浅谈风力发电叶片复合材料的冲刷磨损

李斌

关键字：风力发电机叶片；复合材料；冲刷磨损；

1.引言

如今，世界发展越来越快，世界上煤、石油等许多的不可再生能源越来越少，使得能源缺乏问题成了人类需要面临的重大问题。当使用这些不可再生能源的时候，环境也会受到这些能源燃烧的影响，当使用他们越多，环境被污染的越多，这会使这些不可再生能源的使用量会受到总体的调控。所以人们对可再生能源的开发与利用的想法越来越受到关注。常见的一些可再生能源有风能、水能等，而风能作为比较好转化的可再生能源受到人们的重视。当今世界发布关于可再生能源相关的政策和各种各样的法规的国家大约就有50多个，这是一个重要的基础对于可再生能源的开发、利用来说，这也对风能的利用起到了很大的带动作用，使风力发电行业的发展更加快速和有发展前景，使得风力发电成为在规模上成为了具有一定规模的新的发展产业。《可再生能源法》在我国颁布的时间是2006年，这一个法规的颁布使得我国的可再生能源发展有了可以依据的法律法律地位以及政策框架，这也奠定了可再生能源在能源领域作为优先发展的地位，使得关于风电产业在我国今后的发展奠定了坚实的法律基础，使得国家的政策和支持方式进一步向风电产业靠拢，为我国的风电产业发展起到了支撑的作用，使风电产业发展的越来越好。

我国的风能资源十分的丰富，在我国早期对风能评估的时候，特别尤其是在风能异常丰富的东北地区和、西北地区。具体到省份主要有河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等省，这些省有着大约200km宽的地带，经过测量计算风功率密度可以达到200—300W/m2，甚至部分地区达到了500W/m2以上，可以进行开发利用的风能储量达到了2亿kW，基本全国可利用的风能储量都集中在了这里。中国大致风力分布状况比较集中，这样看来中国风能资源在整体上来说还是比较丰富的。我国的风能资源分布的地理环境以及气候条件等优势十分的明显，这样可以开发出大规模的风力发电场。虽然很多地区的风力达到了建立大型风电场的条件，但是，建设风电场还有着一系列的制约条件。其中低温和沙尘暴就是十分大的影响因素，对于我国的新疆和内蒙古来说，它们的自然环境十分恶劣，在其它地方有的存在联网条件差的问题，对于这些问题在以后的研究中都需要对其有所关注，尽量规避这些问题。

2.复合材料的发展

当今世界发展越来越快，现代工业的发展十分迅猛，可以用来当作风机叶片的材料也随也越来越多，可供选择的方法也原来越多。最一开始，风机叶片材料从最是木质材料，随着后来制造工艺的提高，钢材材料大量的开始使用，现在最先进的已经开始使用一些比较先进的聚合物基复合材料，这些材料所用的增强纤维一开始是玻璃纤维，这其中包括E玻纤、S玻纤、高硅氧玻纤(SiO2质量分数94％以上)、D玻纤、石英玻纤等。到了上世70年代的时候，一些芳纶纤维被人们开发了出来，其中应用比较广泛的有美国的“凯夫拉”纤维和前苏联的“阿尔莫斯”纤维品种，这些材料在纤维密度上相比于以前有了很大的变化，在强度上有了很大的增强。后来，美国又开发了更先进的“基纶”(PBO)纤维。随着时间的推移，到一九九零年以来，各种各样的高强度、高模量、超高模量碳纤材料迅猛的发展起来，还出现了许多的以碳纤维作为增强项的复合材料。虽然这些材料在一些性能上十分的优秀，但碳纤维的价格比较昂贵，为了节省成本，如今制造风机叶片的材料主要还是用玻璃纤维作为材料的增强项，所以本实验所用的复合材料增强相为E-玻璃纤维布。

3.风电叶片复合材料冲刷磨损的实验方法

风机叶片的冲蚀磨损主要包含三种形式，分别是单向流、两相流以及多相流。要考虑到叶片复合材料的冲刷腐蚀磨损，在气固两相流的条件下，对于风机叶片所处的环境有影响。需要考虑的事项主要有三个，分别是冲蚀的角度、冲击速度和冲刷粒子的粒径的大小。需要用到的仪器是冲蚀磨损试验机。冲蚀磨损试验机的原理是空气进入空气压缩机，压缩到一定程度，导管输出压缩好的空气，空气出来之后和磨粒粒子融合在一起，这样高压气体就会带动固体粒子冲刷试样，通过仪器测量气体在出口时的速度，通过计算机把结果统计出来。根据仪器放置的架子的尺寸，将样件加工成尺寸为60mm×45mm×5mm。根据需要的实地环境，选取的磨粒成分包含石英砂以及Al2O3两种并且按石英砂∶Al2O3为7：1的比例进行配比，然后选取四种粒径范围分别是：0.84mm-0.42mm、0.42mm-0.212mm、0.212mm-0.104mm、0.15-0.74mm，每次冲刷实验使用的磨粒质量为1kg。本次冲刷实验将15°、30°、45°、60°以及90°作为实验的角度。根据实际的风力强度和速度，将试验机的冲击速度设定为7.9m/s、12.8m/s、17.4m/s。把冲刷前后的样品放入盛有酒精的容器中放置，然后将样品在超声波清洗仪中清洗，洗完晾干，用量程为0.1mg的光电天平称重，在计算机上记录下材料冲刷前后的重量。两次称重的质量差就是试样的损失重量。而损失重量就可以作为耐磨性能的衡量标准。

当选取的材料为脆性材料时，随着磨粒粒径的逐渐增大，材料的冲刷磨损率也会不断增大。但是实验出现了不一样的结果，随着磨粒粒径的增大，材料的失重出现了波动的情况，不是一味的增大。在实验的前一部分材料的冲刷磨损率随磨粒粒径的增大而增大，随着样件的失重达到一个极点之后，一个明显的下降趋势出现在了材料的失重。造成这种现象的原因有很多种，有可能是固体粒子粒径达到临界点后，粒子间的冲击和反弹过程发生相互干扰，这样一来，固体粒子的冲击能量出现了下降，材料表面受到的重击力减小了，材料的正应力与切应力也随之减小，这就有可能导致试样的失重减少。但是随着磨粒粒子的粒径增大，实验样品随之失重的差距并不是很大，所以说明粒径大小对于材料的失重的影响并不是很大。

4.总结

玻璃纤维以及环氧树脂两种材料都是比较优秀的复合材料，它们的缺点就是抗冲刷磨损能力比较低，经证明，把它们结合在一起抗冲刷的能力并没有提高。这种复合材料因为这个原因导致他的应用受到一定的限制，虽然对玻璃纤维增强树脂做了一定的研究工作，得到了一些数据和结论，但是还有很多问题需要得到解决。玻璃纤维增强树脂抵御风沙冲刷的能力较弱，但是在实际应用这种材料的时候可以在实它的表面增加一层涂层。在以后进行根基一步的研究可以加上这一因素来进行冲刷磨损实验，这样可以更清楚的观察叶片的磨损情况，更有实际意义。

在以后的研究中还可以增加一些外部变量，如风机工作环境中变换的温度、湿度还有盐度等，这样更贴近风机叶片的实际使用环境，还可以增加与风机实际工作环境相符的气固液三相流的情况，这样实验更贴近实际环境，得出的数据更加准确，得到的结果更具有参考意义。

参考文献：

[1]仇卫东，王智冬，李隽逸.我国风电发展相关问题分析[J].电力技术经济，2016，20(1)：19-23.

[2]潘艺，周展鹏，王进.风力发电机叶片技术发展概述[J].湖南工业大学学报，2017，21(3)：48-51.