풍력 터빈 블레이드의 핵심 재료를 선택하는 방법

풍력 터빈 블레이드는 효율적으로 회전할 수 있을 만큼 가벼워야 하며, 사용 수명 동안 수백만 번의 부하 사이클을 견딜 수 있을 만큼 견고하고 내구성이 있어야 합니다. 블레이드가 길어짐에 따라 올바른 구조용 코어 재료를 선택하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다.

샌드위치 구조를 형성하기 위해 복합 스킨 사이에 코어 재료가 배치됩니다. 이 구조는 견고한 라미네이트의 무게를 추가하지 않고도 패널 강성을 증가시킵니다. 풍력 터빈 블레이드에서 구조적 코어는 좌굴 및 전단 하중에 대한 저항이 필요한 블레이드 쉘, 전단 웹 및 기타 샌드위치 섹션에 일반적으로 사용됩니다.

그러나 모든 블레이드에 적합한 단일 코어 소재, 밀도 또는 표면 처리는 없습니다. 올바른 선택은 블레이드 설계, 코어 위치, 기계적 요구 사항, 주입 공정, 수지 소비, 작동 온도 및 생산 비용에 따라 달라집니다.

이 가이드에서는 다음 중 하나를 선택하는 방법을 설명합니다. PVC 폼 및 PET 폼과 밀도, 두께, 표면 처리 및 키팅이 블레이드 성능 및 제조 효율성에 미치는 영향.

풍력 터빈 블레이드에 핵심 소재가 필요한 이유

풍력 터빈 블레이드는 작동 수명 전반에 걸쳐 굽힘, 전단, 압축, 피로 및 국부적 압력의 복잡한 조합을 겪게 됩니다. 두꺼운 고체 유리 섬유 라미네이트로 전체 블레이드를 만들면 과도한 무게와 재료 비용이 추가됩니다.

샌드위치 구조는 보다 효율적인 솔루션을 제공합니다. 일반적으로 다음으로 구성됩니다.

·  외부 복합 스킨;

·  경량 구조 코어;

·  내부 복합 스킨.

스킨은 인장 및 압축 하중의 대부분을 전달하는 반면 코어는 스킨을 분리하고 그 사이에 전단력을 전달합니다. 스킨 사이의 거리를 늘리면 무게를 비례적으로 늘리지 않고도 굽힘 강성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

핵심 자료도 도움이 됩니다.

·  국부적인 패널 강성을 증가시킵니다.

·  좌굴 저항성을 향상시킵니다.

·  블레이드의 공기역학적 형태를 유지합니다.

·  대형 쉘 섹션을 안정화합니다.

·  라미네이트 스킨 사이에 전단력을 전달합니다.

·  필요한 고체 라미네이트의 양을 줄입니다.

·  대형 복합구조물의 효율적인 생산을 지원합니다.

따라서 코어는 분리된 재료가 아닌 완전한 샌드위치 구조의 일부로 평가되어야 합니다.

풍력 터빈 블레이드의 핵심 재료는 어디에 사용됩니까?

하중, 형상 및 라미네이트 구성이 균일하지 않기 때문에 코어 재료 요구 사항은 블레이드에 따라 다릅니다.

블레이드 쉘

공기 역학적 쉘은 블레이드의 외부 표면을 형성합니다. 큰 쉘 영역은 모양을 유지하고 공기 역학적 및 작동 하중 하에서 국부적인 좌굴에 저항하기 위해 충분한 강성이 필요합니다.

구조용 폼 코어는 일반적으로 쉘의 샌드위치 부분에 사용됩니다. 밀도, 두께 및 기계적 성능은 국부적인 구조 설계에 따라 선택됩니다.

코어는 곡선형 금형 표면과 일치해야 하며 수지 주입 및 경화 중에도 안정적인 상태를 유지해야 합니다.

전단 웹

전단 웹은 블레이드의 양면을 연결하고 하중을 전달하는 스파 캡의 분리를 유지하면서 전단 하중을 전달하는 데 도움을 줍니다.

전단 웹에 사용되는 샌드위치 패널은 신뢰할 수 있는 전단 특성, 치수 안정성 및 라미네이트 스킨과의 우수한 접착력을 요구합니다. 틈새, 제대로 장착되지 않은 조인트 또는 과도한 수지 축적이 무게와 구조적 일관성에 영향을 미칠 수 있으므로 코어 키트도 정확하게 맞아야 합니다.

선행 및 후행 가장자리 영역

코어 재료는 쉘을 안정화하고 국부적 강성을 향상시키기 위해 선택된 앞쪽 및 뒤쪽 가장자리 영역에 사용될 수 있습니다.

이러한 영역에는 곡률이 촘촘하고 단면이 좁으며 전환이 복잡할 수 있습니다. 따라서 코어 유연성, 열성형성, 스코어링 패턴 및 치수 정확도는 공칭 기계적 특성만큼 중요할 수 있습니다.

루트 및 고부하 전환

블레이드 루트에는 두꺼운 라미네이트, 인서트, 접착 조인트 및 하중 전달 기능이 포함되어 있습니다. 단일 경량 폼 등급은 이 영역 전체에 자동으로 적합하지 않습니다.

국부적인 하중, 연결 및 전환 주변에는 고밀도 코어 재료 또는 대체 구조 솔루션이 필요할 수 있습니다. 최종 사양은 블레이드 설계자의 구조 계산을 기반으로 해야 합니다.

PVC 폼 또는 PET 폼?

PVC와 PET는 모두 구조용 폼 코어로 사용되지만 성능과 가공 특성이 다릅니다. 가격만 고려하기보다는 각 블레이드 섹션의 요구 사항을 기준으로 선택해야 합니다.

PVC 폼 코어

가교 PVC 는 낮은 중량, 기계적 성능 및 가공 신뢰성이 균형있게 균형을 이루는 폐쇄 셀 구조 폼입니다.

일반적인 장점은 다음과 같습니다.

·  밀도에 비해 전단 강도와 강성이 우수합니다.

·  좋은 피로 저항;

·  낮은 수분 흡수;

·  우수한 치수 안정성;

·  일반적인 복합 처리 방법과의 호환성;

·  다양한 밀도 및 표면 처리 가능;

·  까다로운 샌드위치 구조에서 안정적인 성능을 제공합니다.

기계적 효율성, 피로 성능 및 낮은 중량이 중요한 경우 PVC 폼을 고려할 수 있습니다. 선택한 등급이 필요한 전단 및 압축 특성을 제공하는 경우 구조적으로 까다로운 영역에서도 선호될 수 있습니다.

그러나 PVC는 일반적으로 표준 PET 폼보다 가격이 더 비쌉니다. 따라서 재료 선택은 특정 블레이드 위치에서 성능 이점이 필요한지 여부를 고려해야 합니다.

PET 폼 코어

PET는 풍력 터빈 블레이드 샌드위치 구조에 널리 사용되는 열가소성 구조용 폼입니다. 이는 기계적 성능, 처리 능력, 비용 및 지속 가능성의 실질적인 균형을 제공합니다.

일반적인 장점은 다음과 같습니다.

·  경쟁력 있는 재료비;

·  우수한 압축 및 전단 성능;

·  우수한 치수 안정성;

·  열성형성;

·  광범위한 밀도에서의 가용성;

·  진공 주입 공정과의 호환성;

·  열가소성 소재로서의 재활용성;

·  재활용 PET 콘텐츠로 만든 등급의 가용성.

PET는 비용 효율성, 일관된 공급 및 지속 가능성이 중요한 대량 블레이드 생산에 특히 매력적입니다.

그러나 PET 등급은 셀 구조, 기계적 특성, 온도 저항성 및 수지 흡수 측면에서 크게 다릅니다. 'PET'라는 단어만으로는 충분한 사양이 아닙니다. 선택한 등급은 블레이드의 구조 및 가공 요구 사항과 비교하여 검증되어야 합니다.

PVC 폼과 PET 폼 비교: 실제 비교

이 표는 일반적인 지침일 뿐입니다. 최종 비교에는 선택한 밀도 및 테스트 조건에서 실제 기술 데이터를 사용해야 합니다.

터빈 등급만으로 코어 재료를 선택하지 마십시오.

특정 터빈 용량 이하에서는 한 재료가 적합하고 그 이상에서는 다른 재료를 사용해야 한다고 말하고 싶을 수 있습니다. 이것은 너무 단순하다.

터빈의 정격 출력은 블레이드의 구조적 요구 사항을 완전히 설명하지 않습니다. 선택은 다음의 영향도 받습니다.

·  블레이드 길이;

·  육상 또는 해상 설치;

·  로터 속도;

·  공기역학적 디자인;

·  전단 웹의 수와 위치;

·  스파링 캡 디자인;

·  쉘 기하학;

·  목표 블레이드 무게;

·  디자인 생활;

·  안전 요인;

·  주입 및 경화 과정.

따라서 전력 등급이 유사한 두 블레이드는 서로 다른 코어 재료 또는 서로 다른 밀도 조합을 사용할 수 있습니다.

블레이드 도면, 라미네이트 일정 및 엔지니어링 사양은 항상 메가와트 등급을 기반으로 한 일반 규칙보다 우선시되어야 합니다.

올바른 폼 밀도를 선택하는 방법

폼 밀도는 무게, 전단 강도, 압축 성능 및 비용에 영향을 미칩니다. 밀도가 높을수록 일반적으로 기계적 특성이 높아지지만 블레이드 무게와 재료 비용도 증가합니다.

목표는 가장 높은 밀도를 선택하는 것이 아닙니다. 각 위치의 구조적, 가공적 요구사항을 안전하게 만족하는 가장 낮은 밀도를 사용하는 것입니다.

다음 요소를 고려하십시오.

전단 하중

코어는 라미네이트 스킨 사이에서 전단력을 전달합니다. 더 높은 전단 하중에 노출되는 영역에는 충분한 전단 강도와 계수가 필요합니다.

정적 특성과 장기 피로 거동이 모두 관련될 수 있습니다.

압축 및 국부적 압력

코어는 제조 및 서비스 중에 압축을 견뎌야 합니다. 툴링 기능, 진공 소모품, 조인트 및 하중 영역 주변에서 국부적인 압력이 발생할 수 있습니다.

압축 성능이 부족한 코어는 주입, 경화 또는 수술 중에 변형될 수 있습니다.

좌굴 저항

코어 두께와 전단 강성은 샌드위치 패널의 좌굴 저항에 기여합니다. 따라서 밀도는 두께 및 스킨 디자인과 함께 고려해야 합니다.

체중 목표

넓은 블레이드 영역에 걸쳐 불필요하게 높은 밀도를 사용하면 상당한 무게가 추가될 수 있습니다. 일반적으로 전체 블레이드에 하나의 등급을 적용하는 것보다 국부적인 최적화가 더 좋습니다.

가공조건

폼은 허용할 수 없는 왜곡이나 재산 손실 없이 진공 압력, 수지 발열 및 경화 온도를 견뎌야 합니다.

결과적으로 하나의 블레이드가 여러 밀도를 사용할 수 있습니다. 저밀도 폼은 덜 까다로운 영역에 사용할 수 있는 반면, 고밀도 인서트 또는 전환 부품은 하중이 집중되는 곳에 사용됩니다.

코어 두께는 밀도만큼 중요합니다

코어 두께를 늘리면 샌드위치 패널 강성이 크게 향상될 수 있지만 재료가 두꺼워진다고 해서 자동으로 더 좋아지는 것은 아닙니다.

올바른 두께는 다음에 따라 달라집니다.

·  요구되는 패널 강성;

·  국부 좌굴 저항;

·  블레이드 형상;

·  피부 라미네이트 두께;

·  코어의 전단 응력;

·  무게 제한;

·  사용 가능한 금형 공간;

·  제조 공차.

두께 전환은 점진적이고 정확하게 가공되어야 합니다. 잘못 설계된 단계는 수지가 풍부한 영역, 응력 집중 또는 레이업 중 어려움을 초래할 수 있습니다.

블레이드 설계자는 최종 두께 분포를 지정해야 합니다. 그러면 핵심 공급업체는 필요한 테이퍼, 베벨 및 전환을 갖춘 시트나 키트를 제조할 수 있습니다.

진공 주입을 위한 표면 처리

풍력 터빈 블레이드는 일반적으로 진공 보조 수지 주입으로 제조됩니다. 코어 표면 처리는 수지 흐름, 공기 제거, 적합성 및 수지 소비에 직접적인 영향을 미칩니다.

천공된 폼

천공을 통해 공기와 수지가 코어의 두께를 통해 이동할 수 있습니다. 실제 주입 전략을 위해서는 구멍 직경과 간격을 선택해야 합니다.

구멍이 너무 적으면 공기 제거가 제한될 수 있습니다. 구멍이 너무 많거나 너무 크면 수지 소비와 블레이드 무게가 증가할 수 있습니다.

홈이 있는 폼

표면 홈은 수지 흐름 채널을 만듭니다. 홈 방향, 간격 및 깊이는 주입 속도와 균일성에 영향을 미칩니다.

보다 공격적인 홈 패턴은 흐름을 향상시킬 수 있지만 더 많은 수지를 담을 수도 있습니다. 따라서 가장 빠른 주입 패턴이 항상 가장 저렴하거나 가장 가벼운 솔루션은 아닙니다.

득점 및 스크림 폼

경질 폼 시트는 지지용 스크림에 부착된 블록으로 절단될 수 있습니다. 이를 통해 코어가 곡선형 블레이드 몰드를 더 쉽게 따라갈 수 있습니다.

블록의 치수, 절단 폭, 스크림 유형은 적합성과 수지 흡수에 영향을 미칩니다. 블록 사이의 넓은 간격은 주입 후 수지가 풍부해질 수 있습니다.

열성형 코어

PET 폼은 곡선형 블레이드 표면에 맞게 열성형될 수 있습니다. 미리 성형된 코어는 간격을 줄이고 반복성을 향상시킬 수 있지만 허용할 수 없는 두께 또는 국부적 특성의 변화를 방지하기 위해 성형 공정을 제어해야 합니다.

수지 흡수 문제

핵심 재료 비용은 완성된 블레이드 비용의 일부일 뿐입니다. 구멍, 홈, 절단부, 열린 셀 및 틈에 흡수된 수지는 무게와 비용을 추가합니다.

대형 풍력 터빈 블레이드의 경우 평방 미터당 수지 흡수량이 조금만 증가해도 전체 코어 면적에 걸쳐 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

수지 흡수는 다음의 영향을 받습니다.

·  폼 셀 구조;

·  코어 밀도;

·  표면 다공성;

·  구멍 직경 및 간격;

·  그루브 너비와 깊이;

·  점수 패턴;

·  키트 조각 사이의 간격;

·  스크림 건설;

·  수지 점도;

·  진공 수준;

·  주입 온도.

선택한 코어 구성은 불필요한 수지 채널을 생성하지 않고 충분한 수지 흐름을 제공해야 합니다. 시험 패널은 주입 시간, 함침, 수지 소비 및 완성된 패널 품질을 비교하는 데 유용합니다.

온도 및 치수 안정성

코어는 보관, 레이업, 주입 및 경화 전반에 걸쳐 안정적으로 유지되어야 합니다.

중요한 온도 관련 요소는 다음과 같습니다.

·  최대 금형 온도;

·  수지 발열;

·  치료 기간;

·  사후 경화 요구 사항;

·  두꺼운 라미네이트 영역 전체의 온도 분포;

·  코어 연화 또는 왜곡;

·  냉각 후 치수 회복.

기술 데이터 시트에 명시된 온도는 정의 방법을 이해하지 않고 사용해서는 안 됩니다. 최대 단기 온도, 연속 사용 온도 및 열 변형 온도는 서로 바꿔 사용할 수 없습니다.

고객은 폼 등급을 선택할 때 전체 경화 주기를 제공해야 합니다.

피로 성능

풍력 터빈 블레이드는 반복적인 순환 부하를 경험합니다. 단기 정적 테스트를 통과한 재료가 반드시 필요한 장기 피로 성능을 제공하지 못할 수도 있습니다.

피로가 설계 동인인 경우 평가에는 다음이 포함될 수 있습니다.

·  전단 피로 거동;

·  압축 피로;

·  피부와 코어 결합 내구성;

·  환경 노출 후 재산 보존;

·  조인트 및 전환 성능;

·  생산 배치 간의 가변성.

코어는 의도된 스킨, 수지, 접착제 및 제조 공정을 사용하여 전체 샌드위치 시스템의 일부로 검증되어야 합니다.

치수 정확도 및 코어 키팅

대형 블레이드의 경우 핵심 재료가 표준 직사각형 시트가 아닌 CNC 가공 키트로 공급되는 경우가 많습니다.

잘 설계된 코어 키트는 다음을 제공할 수 있습니다.

·  금형 내부에 정확하게 맞습니다.

·  올바른 두께 전환;

·  수동 트리밍 감소;

·  더 빠른 레이업;

·  조각들 사이의 일관된 간격;

·  설치 오류 위험이 낮습니다.

·  더 나은 생산 반복성;

·  각 키트 부품의 식별.

일반적인 가공 옵션은 다음과 같습니다.

·  CNC 절단;

·  베벨링;

·  테이퍼링;

·  그루빙;

·  천공;

·  채점;

·  스크림 신청;

·  열성형;

·  부품 마킹;

·  키트 시퀀싱 및 포장.

재료 특성만으로는 핵심 시스템의 총 가치를 결정하지 않습니다. 가공 정확도, 키트 설계, 포장 및 배송 신뢰성은 블레이드 생산 효율성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

실용적인 핵심 소재 선택 프로세스

구조화된 선택 프로세스는 밀도나 가격만을 기준으로 재료를 선택하는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.

1단계: 블레이드 위치 식별

코어가 쉘 패널, 전단 웹, 앞쪽 가장자리, 뒤쪽 가장자리 또는 국지적 전환용인지 결정합니다.

2단계: 구조적 요구 사항 정의

요구되는 전단강도, 전단탄성률, 압축특성, 피로성능, 두께, 허용중량을 확인합니다.

3단계: 처리 조건 정의

수지 시스템, 주입 방법, 진공 수준, 경화 온도, 경화 기간 및 예상 발열을 제공합니다.

4단계: PVC와 PET 등급 비교

동일한 밀도와 비교 가능한 테스트 조건에서 특성을 비교합니다. 제품군 설명만 비교하지 마십시오.

5단계: 표면 처리 선택

형상 및 수지 흐름 요구 사항에 따라 천공, 홈, 스코어링 또는 열성형을 선택하십시오.

6단계: 수지 소비량 평가

선택한 표면 처리 및 접합부가 완성된 패널 중량에 미치는 영향을 측정합니다.

7단계: 키트 요구 사항 확인

도면, 공차, 부품 식별, 포장 순서 및 연간 예상 수량을 제공합니다.

8단계: 완전한 샌드위치 시스템 검증

대표적인 시험 패널을 제작하고 최종 승인 전에 전체 라미네이트를 테스트합니다.

핵심 소재 공급업체에 제공할 정보

정확한 권장 사항을 위해 블레이드 제조업체는 다음을 제공해야 합니다.

·  핵심 응용 분야;

·  필수 자료 유형;

·  목표 밀도;

·  코어 두께;

·  시트 또는 키트 크기;

·  기계적 특성 요구 사항;

·  수지 시스템;

·  주입 방법;

·  치료주기;

·  표면 처리;

·  필수 공차;

·  연간 예상 수량;

·  테스트 및 문서화 요구 사항.

블레이드 설계가 기밀인 경우 고객은 전체 구조 설계를 공유하지 않고도 최소한의 관련 처리 및 성능 요구 사항을 제공할 수 있습니다.

최종 권고사항

PVC와 PET 폼은 모두 풍력 터빈 블레이드에 효과적인 구조적 핵심 솔루션을 제공할 수 있지만 상호 교환 가능한 재료로 취급해서는 안 됩니다.

PVC 폼은 높은 구조적 효율성, 피로 저항성 및 낮은 중량이 특히 중요한 곳에서 종종 고려됩니다. PET 폼은 대량 블레이드 생산을 위한 기계적 성능, 비용 효율성, 열성형성 및 지속 가능성의 강력한 조합을 제공합니다.

최종 선택은 특정 블레이드 위치, 구조 계산, 밀도, 두께, 가공 온도, 수지 흡수 및 표면 처리를 기반으로 해야 합니다. 대부분의 경우 최고의 블레이드 디자인은 전체적으로 하나의 재료에 의존하기보다는 다양한 영역에서 다양한 코어 등급을 사용할 수 있습니다.

JLON은 PVC와 PET 폼 코어. 풍력 터빈 블레이드 제조를 위한 다양한 밀도, 두께 및 가공 형식의 사용 가능한 처리 옵션에는 홈 가공, 천공, 스코어링, 스크림 적용, 베벨링, CNC 가공 및 맞춤형 코어 키트가 포함됩니다.

블레이드 적용, 필요한 밀도, 두께, 경화 온도 및 도면을 JLON에 문의하세요. 우리 팀은 평가에 적합한 핵심 재료 및 처리 구성을 식별하는 데 도움을 줄 것입니다.