風(fēng)力機葉片材料進展

1、當前主要使用的葉片復(fù)合材料當前主要使用的葉片復(fù)合材料葉片材料的發(fā)展沿革葉片材料的發(fā)展沿革葉片復(fù)合材料的制造工藝葉片復(fù)合材料的制造工藝葉片今后的發(fā)展趨勢葉片今后的發(fā)展趨勢p 風(fēng)力發(fā)電以其清潔環(huán)保，可再生，在能源緊缺的今天，成風(fēng)力發(fā)電以其清潔環(huán)保，可再生，在能源緊缺的今天，成為全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展的行業(yè)為全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展的行業(yè)p 各風(fēng)電營運廠商，為了降低發(fā)電成本，提升效益，風(fēng)力機各風(fēng)電營運廠商，為了降低發(fā)電成本，提升效益，風(fēng)力機單機組發(fā)電能力不斷提高單機組發(fā)電能力不斷提高p 隨著風(fēng)電行業(yè)的迅速發(fā)展，對風(fēng)電設(shè)備材料的需求強勁，隨著風(fēng)電行業(yè)的迅速發(fā)展，對風(fēng)電設(shè)備材料的需求強勁，尤其是對復(fù)合材料的需求尤

2、其是對復(fù)合材料的需求 測算2007年制造的43,777枚風(fēng)輪葉片的總重量略超過20,萬,t，這使得風(fēng)輪葉片成為全世界復(fù)合材料的最大單項用途之一全世界復(fù)合材料的最大單項用途之一。在這20萬T葉片中，各種原材料的用量分別為：玻璃纖維：100,240,t；碳纖維：2,090,t；熱固性樹脂(主要是環(huán)氧和聚酯樹脂)：82,550,t；芯材（巴薩木和泡沫芯材）：8,160,t；金屬（配件和螺栓）：6,800,t。當前風(fēng)力發(fā)電的市場趨勢當前風(fēng)力發(fā)電的市場趨勢p 葉片是接收風(fēng)能的主要部件，其良好的設(shè)計、可葉片是接收風(fēng)能的主要部件，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機組正常運行的決定靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性

3、能是保證機組正常運行的決定因素因素p 主要受力：風(fēng)力、葉片自重、離心力給予的各種主要受力：風(fēng)力、葉片自重、離心力給予的各種彎矩、拉力。要求葉片重量輕、結(jié)構(gòu)強度高、剛度彎矩、拉力。要求葉片重量輕、結(jié)構(gòu)強度高、剛度好、表面光滑、耐腐蝕、疲勞強度高、運行安全可好、表面光滑、耐腐蝕、疲勞強度高、運行安全可靠靠p 其他要求：易于安裝、維護方便、制造和使用成其他要求：易于安裝、維護方便、制造和使用成本低本低葉片的發(fā)展沿革葉片的發(fā)展沿革p 葉片的結(jié)構(gòu)葉片的結(jié)構(gòu) 根部材料一般為金屬結(jié)構(gòu)，外殼為玻璃鋼，龍根部材料一般為金屬結(jié)構(gòu)，外殼為玻璃鋼，龍骨（加強筋或加強框）一般為玻璃纖維增強復(fù)合材骨（加強筋或加強框）一般

4、為玻璃纖維增強復(fù)合材料或碳纖維增強復(fù)合材料料或碳纖維增強復(fù)合材料p 葉片制造工藝主要過程葉片制造工藝主要過程 陽模陽模翻陰模翻陰模鋪層鋪層加熱固化加熱固化脫模脫模打磨打磨表面表面噴漆噴漆 葉片的主要結(jié)構(gòu)葉片的主要結(jié)構(gòu)p 木質(zhì)葉片及布蒙皮葉片木質(zhì)葉片及布蒙皮葉片 最早出現(xiàn)的葉片材料，近代的微、小型風(fēng)力發(fā)最早出現(xiàn)的葉片材料，近代的微、小型風(fēng)力發(fā)電機有采用木制葉片。電機有采用木制葉片。 大、中型風(fēng)力發(fā)電機很少用木制葉片，采用木大、中型風(fēng)力發(fā)電機很少用木制葉片，采用木制葉片的也是用強度很好的整體木方做葉片縱梁來制葉片的也是用強度很好的整體木方做葉片縱梁來承擔(dān)葉片在工作時所必須承擔(dān)的主要載荷。承擔(dān)葉片在

5、工作時所必須承擔(dān)的主要載荷。常見葉片材料結(jié)構(gòu)介紹常見葉片材料結(jié)構(gòu)介紹p 鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片 采用鋼管或采用鋼管或D型鋼做縱梁、鋼板做肋梁，內(nèi)填型鋼做縱梁、鋼板做肋梁，內(nèi)填充泡沫塑料，外覆玻璃鋼蒙皮的結(jié)構(gòu)形式，往往在充泡沫塑料，外覆玻璃鋼蒙皮的結(jié)構(gòu)形式，往往在大型風(fēng)力機上使用。大型風(fēng)力機上使用。 常見葉片材料結(jié)構(gòu)介紹常見葉片材料結(jié)構(gòu)介紹p 鋁合金等弦長齊壓成型葉片鋁合金等弦長齊壓成型葉片 重量輕，易于制造，可連續(xù)生產(chǎn)，將其截成所重量輕，易于制造，可連續(xù)生產(chǎn)，將其截成所需要的長度，但不能做到從葉根至葉尖漸縮的葉片，需要的長度，但不能做到從葉根至葉尖漸縮的葉片，采用較少。采用較

6、少。 常見葉片材料結(jié)構(gòu)介紹常見葉片材料結(jié)構(gòu)介紹p 玻璃鋼葉片玻璃鋼葉片 增強塑料強度高、重量輕、耐老化，表面再纏增強塑料強度高、重量輕、耐老化，表面再纏玻璃纖維及涂環(huán)氧樹脂，既可增加強度又使葉片表玻璃纖維及涂環(huán)氧樹脂，既可增加強度又使葉片表面光滑。面光滑。 常見葉片材料結(jié)構(gòu)介紹常見葉片材料結(jié)構(gòu)介紹p 玻璃鋼復(fù)合葉片玻璃鋼復(fù)合葉片 20世紀末，工業(yè)發(fā)達國家的大、中型商鋪風(fēng)力世紀末，工業(yè)發(fā)達國家的大、中型商鋪風(fēng)力機的葉片基本上采用型鋼縱梁、夾層玻璃鋼肋梁及機的葉片基本上采用型鋼縱梁、夾層玻璃鋼肋梁及葉根與輪轂連接用金屬結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料做葉片。葉根與輪轂連接用金屬結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料做葉片。 常見葉片材料結(jié)

7、構(gòu)介紹常見葉片材料結(jié)構(gòu)介紹p 復(fù)合材料制作葉片的主要優(yōu)勢復(fù)合材料制作葉片的主要優(yōu)勢l 可根據(jù)風(fēng)力機葉片的受力特點設(shè)計強度和剛度可根據(jù)風(fēng)力機葉片的受力特點設(shè)計強度和剛度l 翼型容易成型，并達到最大氣動效率翼型容易成型，并達到最大氣動效率l 抗振性好，自振頻率可自行設(shè)計抗振性好，自振頻率可自行設(shè)計l 疲勞度較高疲勞度較高l 耐腐蝕性和耐氣候性好耐腐蝕性和耐氣候性好l 維修簡便，易于修補維修簡便，易于修補 當前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料當前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料根據(jù)葉片長度不同和使用環(huán)境不同，綜合考慮成本根據(jù)葉片長度不同和使用環(huán)境不同，綜合考慮成本來選擇所采用的材料，當前最常采用的材料來選擇

8、所采用的材料，當前最常采用的材料p 玻璃纖維增強聚酯樹脂玻璃纖維增強聚酯樹脂p 玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂p 碳纖維增強環(huán)氧樹脂碳纖維增強環(huán)氧樹脂當前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料當前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料主要使用的幾種復(fù)合材料比較主要使用的幾種復(fù)合材料比較 性能：性能：碳纖維環(huán)氧樹脂碳纖維環(huán)氧樹脂玻璃纖維環(huán)氧樹脂玻璃纖維環(huán)氧樹脂玻璃纖維聚酯樹脂玻璃纖維聚酯樹脂 價格：價格：與之相反與之相反當前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料當前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料對于高功率的大型風(fēng)力機葉片材料，采用碳纖維增強環(huán)氧對于高功率的大型風(fēng)力機葉片材料，采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂將是一個趨勢樹脂將是

9、一個趨勢MR3p E玻璃纖維復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料l 具有較好的比強度、比模量和耐腐蝕性能，價格具有較好的比強度、比模量和耐腐蝕性能，價格較低廉，是當前風(fēng)力機葉片的主流材料，與許多樹較低廉，是當前風(fēng)力機葉片的主流材料，與許多樹脂的成型工藝匹配性好脂的成型工藝匹配性好l 各種編制形式不斷開發(fā)，單軸向、雙軸向，三軸各種編制形式不斷開發(fā)，單軸向、雙軸向，三軸向等，以滿足不同的使用需求向等，以滿足不同的使用需求l 缺點：密度大，更大型的葉片需要選擇替代材料缺點：密度大，更大型的葉片需要選擇替代材料 當前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料當前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料p S玻璃纖維復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料

10、l 性能強于性能強于E玻璃纖維玻璃纖維l S 玻璃纖維也是玻璃材質(zhì)，但其模量卻能達到玻璃纖維也是玻璃材質(zhì)，但其模量卻能達到85.5GPa，比，比E 玻璃纖維高玻璃纖維高18，且強度高出，且強度高出33l 缺點：價格較貴。缺點：價格較貴。$15/Kg，玻纖，玻纖 $11/Kg 美國的美國的AGY公司計劃擴大產(chǎn)能降低成本。如公司計劃擴大產(chǎn)能降低成本。如S玻玻璃纖維與璃纖維與E玻璃纖維的成本降低到同一水平的話，玻璃纖維的成本降低到同一水平的話，將具有極大的市場前景將具有極大的市場前景 當前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料當前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料p 碳纖維或碳碳纖維或碳/?；祀s纖維?；祀s纖維l 如

11、果葉片進一步加長，玻璃纖維的重量增加顯著，如果葉片進一步加長，玻璃纖維的重量增加顯著，碳纖維將成為主要選擇的材料碳纖維將成為主要選擇的材料 34m 葉片葉片 玻纖環(huán)氧樹脂復(fù)合材料重量玻纖環(huán)氧樹脂復(fù)合材料重量5.2T，碳纖維重量，碳纖維重量為為3.8Tl 使用性能大大優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料，高強度、使用性能大大優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料，高強度、高模量，耐腐蝕性能高模量，耐腐蝕性能l 缺陷：缺陷： 價格是幾種纖維中最貴的，碳纖維價格為價格是幾種纖維中最貴的，碳纖維價格為玻璃纖維價格的玻璃纖維價格的10倍倍l 折中的方案：玻纖與碳纖混雜。折中的方案：玻纖與碳纖混雜。42 m以上的葉片以上的葉片采用采用 當

12、前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料當前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料p 采用熱塑性樹脂為基體的復(fù)合材料采用熱塑性樹脂為基體的復(fù)合材料l 熱固性樹脂復(fù)合材料。難以自然降解，很難進行熱固性樹脂復(fù)合材料。難以自然降解，很難進行回收利用。未來幾十年間，隨著退役葉片不斷增加，回收利用。未來幾十年間，隨著退役葉片不斷增加，退役葉片的處理將成為科學(xué)家和環(huán)境保護者面臨的退役葉片的處理將成為科學(xué)家和環(huán)境保護者面臨的一大現(xiàn)實難題一大現(xiàn)實難題l熱塑性復(fù)合材料具有密度小、質(zhì)量輕、抗沖擊性熱塑性復(fù)合材料具有密度小、質(zhì)量輕、抗沖擊性能好、生產(chǎn)周期短等一系列優(yōu)點能好、生產(chǎn)周期短等一系列優(yōu)點l 但該類復(fù)合材料的制造工藝技術(shù)與傳統(tǒng)的

13、熱固性但該類復(fù)合材料的制造工藝技術(shù)與傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料成型工藝差異較大復(fù)合材料成型工藝差異較大, 制造成本較高制造成本較高, 成為限成為限制熱塑性復(fù)合材料用于風(fēng)力機葉片的關(guān)鍵問題制熱塑性復(fù)合材料用于風(fēng)力機葉片的關(guān)鍵問題l各國都在開發(fā)熱塑性樹脂。日本的三菱重工和美各國都在開發(fā)熱塑性樹脂。日本的三菱重工和美國國cyclics公司簽署合作協(xié)議，致力于熱塑性樹脂復(fù)公司簽署合作協(xié)議，致力于熱塑性樹脂復(fù)合材料的開發(fā)合材料的開發(fā) 當前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料當前風(fēng)力機葉片主要使用的復(fù)合材料p 手糊工藝手糊工藝l 是傳統(tǒng)復(fù)合葉片材料的主要制造工藝是傳統(tǒng)復(fù)合葉片材料的主要制造工藝l 主要特點：主要特點：

14、1、手工操作、開模成型、手工操作、開模成型 2、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)效率低 3、樹脂固化程度往往偏低、樹脂固化程度往往偏低 4、產(chǎn)品質(zhì)量受到工人操作熟練程度及環(huán)境條件依賴性、產(chǎn)品質(zhì)量受到工人操作熟練程度及環(huán)境條件依賴性較大，質(zhì)量波動較大，廢品率較高較大，質(zhì)量波動較大，廢品率較高 5、只適合小批量、質(zhì)量均勻性要求較低的復(fù)合材料制、只適合小批量、質(zhì)量均勻性要求較低的復(fù)合材料制品生產(chǎn)品生產(chǎn) 6、目前對質(zhì)量要求稍高的較大型葉片采用機械浸漬、目前對質(zhì)量要求稍高的較大型葉片采用機械浸漬 葉片復(fù)合材料的主要制造工藝葉片復(fù)合材料的主要制造工藝p 手糊工藝手糊工藝l 用手糊工藝選擇樹脂的基本原則：用手糊工藝選擇樹脂

15、的基本原則： 1、原料易得，價格合理。、原料易得，價格合理。 2、樹脂粘度合適成型工藝。、樹脂粘度合適成型工藝。 3、樹脂能在室溫下固化，同時要求樹脂的固化時間能、樹脂能在室溫下固化，同時要求樹脂的固化時間能滿足工藝操作時間；滿足工藝操作時間； 4、樹脂固化收縮率??；、樹脂固化收縮率??； 5、樹脂粘結(jié)強度高，玻璃鋼疲勞性能好；、樹脂粘結(jié)強度高，玻璃鋼疲勞性能好； 6、耐老化，耐化學(xué)腐蝕性能好；、耐老化，耐化學(xué)腐蝕性能好； 7、樹脂及固化劑應(yīng)為無毒或低毒。、樹脂及固化劑應(yīng)為無毒或低毒。 葉片復(fù)合材料的主要制造工藝葉片復(fù)合材料的主要制造工藝p RTM工藝（樹脂傳遞模塑）工藝（樹脂傳遞模塑）l 高質(zhì)

16、量的風(fēng)力機葉片往往采用高質(zhì)量的風(fēng)力機葉片往往采用l原理：原理： 首先在模腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計好的首先在模腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計好的增強材料預(yù)成型體，采用注射設(shè)備將專用低粘度注增強材料預(yù)成型體，采用注射設(shè)備將專用低粘度注射樹脂體系注入閉合模腔。模具具有周圍密閉和緊射樹脂體系注入閉合模腔。模具具有周圍密閉和緊固以及注射及排氣系統(tǒng)，以保證樹脂流動順暢并模固以及注射及排氣系統(tǒng)，以保證樹脂流動順暢并模腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維，并且模具有加熱腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維，并且模具有加熱系統(tǒng)，可進行加熱固化，而成型復(fù)合材料構(gòu)件。系統(tǒng)，可進行加熱固化，而成型復(fù)合材料構(gòu)件。 葉片復(fù)合材料的

17、主要制造工藝葉片復(fù)合材料的主要制造工藝p RTM工藝工藝l RTM工藝的主要特點工藝的主要特點 1、閉模成型，產(chǎn)品尺寸和外形精度高，適合成、閉模成型，產(chǎn)品尺寸和外形精度高，適合成型高質(zhì)量的復(fù)合材料整體構(gòu)件。型高質(zhì)量的復(fù)合材料整體構(gòu)件。 2、初期投資少（與、初期投資少（與SMC比較）比較） 3、制品表面光潔度高；、制品表面光潔度高； 4、成品效率高，適合成型年產(chǎn)、成品效率高，適合成型年產(chǎn)20000件以上的復(fù)件以上的復(fù)合材料制品；合材料制品； 5、對環(huán)境污染小、對環(huán)境污染小葉片復(fù)合材料的主要制造工藝葉片復(fù)合材料的主要制造工藝p VARTM工藝工藝l VARTM工藝原理工藝原理 RTM的工藝改進，應(yīng)

18、用薄膜包覆敞口模具，應(yīng)用的工藝改進，應(yīng)用薄膜包覆敞口模具，應(yīng)用真空抽真空，借助于鋪放在結(jié)構(gòu)層表面的高滲透率真空抽真空，借助于鋪放在結(jié)構(gòu)層表面的高滲透率的介質(zhì)引導(dǎo)將樹脂注入到結(jié)構(gòu)中。的介質(zhì)引導(dǎo)將樹脂注入到結(jié)構(gòu)中。l 工藝的關(guān)鍵點工藝的關(guān)鍵點 1、優(yōu)選浸透用的基體樹脂，特別要保證樹脂的、優(yōu)選浸透用的基體樹脂，特別要保證樹脂的最佳粘度及流動特性最佳粘度及流動特性 2、模具設(shè)計必須合理，特別對模具上樹脂注入、模具設(shè)計必須合理，特別對模具上樹脂注入孔的位置、流道分布更要注意，確?；w樹脂能均孔的位置、流道分布更要注意，確保基體樹脂能均衡地充滿任何一處；衡地充滿任何一處； 3、工藝參數(shù)要最佳化，事先進行試驗、工藝參數(shù)要最佳化，事先進行試驗葉片復(fù)合材料的主要制造工藝葉片復(fù)合材料的主要制造工藝p 纖維纏繞工藝纖維纏繞工藝l 借鑒了復(fù)合材料管道的纏繞成型