复合材料增强风机叶片智能减震控制前景分析

焦晓熠 张众尧 高全浩

摘 要：由于日益严重的环境污染，各国都加大了对于清洁能源研究和开发的投入。而作為主要的一种清洁能源——风能，发电时为了追求效率，使叶片更加大型化，导致在工作过程中更加容易发生颤振，损坏叶片。本文介绍的是在叶片上粘贴或嵌入压电材料，通过给压电材料施加一定电压来达到主动控制的目的。

关键词：复合材料；智能减震；风机叶片

随着碳排放对世界环境的影响日益严重，各国都将目光投向了对清洁能源的应用。而风能以其丰富的储量、高度的可再生性和无公害的清洁性，更加成为清洁能源的主流。据统计，在2006年到2007年间，全球风能装机量剧增，截至2007年，装机量已达到9万兆瓦，比2006年增加了27%，预计在近30年内，风能市场将以每年25%的速度递增。与此同时，我国的风能储量高居世界首位，约为10亿千瓦。进行可持续发展和环境保护，风能的作用不可小觑。作为风力发电的主要设备——风机，叶片在其整机成本占的比重可达25%-28%，是风机中极重要的一部分。然而，为了使成本降低，提高发电机的发电效率，设计师将风力发电机叶片的尺寸大大增加。与此同时，增大尺寸也无法避免地带来了副作用——叶片更加呈现出柔性化，刚度明显降低。

一、颤振现象

正如上文提到的，叶片的大型化带来了刚度不足的缺点，使叶片在工作过程中，更容易发生不自主的运动，影响周围的风场，导致作用于叶片的风载荷也发生改变，产生了弹性力、惯性力以及空气动力的相互作用，让叶片的各个模态发生了耦合，形成气动弹性不稳定——颤振[ 1 ]。

而这种情况会让叶片发生剧烈振动，在极短的时间内发生叶片断裂、损毁等情况，对人员和物资造成损坏，因此，如何控制颤振现象就成了亟待解决的一个重要问题。

二、运用复合材料增强叶片

由于叶片在其使用寿命中要经历108次疲劳交变，因此需要对叶片的强度进行增加，使其不容易产生形变，引起颤振现象[ 2 ]。

增强叶片强度，可在设计和制造之时，运用复合材料，使叶片在保持较小质量的同时，还能获得更高的强度。

（一）玻璃纤维复合材料（GRP）

玻璃纤维复合材料（GRP）是目前增强叶片强度的主流复合材料之一，选用GRP的原因主要有以下几点：

①选用GRP，可根据风机叶片的受力特点进行设计，更加符合叶片的工作情况，使设计更加合理。

②叶片更易成型，并使气动效率大大提高。使用金属制造叶片，相较使用GRP而言，不仅难以成型，而且还没有办法针对不同角度，不同位置的部件进行分别设计，而使用GRP叶片可大大降低制造的难度，更易达到批量生产。

③从投入使用到报废，叶片要经受10^8次以上疲劳交变，因此，用于制造叶片的材料需要具有良好的疲劳性能。而GRP材料的优点就是抗震性能好，疲劳强度高，因此，选用GRP作为制造风机叶片的材料非常合适。

④风力机工作环境较为恶劣，多为沙漠、海边等使材料易受侵蚀的地区，需要材料具有耐酸、碱、水汽的性能。而GRP具有良好的耐腐蚀，在保证使用质量的前提下，能使叶片的使用年限大大增加[ 3 ]。

（二）碳纤维复合材料

叶片的大型化，不仅易于产生颤振现象，还使叶片的重量也大大增加。给叶片的安装、保养和更换都增大了难度。因此，增加叶片刚性，减小叶片重量就成了运用大型叶片亟待解决的问题。在满足强度要求的同时还要减轻叶片质量，采取碳纤维增强叶片是一个有效的方案。碳纤维复合材料的弹性模量是GRP的2～3倍。而在刚度更好的同时，碳纤维还有着比GRP更轻的质量，因此，在大型叶片的设计中采用碳纤维材料，能充分发挥其高强度、低质量的优点。

三、运用压电材料对叶片振动进行主动控制

选用压电材料对叶片振动进行主动控制，其好处主要有两点：

第一，压电材料由于其双向转换的性质，在工作中能起到传感器和致动器两种作用。

第二，压电材料其本身质量较轻，在工作中能耗较低，且稳定性好，具有良好性能，是目前研究和使用最为广泛的智能材料之一[ 4 ]。

在叶片中运用压电材料，就是在设计叶片时，把压电材料粘贴在叶片需要进行控制的表面，通过给压电材料施加一定电压，以达到主动控制的目的。

四、结语

对于时时都有雾霾笼罩的今天，寻找方法解决环境问题无疑是最亟待解决的问题。然而，环境和发展就像是难以调和的水和油——专注于环境问题的解决，势必会拖慢发展的速度，而专注于发展，又会造成难以弥补的环境问题。而平衡这两个难题的关键就在于对清洁能源的开发和应用。既不污染环境，也能为发展提供充足的能源供给——新能源，势必成为未来能源开发的方向和解决环境与发展矛盾的钥匙。

参考文献：

[1] 任勇生，杜向红，杨树莲.风力机复合材料柔性叶片的颤振分析[J].振动与冲击，2011（09）：64-69.

[2] 乔印虎，朱志坚，张春燕.IIR滤波器在风力发电机振动保护仪上的应用[J].机电工程，2007，24（2）：8-10.

[3] 陈宗来，陈余岳.大型风力机复合材料叶片技术及进展[J].2005（3）：53-56.

[4] 乔印虎，韩江，张春燕，陈杰平.智能复合材料风力机叶片设计与有限元分析[J].材料工程，2013（5）：57-61.

注：“2016年辽宁省大学生创新创业训练计划”资助项目