DQZHAN訊：揭秘 | 世界*大風(fēng)電發(fā)電機(jī)組葉片開發(fā)過程和技術(shù)細(xì)節(jié)
丹麥LM 風(fēng)能公司生產(chǎn)出的88.4米長的復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片，是迄今為止全球風(fēng)機(jī)葉片制造商生產(chǎn)出的*長葉片，與100碼美式足球場的長度相仿。88.4米葉片風(fēng)機(jī)的掃風(fēng)面積相當(dāng)于3個足球場大小，所輸出的電能可供一個小鎮(zhèn)使用。
該葉片被命名為LM 88.4 P，比LM以往生產(chǎn)的*長葉片 LM 73.5 P還要長15米，但重量僅增加6噸。這是通過將具有高強(qiáng)度、高剛度的輕質(zhì)碳纖維引入到葉片主梁層壓板中實(shí)現(xiàn)的。
風(fēng)機(jī)葉片制造使用碳纖維已有超過10年的歷史，主要是采用拉擠工藝生產(chǎn)的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料主梁，并通過有競爭力的單位兆瓦時能源發(fā)電成本(LCoE)證明了其較高價格的合理性。如今，LM探索出了一種不同的方法，將碳玻混雜增強(qiáng)復(fù)合材料主梁沿著長度方向嵌入標(biāo)準(zhǔn)玻璃纖維復(fù)合材料基殼層壓板。這樣，葉片殼體與主梁能夠在同一模具中制造，葉片殼體充當(dāng)了碳玻混雜復(fù)合材料主梁的模具，大大節(jié)省了時間和成本。LM復(fù)合材料技術(shù)項(xiàng)目主任Michael Lund-Laverick介紹說：“LM 88.4 P是頭個采用混雜增強(qiáng)技術(shù)生產(chǎn)的葉型，采用干的碳玻混雜纖維鋪放和真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝(VARTM)制造。”該混雜增強(qiáng)設(shè)計使LM利用現(xiàn)有工藝生產(chǎn)出了LM 88.4 P葉型，顯著提升了核心競爭力。完全滿足客戶已經(jīng)建立起的成本和工期的設(shè)計規(guī)范。Lund-Laverick補(bǔ)充道：“我們選擇了與實(shí)際應(yīng)用*接近的技術(shù)方案，顯著降低了風(fēng)險，并促進(jìn)了客戶所需技術(shù)的快速開發(fā)。”
88.4米葉片的用戶Adwen公司(Siemens Gamesa的所屬企業(yè))表示希望將該風(fēng)機(jī)用于I級風(fēng)況條件下的海上風(fēng)電場，因此，LM 88.4 P 葉片的設(shè)計工程師將該葉片能夠承受的參考風(fēng)速設(shè)定為50米/秒(112mph)，符合I級風(fēng)況的使用要求。
新產(chǎn)品的設(shè)計驅(qū)動力：不確定性和風(fēng)險
接下來，葉片的設(shè)計受到LM公司運(yùn)營戰(zhàn)略的不確定性影響。Lund-Laverick表示：“混雜增強(qiáng)法首先解決了*大的不確定性問題，這也是我們能夠想到的*大的失敗。”LM采用失效模式效果分析軟件(FMEAs)——一款評價設(shè)計(dFMEA)和工藝(pFMEA)風(fēng)險的形式分析工具，來分析設(shè)計和工藝的可行性。當(dāng)然，在轉(zhuǎn)向計算機(jī)輔助之前，工程師們首先會口頭討論可能出現(xiàn)的風(fēng)險。“這樣，我們可以通過控制風(fēng)險來管理項(xiàng)目的進(jìn)展，憑借公司扎實(shí)的專業(yè)知識、豐富的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和良好的溝通機(jī)制，來確定關(guān)鍵問題所在。工程師們將可能出現(xiàn)的問題一一列出，隨后通過相應(yīng)的測試和工程方案避免這些問題的出現(xiàn)。”
FMEA所分析出的結(jié)構(gòu)用來確定要進(jìn)行什么樣的測試和實(shí)驗(yàn)，在該過程中，試制并測試實(shí)際樣品零件，在計算機(jī)建模和分析開始之前驗(yàn)證設(shè)計極限和失效模式。計算機(jī)模擬也是建立在現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)之上，而不是在初級理論之上的，無論該理論如何強(qiáng)大。
在確認(rèn)了葉片的風(fēng)況等級、設(shè)計極限和失效模式之后，工程師們用該公司開發(fā)的設(shè)計程序和三維建模軟件套裝LM Blades模擬大型葉片在極限范圍內(nèi)的靜態(tài)和動態(tài)疲勞加載、大型氣動面板的屈曲、單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度的Puck斷裂準(zhǔn)則，以及其他的力學(xué)/強(qiáng)度、化學(xué)/環(huán)境要求。
碳玻混雜 兩全其美
LM公司的混雜技術(shù)是指采用碳玻混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主梁對標(biāo)準(zhǔn)玻璃纖維增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料的葉片基殼層壓板進(jìn)行強(qiáng)化的技術(shù)。按照LM技術(shù)要求生產(chǎn)的葉片殼體用玻璃纖維織物由多家供應(yīng)商供貨，典型應(yīng)用H玻纖的供應(yīng)商為Owens Corning。葉片殼體層壓板是由巴薩輕木為芯材的三明治結(jié)構(gòu)灌注LM標(biāo)準(zhǔn)聚酯樹脂獲得。
葉片主梁所需的單軸向碳纖維/H玻纖混雜織物由SAERTEX公司所屬的挪威企業(yè)Devold AMT AS公司生產(chǎn)，該織物產(chǎn)品獲得了LM公司“2017*佳**伙伴大獎”。葉片殼體和主梁所需的纖維織物結(jié)構(gòu)由不同面密度的±45°雙軸向織物、0°/ ±45°組合織物和0°單向織物組合而成。**在88.4米葉片使用的該新型纖維織物組合由LM團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，配合一款LM專有的未知樹脂使用，獲得了優(yōu)異的葉片性能。灌注葉片主梁所用的專有樹脂在分子結(jié)構(gòu)上雖具有不同的主鏈結(jié)構(gòu)，但能夠與葉片殼體所用聚酯樹脂通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生較強(qiáng)結(jié)合力。
碳玻混雜制造策略
葉片由迎風(fēng)面和背風(fēng)面上下兩部分固化后結(jié)合而成。迎風(fēng)面和背風(fēng)面分別包含一根主梁。碳玻混雜生產(chǎn)技術(shù)包含兩個階段的灌注工藝：**階段，葉片殼體，包含除主梁之外的所有結(jié)構(gòu)元素，制造步驟如下：
在88.4米模具中噴涂膠衣：工人在鋪放葉片殼體所用玻璃纖維織物之前在模具內(nèi)表面噴涂膠衣，可以省略葉片脫模后的噴漆過程。
鋪放葉片外表面雙軸向玻璃纖維織物覆蓋層。
鋪放葉根和邊緣強(qiáng)化材料，主要是單向織物材料。
放置三明治結(jié)構(gòu)用巴薩輕木芯材，用小緊固件固定。巴薩輕木芯材由工人手工鋪放固定。
鋪放內(nèi)部雙軸向織物層。
采用真空袋和LM標(biāo)準(zhǔn)聚酯樹脂進(jìn)行真空灌注。
根據(jù)LM專有的操作規(guī)范，部件在室溫下固化。
固化完成后，基殼脫離真空袋，檢查后準(zhǔn)備進(jìn)入下一階段。
在**階段，混雜復(fù)合材料葉片主梁直接在固化后的基殼上以基殼為模具來成型：
干的碳玻混雜單向織物層被半自動鋪放機(jī)沿葉片長度方向直接鋪放在葉片基殼上較為平坦中心部位，從距離葉根4米的位置鋪起。
加入LM設(shè)計的輕質(zhì)保護(hù)部件。
鋪放±45°雙軸向標(biāo)準(zhǔn)玻璃纖維覆蓋層。
同樣采用真空袋和真空灌注工藝，**控制灌注條件，僅使專用樹脂浸入混雜纖維層。
根據(jù)LM專有的操作規(guī)范，主梁部件在室溫下固化。
Lund-Laverick說：“我們有能力將現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)放大應(yīng)用到不斷變長的風(fēng)機(jī)葉片上。在這些巨大的葉片半殼上，沿著葉片長度方向有輕微的預(yù)彎，同時葉片兩側(cè)有少許卷曲，但中心部位卻相當(dāng)平坦。” 在每個半殼的平坦區(qū)域，LM通過內(nèi)部設(shè)計、計算機(jī)控制的半自動設(shè)備將寬幅的干性混雜纖維織物按照程序設(shè)定的鋪層方式進(jìn)行鋪放，以獲得理想的強(qiáng)度性能。
彎曲的葉邊部位由于幾何形狀復(fù)雜，因此通常必須手工鋪層來完成。
基殼和混雜主梁都需要設(shè)備進(jìn)行鋪放。由于碳玻混雜織物比普通玻璃纖維織物更加敏感，因此LM開發(fā)了無需手工的鋪放技術(shù)以避免褶皺和其它可能由人工操作引入的缺陷。
葉片筋板是由玻璃纖維復(fù)合材料和泡沫芯材組成的三明治夾心結(jié)構(gòu)，主要用雙軸向織物層與標(biāo)準(zhǔn)聚酯樹脂經(jīng)灌注工藝成型。
在質(zhì)量控制方面，LM采用了六西格瑪精益管理模式。Lund-Laverick表示：“在生產(chǎn)過程中，我們有一整套嚴(yán)格的質(zhì)量控制文件和手續(xù)，包括對葉片的連續(xù)目視檢查。”固化后，超聲檢查和目視檢查保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。隨后，兩片葉片半殼采用常規(guī)方法粘合在一起。
合模和后固化操
兩個半殼粘合在一起后，LM使用導(dǎo)流板來補(bǔ)償大型葉片葉根附近相對較差的氣動性能。導(dǎo)流板專為個別葉片的幾何外形設(shè)計，類似于鰭，通過注射工藝成型，并在*終的葉片裝配過程中采用3M公司生產(chǎn)的VHB膠帶粘附于背風(fēng)面半殼的外表面上，通常從距離葉根5m左右的位置一直延伸到葉片中部。這樣做能夠減少氣流分離(空氣在到達(dá)葉片后緣之前發(fā)生分離)，并提高升力和能量輸出。另外，LM還會在葉根附近的葉片內(nèi)弦采用專有技術(shù)、定制化地安裝導(dǎo)流板，進(jìn)一步提高升力，通常采用反應(yīng)注射成型(RIM)工藝生產(chǎn)。
目前，LM 88.4 P 葉片已在LM的測試平臺和丹麥獨(dú)立的葉片測試中心(Blaest Blade Test Center)通過了全尺寸靜態(tài)力學(xué)和疲勞測試，并已通過了挪威DNV GL船級社的認(rèn)證。
**套商用LM 88.4 P葉片已安裝至Adwen的下一代風(fēng)機(jī)AD 8-180上，額定功率8MW，轉(zhuǎn)子直徑180米。LM生產(chǎn)的3支葉片通過卡車和駁船運(yùn)輸，由Adwen實(shí)施安裝，目前已在德國不萊梅港并網(wǎng)。可惜，由于Adwen被Gamesa收購，Gamesa又并入了Siemens，而新的Siemens Gamesa可再生能源公司取消了AD 8-180平臺，因此該項(xiàng)目產(chǎn)品成為了行業(yè)整合的犧牲品。
Lund-Laverick稱LM將繼續(xù)進(jìn)行碳玻混雜主梁平臺的開發(fā)，目前正在向Siemens Gamesa交貨的是69.3米葉片。這是目前全球*大的陸上風(fēng)機(jī)葉片。該葉片仍沿用了88.4米葉片相同的設(shè)計、材料和生產(chǎn)規(guī)范，同樣將利用干性碳玻混雜織物和樹脂體系獲得更低的能源發(fā)電成本(LCoE)。他補(bǔ)充說，目前混雜增強(qiáng)葉片主要依據(jù)客戶的需求生產(chǎn)，未來隨著葉片長度不斷增加，LM將增加采用混雜技術(shù)生產(chǎn)葉片的數(shù)量。
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