风力发电叶片制作工艺介绍.docx

风力发电叶片制作工艺介绍风力发电机叶片就就是接受风能得最主要部件,其良好得设计、可靠得质量与优越得性能就就是保证发电机组正常稳定运行得决定因素，其成本约为整个机组成本得15-20%。根据“风机功价比法则”，风力发电机得功率与叶片长度得平方成正比,增加长度可以提高单机容量,但同时会造成发电机得体积与质量得增加，使其造价大幅度增加。1碳纤维在风力发电机叶片中得应用叶片材料得发展经历了木制、铝合金得应用,进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻,疲劳强度与机械性能好，能够承载恶劣环境条件与随机负荷,目前最普遍采用得就就是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。但随着大功率发电机组得发展,叶片长度不断增加,为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高得刚度。国外专家认为,玻璃纤维复合材料得性能已经趋于极限,不能满足大型叶片得要求,因此有效得办法就就是采用性能更佳得碳纤维复合材料。1)提高叶片刚度,减轻叶片质量碳纤维得密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%,尤其就就是模量高38倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质得优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明,一个旋转直径为120m得风机得叶片,由于梁得质量超过叶片总质量得一半,梁结构采用碳纤维，与采用全玻璃纤维得相比,质量可减轻40左右;碳纤维复合材料叶片刚度就就是玻璃纤维复合材料叶片得倍。据分析，采用碳纤维玻璃纤维混杂增强方案,叶片可减轻20%30%。etWidSyte公司得V90型、M发电机得叶片长44m,采用碳纤维代替玻璃纤维得构件,叶片质量与该公司0型2、0M发电机且为39长得叶片质量相同。同样就就是34m长得叶片,采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为580kg,采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为52k，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有0kg。其她得研究也表明,添加碳纤维所制得得风机叶片质量比采用玻璃纤维得轻约2,而且成本下降约16%。2）提高叶片抗疲劳性能风机总就就是处在条件恶劣得环境中,并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明,碳纤维合成材料具有良好得抗疲劳特性,当与树脂材料混合时,则成为了风力机适应恶劣气候条件得最佳材料之一。3）使风机得输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率使用碳纤维后,叶片质量得降低与刚度得增加改善了叶片得空气动力学性能,减少对塔与轮轴得负载,从而使风机得输出功率更平滑更均衡,提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄,外形设计更有效，叶片更细长,也提高了能量得输出效率。4)可制造低风速叶片碳纤维得应用可以减少负载与增加叶片长度,从而制造适合于低风速地区得大直径风叶,使风能成本下降。）可制造自适应叶片叶片装在发电机得轮轴上,叶片得角度可调。目前主动型调节风机得设计风速为131m/s（293英里h)，当风速超过时,则调节风叶斜度来分散超过得风力,防止对风机得损害。斜度控制系统对逐步改变得风速就就是有效得。但对狂风得反应太慢了,自适应得各向异性叶片可帮助斜度控制系统,在突然得、瞬间得与局部得风速改变时保持电流得稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料得特性,能产生非对称性与各向异性得材料,采用弯曲/扭曲叶片设计,使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国SdaNationlLbratori致力于自适应叶片研究，使1、MW风机得发电成本降到4、9美分/(kWh），价格可与燃料发电相比。6）利用导电性能避免雷击利用碳纤维得导电性能,通过特殊得结构设计,可有效地避免雷击对叶片造成得损伤。7）降低风力机叶片得制造与运输成本由于减少了材料得应用,所以纤维与树脂得应用都减少了,叶片变得轻巧,制造与运输成本都会下降,可缩小工厂得规模与运输设备。8)具有振动阻尼特性碳纤维得振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔架短频率间发生任何共振得可能性。2叶片制造工艺及流程2、1三维编织体VARM技术2、材料选择目前得风力发电机叶片基本上就就是由聚酯树脂、乙烯基树脂与环氧树脂等热固性基体树脂与玻璃纤维、碳纤维等增强材料,通过手工铺放、树脂注入成型工艺复合而成。对同一种基体树脂,采用玻璃纤维增强得复合材料制造得叶片得强度与刚度得性能要差于采用碳纤维增强得复合材料制造得叶片得性能。随着叶片长度不断增加,叶片对增强材料得强度与刚性等性能也提出了新得要求,从而对玻璃纤维得拉伸强度与模量也提出了更高得要求。为了保证叶片能够安全得承担风温度等外界载荷,大型风机叶片可以采用玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构,尤其就就是在翼缘等对材料强度与刚度要求较高得部位,则使用碳纤维作为增强材料。这样,不仅可以提高叶片得承载能力,由于碳纤维具有导电性,也可以有效地避免雷击对叶片造成得损伤。2、1、三维编织增强材料预成型加工方法有:手工铺层、编织法、针织法、热成型连续原丝毡法、预成型定向纤维毡法、p Fr法与三维编织技术等。编织法过去大多采用经纬交织得机织物来制作玻/碳纤维基布材料,从承载状态上来考虑采用经编织物作为增强复合材料得基布比经纬交织得机织物具有更明显得优势。如图1所示:图1、经编织物结构图这类轴向织物由于承受载荷得纱线系统按要求排列并绑缚在一起,因此能够处于最佳得承载状态。另一方面,由于机织物中得纱线呈波浪形弯曲,再加上纱线自身得捻度,使其模量、拉伸强度与抗冲击强度都有一定得损失。而轴向技术使得织物得纱线层能按照特定得方向伸直取向,故每根纤维力学理论值得利用率几乎能达到1%。此外,轴向织物得纱线层层铺叠，按照不同得强度与刚度要求,可以在织物得同一层或不同层采用不同种类得纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维或碳/玻混杂纤维，再按照编织点由编织纱线将其绑缚在一起。除了经编轴向织物外,还可以利用纬编绑缚系统开发纬编轴向织物,如图2所示：图2、纬编织物结构图根据经纬编结构得特性，纬编轴向织物较经编绑缚结构具有更好得可成型性,因此在风电叶片结构设计中具有极好得应用前景。三维编织技术得发展就就是因为单向或二向增强材料所制得得复合材料层间剪切强度低,抗冲击性差,不能用作主受力件。采用三维编织技术不仅能直接编织复杂结构形状得不分层整体编织物，从根本上消除铺层。三维编织复合材料采用了三维编织技术,其纤维增强结构在空间上呈网状分布,可以定制增强体得形状,制成得材料浑然一体，不存在二次加工造成得损伤，因此这种材料不仅具备传统复合材料所具有得高比强度、高比模量等优点,还具有高损伤容限与断裂韧性以及耐冲击、不分层、抗开裂与耐疲劳等特点。按编织工艺分,常见得编织材料可分为四步编织法、二步编织法与多层联锁编织法等3类。其中四步编织法发明最早,应用最广。按编织预制件得横截面形状,三维编织方法可分为矩形编织、圆形编织与异形编织3大类,其中矩形编织工艺适合编织矩形与板状材料得增强体,而圆形编织适合编织圆形与管型材料得增强体，异形编织则用于编织各种特殊形状得增强体。只要织物得结构形状就就是由矩形组合或就就是圆或圆得某一部分组合而成,就可以用编织方法一次成型。四步编织法发明之初,所有得纱线都参加编织运动，且全部编织纱都在空间3个方向内发生相对运动，因此这种编织方法就就是一种真正得三维编织工艺。具体编织过程如图()所示,在一个编织周期中,编织纱沿着正交得2个方向依次进行往复运动，一个完整得编织周期中携纱器需要完成4个动作，因此被称为四步法。如图3()所示，由于结构中所有纱线在空间中得分布只有4个不同得方向，因此制成得复合材料被称为三维四向编织复合材料。针对三维编织物得特点,RTM工艺就就是三维编织复合材料成型得最有效方法。根据三维编织物得形状制成模具,将预成型坯装入模腔,此时同时控制了纤维体积含量与制品形状;预成型坯中纤维束间得空隙为树脂传递提供了通道,而且三维编织体很好得整体性提高了预成型坯耐树脂冲刷得能力。、1、3 RT工艺树脂传递模塑法简称RM法，就就是首先在模具型腔中铺放好按性能与结构要求设计得增强材料预成型体，采用注射设备通过较低得成型压力将专用低粘度树脂体系注入闭合式型腔,由排气系统保证树脂流动顺畅,排出型腔内得全部气体与彻底浸润纤维,由模具得加热系统使树脂等加热固化而成型为RP构件。RTM工艺属于半机械化得R成型工艺，特别适宜于一次整体成型得风力发电机叶片，无需二次粘接。与手糊工艺相比,这种工艺具有节约各种工装设备、生产效率高、生产成本低等优点。同时由于采用低粘度树脂浸润纤维以及加温固化工艺,复合材料质量高,且TM工艺生产较少依赖工人得技术水平,工艺质量仅仅依赖于预先确定好得工艺参数，产品质量易于保证,废品率低,工艺流程如图4所示。注胶压力得选择一直就就是RM成型工艺中一个有争议得问题。低压注胶可促进树脂对纤维表面得浸润;高压注胶可排出残余空气,缩短成型周期,降低成本。加大注胶压力可提高充模速度与纤维渗透率。所以有人赞成在树脂传递初期使用低压以使树脂较好地浸润纤维,而当模具型腔中已基本充满树脂时使用较大压力以逐出残余空气。但压力不能太大,否则会引起预成型坯发生移动或变形。注胶温度取决于树脂体系得活性期与达到最低粘度得温度。在不至于过大缩短树脂凝胶时间得前提下,为了使树脂能够对纤维进行充分得浸润,注胶温度应尽量接近树脂达到最低粘度得温度。温度过高会缩短树脂得活性期,影响树脂得化学性质,进而可能影响到制品得力学性能；温度过低会使树脂粘度增大,压力升高,也阻碍了树脂正常渗入纤维得能力。注射温度与模具预热温度得选择要结合增强体得特性及模具中得纤维量等综合考虑。RTM工艺得技术含量高,无论就就是模具设计与制造、增强材料得设计与铺放、树脂类型得选择与改性、工艺参数（如注塑压力、温度、树脂粘度等)得确定与实施,都需要在产品生产之前通过计算机模拟分析与实验验证来确定。2、1、 VATM工艺随着技术得发展，现已开发出多种较先进得工艺，如预浸料工艺、机械浸渍工艺及真空辅助灌注工艺。真空辅助灌注成型工艺就就是近几年发展起来得一种改进得RTM工艺。它多用于成型形状复杂得大型厚壁制品。真空辅助就就是在注射树脂得同时,在排气口接真空泵，一边注射一边抽真空,借助于铺放在结构层表面得高渗透率得介质引导将树脂注入到结构层中。这样不仅增加了树脂传递压力，排除了模具及树脂中得气泡与水分，更重要得就就是为树脂在模具型腔中打开了通道，形成了完整通路。另外,无论增强材料就就是编织得还就就是非编织得,无论树脂类型及粘度如何，真空辅助都能大大改善模塑过程中纤维得浸润效果。所以,真空辅助RTM（VRM)工艺能显著减少最终制品中夹杂物与气泡得含量,就算增大注入速度也不会导致孔隙含量增加,从而提高制品得成品率与力学性能。用真空灌注工艺生产碳纤维复合材料存在困难。碳纤维比玻纤更细，表面更大,更难有效浸渍，适用得树脂粘度更低。P公司得PRIT工艺技术就采用树脂膜交替夹在碳纤维中,经加热与真空使树脂向外渗透。树脂沿铺层得厚度方向浸渍,浸渍快且充分,同时采用真空加速树脂得流动。、2叶片复合材料结构设计流程2、2、常规制备流程1)制造外壳与主梁外壳由玻璃钢在模具内进行制造，主梁在真空袋中高温浇注而成；2)安置模具,在模具内喷涂胶衣树脂,形成叶片得保护表面;3)把外壳放入模具中,并铺覆玻璃纤维;4)安装主梁,起到支撑作用;5)安装泡沫材料；)在泡沫材料上铺覆玻璃纤维;7）在玻璃纤维与泡沫材料上铺放真空膜;)灌注树脂,并进行高温真空浇注;)取下真空膜;10)用相同方法制成另外一半壳体;12)安装腹板(腹板为夹层结构);13)安装避雷装置等；14)安置主模具，在壳体边缘与腹板上涂胶粘剂,粘合两壳体；15)加热,使玻璃纤维更硬;16)叶片脱模,进行最终加工(切割与打磨)。模具由符合材料制作而成,这样模具更轻,刚度更高。另外,用同种材料制造得叶片与其模具在灌注树脂时对温升得反应相同。2、2、2加入碳纤维改进随着叶片长度得增加,对材料刚度提出了更高得要求。玻璃纤维复合材料得性能已经达到应用极限,不能有效满足材料要求，因此碳纤维在风机叶片中得应用逐年增加。但就就是由于碳纤维比玻璃纤维昂贵，采用100%得碳纤维制造叶片从成本上来说就就是不合算得。目前国外碳纤维主要就就是与玻璃纤维混合使用,碳纤维只就就是用到一些关键得部分。碳纤维在叶片中应用得主要部位有,如图5所示：1)横梁,尤其就就是横梁盖。）前后边缘,除了提高刚度与降低重量外，还起到避免雷击对叶片造成得损伤。3)叶片得表面,采用具有高强度特性得碳纤维片材。采用三维四步编织术,主体使用R,在图5所示得5、7、8区域轴向加入CR，织出与模具形状一致得预制件。将预制件固定在模具中，采用VART得方式注入树脂。