水轮机柔性叶片--纳米复合材料报告(EPSiO-2-TiO-2)

1、武 汉 大 学工程化学读书报告 科 目 水轮机柔性叶片纳米复合 材料（EP/SiO-2-TiO-2） 指导老师 罗立新老师 组 长 陈 才 成 员 段玉杰 白明建 杜嘉宇 学 院 水利水电学院 班 级 本科生2013级水电4班 2016年3月水轮机柔性叶片-纳米复合材料（EP/SiO-2-TiO-2） 摘要：水轮机是水力发电的原动机,水轮机转轮叶片制造质量及其型面的准确性对水电站机组的安全、可靠、经济运行有着巨大的影响。水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑曲面体,在大中型机组制造工艺上,长期以来采用的“砂型铸造砂轮铲磨立体样板检测”的制造工艺,不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。近年来,水轮机

2、制造业一直探索采用五轴联动数控加工大型叶片。在叶片数控加工时,仍然采用试加工来验证和修改加工程序,致使加工效率较低、成本较高。随着制造业的效率的的提高，对水轮机叶片制造材料的要求日益突出，随着新材料的兴起，一部分新材料的水轮机叶片上的制造运用取得了显著成果。本文介绍纳米复合材料的性能及在潮流能水轮机叶片上的应用。纳米复合材料的柔展性对潮流能水轮机叶片尤其是潮流能水轮机，能很好地适应水流作用发生形变，自动调节攻角，并能充分利用与水流间相互耦合作用产生的升力效应和阻力效应做功，获能效率较高，具有许多刚性叶片所不具备的优点和良好的水动力学性能。关键字：纳米复合材料； 改性； 效率； 水轮机叶片； 水

3、轮机叶片； 目录1、绪论- 1 -2、工程背景及水轮机叶片简介- 1 -3、纳米复合材料（EP/SiO-2-TiO-2）简介- 2 -4、纳米复合材料（EP/SiO-2-TiO-2）的力学性能- 3 -5、柔性叶片潮流能水轮机的提出- 4 -6、柔性叶片潮流能水轮机的结构特点- 6 -7、柔性叶片潮流能水轮机水动力学性能研究- 7 -8、结论- 8 -9、参考文献- 9 -1、绪论 水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在

4、水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。我国水轮机及辅机制造行业综合实力明显增加，全行业呈现出蓬勃发展、充满活力的可喜局面，行业趋好的标志表现在经济运行质量的提高和经济效益的显著增长。2010年，我国水轮机及辅机制造行业规模以上（全年销售收入在500万元以上）企业68家，实现销售收入44.70亿元，同比增长2.35%；实现利润总额3.23亿元，同比增长4.16%。2010年，我国水电装机规模达到2.11亿千瓦，新增核准水电规模1322万千瓦，在建规模7700万千瓦。根据我国对

5、国际社会做出的“2020年非石化能源将达到能源总量15%”承诺，我国水电行业2020年装机容量须达到3.8亿千瓦。而即使按照我国公布的可再生能源中长期发展规划，确定到2020年水电装机容量要达到3亿千瓦，国内11年内将新增单机容量50千瓦以上的大型水电机组近300台，每年平均新装25台50万千瓦及以上大型水电机组。若按2020年达到3.8亿千瓦的装机容量，我国所需的水轮机及辅机设备将进一步增加，我国水轮机及辅机行业发展前景广阔。2、工程背景及水轮机叶片简介图 1、为某型水轮机叶片的CAD模型。在发电工作工程中水流由进水口流向出水口，叶片承受水流的冲刷从而开始运动，这种运动通过传动轴传递到发电机

6、，从而带动发电机工作发电。但是水轮机在工作仅仅一年多时间以后，就有数片叶片发生了疲劳断裂事故，使得水轮机不能正常工作发电，造成了一定的经济损失，同时也说明水轮机叶片在结构的设计方面确实存在不完善之处。然而，由于水轮机在水下进行工作，很难通过测量得方法获得叶片上应力和位移的分布情况，也就无法知道叶片为何会断裂，无法有效的改善叶片的几何结构。 图 1、为某型水轮机叶片的CAD模型3、纳米复合材料（EP/SiO-2-TiO-2）简介 环氧树脂（EP）是一种用途极广的高分子材料,广泛用于浇注材料、粘接剂、涂料、复合材料等领域,由于环氧树脂具有高的交联结构,因而存在拉伸强度低、脆性大、抗冲击韧性差等缺点

7、,难以满足工程技术的要求,使其应用受到一定的限制。人们尝试用多种方法对其进行改性，但在环氧树脂固化增韧改性的同时,却降低了体系的玻璃化转变温度 和储能模量。近年来,以刚性纳米无机粒子增强增韧环氧树脂的报道不断增多，但其增韧的幅度不大。而本文介绍的纳米复合材料（EP/SiO-2-TiO-2），该材料含有柔性链和材料刚性无机网络。柔性链作为增韧相,能有效提高环氧树脂的韧性，其中材料 刚性无机网络能补偿柔性链增韧时所带来的模量损失，同时，还能提高材料的韧性。两者之间的“协同作用”，既可使环氧树脂的冲击强度有较大幅度的提高，又可使改性体系具有足够高的玻璃化温度和模量。4、纳米复合材料（EP/SiO-2

8、-TiO-2）的力学性能对固化体系冲击性能和弯曲性能的影响 含量对固化体系冲击性能和弯曲性能的影响和列出了用量及含量对固化体系冲击性能和弯曲性能的影响情况,当的用量为 , 含量为 时,冲击强度提高3倍左右。当和用量不变, 固化体系的冲击强度随的用量而提高,但加入量大于后,反而对改性不利。而当固定用量不变,改变和用量,固化体系的冲击强度也有所改变,因此, 和、对固化体系的冲击强度起到“协同作用”的效果。为 用量为时, 不同含量对弯曲强度和模量的影响, 当含量为时, 弯曲强度和模量达到最大值。这是由于: 一方面, 含有柔性的扩链脲,可键合到紧密的环氧树脂交联网络中,并在固化过程中产生微观相分离,形

9、成了紧密、疏松相间的两相网络结构; 另一方面, 网络造成界面应力集中,容易引发周围基体树脂产生更多的微裂纹,吸收一定的变形功,两方面的综合作用使材料的冲击强度提高,因此能吸收更多的外界能量而增韧。5、柔性叶片潮流能水轮机的提出柔性叶片潮流能水轮机的提出是基于对帆船运动的观察与深入思考。帆船借助柔性帆不但能够顺风行驶，而且可以迎风向前，顺风行驶容易理解，迎风前进需要空气动力学理论来解释。根据伯努利方程，对于重力场中的不可压缩均质流体，有：式中 P流体的压强； 流体的密度； V 流体的速度； z高度； g重力加速度。帆船前进的动力风，是流动的空气，是流体。帆船的帆相当于一个垂直放置没有厚度只有拱度

10、的机翼。当气流以与帆翼翼弦成角度流过帆翼时，帆翼的上表面速度增大，而下表面的速度减小，根据上述公式 ，流速增大压强随之减小、速度减小压强随之增大，帆翼两面流速不同形成了压强差，产生升力，如图 2 所示。图 2 流速与压强的关系图 3 载荷分布帆船迎风行驶时帆板载荷分布如图 3 所示。风帆耦合产生升力的合力F作用于帆的压力中心CE处，其方向与相对风W垂直。合力F可以分解为相互垂直的两个分力。其中沿着帆板首尾线方向的分力L，称为帆的推力。沿着垂直于板体首尾线方向的分力D，称为帆的侧向力。推力L使得帆板沿着板体首尾线方向运动，侧向力D使帆板产生侧向漂移，使得帆板的航向与板体首尾线方向产生一个夹角。帆

11、板的航向CK与板体首尾线之间的夹角 称为漂角。同时，置于水中的板体也受到水的作用。设作用在板体上压力的合力为R，作用于板体的水压中心CLR上。合力R同样可以分解成相互垂直的两个分力RX和RY。分力RY与帆板的运动方向相反，称为迎面阻力；分力RX与帆板的运动方向基本垂直，称为板体的侧向力。从受力分析可知，作用在帆上的推力L和侧向力D分别为：推动帆船前进的力：由上式，当帆船迎风行驶时，通过调节风向角和帆角，可以使帆获得的推力L大于帆板的迎面阻力RY，从而使帆船迎风向前运动。在空气中风帆能够获得良好的空气动力学性能，同时考虑到很多潮流能水轮机模型实验研究在风洞中开展的范例，那么将风帆材料作为潮流能水

12、轮机的叶片是否同样会产生良好的水动力学性能？基于对这个问题的思考，提出了柔性叶片潮流能水轮机的构想。首先设计制作了小型柔性叶片模型转子，如下图 4 所示，并在风场中进行了验证性实验，发现在 15m/s风速下，发电电压达到 98V，实验结果显示，在能量密度较低的风场中柔性叶片转子能够稳定的运转。自此柔性叶片潮流能水轮机的概念提出，开始对其水动力学性能进行研究。图 4 柔性叶片模型转子6、 柔性叶片潮流能水轮机的结构特点柔性叶片水轮机的主要工作部件包括转子转轴、垂直主轴截面为正多边形的叶片固定支架、支架相邻面上间隔相互交错布置的柔性叶片、辅助支撑以及必要的联接机构和传动机构等。其中，叶片的作用是吸

13、收潮流的动能。在水流的冲击下，叶片旋转，并通过转轴带动发电机转动，将潮流动能转换为电能输出，它是实现潮流能转换和发电的最重要的水动力构件。转轴又称为水轮机的主轴，其主要作用是用来传动，即将叶片的转动通过一定的传动机构传递给发电机，并最终带动发电机转动发电。叶片固定支架也是水轮机的支撑骨架，一般采用桁架结构，保证较高结构强度的同时减小水轮机重量，方便运输和安装。支架包括两端的放射状多边形轮辐和叶片固定杆，连接各固定杆中心可构成正多边形，是柔性叶片水轮机的主要组成部分之一。柔性叶片基本形状为三角形，具有两种固定方式：固定两等腰边而让底边自由形成一定的弧度，呈兜状，称为柔兜式柔性叶片，如下图所示；将

14、底边和其对应的顶点固定在两相邻边水轮机支架上，并使其具有一定的弧度，呈帆翼状，称为帆翼式柔性叶片，如下图 5 所示。叶片厚度相对于其面积可以忽略不计，则柔性叶片可看作没有厚度只有拱度的帆翼。由于叶片固定方式的不同，由此构成的柔兜式柔性叶片水轮机和帆翼式柔性叶片水轮机水动力性能差别较大，后面将分别进行实验和性能比较。图 5 柔性叶片潮流能水轮机上的叶片安装方式 装在柔性叶片潮流能水轮机上的叶片有全叶片和半叶片，目的是为了叶片交错布置而不相互遮挡。为提高转子受力均衡性，全叶片采用等腰三角形，半叶片为沿全叶片底边对应高线分割后的部分，成对使用且间隔布置在转子两端。以六边形水轮机为例，采用两种不同柔性

15、叶片固定方式的水轮机结构，如下图 6 所示。当水轮机轴向长度较大时，固定杆受力较大，可以设置辅助支撑（如放射状固定杆支撑装置），提高支撑杆的支撑刚度。图 6 柔性叶片固定方式的水轮机结构7、柔性叶片潮流能水轮机水动力学性能研究图 7 柔性叶片潮流能水轮机水动力学分析柔性叶片潮流能水轮机在水流中处在图 a)状态，叶片在 1 位置时，迎角 =45°时，此刻叶片受到的升力为主要驱动力，阻力很小；叶片在位置 2 时，升力亦较大，是主要驱动力；叶片在 3、4 位置时，受到的阻力为主要驱动力，升力几乎为零。当潮流能水轮机继续旋转，到达图 b)所示位置，即原来在位置 1 的叶片到达 5位置，叶片迎

16、角 =0°，则原来处于 1、3 位置的叶片因无法承受切向压力而无固定外形，呈现 5、7 位置处形态，其承受的阻力和升力均趋于 0；而原来位于 2、4 位置的叶片分别到达 6、8 位置时，受到的升力成为主要驱动力。 叶片继续旋转，5、7 位置叶片将经历大变形过程，驱动力会突然增大，对潮流能水轮机的运动造成一定冲击，但增大转子多边形数就很好的避免了这个缺点。叶片大变形之后，会重复经历图 a)所示的受力过程。可见，叶片交替受到升力、阻力作用，且阻力和升力是相互替代、此消彼长的关系，在大部分位置充当柔性叶片潮流能水轮机的旋转驱动力，四个或者多个叶片受转矩的叠加使潮流能水轮机主轴受到方向恒定的

17、转矩，且转矩方向不因来流方向变化，仅由叶片安装方式决定，即帆翼式潮流能水轮机向固定边方向旋转，柔兜式潮流能水轮机向自由边反方向旋转，这是柔性叶片潮流能水轮机重要的水动力学性能之一。8、结论经过上述资料的查阅及讨论，得出以下结论：（1）采用含有柔性链的改性环氧树脂, 所制得的水轮机叶片制作工艺纳米复合材料,具有较高的储能模量和玻璃化转变温度,材料的冲击强度可提高倍。可以作为潮流能水轮机柔性叶片的制备材料。（2）柔性叶片水轮机运动特性。表现为单向旋转和低起转流速特性，柔性叶片水轮机旋向与来流方向无关，仅与叶片安装方式有关，柔兜式水轮机向自由边反方向旋转，帆翼式水轮机朝固定边方向旋转。该特性与海洋潮

18、流能往复流动特性相符，若在实际工程应用中采用竖轴安装方式，优势更为明显；实验证实柔性叶片水轮机具有较低的启动流速，并具有低转速大扭矩的特性，在我国相对较低流速条件下具有良好的应用前景。9、参考文献 1 Mimu ra K, Ito H, Fujioka H. Polymer, 2000, 41( 12): 44514459. 2 Tji ong S C, M eng Y Z. Pol ymer, 1999, 40: 11091117. 3 Chiang C L, Ma C C M. Eu rop ean Polymer Journal, 2002, 38: 22192224. 4 Kang S

19、, Hong S I I, Ch oe C R, et al . Pol ymer, 2001, 42: 879 887. 5 Hepburn C. Polyu rethane Elast omer. Appli ed SciencePubli sh ers , 1982: 280. 6 中国科学技术协会，中国能源研究会. 能源科学技术学科发展报告. 北京：中国科学技术出版社，2008. 7 崔民选. 中国能源发展报告. 北京：社会科学文献出版社，2007. 8 张亮，汪鲁兵，李凤来，张桂湘. 竖轴变攻角潮流发电水轮机性能预报流管模型研究. 哈尔滨工程大学学报，2004，25（3）: 261-266. 9 汪鲁兵, 张亮, 李凤来. 潮流发电水轮机基于动量定理的性能计算方法研究. 海洋工程, 2005, 23(1): 97-102 10 李伟，林勇刚，刘宏伟等. 水平螺旋桨式海流发电技术研究. 中国可再生能源学会海洋能专委会成立大会暨第一届学术讨论会. 杭州, 2008. 8190. 11 A.S. Bahaj, W.M.J. Batten, G. M