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WEHandbook-4-BladeManufacturingProcesses叶片制造工艺叶片的结构设计与选择的生产方法是紧密相关的,需要将两者结合起来考虑叶片的生产成本与可靠性。在叶片结构设计的章节中,两种常用设计方法已经被讨论,一种是叶壳与剪腹板组合结构,另一种是叶壳与叶梁箱组合结构。根据结构设计方案,叶片的主要制造工艺也有两种-预浸料与灌注,尽管两种生产工艺都能满足结构设计的要求,但只有预浸料可以被采用在叶梁箱结构设计中。选择适合的制造工艺,制造出低成本、高性能的产品,是风电产业永恒的话题。灌注工艺被普遍认为是低成本的工艺,因为其较低原材料价格(BOM)。而预浸料制造的叶片拥有更好的性能、更轻的质量,同时保证了生产工艺和成品质量稳定型。更轻的叶片意味着降低的叶片载荷和电机设计载荷,所以在讨论性能、成本话题时,也需要考虑到非原材料成本的其它二级成本。叶片的长度是选择原材料和生产工艺的核心考虑因素。根据历史数据,叶片长度与叶片质量的关系如下图所示。由于众多因素的限制(交通限制、轴承载荷、叶片承重、塔架承重)所收集的数据也不是连续的,对于不同长度叶片,材料和设计理念也是不同的。一种能有效减重并增加叶片刚性的方法是引入高模量碳纤维增强材料。碳纤维拥有约240GPa的模量是玻纤平均模量的额三倍,其密度(1.8kg/m3)相对玻纤(2.4kg/m3)也更具有优势。考虑到质量因素,碳纤维的比刚度是玻纤的4倍。虽然碳纤维提供了优秀的性能,但考虑其价格(7-8倍于玻纤)和生产工艺的精确要求,也为实际生产的进行带来了挑战。StructuralShell/ShearWebandStructuralBoxSparconceptsWEHandbook-4-BladeManufacturingProcesses随长度的变化,叶片的失效机制也是随复合材料结构而改变的。20-35m叶片设计是基于整体刚度,所以材料属性也着眼于增强材料的刚度。当叶片直径不断变大,设计的重点更倾向于疲劳载荷,而疲劳更多取决于复合材料树脂体系的性能。更进一步,当疲劳载荷的压应力成为设计的着眼点时,层合板的整体性能也变得至关重要了。在受压条件下,纤维需要在受力方向下紧绷受力,树脂可以传递应力至纤维并避免纤维的弯曲变形。所以受载荷的层合板的纤维排布需越直越好,而气孔和空洞密度需越小越好。为了达到上述需求,在设计阶段的材料选择变得尤为重要,更倾向于选择预浸料等高等级材料作为承力的叶梁材料。预浸料提供了精确纤维垂直排布和高性能树脂体系以及较低的孔隙率。树脂灌注技术简介灌注的基本原则是将树脂在真空负压下作用被“吸入”增强纤维或纤维布中。树脂灌注玻纤布的速度是由以下参数决定;树脂系统的粘度 η玻纤布或增强纤维的浸润能力 D作用在灌注树脂的压强梯度 ΔP灌注速度v于上述三个参数的相关性为:v∝DxΔPηBladeWeightvsBladeLengthWEHandbook-4-BladeManufacturingProcesses于是可知灌注速度与纤维浸润能力(D)正相关,与灌注压强梯度(ΔP)正相关,与树脂粘度(η)反相关树脂粘度在给定负压下,低粘度树脂保证了更快的流动性,树脂流过增强纤维层时受到的阻力也减小了。好的流动性意味着可以减少树脂注入点,增大灌注构件同时减小灌注设计的复杂度。树脂粘度由微观分子结构决定。以环氧树脂为例,多数用于风电叶片灌注制造的树脂,以稀释剂降低标准环氧单体树脂的粘度值。对树脂配方的调整要特别注意在改变粘度的同时不会对最终的机械性能和物理性能产生较大影响。另一种提高灌注速度的方法是提高树脂温度,树脂的粘度是随温度升高而降低的。加热灌注树脂的好处在于增加了树脂的流动性和浸润能力,减少了树脂注入点,增加了灌注工艺速度,但同时会伴随集中放热危险的加大。粘度变化的规律引出了一个一般规律:温度每上升10~15°C,反应速度加倍,需要的固化时间将减半。当液态树脂开始发生固化反应,其粘度会不断递增,直至形成凝胶现象,在固化的最后阶段硬化为固体。粘度的增加限制了灌注工艺的继续进行,当未完全灌注就产生了树脂凝胶,将会导致很难修复的干纤维区域。所以,灌注用树脂的设计需要考虑具体工艺的需要,以保证粘度和反应度的适中渗透性干纤维布或铺层的渗透性取决于以下几个因素:¬ 纤维直径¬纤维表面助剂¬玻纤布的类型LiftanddragatdifferentanglesofattackResinInfusionProcessSchematicWEHandbook-4-BladeManufacturingProcesses4玻纤与碳纤维在渗透性上具有显著区别,碳纤维的灌注难度明显加大。这是由于碳纤维直径(5-10μm)小于玻璃纤维的直径(16-24μm),于是碳纤维束将更加紧密排布,妨碍了灌注树脂的浸润。一种化学的表面助剂保护了纤维在编织时不被损坏,并增加了纤维与树脂的粘合能力以提高层合板的整体性能。表面助剂的一个重要功效就是增加纤维与树脂浸润能力,这在灌注工艺中尤为重要,使得树脂能快速浸入并流过纤维铺层。为了更好的供应和使用增强纤维材料,纤维是通过一多种排布方式供应的。首先将成千根纤维集束成股。纤维束或纤维股通过表面助剂成为一体,随后通过编织法或针织法成为玻璃纤维布。更多玻纤布的信息可以从本公司的“Guide of Composite”一书中了解。玻纤布的主要根据力学性能要求和纤维方向要求选择,在灌注工艺中还需要考虑纤维布的浸润能力压力梯度通过真空泵抽真空,外界大气压会使得封闭的真空袋内部产生负压,树脂即可被吸入负压的真空袋继而浸润纤维铺层,浸润的前沿和后沿会产生牵引力,牵引力是与纤维铺层的浸润性成正比,一旦纤维铺层确定牵引力将等于产生的压力梯度。因为最大真空负压受限于外界大气压,高的压力梯度的保持与铺层的渗透性和真空吸口的分布有关。当灌注件的形状和铺层厚度比较多变,真空吸口的分布和数量设置也就更为复杂,必要时可以采用电脑建模分析抽真空和模具的需求真空灌注几乎最重要的工艺参数就是系统和模具的抽真空质量。最小的漏气也会导致空气被吸入铺层,铺层内的压力梯度能很快催生气泡并散布开来,最终带来成品的缺陷(如大量的气泡)和需要修补的区域。所以真空系统和模具的真空度检查尤为重要,不容许任何漏气点产生。模具真空度的检查是将透气毡铺于真空袋内并抽真空,当真空度稳定后用真空压力表测量系统真空度的变化。在连通时所测真空压力应为一个大气压,随后在分离真空泵后系统会经历一个“真空压力下降过程”。一般的,系统分离真空泵后,五分钟内负压降低不超过2.5%,则可视为真空度合格。当然需要注意真空度测量点需要尽量远离真空进气口。一些叶片生产工艺包括铺层前的胶衣涂层。胶衣涂层的主要作用是提供一个易打磨的底漆表面,配合后续的上漆步骤。同时,胶衣也起到密封模具表面的作用,形成更好的真空度WEHandbook-4-BladeManufacturingProcesses真空灌注的消耗材料不仅创造密封真空环境和压力梯度,而且还具有其他几种功能。尼龙的peel ply (脱模布)层紧贴灌注件表面,在使用前可将脱模布撕下获得洁净表面。脱模布上面有真空倒流网以增加真空灌注速度,可以根据具体铺层选用不同渗透能力的倒流网。树脂供给管连接在倒流网上,保证树脂能流遍每一处。最后使用真空袋罩住整个体系,并用真空胶带封闭模具四围以形成一个密闭区域。真空工艺是需要一定操作经验支持的,从而可以保证系统完整的真空度。树脂灌注工艺进行树脂灌注工艺对于每个部件来说并不是一蹴而就的。这种工艺众所周知的缺点在于潜在的不可缺定性――树脂是否能完全灌注以及系统真空度的保持。这里需着重说明的灌注方法是边对边的或者中心对两边的灌注路径,这两种方法并不是所有的或对某些部件的最优方法,但成功率和适应性是非常不错的灌注工艺基础下图给出一个纯干布(无芯材)铺层的灌注例子。VacuumInfusion:PressureGradient典型树脂灌注的模型树脂补给容器树脂补给线树脂浸润面真空抽出的树脂收集桶抽真空点WEHandbook-4-BladeManufacturingProcesses该例子给出灌注工艺的关键点:n采用多线树脂补给和设置倒流网有效增加灌注速度。n 树脂补给线需要设计并保证在没有被隔离的区域。可以采用平行并排的补给线,如树脂从一边流向另一边,或树脂从中间流向两边,这比较适合简单几何外型的部件。n 在铺层上设置的倒流网可以加速树脂在铺层表面的流动行从而增加灌注速度,但可以导致铺层上下浸润面差距的产生,浸润面差距过大则会对整个工艺效果产生影响。所以需要考虑在灌注结束前消除浸润面的不平衡,比如在关闭灌注工艺前检查系统上下面的是否浸润完全,或者考虑在树脂流端前停止设置倒流网以降低最后阶段的导流速度,保证上下浸润面的平衡。n 如果辅助供给线开启的过早,还没等上下两面的铺层都得到完全浸润,干斑就容易在浸润较慢的下层出现。n如果铺层上下面浸润差距过大(经常出现在碳纤维灌注中),气孔和干纤的产生也是不可避免的,所以可以使用慢速导流网或阶段性灌注手断。n 避免选用低品质或气密性较差的真空耗材,如真空管、真空膜或树脂阀门等n 真空管进出真空系统的区域需要特别注意,因为在该区域最容易产生漏气现象。n 在灌注工艺前系统整体真空度的检查非常重要。真空度由占大气压的百分比来衡量,如灌注系统的真空度需要大95%(95%的大气压),在检查真空度时将系统停止抽真空,并静置观察真空气压表的气压降,如果放置五分钟后系统气压降5 mbar 则视为正常。n 真空袋铺放时需注意防止铺层连接处形成中空的通路(真空短路桥接),否则会使树脂在此区域“快速跑动”导致灌注的不均匀和不可控。倒流网预留空间防止表面树脂流速过快真空抽出排线当树脂达到时可开起这条树脂供给排线铺层上表面和下表面的浸润面差距树脂吸入排线灌注工艺要领图解WEHandbook-4-BladeManufacturingProcessesn 灌注停止后,真空需被保持至树脂完全凝胶并失去流动性,否则空气会通过流动的树脂不断渗入结构中。n 初步固化后,部件一般需要50°C下后固化,后固化可以增强开模前的机械性能和力学性能。纤维布的铺放纤维布铺放前,首先需要贴好真空密封带(tack tape)以避免干纤维束混入影响系统的真空度。铺放纤维布时也要特别注意避免纤维导通密封的真空系统,一旦导通就会出现局部的干斑。可以通过事先裁剪玻纤布为合适的形状,适合铺放复杂形状的区域与角落。阴模拐角处在抽真空后铺层所受的影响阳模拐角处在抽真空后铺层所受影响潜在铺层变形催生气孔和空洞WEHandbook-4-BladeManufacturingProcesses真空灌注的耗材在玻纤布的铺层以及后续耗材(peel ply脱模布、倒流网、真空膜、真空导管)的铺放中,真空短路桥接和漏气是需要特别注意的,一种减少真空短路桥接的方法是尽量分片铺置耗材并提前进行真空压实处理。真空袋必须是一个整体,以减小分片真空漏气的几率。在抽真空时妥善铺摆真空袋和耗材的位置是需要经验和技术的,可以先以10-15%真空度调整真空袋和材料的位置后再完全抽真空进行压实处理。除导流网外,需要使用树脂引流管在灌注初期快速分配树脂到相应的补给区,可选择的引流管包括螺旋引流管,该管在一个大气压下仍然保持坚硬的管型表面,同时树脂可以从螺旋的管缝中均匀流出。树脂的准备在灌注之前,还有一项准备工作是计算树脂混合量和混合后的操作时间,只有确定这两点,灌注工艺才能获得成功。 几乎所有类型的树脂(环氧树脂、乙烯基树脂、聚酯树脂)在混合灌注中都伴随放热现象的产生,放热是由于树脂从液态转化为固态,化学键结合时放热所致。为激发反应的产生,会加入催化剂或固化剂,而反应的速度和所需时间也是有他们的性质决定的。不同的灌注工艺,所需操作时间不同,如大厚部件的灌注需要慢速固化剂。降低反应速度也就是树脂粘稠度增加的速度,保证完成灌注工艺充分的时间。在保证工艺成功的前提下,当然需要优化设计灌注方案减小完成灌注时间和系统的不确定
本文标题:叶片制造工艺
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