基于兆瓦级风机叶片主体材料的应用研究

摘要：本文主要介绍了目前在风机叶片的制造中主要采用的四种复合材料，即玻璃纤维、PVC芯材、环氧树脂与胶粘剂，分析了不同材料在风机叶片中占有的比重与成本比例，以供广大同行探讨。

关键词：风机叶片；玻璃纤维；环氧树脂；PVC芯材

前言

风能是近些年才得以广泛开发的一种清洁且可再生能源，风能地域分布广泛，并且拥有取之不尽，用之不竭的优点。随着我国提出“资源节约型，环境友好型”经济增长模式以及对于新型能源的需求，国家越来越重视对于风能的开发，在当前社会中，风能将作为最主要的清洁能源使用于发电中。风力机是一种旋转机械，风的动能能够通过风力机转化为另一种形式的能源。在风力发电机中，风机叶片是一个不可或缺的关键性元件，风力发电机将风能转化为电能的效率较大程度上取决于风机叶片的气动效率、质量以及结构等因素。

1.风机叶片的主体材料

用于制造风机叶片的材料需要较好地满足叶片结构的特性，制造材料的成本不能过高，在具有期望中翼型形状能力的同时，还需要较高强度的刚度、疲劳寿命以及强度同重量比率。因此，风机叶片通常采用玻璃纤维GRP板材制造，近年来随着科技的发展，碳纤维强化的CFRP也在风机叶片制造领域中得到了应用，这种复合材料是通过粘压的方式制造成为风机叶片的。兆瓦级风机叶片通常采用复合材料作为主体材料，在本节中主要介绍了玻璃纤维、PVC芯材、环氧树脂与胶粘剂四种复合材料。

1.1.玻璃纤维

玻璃纤维是一种非金属性质的无机材料，这种复合材料种类繁多且性能优异，同时还具有较高的机械强度、良好的抗腐蚀性与绝缘性、较强的耐热性等优点，但是玻璃纤维材料的耐磨性较差，材料性质较脆。玻璃纤维按照玻璃的成分可以分为高碱、中碱、无碱、抗碱、耐化学、高强度玻璃纤维等。就目前情况而言，用于制造风机叶片的玻璃纤维材料主要为模量在76GPa以上的无碱玻璃，这种玻璃纤维又称E玻璃。对于玻璃纤维的模量要求随着风机叶片长度增加也越来越高，新的高模量玻璃纤维纱线得到了应用，主要表现为重庆国际研制的TM纱、OCV的H-glass等，这两种高模量玻璃纤维纱均在大功率电机叶片中成功应用，这种纱线经测试后能够满足除疲劳测试以外的电机叶片设计要求。

1.2.PVC芯材

为了在叶片的重量不增加的同时增强其刚度，叶片蒙皮往往使用三明治结构，因而叶片中会用到大量的PVC芯材，PVC芯材的质量与使用方式直接关系到电机叶片疲劳性能。用于风机叶片中的PVC芯材的密度一般而言约在60kg/m?左右。当前市场上的PVC泡沫种类较多，性能良莠不齐，电机叶片生产厂家需要细心挑选高质量的PVC芯材，以避免低质量的PVC芯材影响叶片整体质量。经过对市面上的PVC泡沫性能进行综合考察后，笔者认为Diab生产的PVC泡沫能够较好地满足叶片的设计要求。

1.3.环氧树脂

环氧树脂是分子结构中含有环氧基团的一种高分子化合物，在其固化后具有优异的化学性能与物理性能。由于目前通常使用真空灌注工艺进行兆瓦级风机的叶片制造，因而需要性能优异的树脂，混合粘度在室温下在250mPa・s左右，同时，树脂凝胶时间需要与设计要求相符合，时间过短则不能顺利完成真空灌注，时间过长则影响生产效率。在目前市场上瀚森（Hexion）与亨斯迈（Huntsman）公司生产的环氧灌注树脂具有较强的代表性。

1.4.胶粘剂

胶粘剂是环氧类粘接剂的一种，它主要用于叶片两部分壳体的粘接，它的作用在风机叶片中极其重要，直接影响着叶片的使用寿命。胶粘剂与环氧树脂的性能较为相似，但是环氧树脂的主要作用是结合玻璃纤维材料形成玻璃钢，胶粘剂是在环氧树脂中添加填充材料与改进材料而成。目前用于风机叶片生产的胶粘剂绝大多数靠进口，国产材料也正逐渐得到应用，经测试后符合设计要求的国产胶粘剂有北京天山的TS821/831等。

2.风机叶片中主要材料所占比重与成本比例

风机叶片的主要材料为玻璃纤维、PVC泡沫、环氧树脂与胶粘剂，金属螺栓、电缆、涂料、金属接闪器等材料在风机叶片中所占比例较小，在本节中，以某种2.0兆瓦风机叶片为例，将叶片材料与成本的比重列举，如下表所示。

从上表中能够看出，玻璃纤维、PVC泡沫、环氧树脂与胶粘剂四种主要材料所占重量的比重为94.73%，所占总成本的比重为88.29%，因此，以上四种主要材料对风机叶片的整体质量与价格起到决定性作用。

结束语

在我国，对于风力发电的开发正处于起步阶段，风力发电具有广阔的发展空间，叶片作为风机的关键配套产品，需要不断在其材料、性能方面进行优化，提高其性价比，此举对于我国的风能开发以及建设环境友好型社会具有重要意义。

参考文献

[1]王允.对我国风力发电技术的发展及其现状进行研究探讨[J].电源技术应用，2013（02）

[2]刘瑞霞，尚呈元，赵晓娟等.兆瓦级风力发电机叶片用环氧树脂[J].热固性树脂，2011（05）

[3]赵鸿汉，赵珏，钟方国.我国风电市场机遇和兆瓦级玻璃钢风机叶片[J].电气制造，2009（09）