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风电叶片真空灌注成型工艺技术研究

国际新能源网  来源:复合材料社区  日期:2017-11-04
  1 概述
 
  世界上很多国家尤其是发达国家,已充分认识到风电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性,对风电的开发给予了高度重视,装机规模持续高速增长。2006年累计风电装机最多的10个国家占世界风电装机的85%,与2005年相比,德国、美国和西班牙保持了前3名的地位,中国则从第八名升到第六名。中国新增装机容量(不包含台湾省装机)为1.347GW,处于亚洲第二,2006年风力发电市场较2005年成长超过3倍,累计装机容量达2.604GW,排行全球第六大市场。其市场驱动力主要源自2006年1月1日生效的“可再生能源法”。
 
  单机容量是风电机组技术水平的标志。全球兆瓦级机组的市场份额明显增大,1997年及以前还不到10%,2001年则超过50%,2002年达到62.1%,2003年达到71.4%。2003年安装的风电机组平均单机容量达到1.2MW。2006年安装的机组增均单机容量约为1.5MW,而10年前只有500kW。我国风电机组单机容量也从600kW逐步走向兆瓦级转变。更大型、性能更好的机组也已经开发出来,并投入生产试运行。由于更多国家致力于风能的开发利用,预计这种世界范围的快速增长将持续下去。除了风电大国丹麦、德国、西班牙和美国外,很多其它国家包括英国、法国、巴西和中国也制定了雄心勃勃的风电发展计划。
 
  2 风机叶片

  2.1 风机叶片材料
 
  风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。目前,风机叶片所用材料已由木质、帆布等发展为金属(铝合金)、玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料等。玻璃钢叶片材料因为重量轻、比强度高、可设计性强、价格比较便宜等因素,成为大中型风机叶片材料的首选。然而,随着风机叶片朝着超大型化和轻量化的方向发展,玻璃钢复合材料开始达到其使用性能的极限,碳纤维维复合材料(CFRP)逐渐开始应用到超大型风机叶片中。
 
  具体而言,由于应用场合的不同,风机叶片材料的选择也会有所不同。一般较小型的叶片(如22m以下)选用量大价廉的E-玻纤增强塑料(GFRP),树脂基体以不饱和聚酯为主,也可选用乙烯酯或环氧树脂;而较大型的叶片(如42m以上)一般采用CFRP或CF与GF混杂的复合材料,树脂基体以环氧树脂为为主。目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料(GRP)。长度大于40m叶片可以采用碳/玻混杂复合材料,但由于碳纤维的价格较高,未能推广应用。
 
  2.2 风机叶片设计
 
  风机叶片结构设计的目的是要通过空气动力学分析,充分利用复合材料的性能,使大型叶片以最小的质量获得最大的扫风面积,从而使叶片具有更高的捕捉风的能力。随着风力发电机额定功率的增大,风机叶片的质量和费用随着长度的增加也迅速增加,如何通过新的结构设计方案和提高材料的性能来降低叶片的重量至关重要。
 
  在玻璃钢叶片的结构形式中,叶片剖面及根端构造的设计最为重要。选择叶剖面及根端形式,要考虑玻璃钢叶片的结构性能、材料性能及成型工艺。风机叶片要承受较高的载荷,通常要考虑50——60m/s的极限风载。为提高叶片的强度和刚度,防止局部失稳,玻璃钢叶片大都采用主梁加气动外型的结构形式。主梁承担大部分弯曲载荷,而外壳除满足气动性能外,也承担部分弯曲载荷。主梁常用D型、0型、矩形和双拼槽钢等形式。
 
  随着叶片尺寸的不断增加,其生产和制造过程中产生了一些在以往中小型中片生产中未曾碰到过的新问题,大型模具问题便是其一。大型复合材料叶片的外形尺寸与其制造模具有着极其密切的关系。为保证复合材料叶片设计外形和尺寸精度,叶片长度越长,成型时对模具刚度和强度的要求就越高,模具的重量和成本也会大幅度提高。为减轻模具重量,降低模具成本,大型复合材料叶片的制造模具基本是用复合材料模具,这意味着叶片可以做得更长。
 
  3 叶片的成型工艺
 
  现在的叶片成型工艺一般是先在各专用模具上分别成型叶片蒙皮、主梁及其他部件,然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起,合模加压固化后制成整体叶片。具体成型工艺又大致可分为七种:①手糊;②真空灌注成型;③树脂传递模塑(RTM);④树脂浸渍工艺(SCRMIP);⑤纤维缠绕工艺(FW)⑥木纤维环氧饱和工艺(WEST);⑦模压。上述工艺中,①、④、⑤和⑥是开模成型工艺,而②、③和⑦是闭模模塑工艺。
 
  传统的叶片生产一般采用开模工艺,生产过程中会有大量的苯乙烯等挥发性有毒气体产生,给操作者和环境带来危害。另一方面,随着叶片尺寸的增加,为保证发电机运行平稳和塔架安全,必须保证叶片重量轻且质量分布均匀,这就促使叶片生产工艺由开模向闭模发展。采用闭模工艺,如现在常用的真空灌注成型工艺,不但可大幅降低成型过程中苯乙烯的挥发,且更易精确控制树脂含量,从而保证复合材料叶片质量分布的均匀性,可提高叶片的质量稳定性。
 
  下面详细介绍一下真空灌注成型工艺。真空灌注成型工艺是将纤维增强材料直接铺放在模具上,在纤维增强材料上铺设一层剥离层,剥离层通常是一层很薄的低孔隙率、低渗透率的纤维织物,剥离层上铺放高渗透介质,然后用真空薄膜包覆及密封。模具用薄膜包覆密封,真空泵抽气至负压状态。脱模布为一层易剥离的低孔隙率的纤维织物,导流布为高渗透率的介质,导流管分布在导流布的上面。树脂通过进胶管进入整个体系,通过导流管引导树脂流动的主方向,导流布使树脂分布到铺层的每个角落,固化后剥离脱模布,从而得到密实度高,含胶量低的铺层结构。
 
  由于整个工装系统是密闭的,在真空灌注成型中有机挥发物非常少,改善了劳动条件,减少了操作者与有害物质的接触,满足了人们对环保的要求,改善了工作环境,工艺操作简单。同时从制品性能上来说,真空辅助可充分消除气泡,降低制品空隙率,能有效控制产品的含胶量,生产受人为因素影响小,产品的质量稳定性高,重现性能好,制品的表观质量好,铺层相同且厚度薄,强度高,相对于手糊成型拉伸强度提高20%以上。该工艺对模具要求不高,模具制作相对简单。与传统工艺相比,其模具成本可以降低50一70%。 真空灌注成型工艺对树脂粘度的要求较为严格,一般粘度控制在300cps以下。所选的树脂应具有较好的力学性能、耐腐蚀和固化收缩小。增强材料要求对树脂的流动阻力小、浸润性好、机械强度高、铺覆性好(增强材料无皱折、无断裂、无撕裂的情况下能够容易地制成与工作相同形状)、质量均匀性好。
 
  真空灌注成型工艺制备风力发电转子叶片的关键有:①优选浸渗用的基体树脂。特别要保证树脂的最佳粘度及其流动性;②模具设计必须合理。特别对模具上树脂注入孔的位置、流通分布更要注意,确保基体树脂能均衡地充满任何一处;③工艺参数要最佳化。真空灌注成型工艺的工艺参数要事先进行实验研究,保证达到最佳化;④增强材料在铺放过程中保持平直,以获得良好的力学性能,同时注意尽可能减少复合材料中的孔隙率。
 
  树脂粘度对真空灌注成型的板材强度影响很大。降低粘度后树脂浸润好。低树脂含量可使板材的强度大幅度提高。同时,在真空灌注成型工艺中树脂粘度是影响进浸胶速率的重要因素之一。粘度降低,树脂流动性好,浸胶速率大大提高,增强材料对树脂的浸润性好坏直接影响产品性能的优劣。一般来说,对于真空灌注成型工艺,连续毡优于短切毡,编织布好于方格布,连续毡和编织布有利于树脂在整个密闭体系中的流动。若生产碳纤维制品,选材时应考虑用与碳纤维浸润性好的树脂。
 
  凝胶时间的控制也是真空灌注成型成功的一个重要因素。凝胶时间太短树脂较难填满整个模腔,凝胶时间过长将产生流胶现象,同时会影响产品的脱模时间。模腔充满后10——20min凝胶比较合适,确保树脂充模后能充分地浸润纤维铺层,消除气泡,以提高产品质量。
 
  4 总结与展望
 
  风力发电的发展依赖于生产制造大量的风力发电机,风力发电机离不开叶片,而制造叶片则需要复合材料产业的支撑。对我国的复合材料产业来说,风力发电是一个难得的机遇。选择最佳的材料体系和制造工艺,制造出质量上乘的复合材料叶片,满足快速发展的风力发电的需求,这是我们追求的目标。
 
  目前来看,改进的真空灌注成型工艺以及碳/玻混杂复合材料叶片的研究及新概念、新工艺将成为引领风电叶片研究和制造的新热点。
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