利用热固性树脂和玻纤制备风力发电叶片工艺方法.docx

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利用热固性树脂和玻纤制备风力发电叶片工艺方法

利用热固性树脂与玻璃纤维制备风力发电叶片产品工艺、设备及方法

一、概述

传统能源资源的大量使用带来了许多的环境问题和社会问题，并且其存储量大大降低，因而风能作为一种清洁的可循环再生的能源，越来越受到世界各国的广泛关注。

风力发电机叶片是接受风能的最主要部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素，其成本约为整个机组成本的15%-20%。

根据“风机功价比法则”，风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比，增加长度可以提高单机容量，但同时会造成发电机的体积和质量的增加，使其造价大幅度增加。

并且，随着叶片的增大，刚度也成为主要问题。

为了实现风力的大功率发电，既要减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，这就对叶片材料提出了很高的要求。

　　二、碳纤维在风力发电机叶片中的应用

　　叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用，进入了纤维复合材料时代。

纤维材料比重轻，疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。

但随着大功率发电机组的发展，叶片长度不断增加，为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高的刚度。

国外专家认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，不能满足大型叶片的要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。

　　1）提高叶片刚度，减轻叶片质量

　　碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3～8倍。

大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。

荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。

据分析，采用碳纤维／玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻20％～30％。

VestaWindSystem公司的V90型3.0MW发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80型2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。

同样是34m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。

其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。

　　2）提高叶片抗疲劳性能

风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。

这就使材料易于受到损害。

相关研究表明，碳纤维合成材料具有良好的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。

　　3）使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率

　　使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。

同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。

　　4）可制造低风速叶片

碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。

　　5）可制造自适应叶片

　　叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。

目前主动型调节风机的设计风速为13～15m/s（29～33英里/h），当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。

斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。

但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。

自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。

美国SandiaNationalLaboratories致力于自适应叶片研究，使1.5MW风机的发电成本降到4.9美分/（kW•h），价格可和燃料发电相比。

　　6）利用导电性能避免雷击

利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

　　7）降低风力机叶片的制造和运输成本

由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都会下降，可缩小工厂的规模和运输设备。

　　8）具有振动阻尼特性

碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔架短频率间发生任何共振的可能性。

三、材料选择

一般对叶片的要求有:

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。

为了满足以上要求,目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂。

据中国环氧树脂行业协会专家介绍:

一般较小型的叶片（如22m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RameshGopalakrishnan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。

据专家介绍,研究表明碳纤维（carbonfiber,简称CF）复合材料叶片,刚度是玻璃钢复合叶片的2～3倍。

虽然碳纤维复合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料,但价格昂贵,影响了它在风力发电上的大围应用。

因此全球各大复合材料公司,正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究,以求降低成本。

昨天,我们用的是木制或金属材料;今天,我们用的是玻璃钢;明天,我们用的是碳纤维;那么明天的明天,我们用的会不会是纳米材料？

市场专家表示,完全可能,原因一是其成本可能降低,二是性能优越、使用寿命长,长期看似乎更经济。

　　目前的风力发电机叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放、树脂注入成型工艺复合而成。

对同一种基体树脂，采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能。

随着叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求，从而对玻璃纤维的拉伸强度和模量也提出了更高的要求。

为了保证叶片能够安全的承担风温度等外界载荷，大型风机叶片可以采用玻璃纤维／碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。

这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

华东理工大学华昌聚合物有限公司与上海玻璃钢研究院有限公司合作，成功研发出具有自主知识产权、适用于大型风机叶片的复合材料——高性能环氧乙烯基酯树脂。

高性能环氧乙烯基酯树脂黏结性能良好，力学性能优异，收缩率低，成本较低

四、成型方法

叶片的结构设计与实际生产制造方法息息相关,两者都需要兼顾生产成本和叶片的可靠性。

两种主要的叶片制造方法有:

预浸料法和灌注法。

尽管两种方法都适用于两种常见设计的叶片结构,但预浸料主要用于箱式粱的叶片结构。

1、树脂灌注技术灌注工艺的基本原则就是通过真空压力将树脂吸入预先铺好的增强纤维或纤维布中,真空操作降低纤维一面的压力后,大气压力会驱使树脂浸润增强纤维,纤维灌注的速度和距离取决于以下因素:

树脂系统的黏度、增强纤维的渗透性、灌注树脂的压力梯度。

风机叶片因为叶片壳体的几何形状中不存在复杂的结构,而非常适合采用灌注工艺制造。

2、预浸料技术预浸料指的是纤维束或纤维布经过树脂浸润后形成的均匀预固化材料,预固化材料可直接用于复合材料结构如风电叶片的制造。

预浸料树脂通常粘度较高,在室温下呈固态,便于操作、切割和在模具中铺层,且不需要导入树脂,减小树脂污染。

在模具中铺层完成后,预浸料即可在真空下高温固化,工业用预浸料固化温度通常为80℃～120℃之间。

预浸料的制造遵循和树脂灌注一样的基本原则:

注意工艺温度下树脂体系的粘度、纤维网纱和纤维布的浸润性、压力控制。

因此,要浸润纤维布和纤维网纱,必须先降低树脂粘度,再施加一定的压力,同时还要考虑纤维的浸润性。

由于预浸料树脂在室温下通常呈半固态,要得到浸润能力好的低粘度树脂有两种基本方法:

添加溶剂法和热熔法。

风能用预浸料材料一般采用第二种方法。

五、叶片制造工艺

　　1、增强材料预成型加工方法有:

手工铺层、编织法、针织法、热成型连续原丝毡法、预成型定向纤维毡法、CompForm法和三维编织技术等。

编织法过去大多采用经纬交织的机织物来制作玻/碳纤维基布材料，从承载状态上来考虑采用经编织物作为增强复合材料的基布比经纬交织的机织物具有更明显的优势。

如图1所示：

图1、经编织物结构图

　　这类轴向织物由于承受载荷的纱线系统按要求排列并绑缚在一起，因此能够处于最佳的承载状态。

另一方面，由于机织物中的纱线呈波浪形弯曲，再加上纱线自身的捻度，使其模量、拉伸强度和抗冲击强度都有一定的损失。

而轴向技术使得织物的纱线层能按照特定的方向伸直取向，故每根纤维力学理论值的利用率几乎能达到100%。

此外，轴向织物的纱线层层铺叠，按照不同的强度和刚度要求，可以在织物的同一层或不同层采用不同种类的纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维或碳/玻混杂纤维，再按照编织点由编织纱线将其绑缚在一起。

除了经编轴向织物外,还可以利用纬编绑缚系统开发纬编轴向织物,如图2所示：

　　图2、纬编织物结构图

　　根据经纬编结构的特性,纬编轴向织物较经编绑缚结构具有更好的可成型性,因此在风电叶片结构设计中具有极好的应用前景。

三维编织技术的发展是因为单向或二向增强材料所制得的复合材料层间剪切强度低,抗冲击性差,不能用作主受力件。

采用三维编织技术不仅能直接编织复杂结构形状的不分层整体编织物,从根本上消除铺层。

三维编织复合材料采用了三维编织技术,其纤维增强结构在空间上呈网状分布,可以定制增强体的形状,制成的材料浑然一体,不存在二次加工造成的损伤,因此这种材料不仅具备传统复合材料所具有的高比强度、高比模量等优点,还具有高损伤容限和断裂韧性以及耐冲击、不分层、抗开裂和耐疲劳等特点。

按编织工艺分,常见的编织材料可分为四步编织法、二步编织法和多层联锁编织法等3类。

其中四步编织法发明最早,应用最广。

按编织预制件的横截面形状,三维编织方法可分为矩形编织、圆形编织和异形编织3大类,其中矩形编织工艺适合编织矩形和板状材料的增强体,而圆形编织适合编织圆形和管型材料的增强体,异形编织则用于编织各种特殊形状的增强体。

只要织物的结构形状是由矩形组合或是圆或圆的某一部分组合而成,就可以用编织方法一次成型。

树脂传递模塑法简称RTM法，是首先在模具型腔中铺放好按性能和结构要求设计的增强材料预成型体,采用注射设备通过较低的成型压力将专用低粘度树脂体系注入闭合式型腔,由排气系统保证树脂流动顺畅,排出型腔的全部气体和彻底浸润纤维,由模具的加热系统使树脂等加热固化而成型为FRP构件。

RTM工艺属于半机械化的FRP成型工艺,特别适宜于一次整体成型的风力发电机叶片,无需二次粘接。

与手糊工艺相比,这种工艺具有节约各种工装设备、生产效率高、生产成本低等优点。

同时由于采用低粘度树脂浸润纤维以及加温固化工艺,复合材料质量高,且RTM工艺生产较少依赖工人的技术水平,工艺质量仅仅依赖于预先确定好的工艺参数,产品质量易于保证,废品率低，工艺流程如图4所示。

图4、RTM工艺流程图

注胶压力的选择一直是RTM成型工艺中一个有争议的问题。

低压注胶可促进树脂对纤维表面的浸润;高压注胶可排出残余空气,缩短成型周期,降低成本。

加大注胶压力可提高充模速度和纤维渗透率。

所以有人赞成在树脂传递初期使用低压以使树脂较好地浸润纤维,而当模具型腔中已基本充满树脂时使用较大压力以逐出残余空气。

但压力不能太大,否则会引起预成型坯发生移动或变形。

注胶温度取决于树脂体系的活性期和达到最低粘度的温度。

在不至于过大缩短树脂凝胶时间的前提下,为了使树脂能够对纤维进行充分的浸润,注胶温度应尽量接近树脂达到最低粘度的温度。

温度过高会缩短树脂的活性期，影响树脂的化学性质,进而可能影响到制品的力学性能;温度过低会使树脂粘度增大,压力升高,也阻碍了树脂正常渗入纤维的能力。

注射温度和模具预热温度的选择要结合增强体的特性及模具中的纤维量等综合考虑。

RTM工艺的技术含量高,无论是模具设计和制造、增强材料的设计和铺放、树脂类型的选择与改性、工艺参数（如注塑压力、温度、树脂粘度等）的确定与实施,都需要在产品生产之前通过计算机模拟分析和实验验证来确定。

　　2、VARTM工艺

　　随着技术的发展，现已开发出多种较先进的工艺，如预浸料工艺、机械浸渍工艺及真空辅助灌注工艺。

真空辅助灌注成型工艺是近几年发展起来的一种改进的RTM工艺。

它多用于成型形状复杂的大型厚壁制品。

真空辅助是在注射树脂的同时,在排气口接真空泵,一边注射一边抽真空,借助于铺放在结构层表面的高渗透率的介质引导将树脂注入到结构层中。

这样不仅增加了树脂传递压力,排除了模具及树脂中的气泡和水分,更重要的是为树脂在模具型腔中打开了通道,形成了完整通路。

另外,无论增强材料是编织的还是非编织的,无论树脂类型及粘度如何,真空辅助都能大大改善模塑过程中纤维的浸润效果。

所以,真空辅助RTM（VARTM）工艺能显著减少最终制品中夹杂物和气泡的含量,就算增大注入速度也不会导致孔隙含量增加,从而提高制品的成品率和力学性能。

　　用真空灌注工艺生产碳纤维复合材料存在困难。

碳纤维比玻纤更细，表面更大，更难有效浸渍，适用的树脂粘度更低。

SP公司的SPRINT工艺技术就采用树脂膜交替夹在碳纤维中，经加热和真空使树脂向外渗透。

树脂沿铺层的厚度方向浸渍，浸渍快且充分，同时采用真空加速树脂的流动。

六、制作方案及流程

（1）、常规制备流程

　　1）制造外壳和主梁外壳由玻璃钢在模具进行制造，主梁在真空袋中高温浇注而成；

　　2）安置模具，在模具喷涂胶衣树脂，形成叶片的保护表面；

　　3）把外壳放入模具中，并铺覆玻璃纤维；

　　4）安装主梁，起到支撑作用；

　　5）安装泡沫材料；

　　6）在泡沫材料上铺覆玻璃纤维；

　　7）在玻璃纤维和泡沫材料上铺放真空膜；

8）灌注树脂，并进行高温真空浇注；

　　9）取下真空膜；

　　10）用相同方法制成另外一半壳体；

　　12）安装腹板（腹板为夹层结构）；

　　13）安装避雷装置等；

　　14）安置主模具，在壳体边缘和腹板上涂胶粘剂，粘合两壳体；

　　15）加热，使玻璃纤维更硬；

　　16）叶片脱模，进行最终加工（切割和打磨）。

　　模具由符合材料制作而成，这样模具更轻，刚度更高。

另外，用同种材料制造的叶片和其模具在灌注树脂时对温升的反应相同。

（2）、加入碳纤维改进

　　随着叶片长度的增加，对材料刚度提出了更高的要求。

玻璃纤维复合材料的性能已经达到应用极限，不能有效满足材料要求，因此碳纤维在风机叶片中的应用逐年增加。

但是由于碳纤维比玻璃纤维昂贵，采用100%的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。

目前国外碳纤维主要是和玻璃纤维混合使用，碳纤维只是用到一些关键的部分。

碳纤维在叶片中应用的主要部位有，如图5所示：

　　1）横梁，尤其是横梁盖。

　　2）前后边缘，除了提高刚度和降低重量外，还起到避免雷击对叶片造成的损伤。

　　3）叶片的表面，采用具有高强度特性的碳纤维片材。

　　（3）、采用三维四步编织术，主体使用GFR,在图5所示的5、6、7、8区域轴向加入CFR,织出与模具形状一致的预制件。

将预制件固定在模具中，采用VARTM的方式注入树脂。

（a）四步编织过程                  （b）材料结构

　　图3、四步编织法

四步编织法发明之初,所有的纱线都参加编织运动,且全部编织纱都在空间3个方向发生相对运动,因此这种编织方法是一种真正的三维编织工艺。

具体编织过程如图3（a）所示,在一个编织周期中,编织纱沿着正交的2个方向依次进行往复运动,一个完整的编织周期中携纱器需要完成4个动作,因此被称为四步法。

如图3（b）所示,由于结构中所有纱线在空间中的分布只有4个不同的方向,因此制成的复合材料被称为三维四向编织复合材料。

针对三维编织物的特点,RTM工艺是三维编织复合材料成型的最有效方法。

根据三维编织物的形状制成模具,将预成型坯装入模腔,此时同时控制了纤维体积含量和制品形状;预成型坯中纤维束间的空隙为树脂传递提供了通道,而且三维编织体很好的整体性提高了预成型坯耐树脂冲刷的能力。

七、市场发展前景

风力发电被认为是最有希望,能够大规模利用的可再生能源发电项目。

作为洁净能源,风力能源的开发利用受到世界各国越来越大的重视。

全球风力理事会宣称,2009年中国风力发电量达到了25.8亿瓦,超过了德国的25.77亿瓦,仅次于美国的35亿瓦,成为世界第二大风力发电国。

该协会认为,风力发电量只占据中国电力消耗总量的1%,中国的风力发电市场潜力巨大。

可以断定,未来几年,国风电机组及风机叶片将打破基本上完全依赖进口的局面,叶片制造领域将会出现数家具有竞争力的企业,结束国外叶片制造企业垄断国市场的局面。