碳纤维制品与行业应用创新

By www.carbonfiber.com.cn


风电叶片的结构设计必须考虑气动外形、极限条件下载荷、疲劳载荷、材料选用以及生产方式。

结构设计考虑因素

叶梁
叶片的主要受载为弯曲载荷，主要源于气动推力（拍打方向）和相对较小叶片自有重力（边沿方向），贯穿叶片全长的单向纤维可以有力抵抗了拍打方向的弯曲载荷。主要由单向纤维制造叶粱盖以及承担剪切应力的剪腹板共同构成了叶粱。

叶壳
拥有气动外形并通过三明治层合板获得足够的结构刚性。三明治结构上下表皮层多由玻璃纤维增强塑料层组成，中间是轻质结构芯材。一定厚度的三明治结构可以有效增加结构刚性保证叶壳受载荷时不产生变形。 叶根 叶片的根部通过螺栓连接等方法安装到叶轮上，叶根部的叶粱需要设计为圆形套筒结构，并在根部位增厚材料，这个部位也可以单独制造，再与叶壳、叶粱连接为整体。

强度和刚度
叶片运行过程中同时需要足够强度以避免断裂失效，以及在载荷作用下抵抗形变的能力以防碰触塔架。具有足够轻和足够稳定性的叶片会避免产生自然的共振，否则振动经过传递和放大效应会极大破坏叶片的抗疲劳性能。

疲劳
在20年左右的设计运行寿命中，叶片会经历千万次的循环转动。这就使得即使在较低载荷作用下，叶片也会因为疲劳作用而失效。叶片的设计要同时经得起极端载荷（如50年一遇的狂风）以及较高的疲劳载荷。疲劳载荷可以通过"S-N"曲线实验测定。

纤维种类
玻纤增强复合板具有良好的比强度，而碳纤维复合材料更强、更具刚性，但需要高昂的成本。根据现在的发展趋势，碳纤维将更可能用于制作更长叶片上的叶粱盖。