水轮机柔性叶片

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1、武汉大学工程化学读书报告科 目水轮机柔性叶片一纳米复合材料(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月水轮机柔性叶片一纳米复合材料(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,水轮机制造业一直探索采用 五轴联动数控加工大型

2、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( EP/SiO-2-TiO-2) 的性能及在潮流能水轮机叶片上的应用。纳米 复合材料( EP/SiO-2-TiO-2) 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

3、米复合材料( EP/SiO-2-TiO-2) ； 改性； 效率； 水轮机叶片； 水轮机 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

4、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

5、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

6、、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，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。进水汩出水口传朋轴图 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

7、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,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 E 和储能模 r量E。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 SiO-2-TiO-2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 SiO-2-

8、TiO-2 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-TiO-2 )的力学性能丁血.Ipre Ju rattan andSiiilplr()(e)回 HLCHSil DG rih小IM 僭jIm阳ec sirenjgili(kj/m1aIU0im化曇羸11. 5121 462IflCL 3D4. 0202. 5531 423im1 95a. a20H.脯M T4IflO2 6Ds. a2D3. 575iw3.

9、2510.02D4.002J 18hiooL ID4ID2.0227.总1L 3D4. aJ52.3129. 30BIM)L 3D42S2.7B3L 75kpacpiilijOKi cnndibraf n ifeO) -ra I TTlB JF I Ly wl HCLKTBT) 0. OS; hm!x a r*d 1i tiDLi cnntenhh ew cdnul akrd.町亡ti口(J y.Tab.1PEG-Si(OC2H5)32 对固化体系冲击性能和弯曲性能的影响至ejtsnpoElmuzE J債工晶呂=二En so匚510咄 -Fig 2 TIierdtiLhilSiCV TjCk

10、COilleiiB 血口1 flex-ui rd! S-l rTinllis., (1 eiur. irmd ul li S-Fig. 2 SiO2-TiO2含量对固化体系冲击性能和弯曲性能的影响Tab. 1和Fig.2列出了 PEG-Si( OC2H5 ) 3 2用量及SiO2-TiO2含量对固化体系冲击 性能和弯曲性能的影响情况，当PEG-Si( OC9H_)39的用量为20% , SiO -TiO含量 2 53 222为2.55%时,冲击强度提高3倍左右。当TEOS和TBT用量不变，固化体系的冲击强度随 PEG-Si(OC2H5)32 的用量而提高，但加入量大于20%后，反而对改性不利。

11、而当固定 PEG-Si( OC2H5 ) 3 2用量不变，改变TEOS和TBT用量，固化体系的冲击强度也有所改变 因此，PEG-Si( OC2H5)32和TEOS、TBT对固化体系的冲击强度起到“协同作用”的 效果。Fig.2为PEG-Si(OC2H5)32用量为20%时，不同SiO2-TiO2含量对弯曲强度和 模量的影响，当SiO -TiO含量为3.06%时，弯曲强度和模量达到最大值。这是由于：一 22方面, PEG-Si( OC2H5 ) 32 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,形成了紧密、疏松相间的两相网络结构; 另一方面, SiO -

12、TiO 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 22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。15、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:P十pgz十丄pv1 匸式中 P流体的压强；P流体的密度；V 流体的速度；z高度；g重力加速度。帆船前进的动力一一风，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 度只有拱度的机

13、翼。当气流以与帆翼翼弦成a角度流过帆翼时，帆翼的上表面速度增大，而表面的速度减小，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。

14、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：L = P sin 卩D = P cos 卩推动帆船前进的力：%谨二E-% =Psin/?-i?r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

15、潮流 能水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