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1、 风力发电机叶片材料的发展材料12-2 张鹤 2012011606叶片材料的发展沿革当前主要使用的叶片复合材料叶片复合材料的制造工艺叶片今后的发展趋势为什么要提高叶片材料性能？n提高机组的经济性，叶片的尺寸增大可以改善风力发电的 经济性，降低成本。叶片长度从1980年的4.5m发展到今天的 61.5m，容量从当初的55kW发展到今天的5MW n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。 n风能作为一种洁
2、净的可再生能源，随着技术逐步成熟，今 后的运行成本会低于水电和火电，发展前景非常广阔。目前 的风力发电机单机容量的不断增大, 变速恒频、变桨矩型风 力机逐渐占据了主导地位。叶片材料的发展沿革p木制叶片及布蒙皮叶片 p钢梁玻璃纤维蒙皮叶片 p铝合金等弦长挤压成型叶片 p玻璃钢叶片 p玻璃钢复合叶片 p碳纤维复合叶片 p测算2007年制造的43,777枚风轮叶片的总重量略 超过20,万,t，这使得风轮叶片成为全世界复合材 料的最大单项用途之一。在这20万T叶片中，各 种原材料的用量分别为： 玻璃纤维：100,240,t； 碳纤维：2,090,t； 热固性树脂(主要是环氧和聚酯树脂)：82,550,
3、t； 芯材（巴萨木和泡沫芯材）：8,160,t； 金属（配件和螺栓）：6,800,t。木制叶片及布蒙皮叶片 近代的微、小型风力发电机也有采用木制叶片的，但木制叶片不易 做成扭曲型。大、中型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片 的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必 须承担的力和弯矩。 钢梁玻璃纤维蒙皮叶片 叶片在近代采用钢管或D型型钢做纵梁，钢板做肋梁，内填泡沫 塑料外覆玻璃钢蒙皮的结构形式，一般在大型风力发电机上使用。叶 片纵梁的钢管及D型型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小，以满足扭 曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强度梁。 今天我们仍可看到金属制直升机螺旋桨、气垫船
4、螺旋桨、风扇叶 片、船用螺旋桨，因此不难理解也有用金属做的风力机叶片。实际上由于合金钢其价格低廉，易加工成细长的形状，因此 常采用钢管或D型型钢做叶片纵梁，钢板做肋梁，合金钢也因此一度 被认为是首选的风力机叶片材料。然而，它的密度太大，疲劳特性差，易腐蚀，加工成扭曲形 状成本高，因而慢慢被别的材料所替代。铝合金等弦长挤压成型叶片 用铝合金挤压成型的等弦长叶片易于制造，可连续生产，又可按设计 要求的扭曲进行扭曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或 螺栓连接来实现。铝合金叶片重量轻、易于加工，但不能做到从叶根 至叶尖渐缩的叶片，因为目前世界各国尚未解决这种挤压工艺。玻璃钢叶片所谓玻璃钢(gl
5、ass fiber reinforced plastic，简称GFRP)就是环氧 树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做 成的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠 玻璃纤维及涂环氧树脂，其它部分填充泡沫塑料。玻璃纤维的质 量还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进。LM玻璃纤维公司 现致力于开发长达54m的全玻纤叶片，其单位kWh成本较低。变弦长的叶片没办法挤拉出来，因此 其是以牺牲空气动力效率为前提的当前主要使用的叶片复合材料据国际咨询公司UtiliPoint总裁Bob Bellemare称：对于风力发电机而 言，碳纤维是即将来临的潮流。一般较小型的叶片(如2
6、2m长)选用量 大价廉的E-玻纤增强塑料，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的混杂复合材料，树脂基体以环氧为主。GE风能的叶片工程的 全球经理Ramesh Gopalakrishnan说，设计师们在寻找轻质高强度材 料的过程中，选择了碳纤维应用于叶片设计中。因此，玻璃纤维和 碳纤维是目前叶片制造中最为重要的两种材料。 为满足上述要求，提高机组的经济性，叶片的尺寸增大可以改善风 力发电的经济性，降低成本。叶片长度从1980年的4.5m发展到今天 的61.5m，容量从当初的55kW发展到今天的5MW。1970年的风力机
7、 叶片主要有钢材、铝材或木材制成，今天选择的材料以E-玻纤增强 塑料(GFRP)居多，目前已开始采用碳纤维复合材料(CFRP)，叶片材料 的开发顺应了叶片大型化和轻量化的方向发展复合材料制作叶片的主要优势 l 可根据风力机叶片的受力特点设计强度 和刚度 l 翼型容易成型，并达到最大气动效率 l 抗振性好，自振频率可自行设计 l 疲劳度较高 l 耐腐蚀性和耐气候性好 l 维修简便，易于修补！但并不是所有的风力 发电机叶片都要用最好 的复合材料！要根据叶 片的大小，所用地的地 理环境及风源的因素选 择经济性最好的材料！较传统的E玻璃纤维复合材料E-玻璃纤维：E-glass E代表electrica
8、l ，意为电绝缘玻璃。是一族钙铝硅 酸盐玻璃，其碱金属氧化物含量很少（一般小于1%），故又称无碱玻 璃，具有高电阻率。性能： 比强度、比模量和耐腐蚀性能 ，价格较低廉 工艺匹配性好，广泛用于电气 设备 密度大，不适于大型叶片S玻璃纤维复合材料S-玻璃纤维：S代表Strength（强度），亦有代表Structural（结构的）之说。是 美国欧文斯科宁研发的高强度纤维玻璃。S玻璃是一种镁铝硅酸盐玻璃，其新 生态纤维强度一般比E玻璃纤维高25%以上，同是具有高模量，抗冲击，耐高 温，耐疲劳和透雷达波的性能。 缺点：较E-Glass 价格贵。 欧文斯科宁开发的WindStrand新一代增强型玻璃纤维，
9、可在不增加叶片成本的 情况下提高叶片的性能。据报道，WindStrand可以提高叶片的硬度和强度，使 叶片具有良好的抗疲劳性能，从而提高叶片的抗风性能，增长叶片的寿命，提 高叶片的能量转换率。与传统的E一玻璃纤维相比，增强型WindStrand可以使 叶片的重量降低10% 但仍不能满足更大叶片的生产！碳纤维复合材料随着风机叶片长度的增加，单纯使用玻璃纤维，其刚度已经不能满足大 型风机叶片的要求，因此碳纤维也逐渐被引人。荷兰代尔夫特理工大学 (DelftUniversity of Technology,Netherlands)研究表明，碳纤维复合材料叶 片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的两倍。碳纤
10、维取代玻璃纤维不仅可 以减轻叶片质量，而且性能更优异。但是碳纤维过于昂贵，一定程度上 限制了其广泛使用。折中的方案：玻纤与碳纤混杂。42 m以上的 叶片采用碳纤维或碳/玻混杂纤维Discontinuous fiber- reinforced composites have lower strength and modulus than continuous fiber composites. However, with random orientation of fibers (Figure 3.1e), it is possible to obtain equal mechanical an
11、d physical properties in all directions in the plane of the lamina . 本文针对 9 米长的复合材料叶片 进行了有限元计算，分析了材料 特性、叠层、厚度等要素的影 响。在现有的叶片截面上，使用 不同厚度的 NREL 剖面，基于层 叠理论和多层结构原理进行复合 材料叶片研究，并完成了二个设 计实例。通过具有相同外部几何 要素、二种不同材料层压的对比 分析可以发现，碳纤维玻璃复合 材料可以减低 11%的重量。 玻璃纤维（）环氧树脂（）复合材料是目 前研究比较成熟、应用最广的一种环氧复合材料，具 有比强度高、比模量高、耐疲劳、耐腐蚀、
12、电性能优 异等特点，应用领域十分广泛，并且用量不断增加。碳纤维（）复合材料具有比强度、比模 量、耐疲劳强度较高以及耐烧蚀性能好等一系列优点 ，还具有密度小、热膨胀系数小、耐腐蚀和抗蠕变性 能优异及整体性好、抗分层、抗冲击等特点.GF/EP与CF/EP性能比较实验材料：碳纤维:T700S,12K，日本东丽; 玻璃纤维:E玻璃纤维CF/EP材料在碳纤 维未经表面改性时 浸润度降低，存在 气孔较多，造成的 材料整体性能会有 所下降。经表面氧化处理后，碳纤维增强环氧树脂复合材料的 力学性能随碳纤维含量的增加呈抛物线状变化，先上 升，达到最大值后下降；碳纤维/环氧树脂复合材料的 力学性能提高，其中最大拉
13、伸强度比未处理碳纤维复 合材料提高了23.37%，最大抗压强度提高了 11.73% 一般认为小型风 机叶片(22m以下) 选用玻璃纤维增 强，树脂基体以不 饱和聚醋树脂为 主，也可选用乙烯 基树脂和环氧树 脂较大型叶片(42m以 上)选用碳纤维增 强或碳纤维和玻璃 纤维混合增强， 树脂基体以环氧 树脂为主。从聚酯树脂到环氧树脂叶片复合材料的制造工艺艺随着风机叶片的尺寸不断增加，为了保证发电机的平稳运行和 塔架安全，要求叶片质量轻、外形尺寸精度高、质量分布均 匀、长期使用性能可靠。因此风机叶片的生产工艺也在不断改 进。n 手糊成型传统复合材料风机叶片多采用手糊成型。由于手糊成型 是开模工艺，生产
14、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;另外，手糊成型生产效率低， 产品质量稳定性差，因此手糊成型通常只用于生产叶片长度比 较短和批量比较小的场合n 真空浇灌成型对于长度超过40m的叶片，一般采用真空灌注成型。真 空灌注成型工艺是将纤维增强材料直接铺放在模具上，在纤 维增强材料上铺放剥离层和高渗透介质，然后用真空薄膜包 覆及密封，利用真空负压将树脂注人并浸透增强材料。由于 真空灌注成型是闭模成型，因此在成型过程中苯乙烯挥发少 ，改善了工作环境，简化了工艺操作。同时真空辅助可充分 消除气泡，降低制品的孔隙率，能有效控制产品的含胶量， 产品质量稳定性高。真空灌注成型工
15、艺被认为一种效率高。 成本低、质量好的生产工艺，已经被广泛使用。n叶片整体成型( Integral Blade)技术较真空灌注成型工艺相比，西门子风力发电集团研发的叶 片整体成型( Integral Blade)技术，更简化了生产过程，能使叶 片正真达到一次成型。其原理是玻璃纤维增强材料的干燥通 过一个封闭的外部模具和一个扩展的内部模具的特殊组合完 成铸造，完成玻璃纤维增强材料的层压之后，环氧树脂材料 在真空环境中注人，此后，叶片在封闭的模具中经高温固化 ，一步完成完整、无缝的叶片制造。与其它制造商所采用的 传统叶片制造方法相比，整体成型所具有的优点包括:该方法 节省人力和空间，制造过程中仅需
16、一个模具组;在外壳和承重 杆之间没有公差，使最终的叶片结构完整，不存在胶水粘连 部件，从而避免了裂缝、水分侵人、雷电对这些潜在威胁对 叶片薄弱环节的不利因素。由于Integral Blade制造过程的封闭 性，叶片制造工厂提供了一个干净、漂亮的工作环境。叶片今后的发展趋势叶片厂家制造大型叶片所面临的问题l 新模具的开发l 固化的问题l 运输的问题l 叶片的技术问题1、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 复合材料桨叶设计外形和尺寸精度，叶片越长，成形时对模具刚度和强度的要 求就越高，而模具的重量和成本也会大幅度提高。近年来，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也逐渐由金属模具向复合材料模 具转变。考虑到内资厂商处在风电叶片生产的初期，需要较长时间进行模具开 发、样品开发、样品测试工艺调试以及流程优化，因此一般新进入的风电叶片 生产厂商都需要较长时间的摸索。2、叶片存在固化问题。 一般而言，复合材料制品在固化过程中放热不易控制 ，特别是在产品结构局部
