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風電葉片材料的選擇與評價

放大字體  縮小字體 發布日期:2014-07-16  來源:北極星風力發電網  作者:楊萍  瀏覽次數:187
核心提示:本文主要介紹風力機復合材料葉片用基體材料、增強材料、膠粘劑和芯材的選材要求和評定方法,為現有材料的替代和新型材料的選擇,尋求綜合性能優異的材料提供參考,以滿足葉片低成本、輕量化、質量穩定性的需求。

1. 引言

葉片是風力發電機中最基礎和關鍵部件,對風力機組的發電效率、運行安全起著至關重要的作用,其良好的設計、穩定的質量和優越的性能是保證風電機組正常運行的重要因素[1]。葉片在工作中要承受風載荷、砂粒沖刷、紫外線照射、鹽霧腐蝕等外界因素的作用,要求葉片具有比重輕、最佳的疲勞性能和機械性能,能經受極端惡劣條件和隨機負荷的考驗,具有良好的耐紫外線性能、耐腐蝕性能和良好的穩定性。

葉片材料的選擇是葉片設計的關鍵,優良的材料是風力機葉片具有優良特性的重要保證?,F今國內風電行業形勢嚴峻,市場競爭激烈,同時葉片向大型化方向發展,使得替代材料的選擇和先進材料的開發顯得尤為重要。國內目前尚未有特定的標準和評定方法,結合國內外葉片材料的要求及實際生產要求,主要從基體材料、增強材料、膠粘劑和芯材等幾方面對葉片材料進行分析,提出選材的相關要求和方法。

2. 葉片材料體系

復合材料葉片大多采用組裝方式制造,一般是先在特有的模具上分別成型葉片主梁、腹板及其他部件,然后在主模具上把兩個殼體、腹板及其它部件通過結構膠粘劑膠接組裝在一起,合模加壓固化后制成整體葉片。目前國內以真空輔助灌注工藝為主,其主要材料為增強材料、基體材料、芯材和膠粘劑。

2.1 增強材料

增強材料主要起著承載載荷的作用, 包括E- 玻璃纖維、S- 玻璃纖維、M- 玻璃纖維、碳纖維以及超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維等新型纖維。

E- 玻璃纖維因其成本低、適用性強的特點得到大量使用,是目前葉片主流增強材料,與許多樹脂、成型工藝匹配性較佳,目前具有單軸向、雙軸向、三軸向、四軸向甚至三維立體結構等許多編織形式,以滿足不同的需要,使靈活的結構設計得到更好的體現。

但是,E- 玻璃纖維的密度較大,大型葉片的開發對葉片的重量和強度提出新的要求,完全依靠傳統的E- 玻璃纖維已不能滿足葉片發展的需求,新型的玻璃纖維和碳纖維開始應用到葉片中。高模量玻璃纖維具有良好的強度和抗疲勞性能,提高葉片的抗風能力,增加葉片壽命,減輕葉片重量。碳纖維復合材料葉片是葉片發展的新趨勢,現已有葉片制造商利用碳纖維制造葉片,多以玻/ 碳混雜為主,但其價格過于昂貴,目前尚未得到廣泛應用。

2.1.1 性能要求。選擇任何一種纖維織物,根據實際生產工藝和葉片設計需要,要從以下幾個方面考慮,主要包括力學性能和工藝性能:

(1)外觀質量。纖維織物無斷絲、毛絲、雜質、缺絲和絲束排列不均勻等缺陷。

(2)鋪覆性。在葉片曲面上鋪放纖維織物,纖維織物在無褶皺、不斷裂、不撕裂,纖維無波折、扭結或起伏的情況下,與模具貼合緊密,能夠制成與產品相同的形狀。

(3)浸潤性。

(4)葉片根端模擬試驗。根端是葉片結構最厚的位置,不管是樹脂還是纖維的選擇,均應該進行實際生產模擬,主要是觀測其實際灌注情況,有無白絲、發熱等異?,F象發生。

(5)層壓板力學性能。目前所用E- 玻璃纖維織物主要有單軸向布、雙軸向和三軸向布。以玻璃纖維織物為例,采用真空灌注工藝制備各種纖維織物的層壓板,按相應的ISO 標準進行測試, 葉片一般設計性能基本要求見表1。層壓板性能影響因素主要包括施加載荷相對纖維取向的偏軸角、施加載荷類型、材料局部范圍內組分材料的性能、組分材料的幾何結構以及產品內部缺陷。

同時,采用歸一化方法分析力學性能測試數據,通過把測試值修正成相對于規定的纖維體積含量的數值,直接比較力學性能測試結果。單軸向布和0°三軸向布層壓板的0°拉伸和壓縮性能(強度和模量)根據下式進行歸一化處理:

其中,P 為歸一化值;Pm 為實測值;Vt 為理論纖維體積含量;Vm為實測纖維體積含量。
 

2.1.2 浸潤性測試方法。樹脂與纖維布之間的浸潤性是真空灌注成型工藝中的重要影響因素,兩者之間良好的浸潤性是保證產品質量和避免氣泡、白斑等缺陷的關鍵。

浸潤性通過增強材料的滲透率來表征。滲透率是綜合反映纖維滲透特性的參數,用來表征樹脂流過纖維織物的難易程度,是優化成型工藝和保證產品質量的關鍵。樹脂在纖維中的流動主要是樹脂在纖維束空隙之間的宏觀流動和樹脂在纖維單絲之間的微觀流動,受纖維孔隙率、樹脂粘度、纖維與樹脂的表面張力、溫度、注射壓力等影響。利用Darcy 定律,通過一維和二維面內徑向測量滲透率。

(1)一維方向。一維方向滲透法是樹脂在單向流動(即y 和z方向樹脂流速較小,可以忽略)的情況下,測量恒定流速的樹脂在纖維內的一維流動壓力降。由Darcy定律可推出樹脂一維方向方程:

式中:x 為樹脂流動前鋒位置(m);K 為纖維的滲透率張量(m2);ΔP 為壓力梯度(Pa);t 為灌注時間(s);φ 為孔隙率(%);η 為樹脂粘度(Pa˙s)。其中孔隙率φ 為

其中,n 為增強材料層數;ψ 為玻璃纖維單位面積質量(g/m2);h為增強材料厚度(mm);ρf—玻璃纖維密度(g/cm3)。

通過記錄樹脂流動過程中流動前鋒位置x 與時間t,并對x2~t 作圖,通過線性擬合由直線斜率k 來計算出滲透率。其示意圖如圖1 所示。

(2)二維徑向。二維徑向滲透率是指樹脂從增強材料中心一點注入,在恒定流速或恒定壓力下在面內沿徑向流動(不考慮樹脂沿厚度方向的流動),通過記錄樹脂徑向流動前鋒與時間的關系可同時得到平面內兩個主方向的滲透率,具體如下:

各向同性材料計算公式:

各向異性材料計算公式:

一般情況下,二維徑向流動前沿曲線為圓形或橢圓形,記錄樹脂流動前沿半徑和時間,根據以上公式計算滲透率。其示意圖見圖2。


 

2.2 基體材料

基體材料在復合材料中起著粘結、支持、保護增強材料和傳遞應力的作用,主要包括不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂和乙烯基酯樹脂,直接關系到葉片的工作溫度、耐環境性能及成型工藝,目前國內主要以環氧樹脂為主。

為達到葉片性能要求,提高葉片的承載能力以及滿足真空灌注成型工藝的要求,須從以下幾個方面進行材料選擇和測試:

2.2.1 粘度要求合適。一般控制在180mPa˙s~300mPa˙s。樹脂粘度影響葉片成型時間,以及與增強材料之間的浸潤性。

2.2.2 低固化放熱峰溫度。葉片結構中局部較厚,低的放熱峰可大大減少內應力和延長模具的使用壽命,放熱峰過高會引起爆聚。

2.2.3 凝膠時間長,固化時間短。根據大型葉片的實際情況,凝膠時間以超過120min 為宜。

2.2.4 樹脂澆鑄體具有良好的力學性能。主要包括拉伸、彎曲和沖擊韌性。詳見表2。

2.2.5 低的體積收縮率和較高的玻璃化轉變溫度(Tg)。低的收縮率是尺寸穩定性的關鍵,Tg直接影響產品的使用性能。

2.2.6 層壓板力學性能優異。層壓板力學性能是葉片設計鋪層的關鍵數據,詳見表1。

2.2.7 樹脂與纖維之間的浸潤性,其測試方法同增強材料。

2.3 膠粘劑

目前葉片多采用兩個半模膠接合模而成,膠粘劑是葉片的重要結構材料,直接關系到葉片的強度和剛度,要求膠粘劑具有較高的強度、良好的韌性和良好的操作工藝性。葉片用膠粘劑有環氧膠粘劑和聚氨酯膠粘劑,目前以環氧膠粘劑為主。

2.3.1 本體性能。主要包括膠粘劑澆鑄體的拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能和沖擊韌性等力學性能以及玻璃化轉變溫度。

2.3.2 填充性能。膠粘劑堆積30mm 高,直到凝膠或進行下一步工序時仍能保持初始狀態。

2.3.3 放熱峰溫度和凝膠時間。放熱峰溫度要低,凝膠時間應不小于120min,掌握凝膠時間和放熱峰溫度,有利于控制膠粘劑的一次施工用量。

2.3.4 拉伸剪切性能。這是表征膠粘劑的一項重要指標。測試基材為玻璃鋼- 玻璃鋼。

2.3.5 拉伸剪切疲勞性能。模擬葉片在不同風況下的工作情況,用來預測葉片內膠粘劑的最終運行情況,要求循環107 次后不失效,是保證葉片壽命的關鍵性能。

2.4 芯材

芯材是葉片的關鍵材料之一,在葉片的前緣、后緣以及剪切肋等部位,一般采用夾層結構來增加結構剛度,防止局部失穩,提高整個葉片的抗載荷能力。葉片常用芯材為PVC 泡沫和Balsa。

大型葉片的發展,對葉片的重量、質量、成本以及材料的一致性提出新的要求,現已開發出新型芯材在風能行業中逐漸得到應用和認可,是未來重要芯材,主要包括:

2.4.1 聚對苯二甲酸乙二醇酯泡沫(PET)。成本效益好,可為風電葉片提供有益的物理性能,并且可以回收利用。

2.4.2 聚甲基丙烯酰亞胺(PMI) 泡沫。100% 閉孔結構可以防止樹脂被吸入泡沫內部,減少葉片的重量,具有較高的耐疲勞性能,提高葉片使用壽命。

2.4.3 纖維增強復合材料芯材。由玻璃纖維和閉孔低密度泡沫組成,可以滿足葉片優化設計,降低葉片的重量和成本,尺寸穩定,密度均勻性能很好,提高葉片均勻性。芯材的選擇主要考慮三個方面的因素:力學性能(強度、剛度和密度)要求、工藝要求(承受的溫度、制品形狀、芯材的加工等)和價格。

現以PVC 泡沫和Balsa 的性能要求為例,主要包括芯材的密度、壓縮性能和剪切性能,其性能指標見表3 和表4。同時需要對芯材的夾層結構進行力學性能測試,包括拉伸、壓縮、剪切、彎曲和剝離性能。

3. 選材原則

材料的選擇主要包括兩種情況,一種是在設計前材料的選擇,根據材料的性能進行設計,一種是對現有材料的替代。設計選材的一般原則:

(1)根據葉片應用場所,選擇其強度、剛度以及能夠滿足環境條件的材料。

(2)所選材料體系要有良好的工藝性和加工性。

(3)滿足特殊使用環境或客戶需求的性能。如在風沙較大的風場,需要油漆有較好的風沙防護性能。在高原光照強烈的風場,需要油漆具有良好的防紫外光性能,等等。

(4)優先選用應用較廣,有應用案例的材料。

替代材料認證的目的是取代原有的材料,而不對制造、結構和性能帶來影響。一般按以下方法進行[6]:

(1)鑒別出材料性能關鍵參數,并指出為什么是關鍵參數。如纖維或樹脂,關系到葉片的整體性能,對其力學性能、工藝性能等的鑒定是關鍵。

(2)對每一個關鍵參數,確定適當的試驗、測量方法或評定方法,必須與原有材料所做的試驗、測量方法或評定方法嚴格對應。

(3)確定通過、不通過的原則。需要確定關鍵性能參數,給定基本要求。性能參數的合格標準要根據實際情況而定,有些值必須滿足或超過原先的值,有些值與原有值不能有太大的差距,如層壓板纖維含量、增強材料單位面積質量等。

(4)進行試驗,根據原則判定是否合格。

4. 結論

通過對以上葉片主要原材料的選材要求、測試方法以及選材原則進行了初步探索和總結,為選材提供了參考。隨著大型葉片的開發,對材料性能要求越來越高,其相應的技術指標也相應提高,要不斷研究和完善各種材料的檢驗要求,包括碳纖維織物、碳纖維預浸料、涂料等。充分了解各種材料的性能參數,尋求綜合性能優異的材料,更好地把材料的性能發揮到最大程度,滿足風力機復合材料葉片低成本、輕量化、質量穩定性的需求。

 
關鍵詞: 風電葉片 風電
 
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