科研训练开题报告

学校代码：10128学号：201130102073题目：复合材料风力机叶片制造工艺学生姓名：杨柳学 院：机械学院班 级：机电11-4指导教师：毕俊喜2014年12月25日1.选题目的和意义国民经济的持续发展离不开充足的电能,目前电能的主要来源有热力发电、水力发电和核发电,随着人们环保意识的增强,同时在全球能源日益紧缺的大环境下,一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源--风能倍受青睐,而风力发电也愈来愈受到世界各国的重视。风力发电机叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件,叶片的材料越轻、强度和刚度越高,叶片抵御载荷的能力就越强,叶片就可以做得越大,它的捕风能力也就越强。因此,质量轻、强度高、耐久性好的复合材料成为大型风力发电机叶片的首选材料。随着社会经济的发展，人们越来越重视清洁能源，提倡低碳生活，风力发电作为绿色能源的代表，也受到更多重视，从而加快了风力机研究步伐。风力发电设备一般由五部分组成：电机、叶片、变速箱、控制系统、支柱塔架。其中叶片生产是国内薄弱项，大部分依赖进口。复合材料叶片是实现风能转换成电能装置中的关键件，特别是因其重量轻、耐腐蚀、耐气候性、疲劳性能好、成型工艺适合制造复杂外形、无需后加工等一系列其它材质无法比拟的优点，已在大中型叶片中普遍采用，复合材料叶片在国外风机上的应用率为95%以上。目前我国风力发电机组国产化率只达到30-40%，国家要求机组国产化率达到70%以上，因此推进复合材料风机叶片技术国产化面临着广阔的发展前景因此，评价几种复合材料风力机叶片制造工艺，来对风力机在不同环境和不同情况下，更加适合哪种制造工艺。让风力机得到更有效率的利用和带来更多的风能资源。2.复合材料风力机叶片的几种制造工艺2.1课题来源：指导老师提供空腹薄壁填充泡沫结构合模工艺这种结构形式的叶片在国内使用极为普遍，它由玻璃钢壳和泡沫芯组成，它的成型方法比较简单，主要有两种，一种是预发泡沫芯后整体成型，另一种是先成型两个半壳，粘接后再填充泡沫。它的特点是抗失稳和局部变形能力较强，成型时采用上下对模、螺栓或液压等机械加压成型，对模具的刚度和强度要求高。这种方法只在小型叶片生产中采用。大中型叶片宜采用两半壳胶合工艺，采取空腹薄壁结构，成型方式主要有两种，即两半壳胶合及内气压袋整体成型。安装在福建平潭的风电站，由比利时政府资助，HMZ公司生产的4台200KW风力机就采用了空腹薄壁结构叶片。一般内气压袋成型仅限于较小的叶片。上述两种结构工艺通常只用于生产叶片长度比较短和批量比较小的时候。2.3闭模真空浸渗工艺（RTM）闭模真空浸渗工艺又称真空灌注成型工艺（RTM）。采用闭模真空浸渗工艺制备风力发电转子叶片时，首先把增强材料铺覆在涂硅胶的模具上，增强材料的外形和铺层数根据叶片设计确定，在先进的现代化工厂，采用专用的铺层机进行铺层，然后用真空辅助浸渗技术输人基体树脂，真空可以保证树脂能很好地充满到增强材料和模具的每一个角落。真空辅助浸渗技术制备风力发电转子叶片的关键有：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。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。工艺参数要最佳化。真空辅助浸渗技术的工艺参数要事先进行实验研究，保证达到最佳化。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。闭模真空浸渗工艺适用于大型叶片的生产（叶片长度在40米以上时）和大批量的生产，闭模真空浸渗工艺被认为效率高、成本低、质量好，因此为很多生产单位所采用。拉挤工艺在垂直轴风力发电机组中，叶片为鱼骨型不变截面，且不需考虑转子动平衡问题，可采用拉挤工艺方法生产。用拉挤成型工艺方法生产复合材料叶片可实现工业化连续生产，产品无需后期修整，质量一致，无需检测动平衡，成品率95%，用拉挤成型工艺方法生产复合材料叶片与其他成型工艺方法生产的复合材料叶片相比，成本可降低40%，销售价格降低50%。拉挤工艺对材料的配方和拉制工艺过程要求非常严格，国际上目前只能拉挤出600-700mm宽的叶片，用于千瓦级风力发电机上。我国目前已研制成功用于兆瓦级垂直轴风力发电机的叶片，截面尺寸为1400mmX252mm，壁厚6mm，长度为80-120米，属于薄壁中空超大型型材。此前最大的拉挤叶片为日本研制，其直径达15米，美国WindPowerSystemInc生产的StormMaster-1260KW风机也采用了拉挤叶片。2.5缠绕工艺美国生产的WTS-4型风力机叶片即采用了这种方法，单片叶片长度达39米，重13吨，其生产过程是完全自动化的。由计算机控制的缠绕设备非常复杂，它有五种功能，即移动台架、转动芯轴、伸缩工作臂、升降杆臂以及变动缠绕角。国外大型风机叶片大多采用复合材料D型主梁或O型主梁与复合材料壳体组合的结构形式。该种结构的大型叶片一般采用分别缠绕成型D型或O型主梁、（RTM）成型壳体，然后靠胶接组合成整体的工艺方法。3复合材料风机叶片制造的关键技术3.1复合材料风机叶片的结构设计复合材料风机叶片设计中要进行风力空气动力学计算和结构力学计算。叶片的外形是通过空气动力学设计确定的，尺寸较复杂，而且其尺寸、表面光洁度以及质量分布、疲劳强度等都有较高要求。叶片的结构形式是通过结构力学计算确定的，常见的形式为设有加强筋的空腹薄壁和薄壁泡沫塑料夹芯结构。确定合理的结构，以防止在受载（离心力、弯矩和扭矩）时失稳或局部变形。叶根设计是叶片结构设计的关键。因为在叶根处的荷载最大，而叶根连接大多靠复合材料的剪切强度、挤压强度或胶层剪切强度来传递荷载的，而复合材料的这些强度均低于其拉伸压缩及弯曲强度。选择根端形式时要注意防止根端出现较大的剪应力，尤其要避免出现层间剪切应力。目前用于大中型风力机复合材料叶片的根端连接形式主要有复合材料翻边法兰、金属法兰和预埋螺栓。其中复合材料法兰和预埋螺栓是运用最广泛的两种方法。叶片铺层设计'叶片的铺层是由叶片所受的外载荷决定的。无论是弯矩、扭矩和离心力都是从叶尖向叶根逐渐递增的，所以叶片结构的壁厚也是从叶尖向叶根逐渐递增的。由于复合材料具有高强度和低弹性模量的特性，叶片除满足强度条件外，尚需满足变形条件，特别是较长的风力机叶片尤其要注意叶片和塔架的碰撞。叶身设计尽可能按等强度布置，且在叶根部分需有较大的安全系数。制造工艺叶片的制造工艺向着工艺技术多样化的先进制造工艺方向发展，采用最新工艺、多种工艺综合技术来生产叶片，如缠绕、VARRIM、RTM、热融性环氧预浸料、硬质泡沫发泡和多轴铺层技术等。而目前我国能实现批产的只有采用手糊工艺制造的叶片，真空预浸合模、RTM工艺正处于试验阶段，而国外已实现先进工艺的产业化应用，因此，国内迫切需要解决或引进批产化生产制造叶片的先进工艺制造技术。目前，国内已有厂家与国外合作，引进了部分生产线。复合材料风机叶片是风力发电系统的关键部件，直接影响整个系统的性能，并要具有长期在户外自然环境条件下使用的耐候性。因此，叶片的材料，设计，制造质量水平十分重要。风轮叶片设计很重要，风机叶片结构复杂，不同叶片结构形状不同，不同位置处截面和投影面夹角不同，现在风机叶片的建模多借助于通用的建模软件。要建立三维模型，编写相应的程序，研究不同材料对风力机的影响。首先研究常用的制造风机叶片的复合材料的优缺点，看哪些材料在承受强大的风载荷，气体冲刷，砂石粒子冲击，紫外线照射使用寿命更长。其次，叶片要有强大的捕风能力，根据转速，叶径长度，叶片外形截面，等方面研究。4.市场发展前景风能正以一种新能源的姿态，向以燃煤为主的火力发电提出挑战。国家发展和改革委员会重新修订的我国风电发展规划目标为：2020年达到3000万千瓦。国家要求机组国产化率达到70％以上，因此推进叶片技术国产化面临着广阔的发展前景。面对风电设备巨大的市场，全球风电设备制造商纷纷将目光投向中国市场，积极寻求与中国企业的合作。全球风机叶片三大制造商丹麦的LM公司、Ves-tas风力系统公司和德国的Enercon公司已捷足先登，相继在我国投资建厂。艾尔姆玻璃纤维制品（天津）有限公司，作为中国第一家跨国叶片制造工厂。伴随近年来中国风能市场的集聚发展和实际需求，该公司对其叶片规格由原来的最长34米调整到37米，主要用于中国未来主流机型1.5兆瓦风力发电机的装配。根据专家估计，“十二五”期间，全国新建风电场2/3左右将采用1.5兆瓦及以上机型。只有山区等交通、运输、吊装等受到限制的地区将采用1.5兆瓦以下的机型。而2兆瓦机组陆上风电的优势不明显，更适合海上风电场。因此，1.5兆瓦在相当长时间内会成为一种主流机型，在国内将有一个较大的市场。随着我国风电市场的迅猛发展和国家相关政策的出台，从风电机组到风机叶片的国产化步伐会逐渐加快。未来几年内，国内风电机组及风机叶片将打破基本上完全依赖进口的局面，叶片制造领域将会出现数家具有竞争力的企业，结束国外叶片制造企业垄断国内市场的局面。5.研究计划进度进度安排：第一阶段（2014年12）：收集资料,阅读相关文献；第二阶段（2015年12-1）：利用三维建模软件建立叶片的三维实体模型对复合材料制造的关键工艺进行了试验研究分析，确定了相关工艺参数；第三阶段（2015年1-3）：对叶片模型进行了静力分析和模态分析，最后对叶片进行静力实验和动态特性实验，并与有限元分析计算结果进行对比。第四阶段（2015年4-）：整理研究内容，撰写论文。参考文献何东晓.我国复合材料风机叶片的几种制造工艺与发展前景[J].纤维复合材料.2007(02)钟方国.风力发电发展现状及复合材料在风力发电上的应用[J].纤维复合材料.2006(03)王飞.小型风力发电机叶片设计与制造工艺研究[D].广西大学.2007张承东.风力机叶片的动力学特性分析及分形特征研究[D].天津工业大学2007刘翠.风力机叶片的优化设计及其动力学特性分析[D].吉林大学2005乔印虎.风力发电机叶片振动研究与保护[D].新疆大学2006薛正福.风力机适应性叶片的参数化建模与有限元分析[D].内蒙古工业大学2009张春丽.复合材料风力机叶片结构设计[D].同济大学2007董锋岩.复合材料风机叶片发展现状及成型工艺进展[A].第十七届玻璃钢/复合材料学术年会论文集[C].2008沈观林，胡更开编著•复合材料力学[M].清华大学出版社，2006SorensenN.N,Hansen,M.O.LRoterPerformancePredictionsUsingaNaVier-StocksMethod.AIAA-1998-0025:52-59.[12]NationalRenewableEnergyLaboratory.WindEnergyInformation[Z]，U.S.DepartmentofEnergy，1998.AQuilligan,AO'Connor,VParkrashi.Fragilityanalysisofsteelandconcretewindturbinetowers.EngineeringStructures[J]2012，12(31):270-282.LobitzDW，SullivanWN.VAWTDYN-ANumericalPackagefortheDynamicAnalysisofVerticalAxisWindTurbines[R].SandiaNationalLaboratoriesReport，SAND80-0085.1980.JanssenLGJ.WindTurbineMaterialsandConstructions[J].JournalofSolarEnergyEngineering，2003，(11):125.MansourH，MohamedKyleK，Wetzel.3DWovenCarbon/GlassHybridSparCapforWindTurbineRotorBlade[J].JournalofSolarEnergyEngineering，128(1):562-573.CKong,J.Bang,Y.Sugiyama.Structuralinvestigationofcompositewindtu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