1、武 漢 大 學工程化學讀書報告 科 目 水輪機柔性葉片納米復合 材料（EP/SiO-2-TiO-2） 指導老師 羅立新老師 組 長 陳 才 成 員 段玉杰 白明建 杜嘉宇 學 院 水利水電學院 班 級 本科生2013級水電4班 2016年3月水輪機柔性葉片-納米復合材料（EP/SiO-2-TiO-2） 摘要：水輪機是水力發電的原動機,水輪機轉輪葉片制造質量及其型面的準確性對水電站機組的安全、可靠、經濟運行有著巨大的影響。水輪機轉輪葉片是非常復雜的雕塑曲面體,在大中型機組制造工藝上,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確性和制造質量。近年來,水輪機

2、制造業一直探索采用五軸聯動數控加工大型葉片。在葉片數控加工時,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。隨著制造業的效率的的提高，對水輪機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葉片上的制造運用取得了顯著成果。本文介紹納米復合材料的性能及在潮流能水輪機葉片上的應用。納米復合材料的柔展性對潮流能水輪機葉片尤其是潮流能水輪機，能很好地適應水流作用發生形變，自動調節攻角，并能充分利用與水流間相互耦合作用產生的升力效應和阻力效應做功，獲能效率較高，具有許多剛性葉片所不具備的優點和良好的水動力學性能。關鍵字：納米復合材料； 改性； 效率； 水輪機葉片； 水

3、輪機葉片； 目錄1、緒論- 1 -2、工程背景及水輪機葉片簡介- 1 -3、納米復合材料（EP/SiO-2-TiO-2）簡介- 2 -4、納米復合材料（EP/SiO-2-TiO-2）的力學性能- 3 -5、柔性葉片潮流能水輪機的提出- 4 -6、柔性葉片潮流能水輪機的結構特點- 6 -7、柔性葉片潮流能水輪機水動力學性能研究- 7 -8、結論- 8 -9、參考文獻- 9 -1、緒論 水輪機是把水流的能量轉換為旋轉機械能的動力機械，它屬于流體機械中的透平機械。早在公元前100年前后，中國就出現了水輪機的雛形水輪，用于提灌和驅動糧食加工器械。現代水輪機則大多數安裝在水電站內，用來驅動發電機發電。在

4、水電站中，上游水庫中的水經引水管引向水輪機，推動水輪機轉輪旋轉，帶動發電機發電。作完功的水則通過尾水管道排向下游。水頭越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大。我國水輪機及輔機制造行業綜合實力明顯增加，全行業呈現出蓬勃發展、充滿活力的可喜局面，行業趨好的標志表現在經濟運行質量的提高和經濟效益的顯著增長。2010年，我國水輪機及輔機制造行業規模以上（全年銷售收入在500萬元以上）企業68家，實現銷售收入44.70億元，同比增長2.35%；實現利潤總額3.23億元，同比增長4.16%。2010年，我國水電裝機規模達到2.11億千瓦，新增核準水電規模1322萬千瓦，在建規模7700萬千瓦。根據我國對

5、國際社會做出的“2020年非石化能源將達到能源總量15%”承諾，我國水電行業2020年裝機容量須達到3.8億千瓦。而即使按照我國公布的可再生能源中長期發展規劃，確定到2020年水電裝機容量要達到3億千瓦，國內11年內將新增單機容量50千瓦以上的大型水電機組近300臺，每年平均新裝25臺50萬千瓦及以上大型水電機組。若按2020年達到3.8億千瓦的裝機容量，我國所需的水輪機及輔機設備將進一步增加，我國水輪機及輔機行業發展前景廣闊。2、工程背景及水輪機葉片簡介圖 1、為某型水輪機葉片的CAD模型。在發電工作工程中水流由進水口流向出水口，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電機

6、，從而帶動發電機工作發電。但是水輪機在工作僅僅一年多時間以后，就有數片葉片發生了疲勞斷裂事故，使得水輪機不能正常工作發電，造成了一定的經濟損失，同時也說明水輪機葉片在結構的設計方面確實存在不完善之處。然而，由于水輪機在水下進行工作，很難通過測量得方法獲得葉片上應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構。 圖 1、為某型水輪機葉片的CAD模型3、納米復合材料（EP/SiO-2-TiO-2）簡介 環氧樹脂（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、復合材料等領域,由于環氧樹脂具有高的交聯結構,因而存在拉伸強度低、脆性大、抗沖擊韌性差等缺點

7、,難以滿足工程技術的要求,使其應用受到一定的限制。人們嘗試用多種方法對其進行改性，但在環氧樹脂固化增韌改性的同時,卻降低了體系的玻璃化轉變溫度 和儲能模量。近年來,以剛性納米無機粒子增強增韌環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合材料（EP/SiO-2-TiO-2），該材料含有柔性鏈和材料剛性無機網絡。柔性鏈作為增韌相,能有效提高環氧樹脂的韌性，其中材料 剛性無機網絡能補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“協同作用”，既可使環氧樹脂的沖擊強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、納米復合材料（EP/SiO-2

8、-TiO-2）的力學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,當的用量為 , 含量為 時,沖擊強度提高3倍左右。當和用量不變, 固化體系的沖擊強度隨的用量而提高,但加入量大于后,反而對改性不利。而當固定用量不變,改變和用量,固化體系的沖擊強度也有所改變,因此, 和、對固化體系的沖擊強度起到“協同作用”的效果。為 用量為時, 不同含量對彎曲強度和模量的影響, 當含量為時, 彎曲強度和模量達到最大值。這是由于: 一方面, 含有柔性的擴鏈脲,可鍵合到緊密的環氧樹脂交聯網絡中,并在固化過程中產生微觀相分離,形

9、成了緊密、疏松相間的兩相網絡結構; 另一方面, 網絡造成界面應力集中,容易引發周圍基體樹脂產生更多的微裂紋,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的提出柔性葉片潮流能水輪機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行駛，而且可以迎風向前，順風行駛容易理解，迎風前進需要空氣動力學理論來解釋。根據伯努利方程，對于重力場中的不可壓縮均質流體，有：式中 P流體的壓強； 流體的密度； V 流體的速度； z高度； g重力加速度。帆船前進的動力風，是流動的空氣，是流體。帆船的帆相當于一個垂直放置沒有厚度只有拱度

10、的機翼。當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，根據上述公式 ，流速增大壓強隨之減小、速度減小壓強隨之增大，帆翼兩面流速不同形成了壓強差，產生升力，如圖 2 所示。圖 2 流速與壓強的關系圖 3 載荷分布帆船迎風行駛時帆板載荷分布如圖 3 所示。風帆耦合產生升力的合力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，稱為帆的側向力。推力L使得帆板沿著板體首尾線方向運動，側向力D使帆板產生側向漂移，使得帆板的航向與板體首尾線方向產生一個夾角。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，稱為板體的側向力。從受力分析可知，作用在帆上的推力L和側向力D分別為：推動帆船前進的力：由上式，當帆船迎風行駛時，通過調節風向角和帆角，可以使帆獲得的推力L大于帆板的迎面阻力RY，從而使帆船迎風向前運動。在空氣中風帆能夠獲得良好的空氣動力學性能，同時考慮到很多潮流能水輪機模型實驗研究在風洞中開展的范例，那么將風帆材料作為潮流能水

12、輪機的葉片是否同樣會產生良好的水動力學性能？基于對這個問題的思考，提出了柔性葉片潮流能水輪機的構想。首先設計制作了小型柔性葉片模型轉子，如下圖 4 所示，并在風場中進行了驗證性實驗，發現在 15m/s風速下，發電電壓達到 98V，實驗結果顯示，在能量密度較低的風場中柔性葉片轉子能夠穩定的運轉。自此柔性葉片潮流能水輪機的概念提出，開始對其水動力學性能進行研究。圖 4 柔性葉片模型轉子6、 柔性葉片潮流能水輪機的結構特點柔性葉片水輪機的主要工作部件包括轉子轉軸、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接機構和傳動機構等。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，并通過轉軸帶動發電機轉動，將潮流動能轉換為電能輸出，它是實現潮流能轉換和發電的最重要的水動力構件。轉軸又稱為水輪機的主軸，其主要作用是用來傳動，即將葉片的轉動通過一定的傳動機構傳遞給發電機，并最終帶動發電機轉動發電。葉片固定支架也是水輪機的支撐骨架，一般采用桁架結構，保證較高結構強度的同時減小水輪機重量，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成正多邊形，是柔性葉片水輪機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、底邊和其對應的頂點固定在兩相鄰邊水輪機支架上，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，由此構成的柔兜式柔性葉片水輪機和帆翼式柔性葉片水輪機水動力性能差別較大，后面將分別進行實驗和性能比較。圖 5 柔性葉片潮流能水輪機上的葉片安裝方式 裝在柔性葉片潮流能水輪機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高線分割后的部分，成對使用且間隔布置在轉子兩端。以六邊形水輪機為例，采用兩種不同柔性

15、葉片固定方式的水輪機結構，如下圖 6 所示。當水輪機軸向長度較大時，固定桿受力較大，可以設置輔助支撐（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結構7、柔性葉片潮流能水輪機水動力學性能研究圖 7 柔性葉片潮流能水輪機水動力學分析柔性葉片潮流能水輪機在水流中處在圖 a)狀態，葉片在 1 位置時，迎角 =45°時，此刻葉片受到的升力為主要驅動力，阻力很小；葉片在位置 2 時，升力亦較大，是主要驅動力；葉片在 3、4 位置時，受到的阻力為主要驅動力，升力幾乎為零。當潮流能水輪機繼續旋轉，到達圖 b)所示位置，即原來在位置 1 的葉片到達 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 5、7 位置處形態，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 6、8 位置時，受到的升力成為主要驅動力。 葉片繼續旋轉，5、7 位置葉片將經歷大變形過程，驅動力會突然增大，對潮流能水輪機的運動造成一定沖擊，但增大轉子多邊形數就很好的避免了這個缺點。葉片大變形之后，會重復經歷圖 a)所示的受力過程。可見，葉片交替受到升力、阻力作用，且阻力和升力是相互替代、此消彼長的關系，在大部分位置充當柔性葉片潮流能水輪機的旋轉驅動力，四個或者多個葉片受轉矩的疊加使潮流能水輪機主軸受到方向恒定的

17、轉矩，且轉矩方向不因來流方向變化，僅由葉片安裝方式決定，即帆翼式潮流能水輪機向固定邊方向旋轉，柔兜式潮流能水輪機向自由邊反方向旋轉，這是柔性葉片潮流能水輪機重要的水動力學性能之一。8、結論經過上述資料的查閱及討論，得出以下結論：（1）采用含有柔性鏈的改性環氧樹脂, 所制得的水輪機葉片制作工藝納米復合材料,具有較高的儲能模量和玻璃化轉變溫度,材料的沖擊強度可提高倍。可以作為潮流能水輪機柔性葉片的制備材料。（2）柔性葉片水輪機運動特性。表現為單向旋轉和低起轉流速特性，柔性葉片水輪機旋向與來流方向無關，僅與葉片安裝方式有關，柔兜式水輪機向自由邊反方向旋轉，帆翼式水輪機朝固定邊方向旋轉。該特性與海洋潮

18、流能往復流動特性相符，若在實際工程應用中采用豎軸安裝方式，優勢更為明顯；實驗證實柔性葉片水輪機具有較低的啟動流速，并具有低轉速大扭矩的特性，在我國相對較低流速條件下具有良好的應用前景。9、參考文獻 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 中國科學技術協會，中國能源研究會. 能源科學技術學科發展報告. 北京：中國科學技術出版社，2008. 7 崔民選. 中國能源發展報告. 北京：社會科學文獻出版社，2007. 8 張亮，汪魯兵，李鳳來，張桂湘. 豎軸變攻角潮流發電水輪機性能預報流管模型研究. 哈爾濱工程大學學報，2004，25（3）: 261-266. 9 汪魯兵, 張亮, 李鳳來. 潮流發電水輪機基于動量定理的性能計算方法研究. 海洋工程, 2005, 23(1): 97-102 10 李偉，林勇剛，劉宏偉等. 水平螺旋槳式海流發電技術研究. 中國可再生能源學會海洋能專委會成立大會暨第一屆學術討論會. 杭州, 2008. 8190. 11 A.S. Bahaj, W.M.J. Batten, G. M