风力发电叶片制作工艺介绍

1、风力发电叶片制作工艺介绍风力发电机叶片是接受风能的最主要部件， 其良好的设计、 可靠 的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素， 其成 本约为整个机组成本的 15%-20%。根据“风机功价比法则”，风力发 电机的功率与叶片长度的平方成正比，增加长度可以提高单机容量， 但同时会造成发电机的体积和质量的增加，使其造价大幅度增加。 1碳纤维在风力发电机叶片中的应用叶片材料的发展经历了木制、 铝合金的应用， 进入了纤维复合材 料时代。纤维材料比重轻， 疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环 境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧） 树脂。但随着大功率发电机组的发展，叶片

2、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的刚度。 国外专家 认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限， 不能满足大型叶片的 要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。1）提高叶片刚度，减轻叶片质量 碳纤维的密度比玻璃纤维小约 30%，强度大 40%，尤其是模量高 38倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。 荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120 m的风机的叶片， 由于梁的质量超过叶片总质量的一半， 梁结构采用碳纤维， 和采用全 玻璃纤维的相比，质量可减轻 40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是 玻璃纤维复合材料叶片的 2 倍。据分

3、析， 采用碳纤维玻璃纤维混杂 增强方案，叶片可减轻20%30%。VestaWindSystem公司的V90型发电机的叶片长44m采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与 该公司V80型发电机且为39m长的叶片质量相同。同样是34m长的叶 片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg,采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为 5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只 有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量 比采用玻璃纤维的轻约 32%,而且成本下降约 16%。2）提高叶片抗疲劳性能风机总是处在条件恶劣的环境中, 并且 24h 处于工作状态。 这就 使材料易于受到损害。

4、 相关研究表明, 碳纤维合成材料具有良好的抗 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 的最佳材料之一。3）使风机的输出功率更平滑更均衡 , 提高风能利用效率 使用碳纤维后, 叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能, 减少对塔和轮轴的负载, 从而使风机的输出功率更平滑 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,也提高了能量的输出效率。4）可制造低风速叶片碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度, 从而制造适合于低 风速地区的大直径风叶,使风能成本下降。5）可制造自适应叶片叶片装在发电机的轮轴上, 叶片的角度可调。 目前主动型调

5、节风机的设计风速为1315m/s（2933英里/h）,当风速超过时，则调节 风叶斜度来分散超过的风力， 防止对风机的损害。 斜度控制系统对逐 步改变的风速是有效的。 但对狂风的反应太慢了， 自适应的各向异性 叶片可帮助斜度控制系统， 在突然的、 瞬间的和局部的风速改变时保 持电流的稳定。 自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性， 能产生 非对称性和各向异性的材料，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 Sandia National Laboratories 致力于自适应叶片研究， 使风机的发电成本降到美分 /（kWh） ，价格可 和燃料发电相比。6）利用导电性

6、能避免雷击 利用碳纤维的导电性能， 通过特殊的结构设计， 可有效地避免雷 击对叶片造成的损伤。7）降低风力机叶片的制造和运输成本 由于减少了材料的应用， 所以纤维和树脂的应用都减少了， 叶片 变得轻巧，制造和运输成本都会下降， 可缩小工厂的规模和运输设备。8）具有振动阻尼特性 碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔架短频率间发 生任何共振的可能性。2 叶片制造工艺及流程三维编织体/VARTM技术材料选择目前的风力发电机叶片基本上是由聚酯树脂、 乙烯基树脂和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 增强的

7、复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维 增强的复合材料制造的叶片的性能。 随着叶片长度不断增加，叶片对 增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求， 从而对玻璃纤维的 拉伸强度和模量也提出了更高的要求。为了保证叶片能够安全的承担 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，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，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的损伤。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、Comp F

8、orm法和三维编织技 术等。编织法过去大多采用经纬交织的机织物来制作玻 /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的基布比经 纬交织的机织物具有更明显的优势。如图 1所示：3)罩諭同疑编织物结福(b)取辎向经媚织物烧构(c)亟雅向经填炽勒烧崗图1、经编织物结构图这类轴向织物由于承受载荷的纱线系统按要求排列并绑缚在一 起，因此能够处于最佳的承载状态。另一方面，由于机织物中的纱线 呈波浪形弯曲，再加上纱线自身的捻度，使其模量、拉伸强度和抗冲 击强度都有一定的损失。而轴向技术使得织物的纱线层能按照特定的 方向伸直取向，故每根纤维力学理论值的利用率几乎能达到100%此外，轴向织

9、物的纱线层层铺叠，按照不同的强度和刚度要求，可以 在织物的同一层或不同层采用不同种类的纤维材料，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：鼻绸多层瑕牺向职莉结齒比）痴缩多轴向织胸黠构图2、纬编织物结构图根据经纬编结构的特性，纬编轴向织物较经编绑缚结构具有更好 的可成型性，因此在风电叶片结构设计中具有极好的应用前景。三维编织技术的发展是因为单向或二向增强材料所制得的复合 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的不分层整体编织物，从根本上

10、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，可以定制增强体的形状，制成的材料浑然一体，不 存在二次加工造成的损伤，因此这种材料不仅具备传统复合材料所具 有的高比强度、高比模量等优点，还具有高损伤容限和断裂韧性以及 耐冲击、不分层、抗开裂和耐疲劳等特点。按编织工艺分，常见的编织材料可分为四步编织法、二步编织法 和多层联锁编织法等3类。其中四步编织法发明最早，应用最广。按 编织预制件的横截面形状，三维编织方法可分为矩形编织、圆形编织 和异形编织3大类,其中矩形编织工艺适合编织矩形和板状材料的增 强体,而圆形编织适合编织圆形和管型材料的增强体 ，异形编织则用

11、于编织各种特殊形状的增强体。只要织物的结构形状是由矩形组合或 是圆或圆的某一部分组合而成，就可以用编织方法一次成型。8OOQtoooqo000 90 巩POQ5_Q和 Q 泊追。衣才r 00* 0-0 0 00-弘oooop 沖 100006 P-OUOOQV7itobpoloo 0-(b)材料结构(a)四步编织辿程四歩編织迭四步编织法发明之初 , 所有的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 , 因此这种编织方法是一种真正 的三维编织工艺。具体编织过程如图3(a)所示,在一个编织周期中， 编织纱沿着正交的 2 个方向依次进行往复运动 , 一个完整的编织周期 中

12、携纱器需要完成4个动作，因此被称为四步法。如图3(b)所示， 由于结构中所有纱线在空间中的分布只有 4 个不同的方向 , 因此制成 的复合材料被称为三维四向编织复合材料。针对三维编织物的特点 ,RTM 工艺是三维编织复合材料成型的最 有效方法。根据三维编织物的形状制成模具 , 将预成型坯装入模腔 , 此时同时控制了纤维体积含量和制品形状； 预成型坯中纤维束间的空 隙为树脂传递提供了通道 , 而且三维编织体很好的整体性提高了预成 型坯耐树脂冲刷的能力。RTM工艺树脂传递模塑法简称RTM法,是首先在模具型腔中铺放好按性能 和结构要求设计的增强材料预成型体 , 采用注射设备通过较低的成型 压力将专用

13、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 , 排出型腔内的全部气体和彻底浸润纤维 , 由模具的加热系统 使树脂等加热固化而成型为 FRP构件。RTMX艺属于半机械化的FRP 成型工艺 , 特别适宜于一次整体成型的风力发电机叶片 , 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RTMX艺生产较少依赖工人的技术水平，工艺质量仅仅依赖于预先确定好的工艺参数，产品质量易于保证，废品 率低，工艺流程如图4所示图冬FRI工艺流程匮*注胶压力的选择一直是 RTM

14、成型工艺中一个有争议的问题。低压 注胶可促进树脂对纤维表面的浸润；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和纤维渗透率。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的活性期和达到最低粘度的温度。在不 至于过大缩短树脂凝胶时间的前提下，为了使树脂能够对纤维进行充 分的浸润，注胶温度应尽量接近树脂达到最低粘度的温度。温度过高 会缩短树脂的活性期，影响树脂的化学性质，进而可能影响到制品的 力学性能；温度过低会使树脂

15、粘度增大，压力升高,也阻碍了树脂正常渗入纤维的能力。 注射温度和模具预热温度的选择要结合增强体的特 性及模具中的纤维量等综合考虑。RTM工艺的技术含量高，无论是模具设计和制造、增强材料的设 计和铺放、树脂类型的选择与改性、工艺参数 （ 如注塑压力、温度、 树脂粘度等 ） 的确定与实施 , 都需要在产品生产之前通过计算机模拟 分析和实验验证来确定。VARTMX艺随着技术的发展，现已开发出多种较先进的工艺， 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是近几年 发展起来的一种改进的RTMX艺。它多用于成型形状复杂的大型厚壁 制品。真空辅助是在注射树脂的同时 , 在排气口接

16、真空泵 , 一边注射一 边抽真空, 借助于铺放在结构层表面的高渗透率的介质引导将树脂注 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 的气泡和水分 , 更重要的是为树脂在模具型腔中打开了通道, 形成了完整通路。另外,无论增强材料是编织的还是非编织的 , 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的浸润效果。所 以，真空辅助RTM（VART工艺能显着减少最终制品中夹杂物和气泡的 含量, 就算增大注入速度也不会导致孔隙含量增加 , 从而提高制品的 成品率和力学性能。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

17、的树脂粘度更低。SP公司的SPRINT 工艺技术就采用树脂膜交替夹在碳纤维中， 经加热和真空使树脂向外 渗透。树脂沿铺层的厚度方向浸渍，浸渍快且充分，同时采用真空加 速树脂的流动。叶片复合材料结构设计流程常规制备流程1) 制造外壳和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，形成叶片的保护表面；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；6) 在泡沫材料上铺覆玻璃纤维；7) 在玻璃纤维和泡沫材料上铺放真空膜；8) 灌注树脂，并进行高温真空浇注；9) 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，在壳体边缘和腹板上涂胶粘剂，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 (切割和打磨 )。 模具由符合材料制作而成，这样模具更轻，刚度更高。另外，用 同种材料制造的叶片和其模具在灌注树脂时对温升的反应相同。加入碳纤维改进随着叶片长度的增加，对材料刚度提出了更高的要求。玻璃纤维 复合材料的性能已经达到应用极限， 不能有效满足材料要求，因此碳