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風力發電機機艙罩輪轂罩行業現狀分析及新工藝研究
2018-03-26 來源:聯合動力 作者:朱宏偉
 
摘要:本文對風力發電機機艙罩、輪轂罩的行業現狀進行了分析,對于目前應用在機艙罩、輪轂罩的主流復合材料成型工藝進行了介紹,同時在主流復合材料成型工藝過程中進行了不斷的研究、優化和改進,總結形成了一些新經驗、新技術進行分享。
 
關鍵詞:復合材料  玻璃鋼制品 風力發電 機艙罩  新工藝
 
1引言
風力發電機機艙罩、輪轂罩是大型風力發電機組的外殼防護結構(如圖1所示),風電機組機艙罩、輪轂罩作為風力發電機組的重要部件,覆蓋風力發電機組內部的設備和電氣組件,使得風力發電機組能夠在惡劣的氣象環境中正常工作,?;つ誆可璞負腿嗽輩皇芊?、雪、雨、鹽霧、紫外線輻射等外部環境因素的侵害。
 
   
圖1 風電機艙罩及輪轂罩
由于機艙罩、輪轂罩長期遭受自然界及外界環境的侵襲,故對其強度和剛度的要求比較高,同時要有耐候性、抗腐蝕性、抗溫差性、抗老化性、抗疲勞性、抗紫外線輻射等性能,除此之外,考慮到整個風電機組的承重,要求機艙罩重量輕、強度高、承載能力大。因此,能夠滿足上述要求的新型復合材料在風力發電機組機艙罩、輪轂罩上的應用開始得到廣泛的關注。
 
2行業現狀分析
 
由于機艙罩、輪轂罩生產技術工藝相對透明,所以國內機艙罩、輪轂罩行業競爭比較充分,較有規模的生產廠家在30家左右,境內的外資風電整機生產企業也全都在國內采購相關產品,行業內已經普遍認可了國內品牌的技術能力和質量水平。 
 
目前國內機艙罩、輪轂罩廠家大致分為三個梯隊,第一梯隊以格瑞德、株丕特、山東雙一等為代表,技術能力強、質量管控標準高、產品品質優異;第二梯隊以天津優利康達等為代表,產品質量標準比較嚴格,產品品質比較優異,市場占有份額較高;第三梯隊由一些客戶源比較單一,年出貨量比較少的其他廠家組成。由于近些年風力發電裝機進入低速增長階段,風電行業整體利潤率持續下降,作為配套產業的機艙罩制造也受到較大影響,第一梯隊廠家產品價格相較于其他廠家偏高,但憑借其過硬的技術實力和嚴苛的質量管理,獲得了更多高端客戶的認可,訂單來源較廣,年出貨量比較有保障;而第二梯隊廠家在保證產品質量的基礎上對工廠的整體投入熱情不高,采用降價策略以爭取更多的訂單;第三梯隊廠家則緊守固有客戶,開發新客戶和擴大再生產動力不足,由于訂單不穩定,很難保證熟練工人隊伍的穩定和持續生產,往往導致產品質量水平較差,售后服務成本增高,生存日益艱難。目前由國能聯合動力自主設計、研發并生產的機艙罩、輪轂罩產品也開始進入研發周期,并將于年內進入市場。
圖表2 國內主要機艙罩廠家市場占有情況
 
從圖表2可以看出,第一梯隊廠家主要的客戶為國內占有市場份額較大主機廠家金風、聯合動力、華銳等,同時國外主機品牌同樣認可和采購。第二、第三梯隊的機艙罩廠家客戶相對單一,市場份額相對較小。
 
3新工藝研究
 
復合材料成型工藝是復合材料工業發展的基礎和必要條件。隨著復合材料應用領域的拓寬,復合材料工業得到迅速發展,機艙罩、輪轂罩常用的成型工藝有手糊成型工藝、噴射成型工藝、真空袋成型工藝、LRTM成型工藝等,目前多數生產企業采用較為成熟的真空袋成型工藝,而以雙模具為主要設計理念的輕型樹脂傳遞模塑工藝(LRTM)也日漸成熟,LRTM由于兼具質優、環保和?;だ投叩畝嚳矯嬗攀?,成為未來發展的主流方向。
 
3.1主要工藝簡介

真空袋膜成型工藝介紹
 
真空袋成型工藝是將產品密封在模具和真空袋之間,通過抽真空對產品加壓使產品更加密實、力學性能更好的成型工藝。 真空袋膜工藝分為干法和濕法兩種。濕法是將手糊或者噴射成型未固化的制品,加蓋一層真空袋膜,制品處于薄膜和模具之間,密封周邊,抽真空,使制品中的氣泡和揮發物排除。干法是將增強玻纖鋪放到模具上,將真空袋膜與模具周邊密封,在抽真空的同時將樹脂從模具的另一端由管路導入到模具中,將增強玻纖浸潤。兩種工藝的區別在于干法的玻纖含量可以做的更高,成型產品質量更好,重量更輕。
 



圖表3 真空袋膜成型工藝真空灌注
 
真空導流成型技術的特點:1、可以制造單面光的制品;2、成型效率一般,適合于中等規模的玻璃鋼產品生產;3、為閉模操作,不污染環境,不損害工人健康;4、增強材料可以任意方向鋪放,容易實現按制品受力狀況鋪放增強材料;5、一次性耗材較多,垃圾回收是個問題,成本相對高。

LRTM成型工藝   
 
輕型樹脂傳遞模塑工藝(RTM一Light)簡稱為LRTM,是一種新型的復合材料大型制件的成型技術,相較于真空袋膜單模具工藝,它是一種雙模具的成型工藝,上下模具具有一個寬約100mm的剛性周邊,由雙道密封帶構成一個獨立的密封區,只要一抽真空模具即閉合,然后對模腔內抽真空,利用模內的負壓和較低的注射壓力將樹脂注入模具,使樹脂滲入預先鋪設的增強纖維或預制件中。它主要原理為首先在模腔中鋪放好按性能和結構要求設計好的增強材料預成型體,采用注射設備將專用低粘度注射樹脂體系注入閉合模腔,模具具有周邊密封和緊固以及注射從排氣系統以保證樹脂流動順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維,是在真空狀態下排除纖維增強體中的氣體,通過樹脂的流動,滲透,實現對纖維及織物的浸漬,并在室溫下進行固化,形成一定的樹脂及纖維比例的工藝方法。
 
 
圖表4 LRTM成型工藝工藝真空灌注
 
L-RTM工藝的特點:1、由于是采用雙磨具,可以制造兩面光的制品;2、成型效率高,適合于中等規模的玻璃鋼產品生產;3、L-RTM為閉模操作,不污染環境,不損害工人健康;4、增強材料可以任意方向鋪放,容易實現按制品受力狀況例題鋪放增強材料;5、原材料及能源消耗少。
LRTM工藝中,需要對模具內腔注入樹脂具有一定的壓力和流速,因此要使模具的結構強度和剛度大到足夠在注射壓力下不破壞、不變形。通常采用帶鋼管支撐的夾芯復合材料,或用數控機床加工的鋁?;蚋幟?,這使制造費用增大,只有對產量足夠大的產品,才能抵消模具費用。此外為了閉合模具,要使周邊有足夠的箝緊能力或使用閉合模具的壓力系統。上述因素都導致了了LRTM工藝模具的選材困難,投資成本昂貴,該工藝在目前階段實際應用中還存在一定局限性。
 
3.2新工藝、新技術的研究
 
隨著機艙罩、輪轂罩產品客戶需求的不斷提升,各生產廠家在原有成熟工藝基礎上進行了不斷的優化改進,新技術、新設計不斷出現,這也極大豐富了產品多樣性,滿足了不同客戶定制化需求。
 
有色樹脂的應用
 
有色樹脂是一種新型原材料,該樹脂與普通樹脂成分相同,按照成品要求加入定量的調色劑,真空灌注固化成型后內表面直接達到成品顏色要求。該類型樹脂產品成型后內表面顏色美觀,能夠有效避免后期內表面噴涂油漆而產生的壁掛、顏色不均等現象,能夠有效提升表觀質量。使用有色樹脂進行機艙罩的整體灌注,相對于普通樹脂進行的整體灌注的后期噴涂處理減少了一些工序,但對灌注工藝要求增加。如圖5、6所示增加有色樹脂相對比普通樹脂的使用能夠有效的避免噴漆等后處理產生的壁掛、色差不均、內壁漏光和漆面剝落等缺陷,提升了產品的外觀質量,降低了成本。
目前該技術一般在國外風機品牌如維斯塔斯、西門子、歌美颯等產品上應用較多。
 
 
圖5 使用有色樹脂效果            


圖6 使用普通樹脂噴漆后處理效果
 
內部加強方式的優化
 
傳統機艙罩玻璃鋼強度的加強方式一般采用機艙罩層鋪預埋聚氨酯泡沫板條進行一體樹脂灌注的方式進行,在機艙罩內部制作網格狀加強筋進行加強。新型工藝在保證機艙罩不降低強度的同時,為實現機艙罩減重的目的,改用內部層鋪PVC芯材進行加強的方式。芯材加強方式主要是在機艙罩、輪轂罩層鋪時大面積鋪設芯材,并相應的減少玻纖布的層鋪數量,同時取消加強筋,達到減重的目的,通過表7的對比可以清楚地看到這一變化。(表格數據源自國內某主流主機廠2MW機艙罩):
 
表7 芯材加強方式與聚氨酯加強筋加強方式對比
 
從數據上看,通過更改機艙罩內部強度增強方式降低了產品的鋪設的厚度,從而降低了產品重量。綜合對比分析有,通過芯材鋪設方式進行機艙罩內部加強方式較聚氨酯加強筋加強方式鋪設厚度降低,操作簡單,工藝性較為簡潔,容易實現,成本略有增加,卻實現了重量的大幅降低,生產出的成品由于內部空間更大,在風機整機安裝過程中變的更容易,減少了內部干涉的發生。
      

圖8 使用聚氨酯加強筋加強方式                  


圖9 使用芯材加強方式
 
分體式設計的出現
 
由于機艙罩產品外形尺寸大,單體大面積玻璃鋼產品變形機率高,并且運輸不便,為了解決上述問題,出現了單元分體式設計(如圖10所示),將機艙罩合理地設計成多個單元進行生產制造,疊放運輸。其突出特點有以下幾點: 
(1)小單元能夠有效的控制生產工藝,更好的保證產品質量;
(2)生產的分體單元變形較小,充分體現了通配性和互換性;
(3)合理壓縮運輸空間,運輸快捷方便,提高提高運輸效率,大大降低運輸成本;
但分體式設計同時也存在缺點,一方面由于單位面積減小,絕對數量增加,整體面積增加,另一方面不同單元組合在一起對密封性能也提出了更高要求,合力導致生產成本及檢測成本增加約40%。綜合計算生產成本增加及運輸成本節約兩個因素,目前該設計在超長運距的海外運輸中應用較多。
  
圖10 某知名廠家機艙罩分體式產品
 
4結論和展望
 
隨著風電機艙罩、輪轂罩行業的不斷發展和國內國際競爭的日益激烈,要求機艙罩、輪轂罩產品同時具備設計新、性能高、質量優、成本低等優點。為了生產高精度、高質量和高效率的產品,機艙罩、輪轂罩成型工藝技術就需要不斷的創新、改進和優化,從傳統的單一型走向復合型、多功能型,逐漸變得綜合化、多樣化和科學化,新材料的應用也會不斷地充實其中,發揮出更高的價值。加快機艙罩、輪轂罩成型技術的發展進步,是適應國內市場,參與全球競爭的必然要求。
 
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