水輪機(jī)柔性葉片--納米復(fù)合材料報告(EPSiO-2-TiO-2)

1、武 漢 大 學(xué)工程化學(xué)讀書報告 科 目 水輪機(jī)柔性葉片納米復(fù)合 材料（EP/SiO-2-TiO-2） 指導(dǎo)老師 羅立新老師 組 長 陳 才 成 員 段玉杰 白明建 杜嘉宇 學(xué) 院 水利水電學(xué)院 班 級 本科生2013級水電4班 2016年3月水輪機(jī)柔性葉片-納米復(fù)合材料（EP/SiO-2-TiO-2） 摘要：水輪機(jī)是水力發(fā)電的原動機(jī),水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片制造質(zhì)量及其型面的準(zhǔn)確性對水電站機(jī)組的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運行有著巨大的影響。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是非常復(fù)雜的雕塑曲面體,在大中型機(jī)組制造工藝上,長期以來采用的“砂型鑄造砂輪鏟磨立體樣板檢測”的制造工藝,不能有效地保證葉片型面的準(zhǔn)確性和制造質(zhì)量。近年來,水輪機(jī)

2、制造業(yè)一直探索采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工大型葉片。在葉片數(shù)控加工時,仍然采用試加工來驗證和修改加工程序,致使加工效率較低、成本較高。隨著制造業(yè)的效率的的提高，對水輪機(jī)葉片制造材料的要求日益突出，隨著新材料的興起，一部分新材料的水輪機(jī)葉片上的制造運用取得了顯著成果。本文介紹納米復(fù)合材料的性能及在潮流能水輪機(jī)葉片上的應(yīng)用。納米復(fù)合材料的柔展性對潮流能水輪機(jī)葉片尤其是潮流能水輪機(jī)，能很好地適應(yīng)水流作用發(fā)生形變，自動調(diào)節(jié)攻角，并能充分利用與水流間相互耦合作用產(chǎn)生的升力效應(yīng)和阻力效應(yīng)做功，獲能效率較高，具有許多剛性葉片所不具備的優(yōu)點和良好的水動力學(xué)性能。關(guān)鍵字：納米復(fù)合材料； 改性； 效率； 水輪機(jī)葉片； 水

3、輪機(jī)葉片； 目錄1、緒論- 1 -2、工程背景及水輪機(jī)葉片簡介- 1 -3、納米復(fù)合材料（EP/SiO-2-TiO-2）簡介- 2 -4、納米復(fù)合材料（EP/SiO-2-TiO-2）的力學(xué)性能- 3 -5、柔性葉片潮流能水輪機(jī)的提出- 4 -6、柔性葉片潮流能水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點- 6 -7、柔性葉片潮流能水輪機(jī)水動力學(xué)性能研究- 7 -8、結(jié)論- 8 -9、參考文獻(xiàn)- 9 -1、緒論 水輪機(jī)是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動力機(jī)械，它屬于流體機(jī)械中的透平機(jī)械。早在公元前100年前后，中國就出現(xiàn)了水輪機(jī)的雛形水輪，用于提灌和驅(qū)動糧食加工器械。現(xiàn)代水輪機(jī)則大多數(shù)安裝在水電站內(nèi)，用來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。在

4、水電站中，上游水庫中的水經(jīng)引水管引向水輪機(jī)，推動水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。作完功的水則通過尾水管道排向下游。水頭越高、流量越大，水輪機(jī)的輸出功率也就越大。我國水輪機(jī)及輔機(jī)制造行業(yè)綜合實力明顯增加，全行業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展、充滿活力的可喜局面，行業(yè)趨好的標(biāo)志表現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)運行質(zhì)量的提高和經(jīng)濟(jì)效益的顯著增長。2010年，我國水輪機(jī)及輔機(jī)制造行業(yè)規(guī)模以上（全年銷售收入在500萬元以上）企業(yè)68家，實現(xiàn)銷售收入44.70億元，同比增長2.35%；實現(xiàn)利潤總額3.23億元，同比增長4.16%。2010年，我國水電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2.11億千瓦，新增核準(zhǔn)水電規(guī)模1322萬千瓦，在建規(guī)模7700萬千瓦。根據(jù)我國對

5、國際社會做出的“2020年非石化能源將達(dá)到能源總量15%”承諾，我國水電行業(yè)2020年裝機(jī)容量須達(dá)到3.8億千瓦。而即使按照我國公布的可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃，確定到2020年水電裝機(jī)容量要達(dá)到3億千瓦，國內(nèi)11年內(nèi)將新增單機(jī)容量50千瓦以上的大型水電機(jī)組近300臺，每年平均新裝25臺50萬千瓦及以上大型水電機(jī)組。若按2020年達(dá)到3.8億千瓦的裝機(jī)容量，我國所需的水輪機(jī)及輔機(jī)設(shè)備將進(jìn)一步增加，我國水輪機(jī)及輔機(jī)行業(yè)發(fā)展前景廣闊。2、工程背景及水輪機(jī)葉片簡介圖 1、為某型水輪機(jī)葉片的CAD模型。在發(fā)電工作工程中水流由進(jìn)水口流向出水口，葉片承受水流的沖刷從而開始運動，這種運動通過傳動軸傳遞到發(fā)電機(jī)

6、，從而帶動發(fā)電機(jī)工作發(fā)電。但是水輪機(jī)在工作僅僅一年多時間以后，就有數(shù)片葉片發(fā)生了疲勞斷裂事故，使得水輪機(jī)不能正常工作發(fā)電，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失，同時也說明水輪機(jī)葉片在結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面確實存在不完善之處。然而，由于水輪機(jī)在水下進(jìn)行工作，很難通過測量得方法獲得葉片上應(yīng)力和位移的分布情況，也就無法知道葉片為何會斷裂，無法有效的改善葉片的幾何結(jié)構(gòu)。 圖 1、為某型水輪機(jī)葉片的CAD模型3、納米復(fù)合材料（EP/SiO-2-TiO-2）簡介 環(huán)氧樹脂（EP）是一種用途極廣的高分子材料,廣泛用于澆注材料、粘接劑、涂料、復(fù)合材料等領(lǐng)域,由于環(huán)氧樹脂具有高的交聯(lián)結(jié)構(gòu),因而存在拉伸強(qiáng)度低、脆性大、抗沖擊韌性差等缺點

7、,難以滿足工程技術(shù)的要求,使其應(yīng)用受到一定的限制。人們嘗試用多種方法對其進(jìn)行改性，但在環(huán)氧樹脂固化增韌改性的同時,卻降低了體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 和儲能模量。近年來,以剛性納米無機(jī)粒子增強(qiáng)增韌環(huán)氧樹脂的報道不斷增多，但其增韌的幅度不大。而本文介紹的納米復(fù)合材料（EP/SiO-2-TiO-2），該材料含有柔性鏈和材料剛性無機(jī)網(wǎng)絡(luò)。柔性鏈作為增韌相,能有效提高環(huán)氧樹脂的韌性，其中材料 剛性無機(jī)網(wǎng)絡(luò)能補(bǔ)償柔性鏈增韌時所帶來的模量損失，同時，還能提高材料的韌性。兩者之間的“協(xié)同作用”，既可使環(huán)氧樹脂的沖擊強(qiáng)度有較大幅度的提高，又可使改性體系具有足夠高的玻璃化溫度和模量。4、納米復(fù)合材料（EP/SiO-2

8、-TiO-2）的力學(xué)性能對固化體系沖擊性能和彎曲性能的影響 含量對固化體系沖擊性能和彎曲性能的影響和列出了用量及含量對固化體系沖擊性能和彎曲性能的影響情況,當(dāng)?shù)挠昧繛?, 含量為 時,沖擊強(qiáng)度提高3倍左右。當(dāng)和用量不變, 固化體系的沖擊強(qiáng)度隨的用量而提高,但加入量大于后,反而對改性不利。而當(dāng)固定用量不變,改變和用量,固化體系的沖擊強(qiáng)度也有所改變,因此, 和、對固化體系的沖擊強(qiáng)度起到“協(xié)同作用”的效果。為 用量為時, 不同含量對彎曲強(qiáng)度和模量的影響, 當(dāng)含量為時, 彎曲強(qiáng)度和模量達(dá)到最大值。這是由于: 一方面, 含有柔性的擴(kuò)鏈脲,可鍵合到緊密的環(huán)氧樹脂交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中,并在固化過程中產(chǎn)生微觀相分離,形

9、成了緊密、疏松相間的兩相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu); 另一方面, 網(wǎng)絡(luò)造成界面應(yīng)力集中,容易引發(fā)周圍基體樹脂產(chǎn)生更多的微裂紋,吸收一定的變形功,兩方面的綜合作用使材料的沖擊強(qiáng)度提高,因此能吸收更多的外界能量而增韌。5、柔性葉片潮流能水輪機(jī)的提出柔性葉片潮流能水輪機(jī)的提出是基于對帆船運動的觀察與深入思考。帆船借助柔性帆不但能夠順風(fēng)行駛，而且可以迎風(fēng)向前，順風(fēng)行駛?cè)菀桌斫猓L(fēng)前進(jìn)需要空氣動力學(xué)理論來解釋。根據(jù)伯努利方程，對于重力場中的不可壓縮均質(zhì)流體，有：式中 P流體的壓強(qiáng)； 流體的密度； V 流體的速度； z高度； g重力加速度。帆船前進(jìn)的動力風(fēng)，是流動的空氣，是流體。帆船的帆相當(dāng)于一個垂直放置沒有厚度只有拱度

10、的機(jī)翼。當(dāng)氣流以與帆翼翼弦成角度流過帆翼時，帆翼的上表面速度增大，而下表面的速度減小，根據(jù)上述公式 ，流速增大壓強(qiáng)隨之減小、速度減小壓強(qiáng)隨之增大，帆翼兩面流速不同形成了壓強(qiáng)差，產(chǎn)生升力，如圖 2 所示。圖 2 流速與壓強(qiáng)的關(guān)系圖 3 載荷分布帆船迎風(fēng)行駛時帆板載荷分布如圖 3 所示。風(fēng)帆耦合產(chǎn)生升力的合力F作用于帆的壓力中心CE處，其方向與相對風(fēng)W垂直。合力F可以分解為相互垂直的兩個分力。其中沿著帆板首尾線方向的分力L，稱為帆的推力。沿著垂直于板體首尾線方向的分力D，稱為帆的側(cè)向力。推力L使得帆板沿著板體首尾線方向運動，側(cè)向力D使帆板產(chǎn)生側(cè)向漂移，使得帆板的航向與板體首尾線方向產(chǎn)生一個夾角。帆

11、板的航向CK與板體首尾線之間的夾角 稱為漂角。同時，置于水中的板體也受到水的作用。設(shè)作用在板體上壓力的合力為R，作用于板體的水壓中心CLR上。合力R同樣可以分解成相互垂直的兩個分力RX和RY。分力RY與帆板的運動方向相反，稱為迎面阻力；分力RX與帆板的運動方向基本垂直，稱為板體的側(cè)向力。從受力分析可知，作用在帆上的推力L和側(cè)向力D分別為：推動帆船前進(jìn)的力：由上式，當(dāng)帆船迎風(fēng)行駛時，通過調(diào)節(jié)風(fēng)向角和帆角，可以使帆獲得的推力L大于帆板的迎面阻力RY，從而使帆船迎風(fēng)向前運動。在空氣中風(fēng)帆能夠獲得良好的空氣動力學(xué)性能，同時考慮到很多潮流能水輪機(jī)模型實驗研究在風(fēng)洞中開展的范例，那么將風(fēng)帆材料作為潮流能水

12、輪機(jī)的葉片是否同樣會產(chǎn)生良好的水動力學(xué)性能？基于對這個問題的思考，提出了柔性葉片潮流能水輪機(jī)的構(gòu)想。首先設(shè)計制作了小型柔性葉片模型轉(zhuǎn)子，如下圖 4 所示，并在風(fēng)場中進(jìn)行了驗證性實驗，發(fā)現(xiàn)在 15m/s風(fēng)速下，發(fā)電電壓達(dá)到 98V，實驗結(jié)果顯示，在能量密度較低的風(fēng)場中柔性葉片轉(zhuǎn)子能夠穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。自此柔性葉片潮流能水輪機(jī)的概念提出，開始對其水動力學(xué)性能進(jìn)行研究。圖 4 柔性葉片模型轉(zhuǎn)子6、 柔性葉片潮流能水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點柔性葉片水輪機(jī)的主要工作部件包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸、垂直主軸截面為正多邊形的葉片固定支架、支架相鄰面上間隔相互交錯布置的柔性葉片、輔助支撐以及必要的聯(lián)接機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)等。其中，葉片的作用是吸

13、收潮流的動能。在水流的沖擊下，葉片旋轉(zhuǎn)，并通過轉(zhuǎn)軸帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，將潮流動能轉(zhuǎn)換為電能輸出，它是實現(xiàn)潮流能轉(zhuǎn)換和發(fā)電的最重要的水動力構(gòu)件。轉(zhuǎn)軸又稱為水輪機(jī)的主軸，其主要作用是用來傳動，即將葉片的轉(zhuǎn)動通過一定的傳動機(jī)構(gòu)傳遞給發(fā)電機(jī)，并最終帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動發(fā)電。葉片固定支架也是水輪機(jī)的支撐骨架，一般采用桁架結(jié)構(gòu)，保證較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時減小水輪機(jī)重量，方便運輸和安裝。支架包括兩端的放射狀多邊形輪輻和葉片固定桿，連接各固定桿中心可構(gòu)成正多邊形，是柔性葉片水輪機(jī)的主要組成部分之一。柔性葉片基本形狀為三角形，具有兩種固定方式：固定兩等腰邊而讓底邊自由形成一定的弧度，呈兜狀，稱為柔兜式柔性葉片，如下圖所示；將

14、底邊和其對應(yīng)的頂點固定在兩相鄰邊水輪機(jī)支架上，并使其具有一定的弧度，呈帆翼狀，稱為帆翼式柔性葉片，如下圖 5 所示。葉片厚度相對于其面積可以忽略不計，則柔性葉片可看作沒有厚度只有拱度的帆翼。由于葉片固定方式的不同，由此構(gòu)成的柔兜式柔性葉片水輪機(jī)和帆翼式柔性葉片水輪機(jī)水動力性能差別較大，后面將分別進(jìn)行實驗和性能比較。圖 5 柔性葉片潮流能水輪機(jī)上的葉片安裝方式 裝在柔性葉片潮流能水輪機(jī)上的葉片有全葉片和半葉片，目的是為了葉片交錯布置而不相互遮擋。為提高轉(zhuǎn)子受力均衡性，全葉片采用等腰三角形，半葉片為沿全葉片底邊對應(yīng)高線分割后的部分，成對使用且間隔布置在轉(zhuǎn)子兩端。以六邊形水輪機(jī)為例，采用兩種不同柔性

15、葉片固定方式的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，如下圖 6 所示。當(dāng)水輪機(jī)軸向長度較大時，固定桿受力較大，可以設(shè)置輔助支撐（如放射狀固定桿支撐裝置），提高支撐桿的支撐剛度。圖 6 柔性葉片固定方式的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)7、柔性葉片潮流能水輪機(jī)水動力學(xué)性能研究圖 7 柔性葉片潮流能水輪機(jī)水動力學(xué)分析柔性葉片潮流能水輪機(jī)在水流中處在圖 a)狀態(tài)，葉片在 1 位置時，迎角 =45°時，此刻葉片受到的升力為主要驅(qū)動力，阻力很??；葉片在位置 2 時，升力亦較大，是主要驅(qū)動力；葉片在 3、4 位置時，受到的阻力為主要驅(qū)動力，升力幾乎為零。當(dāng)潮流能水輪機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，到達(dá)圖 b)所示位置，即原來在位置 1 的葉片到達(dá) 5位置，葉片迎

16、角 =0°，則原來處于 1、3 位置的葉片因無法承受切向壓力而無固定外形，呈現(xiàn) 5、7 位置處形態(tài)，其承受的阻力和升力均趨于 0；而原來位于 2、4 位置的葉片分別到達(dá) 6、8 位置時，受到的升力成為主要驅(qū)動力。 葉片繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，5、7 位置葉片將經(jīng)歷大變形過程，驅(qū)動力會突然增大，對潮流能水輪機(jī)的運動造成一定沖擊，但增大轉(zhuǎn)子多邊形數(shù)就很好的避免了這個缺點。葉片大變形之后，會重復(fù)經(jīng)歷圖 a)所示的受力過程?？梢?，葉片交替受到升力、阻力作用，且阻力和升力是相互替代、此消彼長的關(guān)系，在大部分位置充當(dāng)柔性葉片潮流能水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力，四個或者多個葉片受轉(zhuǎn)矩的疊加使潮流能水輪機(jī)主軸受到方向恒定的

17、轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩方向不因來流方向變化，僅由葉片安裝方式?jīng)Q定，即帆翼式潮流能水輪機(jī)向固定邊方向旋轉(zhuǎn)，柔兜式潮流能水輪機(jī)向自由邊反方向旋轉(zhuǎn)，這是柔性葉片潮流能水輪機(jī)重要的水動力學(xué)性能之一。8、結(jié)論經(jīng)過上述資料的查閱及討論，得出以下結(jié)論：（1）采用含有柔性鏈的改性環(huán)氧樹脂, 所制得的水輪機(jī)葉片制作工藝納米復(fù)合材料,具有較高的儲能模量和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,材料的沖擊強(qiáng)度可提高倍?？梢宰鳛槌绷髂芩啓C(jī)柔性葉片的制備材料。（2）柔性葉片水輪機(jī)運動特性。表現(xiàn)為單向旋轉(zhuǎn)和低起轉(zhuǎn)流速特性，柔性葉片水輪機(jī)旋向與來流方向無關(guān)，僅與葉片安裝方式有關(guān)，柔兜式水輪機(jī)向自由邊反方向旋轉(zhuǎn)，帆翼式水輪機(jī)朝固定邊方向旋轉(zhuǎn)。該特性與海洋潮

18、流能往復(fù)流動特性相符，若在實際工程應(yīng)用中采用豎軸安裝方式，優(yōu)勢更為明顯；實驗證實柔性葉片水輪機(jī)具有較低的啟動流速，并具有低轉(zhuǎn)速大扭矩的特性，在我國相對較低流速條件下具有良好的應(yīng)用前景。9、參考文獻(xiàn) 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

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