风电叶片制造工艺

风电叶片

叶片制造工艺叶片的结构设计与选择的生产方法是紧密相关的,需要将两者结合起来考虑叶片的生产成本与可靠性.在叶片结构设计的章节中,两种常用设计方法已经被讨论,一种是叶壳与剪腹板组合结构,另一种是叶壳与叶梁箱组合结构.根据结构设计方案,叶片的主要制造工艺也有两种-预浸料与灌注,尽管两种生产工艺都能满足结构设计的要求,但只有预浸料可以被采用在叶梁箱结构设计中.

Structural Shell/ Shear Web and Structural Box Spar concepts

选择适合的制造工艺,制造出低成本,高性能的产品,是风电产业永恒的话题.灌注工艺被普遍认为是低成本的工艺,因为其较低原材料价格(BOM).而预浸料制造的叶片拥有更好的性能,更轻的质量,同时保证了生产工艺和成品质量稳定型.更轻的叶片意味着降低的叶片载荷和电机设计载荷,所以在讨论性能,成本话题时,也需要考虑到非原材料成本的其它二级成本.叶片的长度是选择原材料和生产工艺的核心考虑因素.根据历史数据,叶片长度与叶片质量的关系如下图所示.由于众多因素的限制(交通限制,轴承载荷,叶片承重,塔架承重)所收集的数据也不是连续的,对于不同长度叶片,材料和设计理念也是不同的.一种能有效减重并增加叶片刚性的方法是引入高模量碳纤维增强材料.碳纤维拥有约240GPa的模量是玻纤平均模量的额三倍,其密度(1.8kg/m3)相对玻纤(2.4kg/ m3)也更具有优势.考虑到质量因素,碳纤维的比刚度是玻纤的4倍.虽然碳纤维提供了优秀的性能,但考虑其价格(7-8倍于玻纤)和生产工艺的精确要求,也为实际生产的进行带来了挑战.

WE Handbook- 4- Blade Manufacturing Processes

风电叶片

Blade Weight vs Blade Length

随长度的变化,叶片的失效机制也是随复合材料结构而改变的.20-35m叶片设计是基于整体刚度,所以材料属性也着眼于增强材料的刚度.当叶片直径不断变大,设计的重点更倾向于疲劳载荷,而疲劳更多取决于复合材料树脂体系的性能.更进一步,当疲劳载荷的压应力成为设计的着眼点时,层合板的整体性能也变得至关重要了.在受压条件下,纤维需要在受力方向下紧绷受力,树脂可以传递应力至纤维并避免纤维的弯曲变形.所以受载荷的层合板的纤维排布需越直越好,而气孔和空洞密度需越小越好.为了达到上述需求,在设计阶段的材料选择变得尤为重要,更倾向于选择预浸料等高等级材料作为承力的叶梁材料.预浸料提供了精确纤维垂直排布和高性能树脂体系以及较低的孔隙率.

树脂灌注技术简介灌注的基本原则是将树脂在真空负压下作用被"吸入"增强纤维或纤维布中.树脂灌注玻纤布的速度是由以下参数决定;树脂系统的粘度玻纤布或增强纤维的浸

润能力作用在灌注树脂的压强梯度灌注速度v于上述三个参数的相关性为:η DΔP

v∝

D xΔPη

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于是可知灌注速度与纤维浸润能力( D)正相关,与灌注压强梯度(ΔP)正相关,与树脂粘度(η)反相关

Resin Infusion Process Schematic

树脂粘度在给定负压下,低粘度树脂保证了更快的流动性,树脂流过增强纤维层时受到的阻力也减小了.好的流动性意味着可以减少树脂注入点,增大灌注构件同时减小灌注设计的复杂度.树脂粘度由微观分子结构决定.以环氧树脂为例,多数用于风电叶片灌注制造的树脂,以稀释剂降低标准环氧单体树脂的粘度值.对树脂配方的调整要特别注意在改变粘度的同时不会对最终的机械性能和物理性能产生较大影响.另一种提高灌注速度的方法是提高树脂温度,树脂的粘度是随温度升高而降低的.加热灌注树脂的好处在于增加了树脂的流动性和浸润能力,减少了树脂注入点,增加了灌注工艺速度,但同时会伴随集中放热危险的加大.粘度变化的规律引出了一个一般规律:温度每上升10~15°C,反应速度加倍,需要的固化时间将减半.当液态树脂开始发生固化反应,其粘度会不断递增,直至形成凝胶现象,在固化的最后阶段硬化为固体.粘度的增加限制了灌注工艺的继续进行,当未完全灌注就产生了树脂凝胶,将会导致很难修复的干纤维区域.所以,灌注用树脂的设计需要考虑具体工艺的需要,以保证粘度和反应度的适中

渗透性干纤维布或铺层的渗透性取决于以下几个因素:纤维直径纤维表面助剂玻纤布的类型WE Handbook- 4- Blade Manufacturing Processes

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玻纤与碳纤维在渗透性上具有显著区别,碳纤维的灌注难度明显加大.这是由于碳纤维直径(5-10μm)小于玻璃纤维的直径(16-24μm),于是碳纤维束将更加紧密排布,妨碍了灌注树脂的浸润.一种化学的表面助剂保护了纤维在编织时不被损坏,并增加了纤维与树脂的粘合能力以提高层合板的整体性能.表面助剂的一个重要功效就是增加纤维与树脂浸润能力,这在灌注工艺中尤为重要,使得树脂能快速浸入并流过纤维铺层.为了更好的供应和使用增强纤维材料,纤维是通过一多种排布方式供应的.首先将成千根纤维集束成股.纤维束或纤维股通过表面助剂成为一体,随后通过编织法或针织法成为玻璃纤维布.更多玻纤布的信息可以从本公司的"Guide of Composite"一书中了解.玻纤布的主要根据力学性能要求和纤维方向要求选择,在灌注工艺中还需要考虑纤维布的浸润能力

压力梯度通过真空泵抽真空,外界大气 …… 此处隐藏：9479字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……