叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件,其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。恶劣的环境和长期不停地运转,对叶片的要求有:比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能,能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验;叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常,传递给整个发电系统的负荷稳定性好;耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好;发电成本较低,维护费用最低。
1 风机叶片材料
风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。
风机叶片所用材料已由木质、帆布等发展为金属(铝合金)、玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料等。玻璃钢叶片材料因为重量轻、比强度高、可设计性强、价格比较便宜等因素,成为大中型风机叶片材料的首选。然而,随着风机叶片朝着超大型化和轻量化的方向发展,玻璃钢复合材料开始达到其使用性能的极限,碳纤维维复合材料(CFRP)逐渐开始应用到超大型风机叶片中。
具体而言,由于应用场合的不同,风机叶片材料的选择也会有所不同。一般较小型的叶片(如22m以下)选用量大价廉的E-玻纤增强塑料(GFRP),树脂基体以不饱和聚酯为主,也可选用乙烯酯或环氧树脂;而较大型的叶片(如42m以上)一般采用CFRP或CF与GF混杂的复合材料,树脂基体以环氧树脂为为主。目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料(GRP)。长度大于40m叶片可以采用碳/玻混杂复合材料,但由于碳纤维的价格较高,未能推广应用。
2 风机叶片设计
风机叶片结构设计的目的是要通过空气动力学分析,充分利用复合材料的性能,使大型叶片以最小的质量获得最大的扫风面积,从而使叶片具有更高的捕捉风的能力。随着风力发电机额定功率的增大,风机叶片的质量和费用随着长度的增加也迅速增加,如何通过新的结构设计方案和提高材料的性能来降低叶片的质量至关重要。
在玻璃钢叶片的结构形式中,叶片剖面及根端构造的设计最为重要。选择叶剖面及根端形式,要考虑玻璃钢叶片的结构性能、材料性能及成型工艺。风机叶片要承受较高的载荷,通常要考虑50~60m/s的极限风载。为提高叶片的强度和刚度,防止局部失稳,玻璃钢叶片大都采用主梁加气动外型的结构形式。主梁承担大部分弯曲载荷,而外壳除满足气动性能外,也承担部分弯曲载荷。主梁常用D型、0型、矩形和双拼槽钢等形式。
随着叶片尺寸的不断增加,其生产和制造过程中产生了一些在以往中小型中片生产中未曾碰到过的新问题,大型模具问题便是其一。大型复合材料叶片的外形尺寸与其制造模具有着极其密切的关系。为保证复合材料叶片设计外形和尺寸精度,叶片长度越长,成型时对模具刚度和强度的要求就越高,模具的重量和成本也会大幅度提高。为减轻模具重量,降低模具成本,大型复合材料叶片的制造模具基本是用复合材料模具,这意味着叶片可以做得更长。
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叶片的成型工艺
现在的叶片成型工艺一般是先在各专用模具上分别成型叶片蒙皮、主梁及其他部件,然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起,合模加压固化后制成整体叶片。具体成型工艺又大致可分为七种:①手糊;②真空灌注成型;③树脂传递模塑(RTM);④树脂浸渍工艺(SCRMIP);⑤纤维缠绕工艺(FW)⑥木纤维环氧饱和工艺(WEST);⑦模压。上述工艺中,①、④、⑤和⑥是开模成型工艺,而②、③和⑦是闭模模塑工艺。
传统的叶片生产一般采用开模工艺,生产过程中会有大量的苯乙烯等挥发性有毒气体产生,给操作者和环境带来危害。另一方面,随着叶片尺寸的增加,为保证发电机运行平稳和塔架安全,必须保证叶片重量轻且质量分布均匀,这就促使叶片生产工艺由开模向闭模发展。采用闭模工艺,如现在常用的真空灌注成型工艺,不但可大幅降低成型过程中苯乙烯的挥发,且更易精确控制树脂含量,从而保证复合材料叶片质量分布的均匀性,可提高叶片的质量稳定性。http://www.jjsanjiang.cn
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