风力发电机叶片模具制造
2014-10-19 来源：天津轻工职业技术学院 作者： 李良君
【摘要】风力发电在世界和中国能源战略中占据重要地位风力发电叶片是关键部件之一, 叶片模具的设计制造是决定叶片的空气动力性能关键技术之一。模具分阳模和阴模,本文从阳模和阴模的制造工艺和过程阐述叶片模具的生产,并指出其存在问题和发展方向。
【关键词】风力发电风电叶片模具设计模具制造
一、概述
（一）风电行业背景。随着全球应对气候变化呼声的日益高涨,以及能源短缺、能源供应安全形势的日趋严峻, 可再生能源以其清洁、安全、永续的特点在各国能源战略中的地位不断提高。风能作为可再生能源中成本较低、技术较成熟、可靠性较高的新能源, 近年来发展很快并开始在能源供应中发挥重要作用。国际上利用风力发电是本世纪发展壮大起来的随着风电技术不断进步容量逐步增大。
我国幅员辽阔、海岸线长、风能资源丰富, 特别是新疆、内蒙古与沿海地区。我国可开发的风能潜力巨大,陆上加海上的总的风能可开发量约有1000-1500GW万。我国风力发电在二十世纪八十年代开始发展年开始迅猛增长,2006年至2009年累计风电装机容量连续四年保持翻番增长。2010年新增装机增长率为37.1%, 累计装机增长率为73.3%。首次低于100%、2011、2012两年由于世界经济大环境的影响风电行业也比较低迷。但据BTM预测今后全球风电年新增装机平均增速将保持在10%-15%。风力发电是新能源中比较成熟的一种, 如果充分利用, 可成为仅次于火电、水电的第三大电源。随着风电经济性的进一步提升和风电并网消纳问题的逐步解决, 未来五年, 由于政府政策的强力支持,中国将继续引领世界风电的发展。
（二）国内风电叶片模具制造现状。
风力发电机是一种将风能转化为机械能, 再由机械能转化为电能的机组和系统,叶片是将风能转化为机械能的唯一关键部件。叶片的空气动力外形决定了整个机组的空气动力性能, 一个具有良好空气动力外形的叶片, 可以使机组的能量转换效率更高,获得更多的风能。叶片的材料和结构保证叶片的强度和刚度还要有合适的工艺和方法, 保证能够做出带有复杂的外形、符合空气动力学原理的外形的大尺寸构件。
叶片模具是保证外形的直接方法膜具的设计与制造是叶片的关键技术之一。
目前风电叶片的模具设计与制造技术基本上掌握在国外几家公司手中尤其是设计技术。国内仅有极少数单位如上海玻璃钢研究所、北京玻璃钢研究所等, 能够自行独立设计但并不十分成熟, 设计指标与实际生产要求有一定的偏差而且由于工艺方面的研究相对滞后, 产品工艺流程远没有达到批量生产的要求。国内企业叶片模具的技术来源主要有两个一是仿制。通过购买所需要的产品成品, 进行打磨修整使其光滑顺畅并符合叶面曲线要求, 在其上翻制具。在目前的国际环境下, 仿制的路子是走不通的二是购买国外公司的技术许可。购买技术许可需要支付高额费用并且时间进度也不能保证要花费很长的时间排队等待。购买技术又分为两种购买使用权或者所有权,一般而言, 国外较少将所有权卖出, 使用权也仅限于某个很具体的产品,稍有改动就必须另行购买。风力发电是对国家能源战略和环保战略有积极影响的新兴大产业,叶片设计技术和制造技术的突破将打破国外公司的技术垄断, 降低整机成本, 对风电设备技术进步起到有力的推动作用, 对风电产业的持续、良性发展有着重要的意义。
二、风电叶片模具制造
（一）概念。叶片模具通常指的是阴模朋模用于生产糊制叶片。制造阴模前还需先制造用于制作阴模的阳模。叶片主模具即上、下型面模具, 也俗称叶壳模具阳模和阴模的制造方法和模具结构很复杂, 是叶片制造的关键技术之一。
（二）阳模制作。叶片前后大梁、上下翼梁阳模的制造方法和模具结构较为简单在此不赘述,下面仅介绍叶壳阳模的制作。通常阳模有两种制作方法,一种是购买成品叶片进行打磨修整使其光滑顺畅并符合叶面曲线要求一种是自行设计并按照设计要求的曲面, 采取数控加工法或手工样板控制法制作。叶壳阳模就是构成叶片上、下型面几何型面的模胎结构上需要有一定的强度和刚度, 表面有一定的硬度但主要是几何曲面加工精度要高。国外先进的阳模制造工艺是大型数控加工设备加工型面, 因为叶片很长, 需分段加工然后组装成一体。先是在易加工的硬质泡沫体上粗加工加工到一定尺寸在泡沫体表面喷涂一定厚度的硬壳再加工这一硬壳到尺寸,再抛光, 达到翻制阴模所需的尺寸精度和表面光洁度。这种加工设备国内还很少采用这种方法困难较大。另一种制造阳模的方法, 是使用大量数控加工的精确切面样板, 控制手工修理型面,这样也可达到精度要求。
（三）叶片模具阴模制造。主模具是指生产叶片叶壳的模具阴模。叶壳模具的总体形式为“ 玻璃钢壳体钢结构框架” ,上、下型面分体结构形式“ 玻璃钢壳体” 形成叶片所需的几何形面,具有一定的强度和刚度, 表面采用模具胶衣层。在壳体内放置加热系统,保证叶片成型时所需的温度`钢结构框架” 为模具提供主要的强度和刚度并为模具的定位系统和夹紧顶出系统提供安装基础。合、启模方式采用下模固定不动, 与地面紧固,上模由天车移动与下模合或启的方法, 由两部天车吊起上模两端, 与下模合在一起,或与下模和叶片分离。吊起前应用顶起系统进行初始分离操作。
总体来说庄模具的制作工艺过程是糊制上下模壳体在模胎即阳模上、焊接上下模钢架、上下模钢架与上下模壳体糊制成一体、喷聚氨醋保温材料、上下模起模, 下模调平、安装上下模定位装置、安装翻转机构、上下模型面打磨、检验。糊制壳体时还要考虑加热带的布线和固定。主模具的结构如图所示。
（四）前后大梁、上下翼梁模具制作。前后大梁、上下翼梁模具的制作相比主模具的制作要简单, 只需要在阳模模胎上糊制模具, 焊接支撑钢架, 并将钢架与模具糊制成一体然后进行调平, 对模型面进行打磨、检验, 不需要起吊机构、定位装置、翻转机构和加温系统。
三、存在问题及发展展望
目前国内叶片自主研发能力薄弱, 是影响我国风电设备技术进步的瓶颈之一。随着技术的发展风电机组的单机容量越来越大而海上风场的开发利用, 更需要大型的机组。越来越大的机组需要越来越大的叶片, 叶片及模具的技术难度会越来越大。如果现在不跟上世界发展的速度, 以后会更加困难。仿制的路子走不通,购买技术的代价越来越高昂如果现在开始迎头赶上, 占领技术的制高点, 会在今后风电产业的发展中占有一席之地, 确立市场竞争中的优势, 发展空间将会越来越大。
随着风电对我国能源和环境保护贡献的逐步显现相信我国的风力发电产业的发展规模会大大超过预期。风电产业的经济效益、社会效益, 和中国目前奉行的可持续发展和节能战略都为风电行业提供了很大的发展空间, 为风电设备制造企业包括模具设计和制造企业的持续长久发展, 迎来了千载难逢的历史机遇。
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