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由于機(jī)組功率容量很小,早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多采用木質(zhì)葉片,使用強(qiáng)度較好的整體木方做葉片縱梁來(lái)承擔(dān)葉片在工作時(shí),所必須承受的力和彎矩,但木制葉片不易扭曲成型,且強(qiáng)度不高,在潮濕環(huán)境下也容易腐蝕。
加之隨著風(fēng)電葉片法蘭尺寸的增加,木制葉片越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的要求,因此木制葉片開(kāi)始逐漸被其他材料所取代。近代,葉片開(kāi)始采用鋼管或型鋼做縱梁、鋼板做肋梁,內(nèi)填泡沫塑料外覆玻璃增強(qiáng)蒙皮的結(jié)構(gòu)形式,鋼梁結(jié)構(gòu)承受絕大部分載荷,玻璃鋼蒙皮形成氣動(dòng)外形。
葉片縱梁的鋼管及型鋼從葉根至葉尖的截面逐漸變小,以滿(mǎn)足扭曲葉片的要求并減輕葉片重量。隨著鋁合金材料在飛機(jī)機(jī)翼上的成功應(yīng)用,由于機(jī)翼結(jié)構(gòu)具有與風(fēng)電葉片相似的受力和外形特征。因此引發(fā)了科用鋁合金擠壓成型的等弦長(zhǎng)葉片易于制造,可連續(xù)生產(chǎn),又可按設(shè)計(jì)要求的扭曲進(jìn)行扭曲加工。
葉根與輪轂連接的軸及法蘭可通過(guò)焊接或螺栓連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí),鋁合金葉片也存在諸多弊端,雖然鋁合金葉片重量輕、易于加工,但難以加工成從葉根至葉尖漸縮的葉片,此外鋁合金材料在空氣中的氧化和老化問(wèn)題,也對(duì)葉片的保養(yǎng)和后期維護(hù)提出了挑戰(zhàn),難以滿(mǎn)足風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的要求。
上世紀(jì)50年代,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料原材料體系被逐步開(kāi)發(fā),其潛在性能優(yōu)勢(shì)不斷被發(fā)掘,隨著應(yīng)用技術(shù)的積累,長(zhǎng)纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能、工藝性能和耐環(huán)境侵蝕性能,成為當(dāng)今大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料的選擇。
聚合物基復(fù)合材料是由高分子聚合物,通過(guò)一定的成型工藝滲入長(zhǎng)度不同的玻璃纖維,或碳纖維而做成的增強(qiáng)塑料。現(xiàn)階段大型葉片一般采用真空吸注成型工藝,該工藝?yán)貌AЮw維和泡沫結(jié)構(gòu)層的真空吸入常壓下的液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂,然后加熱使樹(shù)脂固化,被樹(shù)脂浸潤(rùn)的纖維結(jié)構(gòu)隨即成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)即復(fù)合材料葉片。
與傳統(tǒng)金屬材料葉片制造工藝相比,真空吸注工藝生產(chǎn)效率更高、性能亦可根據(jù)設(shè)計(jì)纖維的方向自由調(diào)控,材料與結(jié)構(gòu)一體化成型、產(chǎn)品尺度限制小,特別適合制造大型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件,故而成為現(xiàn)今風(fēng)電葉片法蘭的主導(dǎo)制造工藝。
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