我国复合材料风机叶片的几种制造工艺与发展前景_何东晓

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
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纤
维复合 材料 Nhomakorabea2007 年
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。 3. 3 制造工艺 叶片的制造工艺向着工艺技术多样化的先进制
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复合材料风机叶片制造的关键技术
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。 3. 2 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
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前
言
千瓦, 是 2006 年风电装机 7422 万千瓦的 40 倍。全 球风电装机长期增长潜力巨大, 未来三年我国风电 设备市 场爆发 增长 : 据 权威 预测 我 国 2007、 2008、 2009 、 2010 年的新增风电装机容量分别达到 240 万 千瓦、 300 万千瓦、 400 万千瓦、 500 万 千瓦, 到 2010 年累计风电装机预计达到 1700 万千瓦 , 未来三年给 中国风电设备厂家带来了爆发式增长的市场。 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。
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复合材料风机叶片的几种制造工艺
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
中国幅员辽阔, 风力资源极其丰富 , 作为刚刚起 步发展风电的国家具有很大的市场潜力。随着 可 再生能源法 的颁布和 京都协议书 的生效, 中国把 可再生能源中的风能利用放在首要位置, 使得风力 发电面临着前所未有的发展形势。 风力发电有着如下显著优点: 风力发电是一种绿色能源。用矿物燃料发电 每千瓦要产生 0. 681 公斤 CO2 , 风力发电不 会产生 CO2 。 风力发电机技术成熟, 故障率低 , 可用率高达 98% 。大型并网风力发电机自动化程度高 , 无人值 班, 可远程控制。 发电成本低。在可再生能源中, 风力发电的 成本最低。随 着风力发电机的 单机容量的不 断提 高, 技术的不断完善 , 风力发电成本可与常规能源相 竞争。以德国和丹麦为例。一台 600 千瓦的并网风 力发电机 , 在德国的风电市场上, 每年能发电 130 万 千瓦时 , 在丹麦的 风电市场 上, 能 发电 135 万千 瓦 时, 假设风力发电机的寿命 20 年, 再加上维修等费 用, 风力发电成本在德国和丹麦分别为 5. 6 美分/ 千 瓦时和 4. 1 美分/ 千瓦时。 全球风电增长潜力巨大 : 风力发电是目前技术 最成熟、 最具规模化发 展前景的可再 生能源, 根据 GWEC 的乐观预测 , 2050 年全球风电装机达到 30 亿
叶片长 54 米 , 重 20 吨。目前 , 该公司也有意进入中 国风力机组及叶片市场。此外 , 西班牙的 GAMESA 公司也是国际著名的风力设备和叶片生产商 , 目前 也已决定在中国设厂进行叶片制造。 2007 年 4 月, 天津东汽风电叶片工程公司在天 津经济技术开发区化学工业区开工奠基 , 到 2008 年 可形成 600 套 1. 5 兆瓦风电机组叶片的生产能力。 二期工程将形成 100 套 2. 5 兆瓦、 50 套 5 兆瓦风电 机组叶片以及整机设计、 总装能力。 有关数据显示, 1994 年之前 , 世界上大量使用 的风电机单机容量在 200 千瓦以下, 1996 年 300 千 瓦机组成为主流机型, 1998 年 600 千瓦机组成了主 力机型。 1999 年以后, 兆瓦级机组占当年世界新增 风电机组容量的 9. 7% , 2001 年达到 52. 3% , 2003 年 达到 71. 4% 。目前美国主流机型为 1. 5 兆瓦 , 丹麦 主流机型为 2. 0 兆瓦至 3. 0 兆瓦。业内专家分析指 出 , 从我国现有的风电项目来看 , 2004 年以前建成 的项目选用的机型基本为 600 千瓦至 850 千瓦, 从 2004 年起国内风电场开始选用兆瓦级机组 , 部分正 在立项的海上风电场选用了 2 兆瓦的机组。上海目 前规模各为 10 万千瓦的东海大桥海上风电场和奉 贤海上风电场已经完成可行研究, 两处风电场均将 选择单机容量 2 兆瓦机型。由于兆瓦级机组在任何 风场条件下, 在投资、 运营等方面相对于小机组 ( 如 850 千瓦 ) 都具有 明显的 经济性。根据 专家估 计, 十一五 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。
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何东晓等 : 我国复合材料风机叶片的几种制造工艺与发展前景
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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. 2 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入基体树脂 , 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 : 2. 2. 1 2. 2. 2 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; 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。 2. 2. 3 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。 2. 2. 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。 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。 2. 3 拉挤工艺 在垂直轴风力发电机组中 , 叶片为鱼骨型不变
The Outlook and Manufacturing Process of Composite Turbine Rotor Blades
HE Dong- xiao 1 , HUANG Li- gang 1 , YANG Song1 , AN Qing- Sheng 2
( 1.Harbin FRP Institute, Harbin 150036) ( 2. Shanghai Composite Material Company, Shanghai 201206) ABSTRACT This paper states the outlook and manufacturing process of our Chinese composite wind turbine rotor blades, and introduces emphatically several manufacturing processes and the key technology. KEYWORDS Composites; Blades; Manufacturing process; Structural design
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% 。