風(fēng)能作為一種綠色環(huán)保型能源是可再生能源中最具開(kāi)發(fā)潛力的一種。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展與日趨成熟，機(jī)型已達(dá)到5MW以上，葉片長(zhǎng)度超過(guò)60米。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件之一，具有尺寸大，外形復(fù)雜，精度要求高，對(duì)強(qiáng)度、剛度、和表面光滑度要求高等特點(diǎn)。
復(fù)合材料在風(fēng)機(jī)葉片的制造中具備很多優(yōu)勢(shì)。制造工藝主要有手糊成型、模壓成型、預(yù)浸料成型、拉擠成型、纖維纏繞、樹(shù)脂傳遞模塑以及真空灌注成型等工藝。
1、手糊工藝
手糊是生產(chǎn)復(fù)合材料風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的一種傳統(tǒng)工藝。在手糊工藝中，將纖維基材鋪放于單模內(nèi)，然后用滾子或毛刷涂敷玻璃布和樹(shù)脂，常溫固化后脫模。手糊方法可用于低成本制造大型、形狀復(fù)雜制品。因?yàn)樗槐厥芗訜峒皦毫Φ挠绊?。使用?jiǎn)單的設(shè)備和模具即可，另外相對(duì)于其他可行性方案成本更低廉。
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(lài)性較大，生產(chǎn)效率低和產(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，廢品率較高。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，還需要粘接等二次加工，粘接工藝需要粘接平臺(tái)或型架以確保粘接面的貼合，生產(chǎn)工藝更加復(fù)雜和困難。
手糊工藝制造的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在使用過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題往往是由于工藝過(guò)程中的含膠量不均勻、纖維/樹(shù)脂浸潤(rùn)不良及固化不完全等引起的裂紋、斷裂和葉片變形等。
手糊工藝往往還會(huì)伴有大量有害物質(zhì)和溶劑的釋放，有一定的環(huán)境污染問(wèn)題。手糊是一種已被證明的生產(chǎn)復(fù)合材料葉片工藝方法，但由于其產(chǎn)量低及部件的不連續(xù)性以及很難實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力學(xué)性能要求高的大型產(chǎn)品，促使人們將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至其他生產(chǎn)方法。
2、模壓成型
模壓成型工藝首先將增強(qiáng)材料和樹(shù)脂置于雙瓣模具中，然后閉合模具，加熱加壓，然后脫模，進(jìn)行后固化。這項(xiàng)工藝的優(yōu)點(diǎn)在于纖維含量高和孔隙率低，并且生產(chǎn)周期短，精確的尺寸公差及良好的表面處理。
然而，模壓成型適用于生產(chǎn)簡(jiǎn)單的復(fù)合材料制品如滑雪板，很難制造包括蒙皮、芯材和梁的葉片等復(fù)雜形狀部件。盡管可以改進(jìn)模壓成型工藝設(shè)備，但要改進(jìn)能承受20～40米跨度壓力的加熱模要求很大的資本投入。
模壓成型生產(chǎn)的部件具備高纖維含量和高強(qiáng)度/質(zhì)量比，但以低成本方式制造復(fù)雜幾何形狀的葉片有一定困難。
3、預(yù)浸料鋪放工藝
預(yù)浸料方法依其所使用的預(yù)浸增強(qiáng)材料而得名。在這種工藝中，部分固化樹(shù)脂和增強(qiáng)材料鋪放在單模中，加熱固化。為了避免富樹(shù)脂區(qū)的出現(xiàn)和排除存氣空隙，需要預(yù)浸料中的樹(shù)脂由足夠的溢出量，目前，市場(chǎng)上商業(yè)化的預(yù)浸料一般需要較高的固化溫度(90～110%)。使用預(yù)浸料的主要優(yōu)勢(shì)是在生產(chǎn)過(guò)程中纖維增強(qiáng)材料排列完好，因此可以制造低纖維缺陷以及性能優(yōu)異的部件。碳纖維預(yù)浸料廣泛應(yīng)用于航空業(yè)中，因?yàn)樗麄兛梢杂脕?lái)制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件。
選擇預(yù)浸料生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片的主要缺陷是成本高。這種材料通常比普通樹(shù)脂和增強(qiáng)材料貴5～10倍。另外，由于預(yù)浸料是以手工方式鋪放的，與手糊相比，同屬勞動(dòng)密集型，產(chǎn)量低。
預(yù)浸料是生產(chǎn)復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的理想工藝，預(yù)浸料在國(guó)外運(yùn)用非常廣泛，其工藝及設(shè)備也發(fā)展到成熟階段。實(shí)際生產(chǎn)中，由于葉片的蒙皮、主梁、根部等各個(gè)部位的力學(xué)性能及工藝的要求各不相同，因而，在不影響性能的條件下，為了降低成本，不同部分使用不同的預(yù)浸料。
4、拉擠工藝
拉擠成型工藝一般用于生產(chǎn)具有一定斷面，連續(xù)成型制品的生產(chǎn)中。這種連續(xù)成型工藝中，增強(qiáng)材料通過(guò)樹(shù)脂浸膠槽，固化成型。拉擠制品的纖維含量高，質(zhì)量穩(wěn)定，由于是連續(xù)成型易于自動(dòng)化，適合大批量生產(chǎn)。而且，產(chǎn)品無(wú)須后期休整，質(zhì)量一致，無(wú)須檢測(cè)動(dòng)平衡，成品率95%。與其他工藝成本相比，可降低40%。
盡管拉擠工藝具備很多優(yōu)勢(shì)，但在風(fēng)機(jī)葉片的制造中也存在缺陷。拉擠工藝曾經(jīng)成功制造立軸風(fēng)機(jī)葉片以及一些小型水平軸風(fēng)機(jī)葉片，卻不可能制造變截面的風(fēng)機(jī)葉片，I型梁和其他實(shí)體截面對(duì)于拉擠工藝只是小挑戰(zhàn)，而中空部分包括梁和芯材才是難點(diǎn)。
由于拉擠工藝當(dāng)前不能制造截面變化較大的復(fù)雜形狀部件，因此大型自動(dòng)化設(shè)備的成本是拉擠工藝應(yīng)用的另一個(gè)考慮因素。因此，拉擠成型工藝在小型風(fēng)機(jī)葉片生產(chǎn)中有較大的應(yīng)用潛力。
5、纖維纏繞
纖維纏繞主要用于制造容器和管道，工藝中連續(xù)纖維浸入浸膠槽后在機(jī)器控制的芯模上進(jìn)行纏繞。纏繞工藝可控制纖維張力、生產(chǎn)速度及纏繞角度等變量。
纖維纏繞能夠制造不同尺寸及厚度的部件。纏繞工藝應(yīng)用于葉片生產(chǎn)中的一個(gè)缺陷是在葉片縱向不能進(jìn)行纏繞，長(zhǎng)度方向纖維的缺乏使葉片在高拉伸和彎曲載荷下容易產(chǎn)生問(wèn)題。另外，纖維纏繞產(chǎn)生的粗糙外表面可能會(huì)影響葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，所以必須進(jìn)行表面處理。
最后，芯模及計(jì)算機(jī)控制成本很大。很明顯，纖維纏繞的特點(diǎn)適用于容器及管道，而在葉片生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生額外的成本。
6、樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)
樹(shù)脂傳遞模塑工藝屬于半機(jī)械化的復(fù)合材料成型工藝，工人只需將設(shè)計(jì)好的干纖維預(yù)成型體放到模具中并合模，隨后的工藝則完全靠模具和注射系統(tǒng)來(lái)完成和保證，沒(méi)有任何樹(shù)脂的暴露，并因而對(duì)工人的技術(shù)和環(huán)境的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于手糊工藝并可有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量。
RTM工藝采用閉模成型工藝，特別適宜一次成型整體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片(纖維、夾芯和接頭等可一次模腔中共成型)，而無(wú)需二次粘接。與手糊工藝相比，不但節(jié)約了粘接工藝的各種工裝設(shè)備，而且節(jié)約了工作時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)由于采用了低粘度樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維以及采用加溫固化工藝，大大提高了復(fù)合材料質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
RTM工藝生產(chǎn)較少的依賴(lài)工人的技術(shù)水平，工藝質(zhì)量?jī)H僅依賴(lài)確定好的工藝參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量易于保證，產(chǎn)品的廢品率低于手糊工藝。RTM在葉片生產(chǎn)中的限制因素首先是成本。RTM的模具設(shè)備非常昂貴。另外，由于RTM屬于閉模工藝，很難預(yù)測(cè)樹(shù)脂流動(dòng)狀況，容易產(chǎn)生不合格產(chǎn)品。
7、真空灌注成型工藝
真空灌注成型工藝是將纖維增強(qiáng)材料直接鋪放在模具上，在纖維增強(qiáng)材料頂上鋪設(shè)一層剝離層，剝離層通常是一層很薄的低孔隙率、低滲透率的纖維織物，剝離層上鋪放高滲透介質(zhì)，然后用真空薄膜包覆及密封。真空泵抽氣至負(fù)壓狀態(tài)，樹(shù)脂通過(guò)進(jìn)膠管進(jìn)入整個(gè)體系，通過(guò)導(dǎo)游管引導(dǎo)樹(shù)脂流動(dòng)的主方向。
導(dǎo)流布使樹(shù)脂分布到鋪層的每個(gè)角落，固化后剝離脫模布，從而得到密實(shí)、含膠量低的鋪層。真空灌注成型工藝是風(fēng)機(jī)葉片制造商的理想選擇，與標(biāo)準(zhǔn)RTM相比，節(jié)約時(shí)間，機(jī)揮發(fā)物非常少，改善了勞動(dòng)條件，減少操作者與有害物質(zhì)接觸，滿(mǎn)足人們對(duì)環(huán)保的要求，改善了工作環(huán)境，工藝操作簡(jiǎn)單。同時(shí)，真空輔助可充分消除氣泡，降低產(chǎn)品孔隙率，有效控制產(chǎn)品含膠量。
產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高、重復(fù)性能好。制品表觀(guān)質(zhì)量好，相同鋪層而厚度薄，強(qiáng)度高，相對(duì)于手糊成型拉伸強(qiáng)度提高20%以上，該工藝對(duì)模具要求不高，模具制作簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)RTM工藝相比，其模具成本可降低50～70%。
隨著風(fēng)電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片向復(fù)雜化，大型化的方向發(fā)展。各種工藝在風(fēng)力機(jī)葉片制造中得到應(yīng)用。根據(jù)不同的風(fēng)力機(jī)葉片的特點(diǎn)，合理地采用適合的工藝以獲得低成本高質(zhì)量的風(fēng)力機(jī)葉片。
評(píng)論