風(fēng)力發(fā)電葉片制作工藝介紹.docx

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，其成本約為整個機(jī)組成本的15%-20%。根據(jù)“風(fēng)機(jī)功價比法則”，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率與葉片長度的平方成正比，增加長度可以提高單機(jī)容量，但同時會造成發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量的增加，使其造價大幅度增加。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）樹脂。但隨著大功率發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，葉片長度不斷增加，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，一個旋轉(zhuǎn)直徑為120m的風(fēng)機(jī)的葉片，由于梁的質(zhì)量超過葉片總質(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長的葉片質(zhì)量相同。同樣是34m長的葉片，采用玻璃纖維增強(qiáng)聚脂樹脂時質(zhì)量為5800kg，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時質(zhì)量為5200kg，而采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時質(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)與樹脂材料混合時，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力學(xué)性能，減少對塔和輪軸的負(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，碳纖維葉片更薄，外形設(shè)計(jì)更有效，葉片更細(xì)長，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)速超過時，則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜度來分散超過的風(fēng)力，防止對風(fēng)機(jī)的損害。斜度控制系統(tǒng)對逐步改變的風(fēng)速是有效的。但對狂風(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)時可減少瞬時負(fù)載。美國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，通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。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)輸成本都會下降，可縮小工廠的規(guī)模和運(yùn)輸設(shè)備。8）具有振動阻尼特性碳纖維的振動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脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂與玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過手工鋪放、樹脂注入成型工藝復(fù)合而成。對同一種基體樹脂，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。隨著葉片長度不斷增加，葉片對增強(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。編織法過去大多采用經(jīng)緯交織的機(jī)織物來制作玻/碳纖維基布材料，從承載狀態(tài)上來考慮采用經(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。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、抗開裂和耐疲勞等特點(diǎn)。按編織工藝分,常見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,且全部編織紗都在空間3個方向內(nèi)發(fā)生相對運(yùn)動,因此這種編織方法是一種真正的三維編織工藝。具體編織過程如圖3（a）所示,在一個編織周期中,編織紗沿著正交的2個方向依次進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動,一個完整的編織周期中攜紗器需要完成4個動作,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,此時同時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)成型坯耐樹脂沖刷的能力。2.1.3 RTM工藝樹脂傳遞模塑法簡稱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)備通過較低的成型壓力將專用低粘度樹脂體系注入閉合式型腔,由排氣系統(tǒng)保證樹脂流動順暢,排出型腔內(nèi)的全部氣體和徹底浸潤纖維,由模具的加熱系統(tǒng)使樹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)。同時由于采用低粘度樹脂浸潤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)量僅僅依賴于預(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成型工藝中一個有爭議的問題。低壓注膠可促進(jìn)樹脂對纖維表面的浸潤;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。所以有人贊成在樹脂傳遞初期使用低壓以使樹脂較好地浸潤纖維,而當(dāng)模具型腔中已基本充滿樹脂時使用較大壓力以逐出殘余空氣。但壓力不能太大,否則會引起預(yù)成型坯發(fā)生移動或變形。注膠溫度取決于樹脂體系的活性期和達(dá)到最低粘度的溫度。在不至于過大縮短樹脂凝膠時間的前提下,為了使樹脂能夠?qū)w維進(jìn)行充分的浸潤,注膠溫度應(yīng)盡量接近樹脂達(dá)到最低粘度的溫度。溫度過高會縮短樹脂的活性期，影響樹脂的化學(xué)性質(zhì),進(jìn)而可能影響到制品的力學(xué)性能;溫度過低會使樹脂粘度增大,壓力升高,也阻礙了樹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、樹脂類型的選擇與改性、工藝參數(shù)(如注塑壓力、溫度、樹脂粘度等)的確定與實(shí)施,都需要在產(chǎn)品生產(chǎn)之前通過計(jì)算機(jī)模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來確定。2.1.4 VARTM工藝隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已開發(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脂的同時,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)將樹脂注入到結(jié)構(gòu)層中。這樣不僅增加了樹脂傳遞壓力,排除了模具及樹脂中的氣泡和水分,更重要的是為樹脂在模具型腔中打開了通道,形成了完整通路。另外,無論增強(qiáng)材料是編織的還是非編織的,無論樹脂類型及粘度如何,真空輔助都能大大改善模塑過程中纖維的浸潤效果。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，適用的樹脂粘度更低。SP公司的SPRINT工藝技術(shù)就采用樹脂膜交替夾在碳纖維中，經(jīng)加熱和真空使樹脂向外滲透。樹脂沿鋪層的厚度方向浸漬，浸漬快且充分，同時采用真空加速樹脂的流動。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脂時對溫升的反應(yīng)相同。2.2.2加入碳纖維改進(jìn)隨著葉片長度的增加，對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)葉片中的應(yīng)用逐年增加。但是由于碳纖維比玻璃纖維昂貴，采用100%的碳纖維制造葉片從成本上來說是不合算的。目前國外碳纖維主要是和玻璃纖維混合使用，碳纖維只是用到一些關(guān)鍵的部分。碳纖維在葉片中應(yīng)用的主要部位有，如圖5所示：1)橫梁，尤其是橫梁蓋。2)前后邊緣，除了提高剛度和降低重量外，還起到避免雷擊對葉片造成的損傷。3)葉片的表面，采用具有高強(qiáng)度特性的碳纖維片材。采用三維四步編織術(shù)，主體使用GFR,在圖5所示的5、6、7、8區(qū)域軸向加入CFR,織出與模具形狀一致的預(yù)制件。將預(yù)制件固定在模具中，采用VARTM的方式注入樹脂。