风机叶片纤维布铺层工艺性研究

林 涛，何 明，陶生金，袁维瀚，涂英涛

（国电联合动力技术（连云港）有限公司，江苏连云港 222002）

0 引言

叶片是风力发电机组中最关键也是最复杂的部件，叶片的质量直接决定了风力发电机的实际寿命。目前叶片结构主要以玻璃纤维/碳纤维增强复合材料为主。纤维增强复合材料是先进复合材料的代表，其增强纤维材料的各向异性特点为叶片铺层结构设计提供了极高的灵活性，并且将不同类型的增强材料进行组合设计，最终得到最优化的铺层结构设计。

为尽可能提高风机的整体运行效率与可靠性，需设计出具有更大风能捕获能力和更低气动载荷的高性能低重量叶片［1］。在风机叶片气动设计时，会根据需要选择不同系列翼型进行组合设计，如NACA44系列翼型、AE02系列翼型、DU翼型、FFA翼型等。通过中弧线、前缘半径、后缘角、弦长、厚度、弯度［2］再加上风机叶片结构的预弯、预扭等设计，这些都决定了叶片结构是一个不可展曲面［3］。即不能展开成平面的曲面，如椭圆面、椭圆抛物面、曲线回转面。

因此在叶片外形上进行纤维铺层结构设计，其纤维布的铺层工艺性会在一定程度上受到影响，这是因为纤维布是平面，而叶片外形是不可展曲面。理论上，平面纤维布是不可能完全贴实铺设在叶片外形上的。实际铺设中，纤维布本身会有轻微的形变，有研究表明纤维纱线角度是否准确对叶片强度会有很大影响。纤维纱线角度对叶片强度可靠性的影响，较高强度可靠指标值的铺层纤维角度在45°附近［4］，且某些区域±45°单层纤维铺层对叶片强度的影响要大于0°单层纤维铺层［5］。因此，在结构设计时，考虑不同类型纤维布的形变特性及其对应不可展曲面的铺层工艺性的实际表现，保证纤维纱线角度铺设的可靠性，选择最合适的纤维布型号，是结构设计的重点，也是保证叶片结构设计性能通过工艺实现的技术保障。

1 铺层工艺性定义

基于上述分析，本文一方面通过建立简化的铺层工艺性数学表达式，另一方面通过对比不同类型玻纤布在特定模型上的实际铺层工艺性及铺设质量情况，为叶片结构设计的纤维布选型提供一种思路。

本文将铺层工艺性P定义为平面纤维布与实际曲面的尺寸偏差；其分为平面铺层工艺性P1和方向铺层工艺性P2两个部分。

1.1 平面铺层工艺性

其铺层纤维布铺设方向不发生改变，此情况适合后缘单向布之外的所有纤维布铺层。本文以不可展曲面中的弧线回转面模拟叶片外形，其表达式：

表达式（1）的定义：单位面积范围内，弦向曲率半径r，轴向曲率半径R，其曲面强行展开为平面后与单位面积平面的最大尺寸偏差。

P1值含义说明，单位面积曲面完全展平后的尺寸偏差，其值为0代表其铺设性最好，平面纤维布可直接铺设没有理论褶皱情况。其值不为0代表平面纤维布直接铺设在上面会有理论褶皱情况，具体数值如0.006，代表每平方米纤维布铺设会形成一个长度为6 mm的褶皱，或一个3 mm的对折突起。

从表达式可以推广至任意曲面的铺层工艺性表达式：

但一般叶片外形设计不可能存在统一的，甚至单个截面都没有可行的数学表达式，因此，可以采用数值分析的方法对即有的叶片外形进行计算，针对单块铺层结构涉及的叶片外形曲面进行均匀数值分析；相应数学表达式改为数值分析求和：

1.2 方向铺层工艺性

铺层纤维布铺设方向发生改变，此情况在叶片后缘单向布铺层设计中普遍应用，其纤维布轴向方向与叶片轴线不一致且是动态变化的。其表达式：

表达式（4）的定义：纤维布幅宽W，纤维布方向曲率半径R′；单位长度曲面完全展平后的尺寸偏差，其值含义同P1。

2 实验及结果

叶片实际铺层中，不同纤维布在叶片铺层中的工艺性不尽相同，三轴布在曲面变化较大区域非常难铺设，会出现无法随型铺设的情况，如图1所示。而同样区域双轴布铺层随型情况要好很多，如图2所示。

图1 三轴布铺层情况

图2 双轴布铺层情况

本文选定标准定义曲面选段；此选段的r=1 m，R=10 m，制作标准模具；选取四轴玻纤布，三轴玻纤布，双轴玻纤布，单向玻纤布分别进行了实际铺层，测量其P1值结果如表1所示。

表1可以看出：四轴玻纤布、三轴玻纤布的实际铺层工艺性差，其次单向布，双轴布最好。其原因为三轴玻纤布、四轴玻纤布编制紧密，纤维布硬挺度高，铺设时人工铺设无法让纤维束进行束间相对滑动，与理论铺层工艺性相差很小；单向布因层数原因，其褶皱情况要轻微一些；双轴布情况最好，褶皱情况轻微，且人工铺设可将其完全铺设贴实叶片外形；主要原因为双轴布其纹理方向为45°，导致其纤维束长度较短，特别是叶片狭长的结构，双轴布长度一般不超过10 m，1 m宽的试验区其长度不足1.5 m；其纤维束的相对滑动相对容易实现。

本文选定标准平面，长度2 m，宽度0.35 m；针对不同类型玻纤布的方向铺层工艺性P2进行试验验证，其结果如表2所示。

针对不同幅宽单向布的方向铺层工艺性P2进行试验验证，其结果如表3所示。

在叶片外形设计确定的情况下，方向铺层工艺性P2与纤维布幅宽W成正比，即纤维布幅宽W越小，纤维布的方向铺层工艺性越好。

3 分析及展望

3.1 分析及优化建议

在叶片外形设计结束后，通过计算叶片不同区域的理论铺层工艺性，掌握叶片外形铺层工艺性的具体分布情况。结合理论和实际铺层工艺性的试验结果差异，对铺层工艺性差的区域，可以通过以下方式进行优化。

（1）优化气动外形，r值越大，对应铺层工艺性越好，可考虑换r值更大的气动截面进行启动设计。

（2）优化结构屈曲设计，R值也大，对铺层工艺性越好，可考虑减缓预弯的优化，增加R值。

（3）优化纤维布选型，将对应铺层工艺性较差区域的三轴布更换为双轴布+单向布；双轴布的铺层工艺性更好，但实际铺层中会发现双轴布的纤维方向性比较差，特别是长距离铺设，其方向性和理论设计方向偏差较大，在实际应用中不建议大规模采用双轴布，特别是对方向性要求较高的叶型区域。建议尽量采用三轴布和单向布的设计，因三轴布和单向布在轴向方向纤维束是连续的，且铺设过程受人工铺层导致纤维局部弯曲的可能性更小，对保证叶片工艺可实现性更有助益。

表1 P1值结果情况

表2 不同类型玻纤布的方向铺层工艺性

表3 不同幅宽单向布的方向铺层工艺性

（4）优化单层纤维布的铺设面积：降低纤维布幅宽，可理解为弦向的裁剪；缩短单层纤维布的长度，可理解为轴向的裁剪。特别是单向布宽度优化：因单向布纤维束走势为轴向，保证总设计单向布质量不变，调整单层单向布的幅宽的不会对叶片结构载荷产生影响，但较小的单向布幅宽可以让单向布铺层工艺性提高。

3.2 全单向布铺层结构设计展望

根据单向布幅宽不会对叶片结构载荷产生影响这一特性，本文展望叶片结构设计采用全单向布或全原纱铺层设计，通过叶片结构外形，确定叶型通用的一种或多种单向布幅宽，采用单向布代替现有的三轴布、双轴布进行结构设计。这样既避免了三轴布铺层工艺性差的缺点，也避免了双轴布易变性弯曲的缺点，从设计角度充分保证了叶片设计强度的实现。此设计的优点为可以对各个方向纤维纱线角度进行单独设计，且可以对各个方向的筛选角度进行单独铺设控制，优化设计强度，并由此展望未来全自动单向布铺层系统。