風機葉片材料、設(shè)計與工藝

風機葉片材料、設(shè)計與工藝簡介復合材料風機葉片是風力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵動部件，直接影響著整個系統(tǒng)的性能，并要具有長期在戶外自然環(huán)境條件下使用的耐候性和合理的價格。因此，葉片的材料、設(shè)計和制造質(zhì)量水平十分重要，被視為風力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)水平代表。影響風機葉片相關(guān)性能的因素主要有原材料、風機葉片設(shè)計及葉片的制造工藝三種。一風機葉片的原料目前的風力發(fā)電機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E一玻璃纖維、S—玻璃纖維、碳纖維等增強材料，通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復合而成。對于同一種基體樹脂來講，采用玻璃纖維增強的復合材料制造的葉片的強度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強的復合材料制造的葉片的性能。但是，碳纖維的價格目前是玻璃纖維的10左右。由于價格的因素，目前的葉片制造采用的增強材料主要以玻璃纖維為主。隨著葉片長度不斷增加，葉片對增強材料的強度和剛性等性能也提出了新的要求，玻璃纖維在大型復合材料葉片制造中逐漸出現(xiàn)性能方面的不足。為了保證葉片能夠安全的承擔風溫度等外界載荷，風機葉片可以采用玻璃纖維/碳纖維混雜復合材料結(jié)構(gòu)，尤其是在翼緣等對材料強度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維作為增強材料。這樣，不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導電性，也可以有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。風電機組在工作過程中，風機葉片要承受強大的風載荷、氣體沖刷、砂石粒子沖擊、紫外線照射等外界的作用。為了提高復合材料葉片的承擔載荷、耐腐蝕和耐沖刷等性能，必須對樹脂基體系統(tǒng)進行精心設(shè)計和改進，采用性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂代替不飽和聚酯樹脂，改善玻璃纖維/樹脂界面的粘結(jié)性能，提高葉片的承載能力，擴大玻璃纖維在大型葉片中的應用范圍。同時，為了提高復合材料葉片在惡劣工作環(huán)境中長期使用性能，可以采用耐紫外線輻射的新型環(huán)氧樹脂系統(tǒng)。二風機葉片的設(shè)計以最小的葉片重量獲得最大的葉片面積，使得葉片具有更高的捕風能力，葉片的優(yōu)化設(shè)計顯得十分重要，尤其是符合空氣動力學要求的大型復合材料葉片的最佳外形設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要性尤為突出，它是實現(xiàn)葉片的材料/工藝有效結(jié)合的軟件支撐。另外，計算機仿真技術(shù)的應用也使得葉片的結(jié)構(gòu)與層合板設(shè)計更加細化，有力的支持了最佳工藝參數(shù)的確定。早在1920年，德國的物理學家AlbertBetz就對風力發(fā)電葉片進行過詳細的計算?；诋敃r的計算條件和對風力發(fā)電葉片的認識，Betz在葉片計算時采用了一些假設(shè)條件。隨著計算機技術(shù)發(fā)展，計算手段的顯著提高，風力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，人們對風力發(fā)電葉片的認識和理解也在逐漸深入。尤其是近十年來，經(jīng)過研究人員對風力發(fā)電葉片進行的多次現(xiàn)場載荷、聲音和動力測量以后，發(fā)現(xiàn)葉片的理論預測值與實際記錄值有較大的偏離。這可能是由于過多的相信了風洞實驗，而對葉片服役期間可能遇到的較強動態(tài)環(huán)境和湍流條件考慮不足造成的。因此，一些相關(guān)人員對當時的葉片計算采用假設(shè)條件提出了質(zhì)疑。流體動力學計算和軟件的改進使得研究人員能夠更精確的模擬葉片實際的受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，進一步改善葉片的空氣動力學特征，即使葉片在旋轉(zhuǎn)速度降低5%的情況下，捕風能力仍可以提高5%；隨著葉片旋轉(zhuǎn)速度的降低，葉片運行的噪音大約可以降低3dB。同時，較低的葉片旋轉(zhuǎn)速度要求的運行載荷也較低，旋轉(zhuǎn)直徑可以相應的增加。在此項研究的基礎(chǔ)上，德國的Enercon公司將風力發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)直徑由30米增加到33米，復合材料葉片也隨著相應的增加。由于葉片長度的增加，葉片轉(zhuǎn)動時掃過的面積增大，捕風能力大約提高25%。Enercon公司還對33米葉片進行了空氣動力實驗，經(jīng)過精確的測定，葉片的實際氣動效率為56%，比按照Betz計算的最大氣動效率低約3?4個百分點。為此，該公司對大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進行了必要的改進：包括為了抑制生成擾流和旋渦，在葉片端部安裝“小翼七為改善和提高渦輪發(fā)電機主艙附近的捕風能力，對葉片根莖進行重新改進，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長度；對葉片頂部和根部之間的型面進行優(yōu)化設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，Enercon公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑71米的2MW風力發(fā)電機組，改進后葉片根部的捕風能力得異提高。Enercon公司在4.5MW風力發(fā)電機設(shè)計中繼續(xù)采用此項技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112米的葉片端部仍安裝的傾斜“小翼”，使得葉片單片的運行噪音小于3個葉片（旋轉(zhuǎn)直徑為66米）運行使產(chǎn)生的噪音。丹麥的LM公司在61.5米復合材料葉片樣機的設(shè)計中對其葉片根部固定進行了改進，尤其是固定螺栓與螺栓空周圍區(qū)域。這樣，在保持現(xiàn)有根部直徑的情況下，能夠支撐的葉片長度可比改進前增加20%。另外，LM公司的葉片預彎曲專有技術(shù)也可以進一步降低葉片重量和提高產(chǎn)能。三風機葉片的制造工藝隨著風力發(fā)電機功率的不斷提高，安裝發(fā)電機的塔座和捕捉風能的復合材料葉片做的越來越大。為了保證發(fā)電機運行平穩(wěn)和塔座安全，不僅要求葉片的質(zhì)量輕也要求葉片的質(zhì)量分布必須均勻、外形尺寸精度控制準確、長期使用性能可靠。若要滿足上述要求，需要相應的成型工藝來保證。傳統(tǒng)復合材料風力發(fā)電機葉片多采用手糊工藝（HandLay-up）制造。手糊工藝的主要特點在于手工操作、開模成型（成型工藝中樹脂和增強纖維需完全暴露于操作者和環(huán)境中）、生產(chǎn)效率低以及樹脂固化程度（樹脂的化學反應程度）往往偏低，適合產(chǎn)品批量較小、質(zhì)量均勻性要求較低復合材料制品的生產(chǎn)。因此手糊工藝生產(chǎn)風機葉片的主要缺點是產(chǎn)品質(zhì)量對工人的操作熟練程度及環(huán)境條件依賴性較大，生產(chǎn)效率低和產(chǎn)品的而且產(chǎn)品質(zhì)量均勻性波動較大，產(chǎn)品的動靜平衡保證性差，廢品率較高。特別是對高性能的復雜氣動外型和夾芯結(jié)構(gòu)葉片，還往往需要粘接等二次加工，粘接工藝需要粘接平臺或型架以確保粘接面的貼合，生產(chǎn)工藝更加復雜和困難。手糊工藝制造的風力發(fā)電機葉片在使用過程中出現(xiàn)問題往往是由于工藝過程中的含膠量不均勻、纖維/樹脂浸潤不良及固化不完全等引起的裂紋、斷裂和葉片變形等。此外，手糊工藝往往還會伴有大量有害物質(zhì)和溶劑的釋放，有一定的環(huán)境污染問題。因此，目前國外的高質(zhì)量復合材料風機葉片往往采用RIM、RTM、纏繞及預浸料/熱壓工藝制造。其中RIM工藝投資較大，適宜中小尺寸風機葉片的大批量生產(chǎn)（＞50,000片/年）;RTM工藝適宜中小尺寸風機葉片的中等批量生產(chǎn)（5,000-30,000片/年）；纏繞及預浸料/熱壓工藝適宜大型風機葉片批量生產(chǎn)。RTM工藝主要原理為首先在模腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計好的增強材料預成型體，采用注射設(shè)備將專用低粘度注射樹脂體系注入閉合模腔，模具具有周邊密封和緊固以及注射及排氣系統(tǒng)以保證樹脂流動順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維，并且模具有加熱系統(tǒng)可進行加熱固化而成型復合材料構(gòu)件。其主要特點有：閉模成型，產(chǎn)品尺寸和外型精度高，適合成型高質(zhì)量的復合材料整體構(gòu)件（整個葉片一次成型）；初期投資?。ㄅcSMC及RIM相比）；制品表面光潔度高；成型效率高（與手糊工藝相比），適合成型年產(chǎn)20，000件左右的復合材料制品；環(huán)境污染?。ㄓ袡C揮發(fā)份小于50ppm，是唯一符合國際環(huán)保要求的復合材料成型工藝）。由此可看出，RTM工藝屬于半機械化的復合材料成型工藝，工人只需將設(shè)計好的干纖維預成型體放到模具中并合模，隨后的工藝則完全靠模具和注射系統(tǒng)來完成和保證，沒有任何樹脂的暴露，并因而對工人的技術(shù)和環(huán)境的要求遠遠低于手糊工藝并可有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量。RTM工藝采用閉模成型工藝，特別適宜一次成型整體的風力發(fā)電機葉片（纖維、夾芯和接頭等可一次模腔中共成型），而無需二次粘接。與手糊工藝相比，不但節(jié)約了粘接工藝的各種工裝設(shè)備，而且節(jié)約了工作時間，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。同時由于采用了低粘度樹脂浸潤纖維以及采用加溫固化工藝，大大提高了復合材料質(zhì)量和生產(chǎn)效率。RTM工藝生產(chǎn)較少的依賴工人的技術(shù)水平，工藝質(zhì)量僅僅依賴確定好的工藝參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量易于保證