風(fēng)力機熱塑性葉片隔膜成型系統(tǒng)設(shè)計

曲志軍 趙金彪

摘要：基于隔膜成型的原理及工藝特點，閱讀國內(nèi)外重要文獻的基礎(chǔ)上結(jié)合實際情況，對風(fēng)力機熱塑性葉片隔膜系統(tǒng)進行了相關(guān)的設(shè)計。選用了適合成型系統(tǒng)的真空泵組合，遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，確定隔膜成型設(shè)備主要外形尺寸和各部件的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，并使用Pro/E三維建模軟件繪制各零部件的三維模型，最后完成加熱和冷卻系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機葉片；隔膜成型；Pro/E

中圖分類號：TB文獻標(biāo)識碼：A文章編號：16723198（2015）04015502

1引言

風(fēng)力發(fā)電作為用之不盡的清潔可再生能源正在逐步取代傳統(tǒng)的石化能源發(fā)電。目前為進一步提高風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的性能與發(fā)電效率，風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)開始轉(zhuǎn)向新材料、新工藝、低成本和大功率風(fēng)電設(shè)備的研發(fā)與制造。葉片是風(fēng)電機組的核心部件之一，其部件價值量占整個風(fēng)電機組的20%～25%。葉片的材料選用和翼型結(jié)構(gòu)設(shè)計直接決定其捕獲風(fēng)能的能力，影響風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電功率。風(fēng)機葉片的長度和重量隨著單機規(guī)模的擴大到而增大，葉片大型化發(fā)展使得復(fù)合材料取代了傳統(tǒng)的風(fēng)機葉片材料而成為首選。由于大功率風(fēng)機葉片采用復(fù)合材料，尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片成型制造工藝成為葉片質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵。熱隔膜成型技術(shù)是隨著復(fù)合材料的發(fā)展產(chǎn)生的一種新的構(gòu)件成型工藝，在國外已經(jīng)成熟的應(yīng)用。選用熱塑性復(fù)合材料，運用隔膜成型原理，將有效改善復(fù)合材料風(fēng)機葉片生產(chǎn)質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，對復(fù)合材料風(fēng)機葉片制造工藝研發(fā)與改進具有重要的意義。

本文在研究分析當(dāng)前復(fù)合材料風(fēng)機葉片制造工藝的基礎(chǔ)上，選擇生產(chǎn)效率高，成型效果好的隔膜成型工藝，設(shè)計可生產(chǎn)長度為1米的APC-2熱塑性風(fēng)機葉片隔膜成型系統(tǒng)，該熱隔膜成型系統(tǒng)包括成型模具、真空裝置、增壓裝置（在低溫低壓或單側(cè)抽真空方法中不設(shè)置此裝置）、熱壓罐成型固化裝置、加熱裝置、冷卻系統(tǒng)以及檢測、控制等附屬輔助系統(tǒng)。

2真空裝置選型

真空裝置在熱隔膜成型系統(tǒng)主要有兩方面應(yīng)用，一是預(yù)浸料隔膜平板疊層預(yù)處理，對上下兩層隔膜間進行抽真空處理，使上下層隔膜夾緊預(yù)浸料，避免成型過程中隔膜間殘留空氣作用造成制件空鼓或厚度不均等質(zhì)量缺陷；二是模具側(cè)抽真空形成隔膜上下層壓力差（適用成型溫度低、壓力要求小于1atm的制件）。

本文選用的葉片材料和隔膜材料成型壓力高于1atm，成型過程需要增氮加壓，因此，真空系統(tǒng)主要用來成型預(yù)處理。在葉片的小型零配件成型過程則直接使用抽真空形成成型壓力即可。根據(jù)實際的工程需要，可以選擇不同類型的真空系統(tǒng)，達到比較理想的配置，真空系統(tǒng)的選用主要考慮以下幾方面：

（1）確定工作真空范圍及極限真空度；（2）被抽氣體種類與抽氣量；（3）真空容積。

本設(shè)計最終選用的JZJ-70羅茨—旋片真空機組，生產(chǎn)廠家為上海飛魯真空泵廠有限公司。

3熱壓罐主體設(shè)計

3.1熱壓罐總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文給出的葉片熱隔膜成型裝配主要是進行熱壓罐主體結(jié)構(gòu)的裝配，包括葉片模具、熱壓罐體和支撐結(jié)構(gòu)等部分。管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)等的裝配工作都是基于熱壓罐隔膜成型主體裝配的基礎(chǔ)上進行。

圖1熱壓罐主體結(jié)構(gòu)裝配圖

1-封頭；2-密封圈a；3-密封圈b；4-熱壓罐；5-熱壓罐支架；

6-模具支架；7-模具導(dǎo)軌；8-模具3.2成型模具設(shè)計

本文設(shè)計的上部葉片模型考慮加工方便，容易成型，采用的是常用翼型型號為NACA4412，其截面形式如圖2。

圖2NACA4412翼型截面形狀成型模具的下部為真空箱，真空箱內(nèi)部設(shè)計為全空形式，腔體空間以滿足真空泵抽速的要求，真空箱側(cè)壁預(yù)留有真空管接口，真空箱與葉片模型的連接通過φ12的螺栓進行連接。

成型模具組裝后的結(jié)構(gòu)與分解圖分別如圖3所示。

圖3成型模具裝配與分解圖3.3熱隔膜成型熱壓罐設(shè)計

熱壓罐是復(fù)合材料熱壓成型的核心設(shè)備，主要為制件的成型提供必要的溫度和壓力環(huán)境。熱壓罐在風(fēng)力機葉片生產(chǎn)中的用途為兩種：（1）熱隔膜葉片制件成型。（2）制件固化成型。熱壓罐的設(shè)計分為兩個基本組成部分：罐體的設(shè)計和熱壓罐封口的設(shè)計。這兩部分是熱壓罐受熱和受壓的主要元件。

本文設(shè)計的熱壓罐由于存在后期的固化需要，其所能達到的最高溫度為180℃，能夠承受的最大壓力為1.0MPa。熱壓罐罐體圓筒結(jié)構(gòu)采用單層卷板，封頭通過與罐體上的8個φ20螺栓連接，封頭與罐體之間通過兩層密封墊圈密封。

熱壓罐的整體主要性能參數(shù)如表1。

表1熱壓罐性能參數(shù)

項目參數(shù)項目參數(shù)罐體內(nèi)徑（mm）800加熱速率（℃/min）0.5-5罐體長度（mm）1300冷卻速率（℃/min）0.5-10壁厚（mm）8管內(nèi)壓力一致性（MPa）±0.01壓力范圍（MPa）0-1罐內(nèi)溫度一致性（℃）±1極限溫度（℃）1804加熱冷卻方式

熱隔膜成型熱壓罐的加熱結(jié)構(gòu)設(shè)計中，選用加熱效率較高的紅外線板型加熱，加熱板安裝在熱壓罐外壁，包裹半個罐體，剩余罐體部分直接采用增加與加熱板同厚度的絕熱保溫層。采用的加熱板結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。加熱板長度0.9米，厚度5mm，彎曲弧度180°。

本設(shè)計采用的SiC加熱板由保護層、絕緣層、絕電層、反射涂料層以及碳化硅層等組成，通過各個組成層的不同功能實現(xiàn)加熱板給熱壓罐體提供熱量，SiC加熱板的內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4SiC紅外加熱板結(jié)構(gòu)圖

1-保護層；2-絕熱層；3-絕電層；

4-反射涂料層；5-碳化硅電熱層熱壓罐的冷卻方式采用罐體內(nèi)外的冷熱氣體對流，通過外部向罐體內(nèi)強制通入氣體，來實現(xiàn)罐體內(nèi)模具和制件的降溫處理。

5結(jié)束語

目前，像風(fēng)力機葉片這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料梁、板成型，由于結(jié)構(gòu)外形狹長，并有其他結(jié)構(gòu)附件，很難實現(xiàn)自動化鋪疊、成型。熱隔膜成型技術(shù)的出現(xiàn)，成功的引進了自動化技術(shù)。復(fù)合材料成型預(yù)浸料經(jīng)過自動化鋪疊并制成平板疊層形狀，在隔膜成型機系統(tǒng)中可以按照設(shè)計要求成型復(fù)雜的制件。

參考文獻

[1]中國復(fù)合材料集團有限公司.風(fēng)電葉片發(fā)展趨勢：熱塑性復(fù)合材料”綠色葉片”[J].電器制造，2010，（7）.

[2]Rijswijk， K，Bersee，H.E.N，Reactive processing of textile fiberreinforced thermoplastic compositesAn overview[J].Composite Part A：applied science and manufacturing， vol.38， issue 3，March 2007，38（3）：666691.

[3]Tan Hua，Yan Shilin.Three 2 dimensional simulation of curing process for thermoset composite[J].Acta Materiae Compositae Sinica，2004，21（6）：167172.

[4]達道安.真空設(shè)計手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[5]姚雙，李敏.碳纖維復(fù)合材料C形結(jié)構(gòu)熱隔膜成型工藝[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2013.