叶片材料选择及注意事项

风力机叶片由轻质材料制成，以减小由于旋转质量产生的载荷。

风轮叶片由如下主要部件构成：

1）外部面板：形成气动外形并承受部分弯曲载荷。

2）内部纵向翼梁：承受切变载荷和部分弯曲载荷，防止截面变形和表面屈曲。

3）衬套及其插件：将面板和翼梁的载荷传递到钢制轮毂。

4）雷电保护：将雷击在叶尖上的雷电引至叶根。

5）气动制动：对一些定桨距风力机，气动制动是保护系统的一部分。气动制动的典型结构是叶尖部分绕转轴旋转。

外部面板、内部翼梁和气动制动轴通常采用纤维增强塑料（FRP）。

FRP中的纤维起传递全部载荷的作用，聚脂分配纤维间的载荷并约束纤维的局部相对位移。

FRP经常用在夹层结构空腔的两侧，夹层结构的空腔用来增加面板和腹梁的弯曲刚度。当受到压力或切变载荷时，需要增加局部弯曲刚度，以避免屈曲。

表面涂漆和外涂层用于保护FRP，使其抗磨损、抗紫外线辐射和抗杂质腐蚀，并保持色泽。

木材是一种跟FRP具有同样结构形式的天然材料。在设计叶片面板和翼梁时，可以用木材替代FRP。

关于FRP的详情见Mayer（1992）、DNV（1999）的参考文献或www.marinecomposites.com网页。

1.FRP的加强

玻璃纤维和碳纤维用来制造叶片面板和内部翼梁。

气动制动轴使用碳纤维。

不同种类的玻璃纤维和碳纤维，其化学成分的构成不同。最重要的一种玻璃纤维是E型玻璃纤维。

不同种类纤维的力学性能、弹性模量和抗拉强度变化巨大，而且同类纤维也有相当大的差异，如有低、中和高强度的碳纤维。选择合格的纤维是叶片设计工作的一部分。

应当认识到，FRP层压板的最终特性不只是决定于纤维的特性，铺层的特性、纤维和铺层之间的结构相互作用和纤维所占体积份额也是非常重要的。

在生产中，胶料涂在纤维的表面。胶料的作用是增加纤维和树脂结合的强度。在叶片生产中，胶料能够使纤维更容易地控制且不会产生缺陷。为某种应用类型或者某种树脂类型所开发的特定胶料，不一定满足另一种应用或者另一个树脂的要求。纤维材料供应商提供足够的胶料信息、在叶片的生产过程中遵从供应商的建议十分重要。

对于FRP面板，在纤维铺层中采用增强纤维。

增强纤维的基本构成如下：

1）在长纤维纺织成绳时确保纤维没有扭曲或扭曲很小。(www.xing528.com)

2）玻纤毡（CSM）的纤维相对较短，取向是随机的。CSM只采用玻璃纤维。

因此，下面所述基本类型的纤维是预先编织好的：单向纤维、编织粗纱纤维、角度胶合和多轴纤维。编织粗纱和多轴纤维通常有轻型（100g/m²或300g/m²）CSM黏合于一端或两端以增强层间胶合连接，这就是所谓的混合铺层。纤维可通过结合辅助物（最终融入聚酯）或者机械地在整个厚度上由缝纫钉连接在一起。

不同的纤维种类，如玻璃纤维和碳纤维，可能在一个纤维织物中结合，这种织物称为混合纤维织物。

层压板中一套完整的增强或纤维编织方案由铺叠顺序决定。铺叠工艺规定了铺放的先后顺序（从层的一侧开始）以及相对于一个参考方向的取向。

除规定类型和铺叠顺序外，编织品质定义成单位面积增强纤维的总重量，通常表示为g/m²。

注意，碳纤维用作风轮叶片的增强材料时，由于碳纤维对接触到的金属部件会产生电腐蚀，这些金属部件必须是不锈钢部件。

2.树脂

聚酯、乙烯树脂和环氧树脂是风力机叶片常用的树脂，其中以聚酯最为常用，而环氧树脂则用于结构要求较高的场合。

树脂中添加硬化剂（有时添加催化剂）即可引发胶联过程。另外，还可以添加加速剂和抑制剂来调整胶化时间和硬化时间，以满足实际执行的工作温度及特性要求。聚酯的胶化时间和硬化时间有相对较大的调整区间，对于环氧树脂而言，这些参数的变化会对硬化后的树脂特性产生影响。在聚酯中，可加入石蜡来控制苯乙烯的蒸发和硬化过程中的氧化。

另外，为了某些特殊目的，可加入一些其他的化合物，如低成本的填充物，在垂直面能够稳定树脂的颜料和触媒介质等。但添加剂对树脂特性的影响可能很大，应进行评估。

3.芯层材料

最常用的芯层材料是结构性泡沫塑料和木质产品。

泡沫塑料基于热塑性，如聚氯乙烯（PVC）有不同的密度范围。它们最重要的力学性能是切变模量、抗剪强度、韧性或屈服性能，刚度和强度随其密度增加而增加。不同的种类和等级的泡沫塑料其性能有很大的差异，生产商的产品说明中有关于性能的详细信息。PVC泡沫塑料具有热稳定型，它能提供更好的尺寸稳定性，减少挥发的机会。当面板完成后，放气主要来自芯层材料的挥发性气体。

木质的芯层材料包括香胶木（balsa）、传统木材和胶合板材。目前最常用的是不同密度的香胶木，其刚度和强度随密度的增加而增加。

芯材或三明治黏胶用来黏接薄片/块，并填充薄片和薄块之间的空隙。好的黏结对于维持芯层的抗剪能力是必要的。黏合剂应该至少具有和芯层材料一样的抗剪强度和延伸率。高韧性的黏合剂通常可增加结合处的强度。

4.木材

有几种木材可以用于风力机叶片。

一般采用胶合板或层压板的形式，以消除木节等对结构强度的影响。

使用木材时要特别注意采用抗水性能好、含水量低的木材，木材含水量高将导致低力学性能、腐烂和长霉菌。因此，在贮存和加工过程中，要注意湿度控制。设计上要重视表面涂层和密封，以长期控制木材中的含水量。

5.黏合剂

黏合剂用于黏接制造的叶片部件，黏接叶根钢质衬套一类的金属预埋件。在黏接部位，要保证表面清洁，绝对不能有蜡、灰尘和油脂存在。黏接衬套时，为满足要求，有必要进行喷砂和用溶剂进行清洁。

由于对强度有影响，对黏接层厚度要注意控制。