風(fēng)機(jī)葉片制造技術(shù)

1、風(fēng)機(jī)葉片制造技術(shù)一一真空灌注成型技術(shù)風(fēng)電技術(shù)專題 2010-01-05 08:33 閱讀53評論1字號：大中小世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀隨著國際原油價(jià)格持續(xù)高漲及京都議定書的實(shí)施，產(chǎn)業(yè)化條件最為成熟的風(fēng)力發(fā)電成為歐美等發(fā) 達(dá)國家推動可再生能源發(fā)展的首選項(xiàng)目。風(fēng)能不僅充沛和廉價(jià)，而且也是目前最有開發(fā)利用前景的一種可 再生能源。20世紀(jì)80年代風(fēng)電的成本為40美分/kWh,現(xiàn)在降為35美分/kWh,隨著技術(shù)設(shè)備的改善， 成本還可在目前的基礎(chǔ)上再降低3050%。正因?yàn)榇?，全世界風(fēng)力發(fā)電每年以30%左右的速度增長。世界上很多國家尤其是發(fā)達(dá)國家，已充分認(rèn)識到風(fēng)電在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境污染等方面的重 要性，對風(fēng)電

2、的開發(fā)給予了高度重視，裝機(jī)規(guī)模持續(xù)高速增長。2006年累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)最多的10個(gè)國家占 世界風(fēng)電裝機(jī)的85%，與2005年相比，德國、美國和西班牙保持了前3名的地位，中國則從第八名升到 第六名。中國新增裝機(jī)容量（不包含臺灣省裝機(jī)）為1.347GW，處于亞洲第二，2006年風(fēng)力發(fā)電市場較 2005年成長超過3倍，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)2.604GW，排行全球第六大市場。其市場驅(qū)動力主要源自2006 年1月1日生效的“可再生能源法”。單機(jī)容量是風(fēng)電機(jī)組技術(shù)水平的標(biāo)志。全球兆瓦級機(jī)組的市場份額明顯增大，1997年及以前還不 到10%，2001年則超過50%，2002年達(dá)到62.1 %，2003年達(dá)到71.4%

3、。2003年安裝的風(fēng)電機(jī)組平均 單機(jī)容量達(dá)到1.2MW。2006年安裝的機(jī)組增均單機(jī)容量約為1.5MW，而10年前只有500kW。我國風(fēng)電 機(jī)組單機(jī)容量也從600kW逐步走向兆瓦級轉(zhuǎn)變。更大型、性能更好的機(jī)組也已經(jīng)開發(fā)出來，并投入生產(chǎn)試 運(yùn)行。由于更多國家致力于風(fēng)能的開發(fā)利用，預(yù)計(jì)這種世界范圍的快速增長將持續(xù)下去。除了風(fēng)電大國丹 麥、德國、西班牙和美國外，很多其它國家包括英國、法國、巴西和中國也制定了雄心勃勃的風(fēng)電發(fā)展計(jì) 劃。風(fēng)機(jī)葉片2.1風(fēng)機(jī)葉片材料風(fēng)機(jī)葉片材料的強(qiáng)度和剛度是決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。目前，風(fēng)機(jī)葉片所用材料已由 木質(zhì)、帆布等發(fā)展為金屬（鋁合金）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳

4、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。玻璃鋼葉片材料 因?yàn)橹亓枯p、比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、價(jià)格比較便宜等因素，成為大中型風(fēng)機(jī)葉片材料的首選。然而，隨 著風(fēng)機(jī)葉片朝著超大型化和輕量化的方向發(fā)展，玻璃鋼復(fù)合材料開始達(dá)到其使用性能的極限，碳纖維維復(fù) 合材料（CFRP）逐漸開始應(yīng)用到超大型風(fēng)機(jī)葉片中。具體而言，由于應(yīng)用場合的不同，風(fēng)機(jī)葉片材料的選擇也會有所不同。一般較小型的葉片（如22 m以下）選用量大價(jià)廉的E-玻纖增強(qiáng)塑料（GFRP），樹脂基體以不飽和聚酯為主，也可選用乙烯酯或環(huán)氧 樹脂；而較大型的葉片（如42m以上）一般采用CFRP或CF與GF混雜的復(fù)合材料，樹脂基體以環(huán)氧樹 脂為為主。目前商品化的大型風(fēng)力機(jī)葉片大多

5、采用玻璃纖維復(fù)合材料（GRP）。長度大于40m葉片可以采 用碳/?；祀s復(fù)合材料，但由于碳纖維的價(jià)格較高，未能推廣應(yīng)用。2.2 風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是要通過空氣動力學(xué)分析，充分利用復(fù)合材料的性能，使大型葉片以最 小的質(zhì)量獲得最大的掃風(fēng)面積，從而使葉片具有更高的捕捉風(fēng)的能力。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率的增大， 風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量和費(fèi)用隨著長度的增加也迅速增加，如何通過新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和提高材料的性能來降低 葉片的質(zhì)量至關(guān)重要。在玻璃鋼葉片的結(jié)構(gòu)形式中，葉片剖面及根端構(gòu)造的設(shè)計(jì)最為重要。選擇葉剖面及根端形式，要 考慮玻璃鋼葉片的結(jié)構(gòu)性能、材料性能及成型工藝。風(fēng)機(jī)葉片要承受較高的載荷，通常要考慮

6、5060m/s 的極限風(fēng)載。為提高葉片的強(qiáng)度和剛度，防止局部失穩(wěn)，玻璃鋼葉片大都采用主梁加氣動外型的結(jié)構(gòu)形式。 主梁承擔(dān)大部分彎曲載荷，而外殼除滿足氣動性能外，也承擔(dān)部分彎曲載荷。主梁常用D型、0型、矩形 和雙拼槽鋼等形式。隨著葉片尺寸的不斷增加，其生產(chǎn)和制造過程中產(chǎn)生了一些在以往中小型中片生產(chǎn)中未曾碰到過 的新問題，大型模具問題便是其一。大型復(fù)合材料葉片的外形尺寸與其制造模具有著極其密切的關(guān)系。為 保證復(fù)合材料葉片設(shè)計(jì)外形和尺寸精度，葉片長度越長，成型時(shí)對模具剛度和強(qiáng)度的要求就越高，模具的 重量和成本也會大幅度提高。為減輕模具重量，降低模具成本，大型復(fù)合材料葉片的制造模具基本是用復(fù) 合材料模

7、具，這意味著葉片可以做得更長。葉片的成型工藝現(xiàn)在的葉片成型工藝一般是先在各專用模具上分別成型葉片蒙皮、主梁及其他部件，然后在主模 具上把兩個(gè)蒙皮、主梁及其它部件膠接組裝在一起，合模加壓固化后制成整體葉片。具體成型工藝又大致 可分為七種：手糊；真空灌注成型；樹脂傳遞模塑（RTM）；樹脂浸漬工藝（SCRMIP）；纖 維纏繞工藝（FW）木纖維環(huán)氧飽和工藝（WEST）；模壓。上述工藝中，、和是開模成型 工藝，而、和是閉模模塑工藝。傳統(tǒng)的葉片生產(chǎn)一般采用開模工藝，生產(chǎn)過程中會有大量的苯乙烯等揮發(fā)性有毒氣體產(chǎn)生，給操 作者和環(huán)境帶來危害。另一方面，隨著葉片尺寸的增加，為保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)和塔架安全，必須保

8、證葉 片重量輕且質(zhì)量分布均勻，這就促使葉片生產(chǎn)工藝由開模向閉模發(fā)展。采用閉模工藝，如現(xiàn)在常用的真空 灌注成型工藝，不但可大幅降低成型過程中苯乙烯的揮發(fā)，且更易精確控制樹脂含量，從而保證復(fù)合材料 葉片質(zhì)量分布的均勻性，可提高葉片的質(zhì)量穩(wěn)定性。下面詳細(xì)介紹一下真空灌注成型工藝。真空灌注成型工藝是將纖維增強(qiáng)材料直接鋪放在模具上，在 纖維增強(qiáng)材料上鋪設(shè)一層剝離層，剝離層通常是一層很薄的低孔隙率、低滲透率的纖維織物，剝離層上鋪 放高滲透介質(zhì)，然后用真空薄膜包覆及密封。樹脂灌注體系如圖1所示，模具用薄膜包覆密封，真空泵抽 氣至負(fù)壓狀態(tài)。各鋪層如圖1所示，脫模布為一層易剝離的低孔隙率的纖維織物，導(dǎo)流布為高滲

9、透率的介 質(zhì)，導(dǎo)流管分布在導(dǎo)流布的上面。樹脂通過進(jìn)膠管進(jìn)入整個(gè)體系，通過導(dǎo)流管引導(dǎo)樹脂流動的主方向，導(dǎo) 流布使樹脂分布到鋪層的每個(gè)角落，固化后剝離脫模布，從而得到密實(shí)度高，含膠量低的鋪層結(jié)構(gòu)。由于整個(gè)工裝系統(tǒng)是密閉的，在真空灌注成型中有機(jī)揮發(fā)物非常少，改善了勞動條件，減少了操作 者與有害物質(zhì)的接觸，滿足了人們對環(huán)保的要求，改善了工作環(huán)境，工藝操作簡單。同時(shí)從制品性能上來 說，真空輔助可充分消除氣泡，降低制品空隙率，能有效控制產(chǎn)品的含膠量，生產(chǎn)受人為因素影響小，產(chǎn) 品的質(zhì)量穩(wěn)定性高，重現(xiàn)性能好，制品的表觀質(zhì)量好，鋪層相同且厚度薄，強(qiáng)度高，相對于手糊成型拉伸 強(qiáng)度提高20%以上。該工藝對模具要求不

10、高，模具制作相對簡單。與傳統(tǒng)工藝相比，其模具成本可以降低50 一 70%。真空灌注成型工藝對樹脂粘度的要求較為嚴(yán)格，一般粘度控制在300cps以下。所選的樹脂應(yīng)具有較 好的力學(xué)性能、耐腐蝕和固化收縮小。增強(qiáng)材料要求對樹脂的流動阻力小、浸潤性好、機(jī)械強(qiáng)度高、鋪覆 性好(增強(qiáng)材料無皺折、無斷裂、無撕裂的情況下能夠容易地制成與工作相同形狀)、質(zhì)量均勻性好，工藝流程見圖2。真空灌注成型工藝制備風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片的關(guān)鍵有：優(yōu)選浸滲用的基體樹脂。特別要保證樹脂 的最佳粘度及其流動性；模具設(shè)計(jì)必須合理。特別對模具上樹脂注入孔的位置、流通分布更要注意，確 ?；w樹脂能均衡地充滿任何一處；工藝參數(shù)要最佳化。真空灌

11、注成型工藝的工藝參數(shù)要事先進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 研究，保證達(dá)到最佳化；增強(qiáng)材料在鋪放過程中保持平直，以獲得良好的力學(xué)性能，同時(shí)注意盡可能減 少復(fù)合材料中的孔隙率。樹脂粘度對真空灌注成型的板材強(qiáng)度影響很大。降低粘度后樹脂浸潤好。低樹脂含量可使板材的強(qiáng)度大幅度提高。同時(shí)，在真空灌注成型工藝中樹脂粘度是影響進(jìn)浸膠速率的重要因素之一。粘度降低，樹脂流動性好，浸膠速率大大提高，增強(qiáng)材料對樹脂的浸潤性好壞直接影響產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。一般來說，對于真空灌注成型工藝，連續(xù)氈優(yōu)于短切氈，編織布好于方格布，連續(xù)氈和編織布有利于樹脂在整個(gè)密閉體系中的流動。若生產(chǎn)碳纖維制品，選材時(shí)應(yīng)考慮用與碳纖維浸潤性好的樹脂。凝膠時(shí)間的控制也是真

12、空灌注成型成功的一個(gè)重要因素。凝膠時(shí)間太短樹脂較難填滿整個(gè)模腔， 凝膠時(shí)間過長將產(chǎn)生流膠現(xiàn)象，同時(shí)會影響產(chǎn)品的脫模時(shí)間。模腔充滿后1020min凝膠比較合適，確保 樹脂充模后能充分地浸潤纖維鋪層，消除氣泡，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。總結(jié)與展望風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展依賴于生產(chǎn)制造大量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)離不開葉片，而制造葉片則需要 復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的支撐。對我國的復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)來說，風(fēng)力發(fā)電是一個(gè)難得的機(jī)遇。選擇最佳的材料體系和 制造工藝，制造出質(zhì)量上乘的復(fù)合材料葉片，滿足快速發(fā)展的風(fēng)力發(fā)電的需求，這是我們追求的目標(biāo)。目前來看，改進(jìn)的真空灌注成型工藝以及碳/玻混雜復(fù)合材料葉片的研究及新概念、新工藝將成為 引領(lǐng)風(fēng)電葉片研究和制造的新熱點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1李祖華，風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀和復(fù)合材料在風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用J.高科技纖維與應(yīng)用，2008,4(2):28-3 3.2潘藝,周鵬展，王進(jìn)等風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片技術(shù)發(fā)展概述J.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),