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夾心材料:葉片變革之源(上)

2010-06-17 來源:復材在線 瀏覽數(shù):1462

  有人將風電行業(yè)的發(fā)展描述為從造船思維到汽車制造與航空航天相結(jié)合思維的轉(zhuǎn)移。造船思維的特點是零碎,以項目為基礎,且大多數(shù)產(chǎn)量很低,而汽車制造與航空航天混合思維則具有高產(chǎn)量,高性能,高質(zhì)量的特點。風電行業(yè)的發(fā)展壓力存在于這個葉片制造供應鏈,并不僅僅是芯材供應商所負責的環(huán)節(jié)。事實上,今天風機葉片專用夾心材料的種類和質(zhì)量以及風機葉片制造商發(fā)布的質(zhì)量控制說明書都表明,風電行業(yè)對產(chǎn)品的質(zhì)量非常關注,他們將始終如一的制造優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。
    
  與許多復合材料加工商一樣,葉片制造商也會對眾多變數(shù)進行相互權(quán)衡,為實現(xiàn)成本及性能目標而選擇不同的組合。夾心材料的類型會對幾個量度產(chǎn)生影響:夾心結(jié)構(gòu)的厚度及機械性能,葉片的耐用性及其成本。一些夾心材料具有較好的機械強度,但是其價格也非常高。當然,也有一些比較經(jīng)濟的夾心材料,但缺乏機械強度,因此為了滿足特定的要求則需要制造一種更厚的夾心結(jié)構(gòu)。有的夾心材料只適合于平整的表面,而另外也有一些,如蜂窩結(jié)構(gòu)就不易灌輸。
 

  此外,葉片制造商越來越多的利用計算機輔助設計/計算機輔助制造(CAD/CAM),有限元分析(FEA)以及模擬的方法來推測在葉片的不同部位采用何種材料最合適,如此以來,他們就可以使材料在使用上達到最佳化,滿足葉片上不同位置的不同要求。一些葉片制造商熱衷于使用巴沙木而非泡沫,而另外一些則更傾向于使用泡沫或者使用不同芯材的組合,目前傾向于各種芯材組合的制造商日益增多。最后,夾心材料裝配商
Creative Foam公司的副總裁兼高級工程師Don Marriott說:“如果葉片制造商確立了一種可行的葉片設計方案,那么要對其進行更改幾乎是不可能的。”
    
   每一家風電公司都擁有自己獨一無二的葉片設計方案,通常他們會將其分包給葉片制造商。為任何單獨一家全球風電公司提供與其設計完全相同的葉片時,一般會涉及到多個葉片制成品。這就是全球風電行業(yè)的規(guī)律,因為即使是單一一家風電公司,它所需要的產(chǎn)品的數(shù)量也非常大,因此就需要由多個葉片制造商來生產(chǎn)。各葉片設計方案中所用的材料被認為是專有的,而且?guī)缀跏且粋€嚴格保守的秘密。盡管如此,各葉片生產(chǎn)商所用的原材料仍沒有太大變化。因此我們還是有可能對葉片生產(chǎn)中所用夾心材料的種類,芯材在葉片中的位置以及使用這種芯材可能會發(fā)生何種改變有一個基本認識。不過有一件事情是非常清楚的,那就是:在過去的五年內(nèi),風機葉片發(fā)展成了一種更加混合的產(chǎn)品,這也就意味著在一種葉片設計中,夾心材料的選擇會根據(jù)葉片殼板及抗剪腹板不同位置對材料、重量、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品及成本的不同要求發(fā)生重大改變。對供應商而言,在供應原材料有所改變的產(chǎn)品方面,他們也涉及其中。顧瑞特公司的George說:“在葉片原材料選擇上放開眼光非常重要,我們需要對最好產(chǎn)品中的最佳原材料進行優(yōu)化。”

  現(xiàn)有的夾心材料
    
  在過去的幾年內(nèi),市場上出現(xiàn)了四種夾心材料,它們均在風電產(chǎn)品中得到最廣泛的使用。它們是:橫切面巴沙木,苯乙烯丙烯晴(SAN)泡沫,聚氯乙烯泡沫(PVC)及聚對苯二甲酸乙二酯泡沫(PET)。橫切面巴沙木非常流行,這主要有三條原因:其一、其價格便宜;其二、橫切面“蜂窩”結(jié)構(gòu)擁有強健的機械性能——密度為5-lb/ft³ to 15-lb/ft³;其三、橫切面巴沙木是由一種可持續(xù)且可再生的資源即快速生長的巴沙木樹制造而成。盡管在混合葉片結(jié)構(gòu)中,巴沙木可用在葉片的各個部位,但由于它具有高強度和高硬度,通常更多的還是用在葉片的基礎部位(在40米長葉片的前端十米)。

  橫切面巴沙木(圖片來自德國西門子公司)

  巴沙木的機械性能主要是由其橫切面結(jié)構(gòu)決定的,但是如果在整個葉片中采用巴沙木,那么與泡沫芯材相比,其相對較高的密度就會造成重量障礙。盡管木材的密度在每塊片材中會有所變化,但是,每塊片材的平均密度都保持在緊密度公差內(nèi)。然而,當涉及到注射時,巴沙木的橫切面結(jié)構(gòu)就會促進樹脂的吸收,從而造成葉片重量的增加。與所有夾心材料一樣,在生產(chǎn)過程中,必須對巴沙木和泡沫進行切割處理,使其產(chǎn)生溝槽,這樣以來它們就可以與彎曲表面完全符合。這些溝槽有助于樹脂的流動,同時溝槽內(nèi)也會充滿樹脂,從而使葉片的重量增加。幸運的是,在注射過程中,樹脂將溝槽填滿,消除了夾心結(jié)構(gòu)中不必要的空隙。

【延伸閱讀】

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閱讀上文 >> 風電葉片用Balsa輕木的技術要點
閱讀下文 >> 夾層結(jié)構(gòu)泡沫芯材疲勞性能比較

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