(fù)載試驗(yàn)?zāi)M

在風(fēng)速50m/s時(shí)的負(fù)荷下未觀察到損傷，即使施加約3倍的負(fù)荷也未觀察到葉片的損傷。得到了與3.6項(xiàng)所進(jìn)行的模擬結(jié)果大致相同的結(jié)果，與以往的樹脂材料制成的風(fēng)車葉片相比，不僅增加了強(qiáng)度，而且實(shí)現(xiàn)了輕量化。

圖19 實(shí)際試驗(yàn)的30kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

03結(jié)束語

本研究開發(fā)了一種能夠在高取向狀態(tài)下成型纖維的裝置，采用此裝置可以得到比標(biāo)準(zhǔn)FRP強(qiáng)度高的高取向FRP。此外，通過將高取向FRP應(yīng)用于MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片，可以實(shí)現(xiàn)葉片的20%輕量化、提高壓曲強(qiáng)度。04參考文獻(xiàn)

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• （株ADEKA稻留將人，森野一英，藤田直博，（株）ーー鄉(xiāng)家正義，助宗剛，荒金陽介，木村公，（株）風(fēng)能研究所今村博，戶冢義孝，風(fēng)車葉片輕量化的FRP材料開發(fā)，第38回風(fēng)能利用研討會，p.363-366.（2016）

來源：前沿材料

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