风力发电机叶片制造
摘要:以某企业研制生产的1.5 MW变速变桨距型风力发电机叶片为例,介绍叶片的规格、材料、性能参数、模具制作以及生产过程,并对其进行综合评价。
关键词:风力发电风电叶片叶片生产制造
1 背景介绍
风力发电机是一种将风能转化为机械能,再由机械能转化为电能的机组和系统,前一种转化是由风轮实现的,后一种转化是由发电机实现的。风轮主要由两部分组成:叶片(一般为3片)和轮毂,轮毂只起连接的作用,叶片是将风能转化为机械能的唯一关键部件。叶片的外形决定了整个机组的空气动力性能,一个具有良好空气动力外形的叶片,可以使机组的能量转换效率更高,获得更多的风能。同时,叶片又承受着很大的载荷(风力和质量力),自然界中的风况复杂多变,叶片上承载的载荷也就很复杂,整个风力发电机组主要载荷的来源是叶片,所以叶片必须有足够的强度和刚度。
由此可见,叶片的材料、结构和工艺是非常关键的。材料和结构保证叶片的强度和刚度,并且重量要轻,还要有合适的工艺和方法,保证能够做出带有复杂的外形、符合空气动力学原理的外形的大尺寸构件。叶片的关键技术有下面几个部分:气动外形设计及性能和载荷计算、材料选择、结构设计与强度和刚度计算、成型工艺、模具设计与
制造。
下面以某企业研制生产的1.5 MW变速变桨距型风力发电机组叶片为例,介绍叶片的规格、使用材料、性能、主要技术参数以及生产工艺过程等。
2 产品介绍
2.1 概述
该产品为某公司自行研制设计并生产,适用于发电机组为水平轴、上风向、3叶片、变速变桨距调节型。叶片分两种规格:XF37.5型和XF40.25型,具有良好的空气动力性能:φ82.5 m风轮(叶片长40.25 m)最大风能利用系数Cpmax可达到0.493, φ77m风轮(叶片长37.5 m)最大风能利用系数Cpmax可达到0.488。叶片与轮毂联接方式为叶根法兰连接,在法兰盘直径1800 mm圆周上均布M30的螺栓孔。
两种叶片的翼型均选用适用于风电叶片的先进的NACA、DU、FFA等系列翼型,所用翼型的空气动力特性(升力、阻力、力矩系数等)在试验数据的基础上应用专业软件Rfoil进行了雷诺数和三维修正,对叶片的气动设计进行了优化设计,气动性能达到了国际先进水平。
XF37.5型采用不饱和聚酯复合材料,XF40.25型采用环氧复合材料。两种叶片均采用真空导注工艺,采用该工艺制造叶片的质量稳定性好,整体性好,尺寸精度高,叶片重量更易于控制,能显著提高叶片的
强度、刚度和其他物理特性。
2.2 主要技术参数
叶片主要安装尺寸、叶片参数、风轮参数、材料及运行条件如表1所示。
3 叶片生产过程
叶片的生产过程大致有下料、大梁和翼梁制作、层铺、真空吸注、合模和起模、型修、检验配平出厂等工序。
3.1 下料
根据强度、工艺性、经济性要求选择主要复合材料和金属材料。基体树脂选用进口的真空导注专用环氧树脂,固化温度在80 ℃左右;增强材料选用国产玻璃纤维制品,国内产品可大量供应,成本低,而且质量可靠;结构粘接胶选用可室温固化的环氧树脂类粘接胶,进口或国产产品都有合适的产品;金属材料:主要是叶片连接金属件用材料,采用国产优质合金钢。除按照工艺设计要求准备主材料之外,下列准备工作也许格外注意以下几点。
(1)螺栓套准备:堵盖、喷砂、缠丝、清洗、打压。
(2)配合打磨组下料:前后缘外补强、内补强(大梁)所用布。
(3)配合合模组下料:硫化阻尼板、斜纹布、海绵条、短切毡等。
(4)叶片下料:PVC泡沫板缝制、聚氨脂泡沫、粘接舌头、楔形条切割打磨。
3.2 大梁、翼梁制作
在大梁模具和翼梁模具上分别制作和组装大梁(前梁和后梁),制作和组装翼梁(也称梁盖),粘结组装制动梁,并制作叶尖和主体端头组件。其中的层铺和真空吸注、型修工艺参见后述有关叶片相关工艺。
3.3 层铺
在正式层铺之前,先要将模具准备好,包括:起模(撬开预离模装置,松模具锁紧装置,松螺栓套螺丝,吊半圆法兰)、清理副模(打蜡,铺脱模布)、清理半圆法兰、安装螺栓套、领料,然后再按照工艺要求逐层进行铺布并缝布。
3.4 真空吸住
真空吸注是叶片生产过程中的关键工艺之一,密封性、负压控制、导流管的铺设等,都非常重要,直接影响叶片的各项性能指标。真空吸注工序包括以下过程:准备(铺放密封胶条,铺放双面胶条,铺放螺旋包套,铺放脱模布)、备料(准备树脂、固化剂、真空罐标识)、吸注(连接真空罐、真空泵,抽真空达到规定负压,配胶、注胶)、固化、清理注胶用Ω管和注胶块。
3.5 合模、起模
(1)准备工作:真空吸注后要先对现场进行清理,然后撕去脱模布、导流网和Ω管,手糊预离模装置,打磨分模面,清理副模,分胶。
(2)试合模:固定梁、小梁、大梁划线,上下壳铺阻尼,清理大梁上脱模布。
(3)合模:大梁锁紧,叶壳内刮胶,清理卫生。
起模:结构胶固化后,松开锁紧装置,将模具与叶片分离。
3.6 型修
将叶片吊运到一定高度,切去飞边,打磨需进行内补强和大梁补强的地方。然后将叶片吊上大圈车,打磨需外补强的地方,之后切13切面和窗口,再进行内外补强和大梁补强。待内外补强和大梁补强固化后,修理外补强光滑度,再喷胶衣,修理13切面和叶尖,对胶衣光滑面处理。
3.7 检验、配平、出厂
对产品进行进行总体检验,安装法兰盘、接闪器、标牌,配平成套(将3个质量、重心相近的叶片采取补充材料的办法,使其质量相等、重心一致,并编号成套),最后进行出厂检验。
4 结论
该叶片产品进行了结构优化设计,结构简单、重量轻,具有良好的
工艺性。企业自主研发的1.5 MW叶片(叶片长度40.25 m) 产品更适合我国大面积的低速风场,增加了机组的发电量。叶片成型工艺采用先进的真空导注工艺,使产品的强度和质量更稳定可靠,并大大改善了生产环境。自主开发的模具设计与制造技术,技术先进成本低,能更方便的满足工艺和生产需要。
