【導(dǎo)讀】電裝置中的重要一員，葉片技術(shù)成為制約風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的瓶頸。復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比剛度，具有金屬。材料無可比擬的優(yōu)越性，加上耐疲勞、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗腐蝕、耐高溫等優(yōu)勢(shì)，成為大型風(fēng)力發(fā)電葉片的首選材料。

　　

【正文】 碳纖維是由有機(jī)母體纖維 （ 粘膠絲、聚丙烯睛或?yàn)r青等 ） 采用高溫分解法在 1000~ 3000 e 高溫的惰性氣 體下碳化制成的 ， 具有強(qiáng)度大、密度低、模量高、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn) ， 是一種力學(xué)性能優(yōu)異的材料。碳纖維復(fù)合材料具有剛度強(qiáng)、質(zhì)量輕等一系列優(yōu)異特性 ， 研究表明 ， 碳纖維復(fù)合材料葉片剛度是玻璃纖維復(fù)合葉片的 2~ 3 倍。當(dāng)葉片長(zhǎng)度為 34m 時(shí) ,玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂葉片質(zhì)量為 5800kg， 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂葉片質(zhì)量為 5200kg， 與玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂葉片相比 ， 可減輕質(zhì)量 600kg； 而碳纖維增強(qiáng) EPR 葉片 ， 質(zhì)量為 3800kg， 與玻璃纖維增強(qiáng) EPR 相比 ， 可減輕質(zhì)量 2020kg。由此可見 ， 葉片材料發(fā)展的趨勢(shì)是采用碳纖維 增強(qiáng) EPR 復(fù)合材料 ， 特別是隨著功率的增大 ， 要求葉片長(zhǎng)度增加 ， 更需采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。雖然碳纖維復(fù)合材料的性能大大優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料 ， 但因其價(jià)格昂貴 ， 影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的大范圍應(yīng)用。表 為葉片不同長(zhǎng)度與不同材料葉片質(zhì)量的關(guān)系。 表 葉片長(zhǎng)度與質(zhì)量的關(guān)系 [22] 葉片長(zhǎng)度 /m 不同材料的葉片質(zhì)量 /kg 玻纖 /聚酯 玻纖 /EPR 碳 /EPR 19 1800 1000 34 5800 5200 3800 38 10200 8400 43 10600 8800 52 21000 54 17000 58 19000 由于碳纖維增強(qiáng) EPR復(fù)合材料價(jià)格昂貴 ， 導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)葉片制造成本高。全球各大復(fù)合材料公司正在從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等各方面深入研究 ， 以求降低成本。規(guī)模和運(yùn)輸設(shè)備。 葉片材料的發(fā)展趨勢(shì) （ 1） 碳纖維增強(qiáng)乙烯基樹脂 業(yè)界專家認(rèn)為 ， 用性價(jià)比更高的乙烯基樹脂取代目前廣泛采用的環(huán)氧樹脂 ， 將成為未來風(fēng)力機(jī)葉片材料的應(yīng)用趨勢(shì)。 由于葉片成本占整個(gè)發(fā)電裝置成本的比重較大 ， 因此需選擇性價(jià)比高的材料 ， 用乙烯基樹脂替代環(huán)氧樹脂最突出的優(yōu)勢(shì)是可降低葉 片成本。乙烯基樹脂目前的價(jià)格約為 30元 / kg， 環(huán)氧樹脂約為40元 /kg， 僅通過更換葉片材料就能減少至少 10%的成本。 有專家表示 ， 通過更換葉片材料可以降低更多的成本。因?yàn)?， 葉片主材更換后 ， 表面護(hù)層配套產(chǎn)品也會(huì)相應(yīng)改變 ， 帶來的節(jié)約效果更為可觀。模具成本在葉片生產(chǎn)中所占比例也較高 ， 更換材料后無需進(jìn)行后固化等處理 ， 將大大提高模具的使用效率。以 ， 其模具成本大約為300~400萬元 ， 以環(huán)氧樹脂為基材生產(chǎn)一片葉片需約 2天時(shí)間 ， 而用乙烯基樹脂僅需 1 天。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 共 34 頁(yè) 乙烯基樹脂替代 EPR的另一優(yōu)勢(shì)是工藝性好。乙 烯基樹脂可以在不改變?cè)?EPR成型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上 ， 直接替換 EPR。由于乙烯基樹脂與另一葉片主要用材 UPR 類似 ,因此可以借鑒現(xiàn)有不飽和樹脂制備葉片的成熟工藝。乙烯基樹脂還滿足機(jī)械力學(xué)性能 ， 抗疲勞、剛度等各性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。 乙烯基樹脂之前已大量應(yīng)用于船舶、游艇 ， 其各項(xiàng)性能得到多家廠方的確認(rèn)。雖然乙烯基樹脂有很大優(yōu)勢(shì) ， 但其開發(fā)應(yīng)用仍處于初級(jí)階段 ， 受各種因素制約 ， 真正大范圍的商業(yè)化生產(chǎn)尚需時(shí)日 ，目前國(guó)內(nèi)外企業(yè)正在積極開展乙烯基樹脂在葉片上的應(yīng)用研究。 （ 2） 熱塑性復(fù)合材料 （ CBT樹脂系統(tǒng) ） 當(dāng)前葉片多由熱固 性復(fù)合材料制成 ， 如玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂等 ， 這種材料制成的葉片在其生產(chǎn)過程中會(huì)有大量含有苯基的有毒氣體產(chǎn)生 ， 導(dǎo)致環(huán)境的污染 ， 而且該類葉片在其退役后很難被回收利用。就目前的發(fā)展形勢(shì)看 ， 一種由熱塑性復(fù)合材料制成的綠色葉片的使用是必然的趨勢(shì)。與熱固性復(fù)合材料相比 ， 熱塑性復(fù)合材料有可回收再利用 ， 密度小 ， 強(qiáng)度高 ， 抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)。 （ 3） WindStrandTM增強(qiáng)材料 Owens Corning提出的 WindStrandTM增強(qiáng)材料是新一代的增強(qiáng)玻璃纖維。這一技術(shù)的產(chǎn)生使得葉片生產(chǎn)商能夠繼續(xù)使 用玻璃纖維材料而不必采用其他昂貴的材料。 Wind2 St randTM 增強(qiáng)材料與目前應(yīng)用的材料相比有很多的優(yōu)點(diǎn) : 與 E2玻纖增強(qiáng)材料相比 ， 剛度提高了 17%、強(qiáng)度提高了 30%、疲勞壽命提高了 10倍 ， 這一特性使得風(fēng)輪在葉片偏航和抗風(fēng)中表現(xiàn)出一種很高的水平 ， 同時(shí)使得風(fēng)能利用率和風(fēng)力機(jī)壽命得到了大大的提高。除此之外 ， WindStrandTM增強(qiáng)材料還具有質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn) ，這樣葉片可以做的更長(zhǎng) ， 最終可以達(dá)到降低單位電量的成本目的。 編綁縛結(jié)構(gòu)具有更好的可成型性 ， 因此在風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有極好的應(yīng)用前景。 復(fù)合 材料風(fēng)機(jī)葉片的幾種制造工藝 手糊工藝 傳統(tǒng)復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片多采用手糊工藝制造。手糊工藝的主要特點(diǎn)在于以手工勞動(dòng)為主，簡(jiǎn)便易行、成本低，但效率亦低、質(zhì)量不穩(wěn)定且工作環(huán)境差，多用于中小型葉片的成形。因此手糊工藝生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片的主要缺點(diǎn)是產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)工人的操作熟練程度及環(huán)境條件依賴性較大，生產(chǎn)效率低，而且產(chǎn)品質(zhì)量均勻性波動(dòng)較大，產(chǎn)品的動(dòng)靜平衡保證性差，廢品較高。特別是對(duì)高性能的復(fù)雜氣動(dòng)外型和夾芯結(jié)構(gòu)葉片，還往往需要黏接第二次加工，黏接工藝需要黏接平臺(tái)或型架以確保黏接面的貼合，生產(chǎn)工藝更加復(fù)雜和困難。 空腹薄壁填充泡沫結(jié)構(gòu)合模工藝 這種結(jié)構(gòu)形式的葉片在國(guó)內(nèi)使用極為普遍 ， 它由玻璃鋼殼和泡沫芯組成 ， 它的成型方法比較簡(jiǎn)單 ,主要有兩種 ， 一種是預(yù)發(fā)泡沫芯后整體成型 ， 另一種是先成型兩個(gè)半殼 ， 粘接后再填充泡沫。它的特點(diǎn)是抗失穩(wěn)和局部變形能力較強(qiáng) ， 成型時(shí)采用上下對(duì)模、螺栓或液壓等機(jī)械加壓成型 ， 對(duì)模具的剛度和強(qiáng)度要求高。這種方法只在小型葉片生產(chǎn)中采用。 大中型葉片宜采用兩半殼膠合工藝 ， 采取空腹薄壁結(jié)構(gòu) ， 成型方式主要有兩種 ， 即兩半殼膠合及內(nèi)氣壓袋整體成型。安裝在福建平潭的風(fēng)電站 ， 由比利時(shí)政府資助 ， HMZ 公司生產(chǎn) 的 4 臺(tái) 200KW風(fēng)力機(jī)就采用了空腹薄壁結(jié)構(gòu)葉片。一般內(nèi)氣壓袋成型僅限于較小的葉片。 上述兩種結(jié)構(gòu)工藝通常只用于生產(chǎn)葉片長(zhǎng)度比較短和批量比較小的時(shí)候。 閉模真空浸滲工藝 （ RTM） 閉模真空浸滲工藝又稱真空灌注成型工藝 （ RTM） ，即樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型法 。其原理是， 一個(gè)耐壓的密閉模腔內(nèi)先填滿纖維增強(qiáng)材料，再用壓力將液態(tài)樹脂注入模腔使其浸透增強(qiáng)纖維，然后固化成型。其工藝流程如圖 。 采用閉模真空浸滲工藝制備風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片時(shí) ， 首先把增強(qiáng)材料鋪覆在涂硅膠的模具上 ， 增強(qiáng)材料的外形和鋪層數(shù)根據(jù)葉片設(shè)計(jì)確定 ， 在先進(jìn)的現(xiàn)代化工廠 ， 采用專用的鋪層機(jī)進(jìn)行鋪層 ， 然后用真空輔助浸滲技術(shù)輸入基體樹脂 ， 真空可以保證樹脂能很好地充滿到增強(qiáng)材料和模具的每一個(gè)角落。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 34 頁(yè) （ 1） （ 2） 圖 RTM 法的工藝流程圖 [21] 其主要特點(diǎn)有：閉模成型，產(chǎn)品尺寸和外型精度高，適合成型高質(zhì)量的復(fù)合材料整體構(gòu)件（整個(gè)葉片一次成型）；初期投資??；制品表在光潔度高；成型效率高，適合成型產(chǎn)能為 20 000 件 /批左右的復(fù)合材料制品；環(huán)境污染?。ㄓ袡C(jī)揮發(fā)份 2179。 107，是唯一符合國(guó)際環(huán)保要求的復(fù)合材料成型工藝）。 RTM 是目前世界上公認(rèn)的低成本制造方法，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。應(yīng)該指出的是 RTM 是該法的一個(gè)總稱，其中可有多種分支。生產(chǎn)大型葉片多用的是 VARTM 和 SCRIMP 法。 VARTM即真空輔助 RTM一邊抽真空一邊注入樹脂，此時(shí)只用單面模具，另一面用真空袋。 SCRIMP即西曼復(fù)合材料熔塑成形法，為美國(guó)人西曼所發(fā)明，僅需單面模具且要求簡(jiǎn)單，另一面亦為真空袋，適用于制造大型復(fù)雜制件。 TPI Composites 公司已用該法制造了 30m長(zhǎng)的葉片。 Vestas公司和 Gamesa公司都采用了預(yù)充填的方法，該方法將預(yù)充填層切裁成合適的尺寸并放進(jìn)上、下模段中，一個(gè)空心的翼梁也被分層覆蓋在一個(gè)芯軸柄上。塑料薄膜被鋪在三個(gè)模型之上，并利用真空法將多層纖維壓縮在一起并擠走任何隱蔽的氣泡。在真空狀態(tài)時(shí)將模型加熱到 120℃ ，環(huán)氧樹脂聚合物將變成黏度非常低的材料，空氣釋放有助于預(yù)充填層固緊在一塊，幾分鐘后，升溫使環(huán)氧樹脂聚合物固化，固化之后，將塑料薄膜移走，將葉片部件黏合成一體。 隨著葉片技術(shù)的發(fā)展，熱塑材料得到了應(yīng)用。 L MGlasfibre公司用玻璃鋼、碳纖維和熱塑材料的混合紗絲制 造葉片。這種紗絲鋪進(jìn)模具，加熱到一定溫度后，塑料會(huì)融化，并將紗絲轉(zhuǎn)換成合成材料，這可能使葉片的生產(chǎn)時(shí)間縮短 50%。 真空輔助浸滲技術(shù)制備風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片的關(guān)鍵有 : （ 1） 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 ； （ 2） 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。 （ 3） 工藝參數(shù)要最佳化。真空輔助浸滲技術(shù)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。 （ 4） 增強(qiáng)材料在鋪放過程中保持平直 ， 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。 閉模真空浸滲工藝適用于大型葉片的生產(chǎn) （ 葉片長(zhǎng)度在 40米以上時(shí) ） 和大批量的生產(chǎn) ， 閉模真空浸滲工藝被認(rèn)為效率高、成本低、質(zhì)量好 ， 因此為很多生產(chǎn)單位所采用。 拉擠工藝 在垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中 ， 葉片為魚骨型不變截面 ， 且不需考慮轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡問題 ， 可采用拉擠工藝方法生產(chǎn)。 模具準(zhǔn)備 裝入增強(qiáng)材料 抽真空 配置樹脂 儲(chǔ)料罐 加壓 壓注樹脂后密封模具 固化 后處理 制品 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) 共 34 頁(yè) 用拉擠成型工藝方法生產(chǎn)復(fù)合材料葉片可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn) ， 產(chǎn)品無需后期修整 ， 質(zhì)量一致 ，無需檢測(cè)動(dòng)平衡 ， 成品率 95%， 用拉擠成型工藝方法生產(chǎn)復(fù)合材料葉片與其他成型工藝方法生產(chǎn)的復(fù)合材料葉片相比 ， 成本可降低 40%， 銷售價(jià)格降低 50% 。 拉擠工藝對(duì)材料的配方和拉制工藝過程要求非常嚴(yán)格 ， 國(guó)際上目前只能拉擠出 600* 700 mm 寬的葉片 ， 用于千瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。我國(guó)目前已研制成功用于兆瓦級(jí)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片 ， 截面尺寸為 1400mm*252mm， 壁厚 6mm， 長(zhǎng)度為 80~ 120米 ， 屬于薄壁中空超大型型材。 此前最大的拉擠葉片為日本研制 ， 其直徑達(dá) 15米 ， 美國(guó) WindPowerSystemInc生產(chǎn)的 StormMaster 1260KW風(fēng)機(jī)也采用了拉擠葉片。 纏繞工藝 美國(guó)生產(chǎn)的 WTS 4型風(fēng)力機(jī)葉片即 采用了這種方法 ， 單片葉片長(zhǎng)度達(dá) 39米 ， 重 13噸 ， 其生產(chǎn)過程是完全自動(dòng)化的。由計(jì)算機(jī)控制的纏繞設(shè)備非常復(fù)雜 ， 它有五種功能 ， 即移動(dòng)臺(tái)架、轉(zhuǎn)動(dòng)芯軸、伸縮工作臂、升降桿臂以及變動(dòng)纏繞角。 國(guó)外大型風(fēng)機(jī)葉片大多采用復(fù)合材料 D 型主梁或 O 型主梁與復(fù)合材料殼體組合的結(jié)構(gòu)形式。該種結(jié)構(gòu)的大型葉片一般采用分別纏繞成型 D型或 O型主梁、 （ RTM） 成型殼體 ， 然后靠膠接組合成整體的工藝方法。 復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片制造的關(guān)鍵技術(shù) 復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)中要進(jìn)行風(fēng)力空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算和結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算。葉 片的外形是通過空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)確定的 ， 尺寸較復(fù)雜 ， 而且其尺寸、表面光潔度以及質(zhì)量分布、疲勞強(qiáng)度等都有較高要求。葉片的結(jié)構(gòu)形式是通過結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算確定的 ， 常見的形式為設(shè)有加強(qiáng)筋的空腹薄壁和薄壁泡沫塑料夾芯結(jié)構(gòu)。確定合理的結(jié)構(gòu) ， 以防止在受載 （ 離心力、彎矩和扭矩 ） 時(shí)失穩(wěn)或局部變形。 葉根設(shè)計(jì)是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因?yàn)樵谌~根處的荷載最大 ， 而葉根連接大多靠復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度或膠層剪切強(qiáng)度來傳遞荷載的 ， 而復(fù)合材料的這些強(qiáng)度均低于其拉伸壓縮及彎曲強(qiáng)度。選擇根端形式時(shí)要注意防止根端出現(xiàn)較大的剪應(yīng)力 ， 尤其要避免出現(xiàn) 層間剪切應(yīng)力。目前用于大中型風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片的根端連接形式主要有復(fù)合材料翻邊法蘭、金屬法蘭和預(yù)埋螺栓。其中復(fù)合材料法蘭和預(yù)埋螺栓是運(yùn)用最廣泛的兩種方法。 葉片鋪層設(shè)計(jì) 葉片的鋪層是由葉片所受的外載荷決定的。無論是彎矩、扭矩和離心力都是從葉尖向葉根逐漸遞增的 ， 所以葉片結(jié)構(gòu)的壁厚也是從葉尖向葉根逐漸遞增的。由于復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和低彈性模量的特性 ， 葉片除滿足強(qiáng)度條件外 ， 尚需滿足變形條件 ,特別是較長(zhǎng)的風(fēng)力機(jī)葉片尤其要注意葉片和塔架的碰撞。葉身設(shè)計(jì)盡可能按等強(qiáng)度布置 ， 且在葉根部分需有較大的安全系數(shù)。 制造工藝 葉片的制造工藝向著工藝技術(shù)多樣化的先進(jìn)制造工藝方向發(fā)展 ， 采用最新工藝、多種工藝綜合技術(shù)來生產(chǎn)葉片 ， 如纏繞、 VARRIM、 RTM、熱融性環(huán)氧預(yù)浸料、硬質(zhì)泡沫發(fā)泡和多軸鋪層技術(shù)等。而目前我國(guó)能實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)的只有采用手糊工藝制造的葉片 ， 真空預(yù)浸合模、 RTM 工藝正處于試驗(yàn)階段 ，而國(guó)外已實(shí)現(xiàn)先進(jìn)工藝的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用 ， 因此 ， 國(guó)內(nèi)迫切需要解決或引進(jìn)批產(chǎn)化生產(chǎn)制造葉片的先進(jìn)工藝制造技術(shù)。目前 ， 國(guó)內(nèi)已有廠家與國(guó)外合作 ， 引進(jìn)了部分生產(chǎn)線。 碳纖維復(fù)合材料與風(fēng)機(jī)葉片 碳纖維在風(fēng)力機(jī)發(fā)電葉片中的 應(yīng)用 當(dāng)葉