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风力发电机机舱罩轮毂罩行业现状分析及新工艺研究
2018-03-26 来源:联合动力 作者:朱宏伟
 
摘要:本文对风力发电机机舱罩、轮毂罩的行业现状进行了分析,对于目前应用在机舱罩、轮毂罩的主流复合材料成型工艺进行了介绍,同时在主流复合材料成型工艺过程中进行了不断的研究、优化和改进,总结形成了一些新经验、新技术进行分享。
 
关键词:复合材料  玻璃钢制品 风力发电 机舱罩  新工艺
 
1引言
风力发电机机舱罩、轮毂罩是大型风力发电机组的外壳防护结构(如图1所示),风电机组机舱罩、轮毂罩作为风力发电机组的重要部件,覆盖风力发电机组内部的设备和电气组件,使得风力发电机组能够在恶劣的气象环境中正常工作,保护内部设备和人员不受风、雪、雨、盐雾、紫外线辐射等外部环境因素的侵害。
 
   
图1 风电机舱罩及轮毂罩
由于机舱罩、轮毂罩长期遭受自然界及外界环境的侵袭,故对其强度和刚度的要求比较高,同时要有耐候性、抗腐蚀性、抗温差性、抗老化性、抗疲劳性、抗紫外线辐射等性能,除此之外,考虑到整个风电机组的承重,要求机舱罩重量轻、强度高、承载能力大。因此,能够满足上述要求的新型复合材料在风力发电机组机舱罩、轮毂罩上的应用开始得到广泛的关注。
 
2行业现状分析
 
由于机舱罩、轮毂罩生产技术工艺相对透明,所以国内机舱罩、轮毂罩行业竞争比较充分,较有规模的生产厂家在30家左右,境内的外资风电整机生产企业也全都在国内采购相关产品,行业内已经普遍认可了国内品牌的技术能力和质量水平。 
 
目前国内机舱罩、轮毂罩厂家大致分为三个梯队,第一梯队以格瑞德、株丕特、山东双一等为代表,技术能力强、质量管控标准高、产品品质优异;第二梯队以天津优利康达等为代表,产品质量标准比较严格,产品品质比较优异,市场占有份额较高;第三梯队由一些客户源比较单一,年出货量比较少的其他厂家组成。由于近些年风力发电装机进入低速增长阶段,风电行业整体利润率持续下降,作为配套产业的机舱罩制造也受到较大影响,第一梯队厂家产品价格相较于其他厂家偏高,但凭借其过硬的技术实力和严苛的质量管理,获得了更多高端客户的认可,订单来源较广,年出货量比较有保障;而第二梯队厂家在保证产品质量的基础上对工厂的整体投入热情不高,采用降价策略以争取更多的订单;第三梯队厂家则紧守固有客户,开发新客户和扩大再生产动力不足,由于订单不稳定,很难保证熟练工人队伍的稳定和持续生产,往往导致产品质量水平较差,售后服务成本增高,生存日益艰难。目前由国能联合动力自主设计、研发并生产的机舱罩、轮毂罩产品也开始进入研发周期,并将于年内进入市场。
图表2 国内主要机舱罩厂家市场占有情况
 
从图表2可以看出,第一梯队厂家主要的客户为国内占有市场份额较大主机厂家金风、联合动力、华锐等,同时国外主机品牌同样认可和采购。第二、第三梯队的机舱罩厂家客户相对单一,市场份额相对较小。
 
3新工艺研究
 
复合材料成型工艺是复合材料工业发展的基础和必要条件。随着复合材料应用领域的拓宽,复合材料工业得到迅速发展,机舱罩、轮毂罩常用的成型工艺有手糊成型工艺、喷射成型工艺、真空袋成型工艺、LRTM成型工艺等,目前多数生产企业采用较为成熟的真空袋成型工艺,而以双模具为主要设计理念的轻型树脂传递模塑工艺(LRTM)也日渐成熟,LRTM由于兼具质优、环保和保护劳动者的多方面优势,成为未来发展的主流方向。
 
3.1主要工艺简介

真空袋膜成型工艺介绍
 
真空袋成型工艺是将产品密封在模具和真空袋之间,通过抽真空对产品加压使产品更加密实、力学性能更好的成型工艺。 真空袋膜工艺分为干法和湿法两种。湿法是将手糊或者喷射成型未固化的制品,加盖一层真空袋膜,制品处于薄膜和模具之间,密封周边,抽真空,使制品中的气泡和挥发物排除。干法是将增强玻纤铺放到模具上,将真空袋膜与模具周边密封,在抽真空的同时将树脂从模具的另一端由管路导入到模具中,将增强玻纤浸润。两种工艺的区别在于干法的玻纤含量可以做的更高,成型产品质量更好,重量更轻。
 



图表3 真空袋膜成型工艺真空灌注
 
真空导流成型技术的特点:1、可以制造单面光的制品;2、成型效率一般,适合于中等规模的玻璃钢产品生产;3、为闭模操作,不污染环境,不损害工人健康;4、增强材料可以任意方向铺放,容易实现按制品受力状况铺放增强材料;5、一次性耗材较多,垃圾回收是个问题,成本相对高。

LRTM成型工艺   
 
轻型树脂传递模塑工艺(RTM一Light)简称为LRTM,是一种新型的复合材料大型制件的成型技术,相较于真空袋膜单模具工艺,它是一种双模具的成型工艺,上下模具具有一个宽约100mm的刚性周边,由双道密封带构成一个独立的密封区,只要一抽真空模具即闭合,然后对模腔内抽真空,利用模内的负压和较低的注射压力将树脂注入模具,使树脂渗入预先铺设的增强纤维或预制件中。它主要原理为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射树脂体系注入闭合模腔,模具具有周边密封和紧固以及注射从排气系统以保证树脂流动顺畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维,是在真空状态下排除纤维增强体中的气体,通过树脂的流动,渗透,实现对纤维及织物的浸渍,并在室温下进行固化,形成一定的树脂及纤维比例的工艺方法。
 
 
图表4 LRTM成型工艺工艺真空灌注
 
L-RTM工艺的特点:1、由于是采用双磨具,可以制造两面光的制品;2、成型效率高,适合于中等规模的玻璃钢产品生产;3、L-RTM为闭模操作,不污染环境,不损害工人健康;4、增强材料可以任意方向铺放,容易实现按制品受力状况例题铺放增强材料;5、原材料及能源消耗少。
LRTM工艺中,需要对模具内腔注入树脂具有一定的压力和流速,因此要使模具的结构强度和刚度大到足够在注射压力下不破坏、不变形。通常采用带钢管支撑的夹芯复合材料,或用数控机床加工的铝模或钢模,这使制造费用增大,只有对产量足够大的产品,才能抵消模具费用。此外为了闭合模具,要使周边有足够的箝紧能力或使用闭合模具的压力系统。上述因素都导致了了LRTM工艺模具的选材困难,投资成本昂贵,该工艺在目前阶段实际应用中还存在一定局限性。
 
3.2新工艺、新技术的研究
 
随着机舱罩、轮毂罩产品客户需求的不断提升,各生产厂家在原有成熟工艺基础上进行了不断的优化改进,新技术、新设计不断出现,这也极大丰富了产品多样性,满足了不同客户定制化需求。
 
有色树脂的应用
 
有色树脂是一种新型原材料,该树脂与普通树脂成分相同,按照成品要求加入定量的调色剂,真空灌注固化成型后内表面直接达到成品颜色要求。该类型树脂产品成型后内表面颜色美观,能够有效避免后期内表面喷涂油漆而产生的壁挂、颜色不均等现象,能够有效提升表观质量。使用有色树脂进行机舱罩的整体灌注,相对于普通树脂进行的整体灌注的后期喷涂处理减少了一些工序,但对灌注工艺要求增加。如图5、6所示增加有色树脂相对比普通树脂的使用能够有效的避免喷漆等后处理产生的壁挂、色差不均、内壁漏光和漆面剥落等缺陷,提升了产品的外观质量,降低了成本。
目前该技术一般在国外风机品牌如维斯塔斯、西门子、歌美飒等产品上应用较多。
 
 
图5 使用有色树脂效果            


图6 使用普通树脂喷漆后处理效果
 
内部加强方式的优化
 
传统机舱罩玻璃钢强度的加强方式一般采用机舱罩层铺预埋聚氨酯泡沫板条进行一体树脂灌注的方式进行,在机舱罩内部制作网格状加强筋进行加强。新型工艺在保证机舱罩不降低强度的同时,为实现机舱罩减重的目的,改用内部层铺PVC芯材进行加强的方式。芯材加强方式主要是在机舱罩、轮毂罩层铺时大面积铺设芯材,并相应的减少玻纤布的层铺数量,同时取消加强筋,达到减重的目的,通过表7的对比可以清楚地看到这一变化。(表格数据源自国内某主流主机厂2MW机舱罩):
 
表7 芯材加强方式与聚氨酯加强筋加强方式对比
 
从数据上看,通过更改机舱罩内部强度增强方式降低了产品的铺设的厚度,从而降低了产品重量。综合对比分析有,通过芯材铺设方式进行机舱罩内部加强方式较聚氨酯加强筋加强方式铺设厚度降低,操作简单,工艺性较为简洁,容易实现,成本略有增加,却实现了重量的大幅降低,生产出的成品由于内部空间更大,在风机整机安装过程中变的更容易,减少了内部干涉的发生。
      

图8 使用聚氨酯加强筋加强方式                  


图9 使用芯材加强方式
 
分体式设计的出现
 
由于机舱罩产品外形尺寸大,单体大面积玻璃钢产品变形机率高,并且运输不便,为了解决上述问题,出现了单元分体式设计(如图10所示),将机舱罩合理地设计成多个单元进行生产制造,叠放运输。其突出特点有以下几点: 
(1)小单元能够有效的控制生产工艺,更好的保证产品质量;
(2)生产的分体单元变形较小,充分体现了通配性和互换性;
(3)合理压缩运输空间,运输快捷方便,提高提高运输效率,大大降低运输成本;
但分体式设计同时也存在缺点,一方面由于单位面积减小,绝对数量增加,整体面积增加,另一方面不同单元组合在一起对密封性能也提出了更高要求,合力导致生产成本及检测成本增加约40%。综合计算生产成本增加及运输成本节约两个因素,目前该设计在超长运距的海外运输中应用较多。
  
图10 某知名厂家机舱罩分体式产品
 
4结论和展望
 
随着风电机舱罩、轮毂罩行业的不断发展和国内国际竞争的日益激烈,要求机舱罩、轮毂罩产品同时具备设计新、性能高、质量优、成本低等优点。为了生产高精度、高质量和高效率的产品,机舱罩、轮毂罩成型工艺技术就需要不断的创新、改进和优化,从传统的单一型走向复合型、多功能型,逐渐变得综合化、多样化和科学化,新材料的应用也会不断地充实其中,发挥出更高的价值。加快机舱罩、轮毂罩成型技术的发展进步,是适应国内市场,参与全球竞争的必然要求。
 
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