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1. 5MW 风机叶片模具加热工艺研究与技术创新

2010年 5月

115MW 风机叶片模具加热工艺研究与技术创新
冯消冰, 王 伟
010010) (中国航天科工集团第六研究院, 内蒙古呼和浩特

摘要: 在大型风力机复合 材料叶片的生产过程中, 模具起着至关重要的作

用。为了满足 风力机复合材料叶片 生产的关键 工艺要求, 采用新型的复合材料叶片模具作为核心工艺装备成为必备条件。通过对复合材料 叶片模具的制作工艺 研究和技术 创新, 使得新型模具完全满足了大型风机复合材料叶片生产的所有工艺需 求。其中, 模具的 加热方式采 用水 ( 油 ) 加热或电加 热, 要求所产生的热量可以均匀地传递到模具复合材料型面上, 并达到产品叶片固化所需的温度。 关键词: 风力机; 叶片; 模具; 加热; 工艺; 技术 中图分类号: TK83 文献标识码: A 文章编号: 1003- 0999( 2010) 03- 0066- 03

风力机复合材料叶片模具是叶片生产制造的核 心工艺装备之一。其中, 模具的设计、 材料选择、 制 造工艺选取对模具的性能和成本起决定性作用。随 着风力机组容量增长, 风力机叶片的尺寸随之增大, 兆瓦级大型风力机叶片模具研制已成为风力机叶片 国产化发展的主要瓶颈。 当前, 复合材料叶片模具追求形状稳定性好、 结 构强度和刚度高、 重量轻、 生产制造成本低、 翻转精 度高、 气密性好、 加热均匀可靠、 运行安全、 安装和维 护方便等方面, 并且能使复合材料叶片生产成本下 降, 提高经济收益。复合材料叶片模具基本上是由 聚酯树脂、 乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树 脂与 E2 玻璃纤维、 玻 璃纤维等增强材料以及钢结 S2 构、 翻转机构、 加热系统、 真空系统等重要部分组成。 模具表面要求光滑、 平整、 密实, 无裂纹、 针孔, 以保 证产品的表观质量, 其表面光泽度应达到 90以上, 表面粗糙度 < 10Lm, 模具表 面硬度达 到巴氏硬 度 40以上, 保证产品表面质量, 减小脱模时的损伤
[ 1]

每 2 5m 区域单元采用 1根长 100m 的加热电阻丝 . 加热, 加热功率 大约为 645 /m , 每个大区 的功率 W 大约 为 9 675k . W, 模 具 的 总 加 热 功 率 大 约 为 116k W。其中, 电阻丝加热的温度控制比较重要, 若 温度控制效果不好, 或控制精度不高, 或控制系统的 可靠性低, 都将影响产品的成型工艺性、 成型质量, 甚至可能造成模具的局部烧损, 导致模具失效, 严重 影响生产效率和产品交货周期。因此, 模具电加热 装置的温度控制是等温成型的重要技术问题。它包 括模具加热温度控制和模具 温度均匀性补 偿平衡 控制
[ 2] 2

2



模具的电阻丝加热方式虽然应用较普遍, 但是 缺乏可靠性, 温度不易控制, 易出现局部温度过高的 现象, 在国内一些叶片生产厂家已造成了较大的安 全与质量事故, 并且模具的电阻丝加热系统造价普 遍偏高。大型风机叶片模具电加热系统控制原理见 图 1所示。



其中, 模具加热系统的设计是复合材料叶片模 具研制的关键, 加热系统的优劣直接与模具的可靠 性及产品的质量相关联。

1 传统复合材料叶片模具加热方式介绍
首先, 较为通用的模具加热方式之一为电阻丝 加热, 即在模具的玻璃钢层中预埋加热电阻丝, 加热 电阻丝铺设在模具加热层 (树脂 + 铝粉 )之下。以 1 5 . MW 叶片模具为例, 模具分为固定模与翻转模两 部分, 每个部分的加热面积各为 90m , 每个模具分 别分成 6个大区, 每个大区按 2. 5m 分成 6个小区,
2 2

图 1 大型风机叶片模具电加热系统控制原理图 F ig 1 . Large wind turb ine b lade m ould e lectr ic heating control syste Sche atic m m

收稿日期: 2009207206 作者简介: 冯消冰 ( 19812), 男, 硕士研究生, 中级工程师, 主要从事复合材料工艺研究与结构优化。

FRP /C M

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2010年第 3期

玻璃钢 /复合材料

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其次, 另一种较通用的模具加热方式为循环热 水、 热油加热, 此方法需循环泵、 加热器等设施 。 通常采取在复合材料型面内预埋铜管等金属管材的 方式, 一般情况下, 金属管材不易折弯随形, 而且焊 接的可靠性较低, 容易出现焊口处漏水现象, 不易维 修, 还存在成本高、 增加模具重量等缺点。大型风机 叶片模具水加热工艺如图 2所示。
[ 3]

铝粉与树脂的质量比为 3B1 混合时, 导热层的强度 最高, 同时导热也满足使用要求。用此工艺制成的 导热层, 不仅导热均匀, 而且重量轻、 成本低、 强度完 全满足要求。 其次, 在导热层下采用 PB管作为加热管, 综合 考虑, 属于最优的工艺方案, 此工艺方案具有以下几 点优点: ? 重量轻, 柔软性好, 施工简单。 PB管重量 仅为钢管的 1 /20 易于操作; ? 耐久性能好, 无毒无 , 害。因其为高分子聚合物, 分子结构稳定, 使用寿命 可达 50 ~ 100年; ? 耐腐蚀。 PB管 抗微生物 的侵 害, 且对水质不会造成任何影响; ? 抗冻耐热性好。 在 - 20e 的情况下, 具有较好的低温抗冲击性能, 管 材不会冻裂, 可耐 100e 以下的高温, 满足水加热要 求, 尤其满足北方冬 季厂房的使用 条件; ? 管壁光 滑, 不结垢。内壁光滑, 同镀锌管比较, 可增加水流 量 30 ; ? 连接方式先进。连接方式为一体化热熔 % 连接, 因此在埋设时, 可避免因温度变化和水锤现象 引起管的移动及连接处的渗漏; ? 节约能源, 保温性 好。 PB管用于模具预埋式加热, 可节省能源 30 。 % PB管之间采用轻木作为间隔物, 轻木具有重量 轻、 强度高的优点, 常用于玻璃钢中的预埋。 最后, 由于玻璃微珠的绝热性好、 密度低, 故采 用了玻璃微珠与树脂的混合物作为保温层, 经过多 次试验, 在玻璃微珠与树脂的质量比为 1B1混合时, 保温层的强度最高, 同时可以达到保温要求。 聚丁烯管道 ( PB管 )的连接 方式为热熔, 为了 防止在接头处出现渗漏现象, 在操作时应注意以下 一些方面: ? 热熔时间必须控制恰当; ? 热熔长度合 适; ? 热熔模具必须随时保持表面洁净
[ 4]

图 2 大型风机叶片模具水加热工艺示意图 F ig 2 Large wind turb ine b lade m ou ld H ea ting . techn ique sketch m ap

2 复合材料叶片模具水加热技术创新方案
聚丁烯管道 ( PB管 )树脂是由丁烯 21( BUTENE2 1 ) 合 成 的 高 分 子 综 合 体, 是 具 有 特 殊 密 度 ( 01937kg/ cm )的结晶 体, 是 具有柔软 性的异性 质 体。它属于有机化工材料 类的高科技产品, 有 / 塑 料中的黄金 0之称。故选用 PB管作为水加热 管完 全可以替代金属管水加热, 同时配合铝粉与树脂混 合制成的导热层及玻璃微珠与树脂混合制成的保温 层作为模具复合材料型面的加热层, 此方法改进后 的模具加热工艺完全满足叶片固化的工艺要求。大 型风机叶片模具加热层制作如图 3所示。具体的技 术实施方案如下:
3



同时, 对采用 PB 管作为加热管的模具 和以前 采用铜管作为加热管的模具 的加热性能进 行了对 比, 发现两者所达到的加热效果基本一样, 如图 4所 示。目前, 模具的 PB管水加热系统仍在内蒙古航

图 3 大型风机叶片模具加热 层制作图片 F ig 3 La rge wind turb ine b lade m ould . heated zone m anufac ture photograph

首先, 由于铝粉的导热性好, 密度低, 故采用了 铝粉与树脂的混合物作为导热层, 经过多次试验, 在

图 4 PB管 加热与铜管加热升温曲线比较 F ig 4 PB p ipe and copper pipe te perature . m r ising curve co par ison m

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1. 5MW 风机叶片模具加热工艺研究与技术创新

2010年 5月

天亿久公司生产基地运行, 运行状况良好, 从未出现 异常现象。

4 各种加热工艺的比较
以 1 5 . MW 风机叶片模具加热系统分析, 不同 的加热工艺对比如表 1所示。
表 1 不同加热工艺对比 Tab le 1 D ifferent H eating techn ique co parison m
工艺方案 材料用量 功率 / k W 金额 /万元 电阻丝 加热 7200m 116 36 铜管水 加热 1731kg 60 25 PB管水 加热 181 kg 60 8 高温膜 加热 180m 2 95 4 . 18

3 新型复合材料叶片模具加热工艺
在最近的几年内, 高温膜加热系统开始逐渐应 用于风电模具制造行业, 高温膜为远红外线面状发 2 热材料, 厚度约为 0 5mm, 功率为 530 /m 。该产 . W 品采用了多层覆膜技术和独特的生产工艺和设备, PET 面层的耐高温性能良好, 产品通电后, 在没有任 何东西覆盖的情况下表面温度可达到 70e , 如预埋 于玻璃钢之内, 温度可达到 100e 以上, 高温膜自身 的熔点为 257e 。高温 膜的主 要特点 有以 下几 方 面: 发热原理为远红外线辐射热; 产品工作时整个面 发热, 温度均匀、 控制方便; 为绿色节能环保产品; 重 量较轻, 为模具减重显著; 施工方便, 与水加热层的 制作相比, 较为简单; 克服了传统水加热系统的一些 不足, 诸如温度达不到等问题; 克服了传统电阻丝加 热系统的一些不足, 诸如温度难控制、 电加热发热不 安全等问题。高温膜图片见图 5所示。

5 结



大型风机叶片模具各种加热工艺在满足叶片固 化温度的前提下, 各有其独特的优点。降低模具的 生产成本、 减轻模具的重量、 减小模具的施工难度、 加热均匀稳定是大型风机叶片模具工艺研究和技术 创新的最终目的。 参考文献
[ 1] 王佩玲. 对模玻 璃钢模 具的设 计制造 方法 [ J]. 玻璃 钢 /复合材 料, 2000 ( 9 ): 49 , . [ 2] 唐全波, 伍太宾. 等 温成形 模具的 加热系 统设计 [ J]. 金 属铸锻 焊技术, 2008 ( 2 ): 35 , . [ 3] 黄 雄, 冯爱婷. 玻璃钢模 具加热材 料的研究 [ J]. 玻璃 钢, 1997 , ( 1 ): 14 .

图 5 高温膜图片 F ig 5 H igh Temperatu re R esistance . vela en photograph m

[ 4] 刘 海 东. PB 管 在 采 暖 工 程 中 的 应 用 [ J ]. 建 筑 工 人, 2006 , ( 6): 34 .

CALEFACT I ON RESEARCH AND TEC HNO LOGY I NNOVAT I ON OF 1. 5 M EGAW ATT W I ND TURBI NE BLADE M OULD FENG X iao2b ing WANG W ei , ( The S ixth Institute of China A erospace Science and Technology Corporation H ohhot 010010, Ch in a) , Abstr act F or the process of co : mposite m aterials for the b lade in wind turbine product ion th e mou ld of b lade , plays an i portan t role. In order tom eet the techn ica l requ irements for the b lade product ion the main equ ip m , ments which are made w ith advanced co mposite materials shou ld be the indispensib le prem ise W ith the research and in2 . novat ion of the process the modern mou ld can m eet requiremen t ofm anufacturing co , mposite materia ls b lade of huge w ind tu rb in e For exa le heat generated by mould should deliver to the surface ofmou ld even ly and reach tem2 . mp , , perature that blade is solidified when mou ld is heated by water or e lectric ity . K ey w ord s w ind turbine blade mou ld ca lefaction process technology : ; ; ; ; ;

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