基于兆瓦級風機葉片主體材料的應用研究

王彤兵

摘要：本文主要介紹了目前在風機葉片的制造中主要采用的四種復合材料，即玻璃纖維、PVC芯材、環氧樹脂與膠粘劑，分析了不同材料在風機葉片中占有的比重與成本比例，以供廣大同行探討。

關鍵詞：風機葉片；玻璃纖維；環氧樹脂；PVC芯材

前言

風能是近些年才得以廣泛開發的一種清潔且可再生能源，風能地域分布廣泛，并且擁有取之不盡，用之不竭的優點。隨著我國提出“資源節約型，環境友好型”經濟增長模式以及對于新型能源的需求，國家越來越重視對于風能的開發，在當前社會中，風能將作為最主要的清潔能源使用于發電中。風力機是一種旋轉機械，風的動能能夠通過風力機轉化為另一種形式的能源。在風力發電機中，風機葉片是一個不可或缺的關鍵性元件，風力發電機將風能轉化為電能的效率較大程度上取決于風機葉片的氣動效率、質量以及結構等因素。

1.風機葉片的主體材料

用于制造風機葉片的材料需要較好地滿足葉片結構的特性，制造材料的成本不能過高，在具有期望中翼型形狀能力的同時，還需要較高強度的剛度、疲勞壽命以及強度同重量比率。因此，風機葉片通常采用玻璃纖維GRP板材制造，近年來隨著科技的發展，碳纖維強化的CFRP也在風機葉片制造領域中得到了應用，這種復合材料是通過粘壓的方式制造成為風機葉片的。兆瓦級風機葉片通常采用復合材料作為主體材料，在本節中主要介紹了玻璃纖維、PVC芯材、環氧樹脂與膠粘劑四種復合材料。

1.1.玻璃纖維

玻璃纖維是一種非金屬性質的無機材料，這種復合材料種類繁多且性能優異，同時還具有較高的機械強度、良好的抗腐蝕性與絕緣性、較強的耐熱性等優點，但是玻璃纖維材料的耐磨性較差，材料性質較脆。玻璃纖維按照玻璃的成分可以分為高堿、中堿、無堿、抗堿、耐化學、高強度玻璃纖維等。就目前情況而言，用于制造風機葉片的玻璃纖維材料主要為模量在76GPa以上的無堿玻璃，這種玻璃纖維又稱E玻璃。對于玻璃纖維的模量要求隨著風機葉片長度增加也越來越高，新的高模量玻璃纖維紗線得到了應用，主要表現為重慶國際研制的TM紗、OCV的H-glass等，這兩種高模量玻璃纖維紗均在大功率電機葉片中成功應用，這種紗線經測試后能夠滿足除疲勞測試以外的電機葉片設計要求。

1.2.PVC芯材

為了在葉片的重量不增加的同時增強其剛度，葉片蒙皮往往使用三明治結構，因而葉片中會用到大量的PVC芯材，PVC芯材的質量與使用方式直接關系到電機葉片疲勞性能。用于風機葉片中的PVC芯材的密度一般而言約在60kg/m?左右。當前市場上的PVC泡沫種類較多，性能良莠不齊，電機葉片生產廠家需要細心挑選高質量的PVC芯材，以避免低質量的PVC芯材影響葉片整體質量。經過對市面上的PVC泡沫性能進行綜合考察后，筆者認為Diab生產的PVC泡沫能夠較好地滿足葉片的設計要求。

1.3.環氧樹脂

環氧樹脂是分子結構中含有環氧基團的一種高分子化合物，在其固化后具有優異的化學性能與物理性能。由于目前通常使用真空灌注工藝進行兆瓦級風機的葉片制造，因而需要性能優異的樹脂，混合粘度在室溫下在250mPa·s左右，同時，樹脂凝膠時間需要與設計要求相符合，時間過短則不能順利完成真空灌注，時間過長則影響生產效率。在目前市場上瀚森（Hexion）與亨斯邁（Huntsman）公司生產的環氧灌注樹脂具有較強的代表性。

1.4.膠粘劑

膠粘劑是環氧類粘接劑的一種，它主要用于葉片兩部分殼體的粘接，它的作用在風機葉片中極其重要，直接影響著葉片的使用壽命。膠粘劑與環氧樹脂的性能較為相似，但是環氧樹脂的主要作用是結合玻璃纖維材料形成玻璃鋼，膠粘劑是在環氧樹脂中添加填充材料與改進材料而成。目前用于風機葉片生產的膠粘劑絕大多數靠進口，國產材料也正逐漸得到應用，經測試后符合設計要求的國產膠粘劑有北京天山的TS821/831等。

2.風機葉片中主要材料所占比重與成本比例

風機葉片的主要材料為玻璃纖維、PVC泡沫、環氧樹脂與膠粘劑，金屬螺栓、電纜、涂料、金屬接閃器等材料在風機葉片中所占比例較小，在本節中，以某種2.0兆瓦風機葉片為例，將葉片材料與成本的比重列舉，如下表所示。

從上表中能夠看出，玻璃纖維、PVC泡沫、環氧樹脂與膠粘劑四種主要材料所占重量的比重為94.73%，所占總成本的比重為88.29%，因此，以上四種主要材料對風機葉片的整體質量與價格起到決定性作用。

結束語

在我國，對于風力發電的開發正處于起步階段，風力發電具有廣闊的發展空間，葉片作為風機的關鍵配套產品，需要不斷在其材料、性能方面進行優化，提高其性價比，此舉對于我國的風能開發以及建設環境友好型社會具有重要意義。

參考文獻

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