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风力机叶片材料的选择与评价
杨萍/文 2014/10/29
叶片是风力发电机中最基础和关键的部件,对风力机组的发电效率、运行安全起着至关重要的作用,其良好的设计、稳定的质量和优越的性能是保证风电机组正常运行的重要因素。
叶片在工作中要承受风载荷、砂粒冲刷、紫外线照射、盐雾腐蚀等外界因素的作用,要求叶片具有比重轻、最佳的疲劳性能和机械性能,能经受极端恶劣条件和随机负荷的考验,具有良好的耐紫外线性能、耐腐蚀性能和良好的稳定性。
叶片材料的选择是叶片设计的关键,优良的材料是风力机叶片具有优良特性的重要保证。现今国内风电行业形势严峻,市场竞争激烈,同时叶片向大型化方向发展,使得替代材料的选择和先进材料的开发显得尤为重要。国内目前尚未有特定的标准和评定方法,结合国内外叶片材料的要求及实际生产要求,主要从基体材料、增强材料、胶粘剂和芯材等几方面对叶片材料进行分析,提出选材的相关要求和方法。
复合材料叶片大多采用组装方式制造,一般是先在特有的模具上分别成型叶片主梁、腹板及其他部件,然后在主模具上把两个壳体、腹板及其他部件通过结构胶粘剂胶接组装在一起,合模加压固化后制成整体叶片。目前国内以真空辅助灌注工艺为主,其主要材料为增强材料、基体材料、芯材和胶粘剂。
 
增强材料
 
增强材料主要起着承载载荷的作用,包括 E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、M-玻璃纤维、碳纤维以及超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维等新型纤维。E-玻璃纤维因其成本低、适用性强的特点得到大量使用,是目前叶片的主流增强材料,与许多树脂、成型工艺匹配性较好,目前具有单轴向、双轴向、三轴向、四轴向甚至三维立体结构等许多编织形式,以满足不同的需要。
但是,E-玻璃纤维的密度较大,大型叶片的开发对叶片的重量和强度提出新的要求,完全依靠传统的E-玻璃纤维已不能满足叶片发展的需求,新型的玻璃纤维和碳纤维开始应用到叶片中。高模量玻璃纤维具有良好的强度和抗疲劳性能,提高叶片的抗风能力,增加叶片寿命,减轻叶片重量。碳纤维复合材料叶片是叶片发展的新趋势,现已有叶片制造商利用碳纤维制造叶片,多以玻/碳混杂为主,但其价格过于昂贵,目前尚未得到广泛应用。
选择任何一种纤维织物,根据实际生产工艺和叶片设计需要,要从几个方面考虑:外观质量,纤维织物无断丝、毛丝、杂质、缺丝和丝束排列不均匀等缺陷;铺覆性,在叶片曲面上铺放纤维织物,纤维织物在无褶皱、不断裂、不撕裂,纤维无波折、扭结或起伏的情况下,与模具贴合紧密,能够制成与产品相同的形状;浸润性,叶片根端模拟试验。根端是叶片结构最厚的位置,不管是树脂还是纤维的选择,均应该进行实际生产模拟,主要是观测其实际灌注情况,有无白丝、发热等异常现象发生;层压板力学性能,目前所用E-玻璃纤维织物主要有单轴向布、双轴向和三轴向布。
 
基体材料
 
基体材料在复合材料中起着粘结、支持、保护增强材料和传递应力的作用,主要包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂,直接关系到叶片的工作温度、耐环境性能及成型工艺,目前国内主要以环氧树脂为主。
为达到叶片性能要求,提高叶片的承载能力以及满足真空灌注成型工艺的要求,基体材料必须满足以下几点:粘度要求合适,一般控制在180~300mPa•s。树脂粘度影响叶片成型时间,以及与增强材料之间的浸润性;低固化放热峰温度,叶片结构中局部较厚,低的放热峰可大大减少内应力和延长模具的使用寿命,放热峰过高会引起爆聚;凝胶时间长,固化时间短,根据大型叶片的实际情况,凝胶时间以超过120min为宜;树脂浇铸体具有良好的力学性能,主要包括拉伸、弯曲和冲击韧性;低的体积收缩率和较高的玻璃化转变温度(Tg),低的收缩率是尺寸稳定性的关键,Tg直接影响产品的使用性能;层压板力学性能优异等。
 
胶粘剂
 
目前叶片多采用两个半模胶接合模而成,胶粘剂是叶片的重要结构材料,直接关系到叶片的强度和刚度,要求胶粘剂具有较高的强度、良好的韧性和良好的操作工艺性。叶片用胶粘剂有环氧胶粘剂和聚氨酯胶粘剂,目前以环氧胶粘剂为主。
 
芯材
 
芯材是叶片的关键材料之一,在叶片的前缘、后缘以及剪切肋等部位,一般采用夹层结构来增加结构刚度,防止局部失稳,提高整个叶片的抗载荷能力。叶片常用芯材为 PVC 泡沫和 Balsa。大型叶片的发展,对叶片的重量、质量、成本以及材料的一致性提出新的要求,现已开发出新型芯材在风能行业中逐渐得到应用和认可,是未来重要芯材,主要包括:聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫(PET)、聚 甲 基 丙 烯 酰 亚 胺(PMI)泡沫和纤维增强复合材料芯材(玻璃纤维和闭孔低密度泡沫组成)。
 
选材原则
 
材料的选择主要包括两种情况,一种是在设计前材料的选择,根据材料的性能进行设计,一种是对现有材料的替代。设计选材的一般原则如下:
(1)根据叶片应用场所,选择其强度、刚度以及能够满足环境条件的材料。
(2)所选材料体系要有良好的工艺性和加工性。
(3)满足特殊使用环境或客户需求的性能。如在风沙较大的风场,需要油漆有较好的风沙防护性能。在高原光照强烈的风场,需要油漆具有良好的防紫外光性能等。
(4)优先选用应用较广,有应用案例的材料。
替代材料认证的目的是取代原有的材料,而不对制造、结构和性能带来影响。一般按以下方法进行:
(1)鉴别出材料性能关键参数,并指出为什么是关键参数,如纤维或树脂,关系到叶片的整体性能,对其力学性能、工艺性能等的鉴定是关键。
(2)对每一个关键参数,确定适当的试验、测量方法或评定方法,必须与原有材料所做的试验、测量方法或评定方法严格对应。
(3)确定通过、不通过的原则。需要确定关键性能参数,给定基本要求。性能参数的合格标准要根据实际情况而定,有些值必须满足或超过原先的值,有些值与原有值不能有太大的差距,如层压板纤维含量、增强材料单位面积质量等。
(4)进行试验,根据原则判定是否合格。
随着大型叶片的开发,对材料性能要求越来越高,其相应的技术指标也相应提高,因此科研人员要不断研究和完善各种材料的检验要求,包括碳纤维织物、碳纤维预浸料、涂料等;充分了解各种材料的性能参数,寻求综合性能优异的材料,更好地把材料的性能发挥到最大程度,满足风力机复合材料叶片低成本、轻量化、质量稳定性的需求。
 
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