横向拉伸强度对环氧叶片结构减重的分析

刘强 黄刘应

LeeRobyn Gunning Remme Stephan

毕克助剂（上海）有限公司

摘要

风电叶片一直在朝向更长直径、更高效率、更大发电量和控制整体重量的方向发展。在不改变叶片结构强度的情况下，轻量化的叶片能够有效降低生产成本和风力发电的综合成本。本文从横向拉升强度的角度出发，探讨高效偶联类型助剂对环氧树脂、玻璃纤维增强叶片体系横向拉升强度提升后对叶片减重及成本的影响。

关键词：横向 拉伸 强度 叶片 减重 成本 偶联助剂

01前言

横向拉伸强度【1】是对树脂基纤维增强复合材料界面结合性的表征。它定义了外部作用力垂直于纤维长度方向时树脂基材和纤维的结合性能。

目前风电叶片主要以环氧树脂搭配高性能玻璃纤维（织物）的方式生产。叶片壳体的设计满足空气流体力学，自身并不太多承载载荷；主体力学性能主要依靠主梁提供。因此在满足叶片壳体力学性能要求的前提下，尽可能降低其重量，也能同时降低主梁和叶片其它部件的重量。本文通过BYK公司联合德国Aero Dynamik Consult（ADC）设计公司，以其BYK-C 8001环氧偶联剂对玻璃纤维复合材料横向拉伸强度的有效提升为基础。按照实际叶片设计、生产规范要求【6】【7】【8】，使用有限元【10】和专用软件，分析了横向拉伸强度对叶片和风力发电单元的结构减重贡献。同时，对风力发电单元的成本节约做了初步分析。

02原理

目前的风电叶片主要结构如下所示：

● 主梁 (1)

● 辅梁 (4,5)

● 腹板 (2)

● 叶片链接

● 叶片壳体 (3)

图1 叶片剖面结构示意图

叶片的设计需要考虑四个极限载荷指标【7】【8】(FLAPmax,FLAPmin,EDGEmax和EDGEmin)，分别对应拍打方向和侧边。同时，叶片使用寿命期的工作载荷【5】以及与塔基【4】相关的偏角也必须考虑。

图2 极限载荷与扭矩随叶片直径方向分布图

图3 工作载荷、扭矩和叶片循环次数

为了单独考虑横向拉伸强度对叶片结构减重的影响，使用有限元分析【10】（FEM）。结构模型如下图4、图5。

图4 有限元分析叶片总体设计

图5 根部链接区域设计

考虑单一横向拉伸强度变化的影响，所以设计规范提到的其它强度指标保持不变。在这种情况下，横向拉伸强度、模量和纤维强度对叶片性能的影响如下图6所示，其中F表示横向拉伸强度，E表示刚性（模量），Q为纤维自身强度【3】

图6 各指标影响区间

随着横向拉伸强度的变化，由这三个指标影响的区间会发生变化。当横向拉伸强度提升时，变化如下图7所示：

图7 各指标影响区间

本文考察的变化范围如下图8的绿色区域。在此范围内计算横向拉伸强度对叶片重量和成本的变化。

图8 调查区域选择

复合材料由于纤维浸润剂失效或其它影响因素的存在，往往很难达到最佳的设计性能。有效提升树脂和玻璃纤维的界面结合，是保证复合材料达到设计要求，实现批次性能稳定的关键【2】。我们使用BYK公司专门为环氧/玻璃纤维体系开发的偶联助剂 BYK-C 8001,在有效改善和优化复合材料界面的同时，大幅提升复合材料体系的横向拉伸强度，为本文理论分析的可操作性铺路。

图9 BYK-C 8001在环氧玻纤复合材料的作用机理

图10 BYK-C 8001对横向拉伸强度的提升

03方案设计

3.3 偶联助剂

BYK-C 8001 环氧树脂专用偶联剂。适用于环氧/胺固化体系

04 测试数据

4.1 叶片重量变化

随着体系横向拉伸强度的提升，叶片的总体重量有如下变化：

横向拉伸强度每提高1%，叶片重量减轻79.3公斤。当横向拉伸强度提高到基准的30%以上时，横向拉伸强度对减重不再有辅助作用。

4.2 叶片减重后舱罩的重量变化

随着叶片自身重量的减轻，体系工作负荷也随之降低，对舱帽的结构强度要求也有降低，从而实现了舱帽的减重。

舱帽重量随横向拉伸强度的提高而降低。横向拉伸强度每提高1%，舱罩重量降低0.9%。

在横向拉伸强度达到30%后，重量不再变化。

4.3主轴重量变化

对主轴的影响和舱罩的影响类似，随系统工作负荷的降低，主轴重量也开始下降。

4.4对风电叶片制造成本的影响

综合上面的数据，我们整合横向拉伸强度对单套风力发电系统的重量影响如下表：

随着横向拉伸强度的提升，当到达30%的最大有效提升时，单套风力发电系统可以减重10,751公斤，降幅为5.9%。

以欧元计量，大致的成本节约如下表：

结论

1 环氧树脂/玻璃纤维复合材料叶片的横向拉伸强度强度提升对结构减重有直接帮助；

2 BYK-C 8001 能够有效改变环氧/玻璃纤维复合材料体系的静态断裂失效模式。减少产品内部缺陷，实现产品的最佳性能，并减小批次间性能的波动；

3 横向拉伸强度提升在0%-30%范围内时对体系减重效果最为明显；

5 横向拉伸强度提升到30%时，体系减重可以达到5.9%；成本节约估算能够达到92,902欧元。

综上所述，在玻璃纤维自身强度和模量提升性价比超出工业接受范围时，提升复合材料体系的横向拉伸强度来简化叶片结构设计、降低叶片重量并节约生产、制造成本是一条值得探索的新途径。● 参考书目：

1. 《复合材料结构设计》王耀先，2001年化学工业出版社

2. 《硅烷偶联剂：原理、合成与应用》 张先亮，2012年出版

3.ADC GMBH Berichtlose Lastrechnung für das Byk 67.5 Rotorblatt"Byk 67.5_Bladeloads_Rev10.xls"

4. "DLC_6.2_Towerloads_Rev10.xls"

5. GLVorschriften und Richtlinien, IV Industriedienste, 1.Richtlinien für die Zertifizierung von Windenergieanlagen

6.Germanischer Lloyd Wind Energie GmbH, Edition 2010

7. IEC“INTERNATIONAL STANDARD IEC 61400-1 Third editionWind turbines – Part 1: Design requirements”

8. IEC61400-1:2005(E)

9.Puck, A.Festigkeitsanalyse von Faser-Matrix-LaminatenCarl Hanser Verlag, München, Wien 1996

10.FEMAPSimcenterTM FEMAPTM – Finite Element Modeling And Postprocessing,