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        大風機葉片材料輕量化的探索

        2022-06-07 00:47:34孫二平蘇寶定江海濤
        玻璃纖維 2022年2期
        關(guān)鍵詞:碳纖維工藝

        孫二平,蘇寶定,江海濤

        (1.中國廣核新能源控股有限公司,北京 100071; 2.中廣核如東海上風力發(fā)電有限公司,南通 226400)

        0 前言

        我國的風能資源極為豐富,根據(jù)第四次風能資源調(diào)查結(jié)果,我國風能資源可以容納的裝機容量超過10億 kW[1]。風能環(huán)保、無污染、資源豐富,風力發(fā)電技術(shù)逐步發(fā)展成熟,并且在逐年提高其在發(fā)電領(lǐng)域的比例[2]。美國新能源研發(fā)計劃投資1 500億美元;日本追加投資至1 156億日元,在未來的經(jīng)濟、能源、環(huán)保以及技術(shù)領(lǐng)域,一場新的能源革命悄然來臨[3]。

        隨著風能的優(yōu)勢顯著及科技水平的逐年提高,使得風力發(fā)電成為新能源領(lǐng)域最具競爭力的發(fā)電形式之一[4],其中海上風電資源潛力較大,近海風電場水深5~50 m,深海風電場水深在50 m以上[5],開發(fā)沿海用電城市將成為未來風電市場的發(fā)展趨勢,但高成本仍是阻礙其大規(guī)模開發(fā)的關(guān)鍵因素。綜合考慮之下,超大型化、輕量化將成為海上風電葉片發(fā)展的核心方向。國內(nèi)風電葉片廠家紛紛推出百米級葉片,指明了風機的發(fā)展方向是超大型化、高發(fā)電量[6]。

        百米級葉片的突破是具有里程碑意義的,但是葉片制造是項復雜的工藝。超大型化的葉片意味著更高的運行雷諾數(shù)、更大的重量、更大的陣風載荷及伴隨的振動和疲勞載荷。在風機運行的諸多影響因素中,材料本身要朝著高可靠性、低成本化、輕量化發(fā)展,從材料迭代、工藝改進的角度出發(fā),探索復合材料的性能提升、降低生產(chǎn)成本的解決方案。國外Vestas 85 m葉片,西門子97m葉片,國內(nèi)遠景79.8 m葉片,金風80 m葉片,上海電氣84 m葉片的梁帽均采用碳纖維材料制造。碳纖維材料在風能領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)點:1.提升葉片剛度,減輕質(zhì)量;2.提高葉片的抗疲勞性能;3.使風機輸出更平穩(wěn)均衡,提高效率;4.葉片可超大型化;5.具有振動阻尼特性[7-10]。企業(yè)需要分析當前的行業(yè)發(fā)展,以便適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展,隨著超大型葉片時代的來臨,最初的真空灌注玻璃纖維梁帽已經(jīng)不能滿足發(fā)展需求,急需材料的更新迭代、工藝的改進創(chuàng)新,才可為大風機的輕量化、低成本,創(chuàng)造新的競爭優(yōu)勢。

        為應(yīng)對下一代百米級風機的發(fā)展,解決風機超大型化帶來的輕量化,低成本問題,本文采取材料迭代、工藝改進的方法,以梁帽拉擠板為分析對象,通過實驗及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析對比,探索大風機葉片的輕量化、低成本的應(yīng)對方法。

        圖1 復合材料拉擠板生產(chǎn)工藝流程示意圖

        1 復合材料成型工藝

        1.1 真空灌注成型工藝

        真空灌注成型工藝是風電葉片使用時間最長的相對的成熟工藝。成型原理是利用抽真空產(chǎn)生的負壓使樹脂通過預鋪的管路注入纖維層中,讓樹脂浸潤增強材料,最后充滿整個模具,在特定的樹脂固化條件下,樹脂與增強材料共固化,移去輔材后得到所需制品,真空灌注成型工藝具有操作簡單、設(shè)備投資少、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品孔隙率低等優(yōu)點,特別適合大型和復雜結(jié)構(gòu)制品的制備。[11]

        1.2 拉擠板成型工藝

        拉擠板是利用紗通過膠槽進行浸漬,然后通過預成型,穿入一定截面形狀的模具中,分區(qū)進行加熱固化,一般分為三區(qū),不同區(qū)的溫度不同,在不同區(qū)進行預固化、固化,之后通過后固化爐進行后固化,再在一定的牽引力下以一定的拉擠速度進行拉擠,在收卷機上進行收卷,達到規(guī)定長度后進行裁切。一般玻板在生產(chǎn)時需要上下兩面鋪放脫模布,一并放入模具中進行拉擠。使得玻板上下表面在使用前保持干凈,撕去脫模布后有一定的粗糙度。不同層的玻板在后續(xù)灌注固化后有較強的層間結(jié)合力。

        拉擠板的截面尺寸要根據(jù)梁帽尺寸來定,梁帽灌注時,拉擠板本身不能在纖維方向進行拼接,所以拉擠板長度不能低于梁帽長度,梁帽寬度應(yīng)為拉擠板寬度整數(shù)倍,厚度方向不能太厚,過厚不利于拉擠板貼附模具型面。通過玻纖拉擠板的研發(fā),研發(fā)新型玻纖拉擠主梁,引入葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,葉片靜力和疲勞測試新技術(shù),實現(xiàn)超大規(guī)模葉片輕量化,和傳統(tǒng)灌注主梁葉片相比減重15%,同時帶來工藝和制造上的優(yōu)勢,杜絕大梁褶皺,提高葉片生產(chǎn)效率,攻克大型葉片輕量化的難題。

        1.3 研究方法

        本文采取了實驗測試對比的方法,直觀地評估拉擠板的關(guān)鍵性能比模量的優(yōu)勢。比模量是材料的模量/密度,是材料承載能力的一個關(guān)鍵指標,比模量高說明材料質(zhì)量輕,而剛度大,是風機設(shè)計參考的關(guān)鍵參數(shù)。同時聚合物基復合材料在承受壓應(yīng)力載荷時,由于試樣厚度較小,容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,同時拉-拉疲勞一般比壓-壓疲勞特性差很多,通常選擇拉-拉疲勞數(shù)據(jù)作為疲勞關(guān)鍵性能分析參數(shù)。

        2 實驗部分

        風機發(fā)展的趨勢是超大型化,超大型化葉片帶來了高發(fā)電量、低成本、輕量化的挑戰(zhàn)。輕量化的關(guān)鍵之一在于材料的創(chuàng)新突破,玻纖拉擠板是技術(shù)創(chuàng)新的選擇,更高性能的碳纖維拉擠板運用在百米級超大型化葉片上,能解決葉片剛度和輕量化問題,更是符合當下的新能源企業(yè)的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃。理論上由于玻纖的密度高于樹脂,拉擠工藝提高了纖維占比,提高了密度的同時,也提高了模量;這種情況下,航空航天通常引入比模量指標參數(shù)作為最終設(shè)計關(guān)鍵參數(shù),參考航空航天,相比于玻纖灌注工藝,本文從比模量這個角度出發(fā),研究了拉擠板在減重方面的優(yōu)勢。

        2.1 原料

        玻纖拉擠板,振石集團華美新材料有限公司;

        玻纖織物,振石集團恒石纖維基業(yè)有限公司;

        碳纖維織物,振石集團恒石纖維基業(yè)有限公司;

        碳纖維拉擠板,振石集團華智研究院(浙江)有限公司。

        玻纖拉擠板應(yīng)滿足表1-3驗收要求。

        表1 玻纖拉擠板尺寸要求

        表2 玻纖拉擠板外觀要求

        表3 玻纖拉擠板生產(chǎn)要求

        2.2 儀器設(shè)備

        電子萬能試驗機:INSTRON 5985,英斯特朗;

        疲勞試驗機:MTS Landmark 370.25,美特斯。

        2.3 制樣方法

        撕除玻纖拉擠板上下表面的脫模布,將板材左右兩側(cè)倒角部分裁切掉,并用雕樣機進行雕樣,試樣尺寸參照測試指定標準。

        2.4 測試方法

        測試方法引用標準如下:

        ISO 1172:玻璃纖維增強塑料預浸料、模塑料和玻璃纖維層合板和礦物填料含量的測定煅燒方法;

        ISO 527-5:塑料拉伸性能測定的第5部分-單向纖維增強復合材料拉伸性能的測試方法;

        ISO 14126:纖維增強塑料復合材料面內(nèi)壓縮性能的測試方法;

        ISO 1183:塑料-非泡沫塑料密度的測試方法。

        3 結(jié)果統(tǒng)計分析

        3.1 玻纖拉擠板材測試結(jié)果

        玻纖拉擠板相關(guān)性能測試結(jié)果見表4。其中0°拉伸強度、應(yīng)變,0°壓縮強度、應(yīng)變?yōu)樘卣髦担嬎惴椒ㄒ罁?jù)GL2010版計算公式,其余參數(shù)為平 均值。

        表4 玻纖拉擠板0°拉伸和0°壓縮測試結(jié)果

        玻纖拉擠板疲勞性能測試結(jié)果見圖2。

        圖2 拉-拉疲勞的S-N曲線

        進行疲勞測試時,在外加疲勞載荷的作用下,裂紋沿裂尖方向延展,擴展到纖維時則受阻,纖維界面起到橋聯(lián)的作用,其界面特性在循環(huán)載荷以及滑移阻力的作用下,逐漸降低。不同形狀的測試樣條,在有限元分析中,其應(yīng)力分布不一樣,在設(shè)計樣條尺寸時,應(yīng)力集中位置最大面內(nèi)剪切力越低越好,剪切力不能超過玻纖拉擠板的層間剪切強度,若超過,則首先發(fā)生樣條的剪切破壞。葉片形狀是曲面的,測試長條和啞鈴型是為了分別測試不同形態(tài)下疲勞特性。啞鈴型更符合葉片結(jié)構(gòu),所以通常結(jié)構(gòu)設(shè)計取值選擇啞鈴型。

        玻纖拉擠板的拉-拉疲勞(四面啞鈴型)測試結(jié)果見圖2。直線斜率是-0.1122,m值是8.91,N=1時對應(yīng)的截距是是1 570.7 MPa。雖然m值低于灌注材料的m值,但是由于拉伸和壓縮極限強度提高,拉擠主梁依然滿足葉片疲勞設(shè)計要求,同時通過設(shè)計優(yōu)化可以實現(xiàn)減重,提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點。

        3.2 碳纖維拉擠板測試結(jié)果

        碳纖維拉擠板相關(guān)性能測試結(jié)果見表5。其中0°拉伸強度、應(yīng)變?yōu)樘卣髦?,計算方法依?jù)GL2010版計算公式,其余參數(shù)為平均值。

        如表5所示,碳纖維比玻纖性能高,密度小,同為拉擠工藝,碳纖維拉擠板的體積分數(shù)比玻纖拉擠板低10.4%,碳纖維拉擠板拉伸模量比玻纖拉擠板高144.8%,碳纖維拉擠板提升顯著,是比較理想的高性能輕量化材料。

        表5 碳纖維拉擠板0°拉伸及相關(guān)性能測試結(jié)果

        3.3 性能測試數(shù)據(jù)對比

        另外測試了玻纖織物和碳纖維織物的真空灌注玻璃鋼性能,綜合數(shù)據(jù)如下,表6所示,其中0°拉伸強度、0°拉伸應(yīng)變、0°壓縮強度、0°壓縮應(yīng)變?yōu)樘卣髦?,其他性能為平均值?/p>

        表6 4種材料的關(guān)鍵力學性能對比

        對比發(fā)現(xiàn):

        (1)同為玻纖,采用拉擠工藝的玻纖拉擠板 比 模 量 為28.9 Gpa/(g/cm3),高 于 真 空 灌 注成型工藝的比模量23.9 Gpa/(g/cm3);同為碳纖維,采用拉擠工藝的碳纖維拉擠板比模量為 97.4 Gpa/(g/cm3),高于真空灌注成型工藝的比模量79.3 Gpa/(g/cm3);從數(shù)據(jù)上看,拉擠工藝成型的拉擠板體積分數(shù)要高于真空灌注,而纖維體積分數(shù)是影響性能的關(guān)鍵影響因素。拉擠工藝能提高復材中纖維增強層的體積分數(shù),提高性能。

        (2)同為拉擠工藝,碳纖維拉擠板的比模量為97.4 Gpa/(g/cm3),高于玻纖拉擠板的比模量 28.9 Gpa/(g/cm3),碳纖維拉擠板性能更優(yōu),是葉片輕量化的首選材料。

        4 結(jié)論

        (1)同為玻纖或碳纖維,采用拉擠成型工藝的拉擠板性能要優(yōu)于灌注工藝成型的織物灌注玻璃鋼性能。

        (2)碳纖維拉擠板比模量最高,是超大型葉片的優(yōu)選高性能拉擠板材料。

        輕量化、高發(fā)電量、低成本是葉片超大型化的關(guān)鍵問題,最大程度解決輕量化問題,需要更為昂貴的材料,更優(yōu)的技術(shù)工藝,碳纖維拉擠板的比模量是97.4 Gpa/(g/cm3),對輕量化具有非常高的意義。

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