风力机叶片材料进展

1、当前主要使用的叶片复合材料当前主要使用的叶片复合材料叶片材料的发展沿革叶片材料的发展沿革叶片复合材料的制造工艺叶片复合材料的制造工艺叶片今后的发展趋势叶片今后的发展趋势p 风力发电以其清洁环保，可再生，在能源紧缺的今天，成风力发电以其清洁环保，可再生，在能源紧缺的今天，成为全球范围内迅速发展的行业为全球范围内迅速发展的行业p 各风电营运厂商，为了降低发电成本，提升效益，风力机各风电营运厂商，为了降低发电成本，提升效益，风力机单机组发电能力不断提高单机组发电能力不断提高p 随着风电行业的迅速发展，对风电设备材料的需求强劲，随着风电行业的迅速发展，对风电设备材料的需求强劲，尤其是对复合材料的需求尤

2、其是对复合材料的需求 测算2007年制造的43,777枚风轮叶片的总重量略超过20,万,t，这使得风轮叶片成为全世界复合材料的最大单项用途之一全世界复合材料的最大单项用途之一。在这20万T叶片中，各种原材料的用量分别为：玻璃纤维：100,240,t；碳纤维：2,090,t；热固性树脂(主要是环氧和聚酯树脂)：82,550,t；芯材（巴萨木和泡沫芯材）：8,160,t；金属（配件和螺栓）：6,800,t。当前风力发电的市场趋势当前风力发电的市场趋势p 叶片是接收风能的主要部件，其良好的设计、可叶片是接收风能的主要部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常运行的决定靠的质量和优越的性

3、能是保证机组正常运行的决定因素因素p 主要受力：风力、叶片自重、离心力给予的各种主要受力：风力、叶片自重、离心力给予的各种弯矩、拉力。要求叶片重量轻、结构强度高、刚度弯矩、拉力。要求叶片重量轻、结构强度高、刚度好、表面光滑、耐腐蚀、疲劳强度高、运行安全可好、表面光滑、耐腐蚀、疲劳强度高、运行安全可靠靠p 其他要求：易于安装、维护方便、制造和使用成其他要求：易于安装、维护方便、制造和使用成本低本低叶片的发展沿革叶片的发展沿革p 叶片的结构叶片的结构 根部材料一般为金属结构，外壳为玻璃钢，龙根部材料一般为金属结构，外壳为玻璃钢，龙骨（加强筋或加强框）一般为玻璃纤维增强复合材骨（加强筋或加强框）一般

4、为玻璃纤维增强复合材料或碳纤维增强复合材料料或碳纤维增强复合材料p 叶片制造工艺主要过程叶片制造工艺主要过程 阳模阳模翻阴模翻阴模铺层铺层加热固化加热固化脱模脱模打磨打磨表面表面喷漆喷漆 叶片的主要结构叶片的主要结构p 木质叶片及布蒙皮叶片木质叶片及布蒙皮叶片 最早出现的叶片材料，近代的微、小型风力发最早出现的叶片材料，近代的微、小型风力发电机有采用木制叶片。电机有采用木制叶片。 大、中型风力发电机很少用木制叶片，采用木大、中型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的主要载荷。承担叶片在

5、工作时所必须承担的主要载荷。常见叶片材料结构介绍常见叶片材料结构介绍p 钢梁玻璃纤维蒙皮叶片钢梁玻璃纤维蒙皮叶片 采用钢管或采用钢管或D型钢做纵梁、钢板做肋梁，内填型钢做纵梁、钢板做肋梁，内填充泡沫塑料，外覆玻璃钢蒙皮的结构形式，往往在充泡沫塑料，外覆玻璃钢蒙皮的结构形式，往往在大型风力机上使用。大型风力机上使用。 常见叶片材料结构介绍常见叶片材料结构介绍p 铝合金等弦长齐压成型叶片铝合金等弦长齐压成型叶片 重量轻，易于制造，可连续生产，将其截成所重量轻，易于制造，可连续生产，将其截成所需要的长度，但不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片，需要的长度，但不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片，采用较少。采用较

6、少。 常见叶片材料结构介绍常见叶片材料结构介绍p 玻璃钢叶片玻璃钢叶片 增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面再缠增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，既可增加强度又使叶片表玻璃纤维及涂环氧树脂，既可增加强度又使叶片表面光滑。面光滑。 常见叶片材料结构介绍常见叶片材料结构介绍p 玻璃钢复合叶片玻璃钢复合叶片 20世纪末，工业发达国家的大、中型商铺风力世纪末，工业发达国家的大、中型商铺风力机的叶片基本上采用型钢纵梁、夹层玻璃钢肋梁及机的叶片基本上采用型钢纵梁、夹层玻璃钢肋梁及叶根与轮毂连接用金属结构的复合材料做叶片。叶根与轮毂连接用金属结构的复合材料做叶片。 常见叶片材料结

7、构介绍常见叶片材料结构介绍p 复合材料制作叶片的主要优势复合材料制作叶片的主要优势l 可根据风力机叶片的受力特点设计强度和刚度可根据风力机叶片的受力特点设计强度和刚度l 翼型容易成型，并达到最大气动效率翼型容易成型，并达到最大气动效率l 抗振性好，自振频率可自行设计抗振性好，自振频率可自行设计l 疲劳度较高疲劳度较高l 耐腐蚀性和耐气候性好耐腐蚀性和耐气候性好l 维修简便，易于修补维修简便，易于修补 当前风力机叶片主要使用的复合材料当前风力机叶片主要使用的复合材料根据叶片长度不同和使用环境不同，综合考虑成本根据叶片长度不同和使用环境不同，综合考虑成本来选择所采用的材料，当前最常采用的材料来选择

8、所采用的材料，当前最常采用的材料p 玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂p 玻璃纤维增强环氧树脂玻璃纤维增强环氧树脂p 碳纤维增强环氧树脂碳纤维增强环氧树脂当前风力机叶片主要使用的复合材料当前风力机叶片主要使用的复合材料主要使用的几种复合材料比较主要使用的几种复合材料比较 性能：性能：碳纤维环氧树脂碳纤维环氧树脂玻璃纤维环氧树脂玻璃纤维环氧树脂玻璃纤维聚酯树脂玻璃纤维聚酯树脂 价格：价格：与之相反与之相反当前风力机叶片主要使用的复合材料当前风力机叶片主要使用的复合材料对于高功率的大型风力机叶片材料，采用碳纤维增强环氧对于高功率的大型风力机叶片材料，采用碳纤维增强环氧树脂将是一个趋势树脂将是

9、一个趋势MR3p E玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料l 具有较好的比强度、比模量和耐腐蚀性能，价格具有较好的比强度、比模量和耐腐蚀性能，价格较低廉，是当前风力机叶片的主流材料，与许多树较低廉，是当前风力机叶片的主流材料，与许多树脂的成型工艺匹配性好脂的成型工艺匹配性好l 各种编制形式不断开发，单轴向、双轴向，三轴各种编制形式不断开发，单轴向、双轴向，三轴向等，以满足不同的使用需求向等，以满足不同的使用需求l 缺点：密度大，更大型的叶片需要选择替代材料缺点：密度大，更大型的叶片需要选择替代材料 当前风力机叶片主要使用的复合材料当前风力机叶片主要使用的复合材料p S玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料

10、l 性能强于性能强于E玻璃纤维玻璃纤维l S 玻璃纤维也是玻璃材质，但其模量却能达到玻璃纤维也是玻璃材质，但其模量却能达到85.5GPa，比，比E 玻璃纤维高玻璃纤维高18，且强度高出，且强度高出33l 缺点：价格较贵。缺点：价格较贵。$15/Kg，玻纤，玻纤 $11/Kg 美国的美国的AGY公司计划扩大产能降低成本。如公司计划扩大产能降低成本。如S玻玻璃纤维与璃纤维与E玻璃纤维的成本降低到同一水平的话，玻璃纤维的成本降低到同一水平的话，将具有极大的市场前景将具有极大的市场前景 当前风力机叶片主要使用的复合材料当前风力机叶片主要使用的复合材料p 碳纤维或碳碳纤维或碳/玻混杂纤维玻混杂纤维l 如

11、果叶片进一步加长，玻璃纤维的重量增加显著，如果叶片进一步加长，玻璃纤维的重量增加显著，碳纤维将成为主要选择的材料碳纤维将成为主要选择的材料 34m 叶片叶片 玻纤环氧树脂复合材料重量玻纤环氧树脂复合材料重量5.2T，碳纤维重量，碳纤维重量为为3.8Tl 使用性能大大优于玻璃纤维复合材料，高强度、使用性能大大优于玻璃纤维复合材料，高强度、高模量，耐腐蚀性能高模量，耐腐蚀性能l 缺陷：缺陷： 价格是几种纤维中最贵的，碳纤维价格为价格是几种纤维中最贵的，碳纤维价格为玻璃纤维价格的玻璃纤维价格的10倍倍l 折中的方案：玻纤与碳纤混杂。折中的方案：玻纤与碳纤混杂。42 m以上的叶片以上的叶片采用采用 当

12、前风力机叶片主要使用的复合材料当前风力机叶片主要使用的复合材料p 采用热塑性树脂为基体的复合材料采用热塑性树脂为基体的复合材料l 热固性树脂复合材料。难以自然降解，很难进行热固性树脂复合材料。难以自然降解，很难进行回收利用。未来几十年间，随着退役叶片不断增加，回收利用。未来几十年间，随着退役叶片不断增加，退役叶片的处理将成为科学家和环境保护者面临的退役叶片的处理将成为科学家和环境保护者面临的一大现实难题一大现实难题l热塑性复合材料具有密度小、质量轻、抗冲击性热塑性复合材料具有密度小、质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优点能好、生产周期短等一系列优点l 但该类复合材料的制造工艺技术与传统的

13、热固性但该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大复合材料成型工艺差异较大, 制造成本较高制造成本较高, 成为限成为限制热塑性复合材料用于风力机叶片的关键问题制热塑性复合材料用于风力机叶片的关键问题l各国都在开发热塑性树脂。日本的三菱重工和美各国都在开发热塑性树脂。日本的三菱重工和美国国cyclics公司签署合作协议，致力于热塑性树脂复公司签署合作协议，致力于热塑性树脂复合材料的开发合材料的开发 当前风力机叶片主要使用的复合材料当前风力机叶片主要使用的复合材料p 手糊工艺手糊工艺l 是传统复合叶片材料的主要制造工艺是传统复合叶片材料的主要制造工艺l 主要特点：主要特点：

14、1、手工操作、开模成型、手工操作、开模成型 2、生产效率低、生产效率低 3、树脂固化程度往往偏低、树脂固化程度往往偏低 4、产品质量受到工人操作熟练程度及环境条件依赖性、产品质量受到工人操作熟练程度及环境条件依赖性较大，质量波动较大，废品率较高较大，质量波动较大，废品率较高 5、只适合小批量、质量均匀性要求较低的复合材料制、只适合小批量、质量均匀性要求较低的复合材料制品生产品生产 6、目前对质量要求稍高的较大型叶片采用机械浸渍、目前对质量要求稍高的较大型叶片采用机械浸渍 叶片复合材料的主要制造工艺叶片复合材料的主要制造工艺p 手糊工艺手糊工艺l 用手糊工艺选择树脂的基本原则：用手糊工艺选择树脂

15、的基本原则： 1、原料易得，价格合理。、原料易得，价格合理。 2、树脂粘度合适成型工艺。、树脂粘度合适成型工艺。 3、树脂能在室温下固化，同时要求树脂的固化时间能、树脂能在室温下固化，同时要求树脂的固化时间能满足工艺操作时间；满足工艺操作时间； 4、树脂固化收缩率小；、树脂固化收缩率小； 5、树脂粘结强度高，玻璃钢疲劳性能好；、树脂粘结强度高，玻璃钢疲劳性能好； 6、耐老化，耐化学腐蚀性能好；、耐老化，耐化学腐蚀性能好； 7、树脂及固化剂应为无毒或低毒。、树脂及固化剂应为无毒或低毒。 叶片复合材料的主要制造工艺叶片复合材料的主要制造工艺p RTM工艺（树脂传递模塑）工艺（树脂传递模塑）l 高质

16、量的风力机叶片往往采用高质量的风力机叶片往往采用l原理：原理： 首先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好的首先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体，采用注射设备将专用低粘度注增强材料预成型体，采用注射设备将专用低粘度注射树脂体系注入闭合模腔。模具具有周围密闭和紧射树脂体系注入闭合模腔。模具具有周围密闭和紧固以及注射及排气系统，以保证树脂流动顺畅并模固以及注射及排气系统，以保证树脂流动顺畅并模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，并且模具有加热腔中的全部气体和彻底浸润纤维，并且模具有加热系统，可进行加热固化，而成型复合材料构件。系统，可进行加热固化，而成型复合材料构件。 叶片复合材料的

17、主要制造工艺叶片复合材料的主要制造工艺p RTM工艺工艺l RTM工艺的主要特点工艺的主要特点 1、闭模成型，产品尺寸和外形精度高，适合成、闭模成型，产品尺寸和外形精度高，适合成型高质量的复合材料整体构件。型高质量的复合材料整体构件。 2、初期投资少（与、初期投资少（与SMC比较）比较） 3、制品表面光洁度高；、制品表面光洁度高； 4、成品效率高，适合成型年产、成品效率高，适合成型年产20000件以上的复件以上的复合材料制品；合材料制品； 5、对环境污染小、对环境污染小叶片复合材料的主要制造工艺叶片复合材料的主要制造工艺p VARTM工艺工艺l VARTM工艺原理工艺原理 RTM的工艺改进，应

18、用薄膜包覆敞口模具，应用的工艺改进，应用薄膜包覆敞口模具，应用真空抽真空，借助于铺放在结构层表面的高渗透率真空抽真空，借助于铺放在结构层表面的高渗透率的介质引导将树脂注入到结构中。的介质引导将树脂注入到结构中。l 工艺的关键点工艺的关键点 1、优选浸透用的基体树脂，特别要保证树脂的、优选浸透用的基体树脂，特别要保证树脂的最佳粘度及流动特性最佳粘度及流动特性 2、模具设计必须合理，特别对模具上树脂注入、模具设计必须合理，特别对模具上树脂注入孔的位置、流道分布更要注意，确保基体树脂能均孔的位置、流道分布更要注意，确保基体树脂能均衡地充满任何一处；衡地充满任何一处； 3、工艺参数要最佳化，事先进行试验、工艺参数要最佳化，事先进行试验叶片复合材料的主要制造工艺叶片复合材料的主要制造工艺p 纤维缠绕工艺纤维缠绕工艺l 借鉴了复合材料管道的缠绕成型