風(fēng)機(jī)葉片制造技術(shù)——真空灌注成型技術(shù).doc

風(fēng)機(jī)葉片制造技術(shù)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(píng)論1 字號(hào)： 大大 中中 小小 1 世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀 隨著國(guó)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(guó)家推動(dòng)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)榇耍澜顼L(fēng)力發(fā)電每年以30左右的速度增長(zhǎng)。 世界上很多國(guó)家尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家，已充分認(rèn)識(shí)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(duì)風(fēng)電的開發(fā)給予了高度重視，裝機(jī)規(guī)模持續(xù)高速增長(zhǎng)。2006年累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)最多的10個(gè)國(guó)家占世界風(fēng)電裝機(jī)的85，與2005年相比，德國(guó)、美國(guó)和西班牙保持了前3名的地位，中國(guó)則從第八名升到第六名。中國(guó)新增裝機(jī)容量（不包含臺(tái)灣省裝機(jī)）為1.347GW，處于亞洲第二，2006年風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)較2005年成長(zhǎng)超過(guò)3倍，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)2.604GW，排行全球第六大市場(chǎng)。其市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)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(jí)機(jī)組的市場(chǎng)份額明顯增大，1997年及以前還不到10%，2001年則超過(guò)50%，2002年達(dá)到62.1，2003年達(dá)到71.4。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(guó)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量也從600kW逐步走向兆瓦級(jí)轉(zhuǎn)變。更大型、性能更好的機(jī)組也已經(jīng)開發(fā)出來(lái)，并投入生產(chǎn)試運(yùn)行。由于更多國(guó)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(zhǎng)將持續(xù)下去。除了風(fēng)電大國(guó)丹麥、德國(guó)、西班牙和美國(guó)外，很多其它國(guó)家包括英國(guó)、法國(guó)、巴西和中國(guó)也制定了雄心勃勃的風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃。 2 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(chǎng)合的不同，風(fēng)機(jī)葉片材料的選擇也會(huì)有所不同。一般較小型的葉片（如22m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)葉片大多采用玻璃纖維復(fù)合材料（GRP）。長(zhǎng)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(guò)空氣動(dòng)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(zhǎng)度的增加也迅速增加，如何通過(guò)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和提高材料的性能來(lái)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(guò)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(zhǎng)度越長(zhǎng)，成型時(shí)對(duì)模具剛度和強(qiáng)度的要求就越高，模具的重量和成本也會(huì)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)合材料模具，這意味著葉片可以做得更長(zhǎng)。 3 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(guò)程中會(huì)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(lái)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(guò)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)流布為高滲透率的介質(zhì)，導(dǎo)流管分布在導(dǎo)流布的上面。樹脂通過(guò)進(jìn)膠管進(jìn)入整個(gè)體系，通過(guò)導(dǎo)流管引導(dǎo)樹脂流動(dòng)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(dòng)條件，減少了操作者與有害物質(zhì)的接觸，滿足了人們對(duì)環(huán)保的要求，改善了工作環(huán)境，工藝操作簡(jiǎn)單。同時(shí)從制品性能上來(lái)說(shuō)，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(duì)于手糊成型拉伸強(qiáng)度提高20%以上。該工藝對(duì)模具要求不高，模具制作相對(duì)簡(jiǎn)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(duì)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(duì)樹脂的流動(dòng)阻力小、浸潤(rùn)性好、機(jī)械強(qiáng)度高、鋪覆性好（增強(qiáng)材料無(wú)皺折、無(wú)斷裂、無(wú)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(dòng)性；模具設(shè)計(jì)必須合理。特別對(duì)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(guò)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?gòu)?fù)合材料中的孔隙率。 樹脂粘度對(duì)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(rùn)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(dòng)性好，浸膠速率大大提高，增強(qiáng)材料對(duì)樹脂的浸潤(rùn)性好壞直接影響產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)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(dòng)。若生產(chǎn)碳纖維制品，選材時(shí)應(yīng)考慮用與碳纖維浸潤(rùn)性好的樹脂。 凝膠時(shí)間的控制也是真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(guò)長(zhǎng)將產(chǎn)生流膠現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)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(rùn)纖維鋪層，消除氣泡，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。4 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(duì)我國(guó)的復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，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(lái)看，改進(jìn)的真空灌注成型工藝以及碳/?；祀s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):28-33. 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),2007