風(fēng)力發(fā)電葉片制作工藝介紹.doc

風(fēng)力發(fā)電葉片制作工藝介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是接受風(fēng)能的最主要部件，其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證發(fā)電機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素，其成本約為整個(gè)機(jī)組成本的15%-20%。根據(jù)“風(fēng)機(jī)功價(jià)比法則”，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率與葉片長(zhǎng)度的平方成正比，增加長(zhǎng)度可以提高單機(jī)容量，但同時(shí)會(huì)造成發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量的增加，使其造價(jià)大幅度增加。1碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用葉片材料的發(fā)展經(jīng)歷了木制、鋁合金的應(yīng)用，進(jìn)入了纖維復(fù)合材料時(shí)代。纖維材料比重輕，疲勞強(qiáng)度和機(jī)械性能好，能夠承載惡劣環(huán)境條件和隨機(jī)負(fù)荷，目前最普遍采用的是玻璃纖維增強(qiáng)聚酯（環(huán)氧）樹(shù)脂。但隨著大功率發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，葉片長(zhǎng)度不斷增加，為了防止葉尖在極端風(fēng)載下碰到塔架，就要求葉片具有更高的剛度。國(guó)外專家認(rèn)為，玻璃纖維復(fù)合材料的性能已經(jīng)趨于極限，不能滿足大型葉片的要求，因此有效的辦法是采用性能更佳的碳纖維復(fù)合材料。1）提高葉片剛度，減輕葉片質(zhì)量碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%，強(qiáng)度大40%，尤其是模量高38倍。大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。荷蘭戴爾弗理工大學(xué)研究表明，一個(gè)旋轉(zhuǎn)直徑為120m的風(fēng)機(jī)的葉片，由于梁的質(zhì)量超過(guò)葉片總質(zhì)量的一半，梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維，和采用全玻璃纖維的相比，質(zhì)量可減輕40%左右；碳纖維復(fù)合材料葉片剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的2倍。據(jù)分析，采用碳纖維玻璃纖維混雜增強(qiáng)方案，葉片可減輕2030。VestaWindSystem公司的V90型3.0MW發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構(gòu)件，葉片質(zhì)量與該公司V80型2.0MW發(fā)電機(jī)且為39m長(zhǎng)的葉片質(zhì)量相同。同樣是34m長(zhǎng)的葉片，采用玻璃纖維增強(qiáng)聚脂樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量為5800kg，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量為5200kg，而采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量比采用玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。2）提高葉片抗疲勞性能風(fēng)機(jī)總是處在條件惡劣的環(huán)境中，并且24h處于工作狀態(tài)。這就使材料易于受到損害。相關(guān)研究表明，碳纖維合成材料具有良好的抗疲勞特性，當(dāng)與樹(shù)脂材料混合時(shí)，則成為了風(fēng)力機(jī)適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一。3）使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡,提高風(fēng)能利用效率使用碳纖維后，葉片質(zhì)量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減少對(duì)塔和輪軸的負(fù)載，從而使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同時(shí)，碳纖維葉片更薄，外形設(shè)計(jì)更有效，葉片更細(xì)長(zhǎng)，也提高了能量的輸出效率。4）可制造低風(fēng)速葉片碳纖維的應(yīng)用可以減少負(fù)載和增加葉片長(zhǎng)度，從而制造適合于低風(fēng)速地區(qū)的大直徑風(fēng)葉，使風(fēng)能成本下降。5）可制造自適應(yīng)葉片葉片裝在發(fā)電機(jī)的輪軸上，葉片的角度可調(diào)。目前主動(dòng)型調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)速為1315m/s(2933英里/h)，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)時(shí)，則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜度來(lái)分散超過(guò)的風(fēng)力，防止對(duì)風(fēng)機(jī)的損害。斜度控制系統(tǒng)對(duì)逐步改變的風(fēng)速是有效的。但對(duì)狂風(fēng)的反應(yīng)太慢了，自適應(yīng)的各向異性葉片可幫助斜度控制系統(tǒng)，在突然的、瞬間的和局部的風(fēng)速改變時(shí)保持電流的穩(wěn)定。自適應(yīng)葉片充分利用了纖維增強(qiáng)材料的特性，能產(chǎn)生非對(duì)稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設(shè)計(jì)，使葉片在強(qiáng)風(fēng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)可減少瞬時(shí)負(fù)載。美國(guó)Sandia National Laboratories致力于自適應(yīng)葉片研究，使1.5MW風(fēng)機(jī)的發(fā)電成本降到4.9美分/(kWh)，價(jià)格可和燃料發(fā)電相比。6）利用導(dǎo)電性能避免雷擊利用碳纖維的導(dǎo)電性能，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效地避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。7）降低風(fēng)力機(jī)葉片的制造和運(yùn)輸成本由于減少了材料的應(yīng)用，所以纖維和樹(shù)脂的應(yīng)用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運(yùn)輸成本都會(huì)下降，可縮小工廠的規(guī)模和運(yùn)輸設(shè)備。8）具有振動(dòng)阻尼特性碳纖維的振動(dòng)阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔架短頻率間發(fā)生任何共振的可能性。2葉片制造工藝及流程2.1三維編織體/VARTM技術(shù)2.1.1材料選擇目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片基本上是由聚酯樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂等熱固性基體樹(shù)脂與玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過(guò)手工鋪放、樹(shù)脂注入成型工藝復(fù)合而成。對(duì)同一種基體樹(shù)脂，采用玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的強(qiáng)度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的性能。隨著葉片長(zhǎng)度不斷增加，葉片對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛性等性能也提出了新的要求，從而對(duì)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度和模量也提出了更高的要求。為了保證葉片能夠安全的承擔(dān)風(fēng)溫度等外界載荷，大型風(fēng)機(jī)葉片可以采用玻璃纖維碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其是在翼緣等對(duì)材料強(qiáng)度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維作為增強(qiáng)材料。這樣，不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導(dǎo)電性，也可以有效地避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。2.1.2三維編織增強(qiáng)材料預(yù)成型加工方法有:手工鋪層、編織法、針織法、熱成型連續(xù)原絲氈法、預(yù)成型定向纖維氈法、Comp Form法和三維編織技術(shù)等。編織法過(guò)去大多采用經(jīng)緯交織的機(jī)織物來(lái)制作玻/碳纖維基布材料，從承載狀態(tài)上來(lái)考慮采用經(jīng)編織物作為增強(qiáng)復(fù)合材料的基布比經(jīng)緯交織的機(jī)織物具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。如圖1所示：圖1、經(jīng)編織物結(jié)構(gòu)圖這類軸向織物由于承受載荷的紗線系統(tǒng)按要求排列并綁縛在一起，因此能夠處于最佳的承載狀態(tài)。另一方面，由于機(jī)織物中的紗線呈波浪形彎曲，再加上紗線自身的捻度，使其模量、拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度都有一定的損失。而軸向技術(shù)使得織物的紗線層能按照特定的方向伸直取向，故每根纖維力學(xué)理論值的利用率幾乎能達(dá)到100%。此外，軸向織物的紗線層層鋪疊，按照不同的強(qiáng)度和剛度要求，可以在織物的同一層或不同層采用不同種類的纖維材料，如玻璃纖維、碳纖維或碳/?；祀s纖維，再按照編織點(diǎn)由編織紗線將其綁縛在一起。除了經(jīng)編軸向織物外,還可以利用緯編綁縛系統(tǒng)開(kāi)發(fā)緯編軸向織物,如圖2所示：圖2、緯編織物結(jié)構(gòu)圖根據(jù)經(jīng)緯編結(jié)構(gòu)的特性,緯編軸向織物較經(jīng)編綁縛結(jié)構(gòu)具有更好的可成型性,因此在風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有極好的應(yīng)用前景。三維編織技術(shù)的發(fā)展是因?yàn)閱蜗蚧蚨蛟鰪?qiáng)材料所制得的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度低,抗沖擊性差,不能用作主受力件。采用三維編織技術(shù)不僅能直接編織復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀的不分層整體編織物,從根本上消除鋪層。三維編織復(fù)合材料采用了三維編織技術(shù),其纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在空間上呈網(wǎng)狀分布,可以定制增強(qiáng)體的形狀,制成的材料渾然一體,不存在二次加工造成的損傷,因此這種材料不僅具備傳統(tǒng)復(fù)合材料所具有的高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn),還具有高損傷容限和斷裂韌性以及耐沖擊、不分層、抗開(kāi)裂和耐疲勞等特點(diǎn)。按編織工藝分,常見(jiàn)的編織材料可分為四步編織法、二步編織法和多層聯(lián)鎖編織法等3類。其中四步編織法發(fā)明最早,應(yīng)用最廣。按編織預(yù)制件的橫截面形狀,三維編織方法可分為矩形編織、圓形編織和異形編織3大類,其中矩形編織工藝適合編織矩形和板狀材料的增強(qiáng)體,而圓形編織適合編織圓形和管型材料的增強(qiáng)體,異形編織則用于編織各種特殊形狀的增強(qiáng)體。只要織物的結(jié)構(gòu)形狀是由矩形組合或是圓或圓的某一部分組合而成,就可以用編織方法一次成型。四步編織法發(fā)明之初,所有的紗線都參加編織運(yùn)動(dòng),且全部編織紗都在空間3個(gè)方向內(nèi)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此這種編織方法是一種真正的三維編織工藝。具體編織過(guò)程如圖3（a）所示,在一個(gè)編織周期中,編織紗沿著正交的2個(gè)方向依次進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),一個(gè)完整的編織周期中攜紗器需要完成4個(gè)動(dòng)作,因此被稱為四步法。如圖3（b）所示,由于結(jié)構(gòu)中所有紗線在空間中的分布只有4個(gè)不同的方向,因此制成的復(fù)合材料被稱為三維四向編織復(fù)合材料。針對(duì)三維編織物的特點(diǎn),RTM工藝是三維編織復(fù)合材料成型的最有效方法。根據(jù)三維編織物的形狀制成模具,將預(yù)成型坯裝入模腔,此時(shí)同時(shí)控制了纖維體積含量和制品形狀；預(yù)成型坯中纖維束間的空隙為樹(shù)脂傳遞提供了通道,而且三維編織體很好的整體性提高了預(yù)成型坯耐樹(shù)脂沖刷的能力。2.1.3 RTM工藝樹(shù)脂傳遞模塑法簡(jiǎn)稱RTM法，是首先在模具型腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)的增強(qiáng)材料預(yù)成型體,采用注射設(shè)備通過(guò)較低的成型壓力將專用低粘度樹(shù)脂體系注入閉合式型腔,由排氣系統(tǒng)保證樹(shù)脂流動(dòng)順暢,排出型腔內(nèi)的全部氣體和徹底浸潤(rùn)纖維,由模具的加熱系統(tǒng)使樹(shù)脂等加熱固化而成型為FRP構(gòu)件。RTM工藝屬于半機(jī)械化的FRP成型工藝,特別適宜于一次整體成型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片,無(wú)需二次粘接。與手糊工藝相比,這種工藝具有節(jié)約各種工裝設(shè)備、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于采用低粘度樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維以及加溫固化工藝,復(fù)合材料質(zhì)量高,且RTM工藝生產(chǎn)較少依賴工人的技術(shù)水平,工藝質(zhì)量?jī)H僅依賴于預(yù)先確定好的工藝參數(shù),產(chǎn)品質(zhì)量易于保證,廢品率低，工藝流程如圖4所示。注膠壓力的選擇一直是RTM成型工藝中一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。低壓注膠可促進(jìn)樹(shù)脂對(duì)纖維表面的浸潤(rùn);高壓注膠可排出殘余空氣,縮短成型周期,降低成本。加大注膠壓力可提高充模速度和纖維滲透率。所以有人贊成在樹(shù)脂傳遞初期使用低壓以使樹(shù)脂較好地浸潤(rùn)纖維,而當(dāng)模具型腔中已基本充滿樹(shù)脂時(shí)使用較大壓力以逐出殘余空氣。但壓力不能太大,否則會(huì)引起預(yù)成型坯發(fā)生移動(dòng)或變形。注膠溫度取決于樹(shù)脂體系的活性期和達(dá)到最低粘度的溫度。在不至于過(guò)大縮短樹(shù)脂凝膠時(shí)間的前提下,為了使樹(shù)脂能夠?qū)w維進(jìn)行充分的浸潤(rùn),注膠溫度應(yīng)盡量接近樹(shù)脂達(dá)到最低粘度的溫度。溫度過(guò)高會(huì)縮短樹(shù)脂的活性期，影響樹(shù)脂的化學(xué)性質(zhì),進(jìn)而可能影響到制品的力學(xué)性能;溫度過(guò)低會(huì)使樹(shù)脂粘度增大,壓力升高,也阻礙了樹(shù)脂正常滲入纖維的能力。注射溫度和模具預(yù)熱溫度的選擇要結(jié)合增強(qiáng)體的特性及模具中的纖維量等綜合考慮。RTM工藝的技術(shù)含量高,無(wú)論是模具設(shè)計(jì)和制造、增強(qiáng)材料的設(shè)計(jì)和鋪放、樹(shù)脂類型的選擇與改性、工藝參數(shù)(如注塑壓力、溫度、樹(shù)脂粘度等)的確定與實(shí)施,都需要在產(chǎn)品生產(chǎn)之前通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)確定。2.1.4 VARTM工藝隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出多種較先進(jìn)的工藝，如預(yù)浸料工藝、機(jī)械浸漬工藝及真空輔助灌注工藝。真空輔助灌注成型工藝是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種改進(jìn)的RTM工藝。它多用于成型形狀復(fù)雜的大型厚壁制品。真空輔助是在注射樹(shù)脂的同時(shí),在排氣口接真空泵,一邊注射一邊抽真空,借助于鋪放在結(jié)構(gòu)層表面的高滲透率的介質(zhì)引導(dǎo)將樹(shù)脂注入到結(jié)構(gòu)層中。這樣不僅增加了樹(shù)脂傳遞壓力,排除了模具及樹(shù)脂中的氣泡和水分,更重要的是為樹(shù)脂在模具型腔中打開(kāi)了通道,形成了完整通路。另外,無(wú)論增強(qiáng)材料是編織的還是非編織的,無(wú)論樹(shù)脂類型及粘度如何,真空輔助都能大大改善模塑過(guò)程中纖維的浸潤(rùn)效果。所以,真空輔助RTM(VARTM)工藝能顯著減少最終制品中夾雜物和氣泡的含量,就算增大注入速度也不會(huì)導(dǎo)致孔隙含量增加,從而提高制品的成品率和力學(xué)性能。用真空灌注工藝生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料存在困難。碳纖維比玻纖更細(xì)，表面更大，更難有效浸漬，適用的樹(shù)脂粘度更低。SP公司的SPRINT工藝技術(shù)就采用樹(shù)脂膜交替夾在碳纖維中，經(jīng)加熱和真空使樹(shù)脂向外滲透。樹(shù)脂沿鋪層的厚度方向浸漬，浸漬快且充分，同時(shí)采用真空加速樹(shù)脂的流動(dòng)。2.2葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程2.2.1常規(guī)制備流程1)制造外殼和主梁外殼由玻璃鋼在模具內(nèi)進(jìn)行制造，主梁在真空袋中高溫澆注而成；2)安置模具，在模具內(nèi)噴涂膠衣樹(shù)脂，形成葉片的保護(hù)表面；3)把外殼放入模具中，并鋪覆玻璃纖維；4)安裝主梁，起到支撐作用；5)安裝泡沫材料；6)在泡沫材料上鋪覆玻璃纖維；7)在玻璃纖維和泡沫材料上鋪放真空膜；8)灌注樹(shù)脂，并進(jìn)行高溫真空澆注；9)取下真空膜；10)用相同方法制成另外一半殼體；12)安裝腹板(腹板為夾層結(jié)構(gòu))；13)安裝避雷裝置等；14)安置主模具，在殼體邊緣和腹板上涂膠粘劑，粘合兩殼體；15)加熱，使玻璃纖維更硬；16)葉片脫模，進(jìn)行最終加工(切割和打磨)。模具由符合材料制作而成，這樣模具更輕，剛度更高。另外，用同種材料制造的葉片和其模具在灌注樹(shù)脂時(shí)對(duì)溫升的反應(yīng)相同。2.2.2加入碳纖維改進(jìn)隨著葉片長(zhǎng)度的增加，對(duì)材料剛度提出了更高的要求。玻璃纖維復(fù)合材料的性能已經(jīng)達(dá)到應(yīng)用極限，不能有效滿足材料要求，因此碳纖維在風(fēng)機(jī)葉片