Jak wybrać materiały rdzenia na łopaty turbin wiatrowych

Łopaty turbin wiatrowych muszą być wystarczająco lekkie, aby mogły się efektywnie obracać, a jednocześnie wystarczająco sztywne i trwałe, aby wytrzymać miliony cykli obciążenia w całym okresie użytkowania. W miarę wydłużania się ostrzy, coraz ważniejszy staje się wybór odpowiedniego materiału rdzenia konstrukcyjnego.

Materiał rdzenia umieszcza się pomiędzy powłokami kompozytowymi, tworząc strukturę warstwową. Taka konstrukcja zwiększa sztywność panelu bez zwiększania ciężaru litego laminatu. W łopatach turbin wiatrowych rdzenie konstrukcyjne są powszechnie stosowane w skorupach łopat, środnikach ścinanych i innych sekcjach wielowarstwowych, gdzie wymagana jest odporność na wyboczenie i obciążenie ścinające.

Jednakże nie ma jednego materiału rdzenia, gęstości lub obróbki powierzchni odpowiedniej dla każdego ostrza. Właściwy dobór zależy od konstrukcji ostrza, lokalizacji rdzenia, wymagań mechanicznych, procesu infuzji, zużycia żywicy, temperatury pracy i kosztów produkcji.

W tym przewodniku wyjaśniono, jak dokonać wyboru Pianka PVC i pianka PET oraz jak gęstość, grubość, obróbka powierzchni i wyposażenie wpływają na wydajność ostrzy i wydajność produkcji.

Dlaczego łopaty turbin wiatrowych wymagają materiałów rdzeniowych

Łopatka turbiny wiatrowej poddawana jest przez cały okres eksploatacji złożonym kombinacjom zginania, ścinania, ściskania, zmęczenia i lokalnego ciśnienia. Wykonanie całego ostrza z grubego, litego laminatu z włókna szklanego spowodowałoby zwiększenie masy i kosztów materiału.

Struktura warstwowa zapewnia bardziej wydajne rozwiązanie. Zwykle składa się z:

·  Zewnętrzna powłoka kompozytowa;

·  Lekki rdzeń konstrukcyjny;

·  Wewnętrzna powłoka kompozytowa.

Pokrycia przenoszą większość obciążeń rozciągających i ściskających, podczas gdy rdzeń oddziela pokrycia i przenosi między nimi ścinanie. Zwiększenie odległości pomiędzy powłokami może znacznie poprawić sztywność na zginanie bez proporcjonalnego wzrostu masy.

Materiały podstawowe również pomagają:

·  Zwiększyć lokalną sztywność panelu;

·  Poprawić odporność na wyboczenie;

·  Zachowaj aerodynamiczny kształt ostrza;

·  Stabilizacja dużych sekcji skorupy;

·  Ścinanie przenoszące pomiędzy warstwami laminatu;

·  Zmniejszyć wymaganą ilość litego laminatu;

·  Wspieranie wydajnej produkcji dużych konstrukcji kompozytowych.

Dlatego rdzeń należy oceniać jako część kompletnej struktury wielowarstwowej, a nie jako izolowany materiał.

Gdzie stosuje się materiały rdzenia w łopacie turbiny wiatrowej?

Wymagania dotyczące materiału rdzenia różnią się w zależności od ostrza, ponieważ obciążenia, geometria i konstrukcja laminatu nie są jednolite.

Skorupy Ostrzy

Aerodynamiczna skorupa tworzy zewnętrzną powierzchnię ostrza. Duże obszary skorupy wymagają wystarczającej sztywności, aby zachować swój kształt i wytrzymać lokalne wyboczenie pod obciążeniem aerodynamicznym i operacyjnym.

Rdzenie z pianki strukturalnej są powszechnie stosowane w wielowarstwowych sekcjach skorupy. Ich gęstość, grubość i właściwości mechaniczne dobierane są zgodnie z lokalnym projektem konstrukcyjnym.

Rdzeń musi również dopasowywać się do zakrzywionej powierzchni formy i pozostać stabilny podczas wlewania żywicy i utwardzania.

Ściąć sieci

Żebra ścinające łączą dwie strony ostrza i pomagają przenosić obciążenia ścinające, zachowując jednocześnie separację nośnych nasadek dźwigarów.

Płyty warstwowe stosowane w środnikach ścinanych wymagają niezawodnych właściwości ścinających, stabilności wymiarowej i dobrego połączenia z powłokami laminatu. Zestawy rdzeni muszą również być dokładnie dopasowane, ponieważ szczeliny, źle dopasowane złącza lub nadmierne nagromadzenie żywicy mogą mieć wpływ zarówno na wagę, jak i konsystencję konstrukcyjną.

Obszary krawędzi wiodącej i końcowej

W wybranych obszarach krawędzi natarcia i krawędzi spływu można zastosować materiały rdzenia, aby ustabilizować skorupę i poprawić lokalną sztywność.

Obszary te mogą obejmować wąską krzywiznę, wąskie sekcje i złożone przejścia. Elastyczność rdzenia, termoformowalność, wzór nacięć i dokładność wymiarowa mogą być zatem równie ważne jak nominalne właściwości mechaniczne.

Przejścia korzeniowe i wysokoobciążeniowe

Nasadę ostrza zawierają grube laminaty, wstawki, połączenia klejowe i elementy przenoszące obciążenia. Pojedynczy gatunek lekkiej pianki nie jest automatycznie odpowiedni w tym obszarze.

W przypadku lokalnych obciążeń, połączeń i przejść mogą być wymagane materiały rdzenia o większej gęstości lub alternatywne rozwiązania konstrukcyjne. Ostateczna specyfikacja musi opierać się na obliczeniach konstrukcyjnych projektanta łopaty.

Pianka PCV czy pianka PET?

Jako rdzenie z pianki strukturalnej stosuje się zarówno PVC, jak i PET, ale mają one różne właściwości użytkowe i przetwórcze. Wybór powinien opierać się na wymaganiach każdej sekcji ostrza, a nie na samej cenie.

Rdzeń z pianki PCV

Usieciowany PVC to pianka strukturalna o zamkniętych komórkach, charakteryzująca się dobrą równowagą pomiędzy niską wagą, wydajnością mechaniczną i niezawodnością przetwarzania.

Typowe zalety to:

·  Dobra wytrzymałość na ścinanie i sztywność w stosunku do gęstości;

·  Dobra odporność na zmęczenie;

·  Niska absorpcja wody;

·  Dobra stabilność wymiarowa;

·  Zgodność z powszechnymi metodami przetwarzania kompozytów;

·  Dostępność w różnych gęstościach i wykończeniach powierzchni;

·  Niezawodne działanie w wymagających konstrukcjach warstwowych.

Pianka PVC może być brana pod uwagę tam, gdzie ważna jest wydajność mechaniczna, wytrzymałość zmęczeniowa i niska waga. Może być również preferowany w obszarach wymagających konstrukcyjnie, gdy wybrany gatunek zapewnia wymagane właściwości przy ścinaniu i ściskaniu.

Jednak PCV jest zwykle droższy niż standardowa pianka PET. Dlatego przy wyborze materiału należy wziąć pod uwagę, czy jego zalety w zakresie wydajności są konieczne w konkretnym położeniu ostrza.

Rdzeń z pianki PET

PET to termoplastyczna pianka strukturalna szeroko stosowana w konstrukcjach warstwowych łopat turbin wiatrowych. Zapewnia praktyczną równowagę wydajności mechanicznej, możliwości przetwarzania, kosztów i zrównoważonego rozwoju.

Typowe zalety to:

·  Konkurencyjny koszt materiałów;

·  Dobra odporność na ściskanie i ścinanie;

·  Dobra stabilność wymiarowa;

·  Termoformowalność;

·  Dostępność w szerokim zakresie gęstości;

·  Kompatybilność z procesami infuzji próżniowej;

·  Możliwość recyklingu jako materiał termoplastyczny;

·  Dostępność gatunków wykonanych z zawartości PET pochodzącego z recyklingu.

PET jest szczególnie atrakcyjny w przypadku produkcji ostrzy na dużą skalę, gdzie ważna jest efektywność kosztowa, stałe dostawy i zrównoważony rozwój.

Jednakże gatunki PET różnią się znacznie strukturą komórkową, właściwościami mechanicznymi, odpornością na temperaturę i wchłanianiem żywicy. Samo słowo „PET” nie jest wystarczającym określeniem. Wybrany gatunek należy sprawdzić pod kątem wymagań konstrukcyjnych i przetwórczych ostrza.

Pianka PVC vs pianka PET: porównanie praktyczne

Ta tabela jest jedynie ogólnym przewodnikiem. Do ostatecznych porównań należy wykorzystać rzeczywiste dane techniczne przy wybranej gęstości i warunkach testowych.

Nie wybieraj materiału rdzenia wyłącznie na podstawie parametrów turbiny

Kuszące może być stwierdzenie, że jeden materiał jest odpowiedni poniżej określonej wydajności turbiny, a inny powinien być zastosowany powyżej niej. To jest zbyt uproszczone.

Moc znamionowa turbiny nie opisuje w pełni wymagań konstrukcyjnych jej łopatek. Na wybór wpływają także:

·  Długość ostrza;

·  Instalacja na lądzie lub na morzu;

·  Prędkość wirnika;

·  Konstrukcja aerodynamiczna;

·  Liczba i położenie środników ścinanych;

·  Konstrukcja typu spar-cap;

·  Geometria powłoki;

·  Docelowa masa ostrza;

·  Projektuj życie;

·  Czynniki bezpieczeństwa;

·  Proces infuzji i utwardzania.

Dwie łopatki o podobnej mocy znamionowej mogą zatem wykorzystywać różne materiały rdzenia lub różne kombinacje gęstości.

Rysunek ostrza, harmonogram laminatu i specyfikacje techniczne powinny zawsze mieć pierwszeństwo przed ogólną zasadą opartą na mocy znamionowej w megawatach.

Jak wybrać odpowiednią gęstość pianki

Gęstość pianki wpływa na wagę, wytrzymałość na ścinanie, wydajność ściskania i koszt. Większa gęstość zwykle zapewnia lepsze właściwości mechaniczne, ale zwiększa także wagę ostrza i koszt materiału.

Celem nie jest wybranie najwyższej gęstości. Należy zastosować najniższą gęstość, która bezpiecznie spełnia wymagania strukturalne i technologiczne każdej lokalizacji.

Weź pod uwagę następujące czynniki:

Ładowanie ścinające

Rdzeń przenosi ścinanie pomiędzy warstwami laminatu. Obszary narażone na większe obciążenia ścinające wymagają wystarczającej wytrzymałości na ścinanie i modułu.

Istotne mogą być zarówno właściwości statyczne, jak i długotrwałe zachowanie zmęczeniowe.

Kompresja i ciśnienie lokalne

Rdzeń musi być odporny na ściskanie podczas produkcji i serwisu. Lokalne ciśnienie może wystąpić wokół elementów narzędzi, materiałów eksploatacyjnych podciśnienia, połączeń i obszarów obciążonych.

Rdzeń o niewystarczającej wytrzymałości na ściskanie może odkształcić się podczas infuzji, utwardzania lub pracy.

Odporność na wyboczenie

Grubość rdzenia i sztywność na ścinanie wpływają na odporność płyty warstwowej na wyboczenie. Dlatego też gęstość należy rozpatrywać łącznie z grubością i konstrukcją powłoki.

Docelowa waga

Użycie niepotrzebnie dużej gęstości na dużej powierzchni ostrza może spowodować znaczny wzrost wagi. Optymalizacja lokalna jest zwykle lepsza niż zastosowanie jednego gatunku do całego ostrza.

Warunki przetwarzania

Pianka musi tolerować podciśnienie, egzotermię żywicy i temperaturę utwardzania bez niedopuszczalnych zniekształceń lub utraty właściwości.

W rezultacie jedno ostrze może wykorzystywać wiele gęstości. Pianka o niższej gęstości może być stosowana w mniej wymagających obszarach, natomiast wkładki lub elementy przejściowe o większej gęstości są stosowane tam, gdzie obciążenia są skoncentrowane.

Grubość rdzenia jest równie ważna jak gęstość

Zwiększenie grubości rdzenia może znacznie poprawić sztywność płyty warstwowej, ale grubszy materiał nie jest automatycznie lepszy.

Prawidłowa grubość zależy od:

·  Wymagana sztywność panelu;

·  Lokalna odporność na wyboczenie;

·  Geometria ostrza;

·  Grubość laminatu powłoki;

·  Naprężenia ścinające w rdzeniu;

·  Ograniczenia wagowe;

·  Dostępna przestrzeń formy;

·  Tolerancje produkcyjne.

Przejścia grubości powinny być stopniowe i dokładnie obrobione. Źle zaprojektowane stopnie mogą powodować powstawanie obszarów bogatych w żywicę, koncentrację naprężeń lub trudności podczas układania.

Projektant ostrza powinien określić ostateczny rozkład grubości. Główny dostawca może następnie wyprodukować arkusze lub zestawy z wymaganymi zbieżnościami, skosami i przejściami.

Obróbka powierzchniowa do infuzji próżniowej

Łopaty turbin wiatrowych są powszechnie produkowane metodą infuzji żywicy wspomaganej próżniowo. Obróbka powierzchni rdzenia ma bezpośredni wpływ na przepływ żywicy, usuwanie powietrza, zgodność i zużycie żywicy.

Perforowana pianka

Perforacje umożliwiają przepływ powietrza i żywicy przez grubość rdzenia. Średnicę otworów i odstępy należy dobrać odpowiednio do aktualnej strategii infuzji.

Zbyt mała liczba otworów może utrudniać odprowadzanie powietrza. Zbyt wiele lub zbyt duże otwory mogą zwiększyć zużycie żywicy i wagę ostrza.

Rowkowana pianka

Rowki powierzchniowe tworzą kanały przepływu żywicy. Kierunek, odstęp i głębokość rowków wpływają na szybkość i równomierność infuzji.

Bardziej agresywny wzór rowków może poprawić przepływ, ale może również pomieścić więcej żywicy. Dlatego najszybszy schemat infuzji nie zawsze jest rozwiązaniem o najniższym koszcie i wadze.

Nacięta i pokryta pianką

Arkusze sztywnej pianki można pociąć na bloki przymocowane do siatki nośnej. Dzięki temu rdzeń łatwiej dopasowuje się do zakrzywionych form ostrza.

Wymiary bloków, szerokość nacięć i rodzaj siatki wpływają na zgodność i wchłanianie żywicy. Szerokie odstępy między blokami mogą po infuzji stać się bogate w żywicę.

Termoformowany rdzeń

Piankę PET można kształtować termicznie, aby dopasować ją do zakrzywionych powierzchni ostrzy. Wstępnie uformowany rdzeń może zmniejszyć szczeliny i poprawić powtarzalność, ale proces formowania musi być kontrolowany, aby uniknąć niedopuszczalnych zmian w grubości lub lokalnych właściwościach.

Pobieranie żywicy ma znaczenie

Koszt materiału rdzenia to tylko jedna część kosztu gotowego ostrza. Żywica wchłonięta w otwory, rowki, nacięcia, otwarte komórki i szczeliny zwiększa wagę i koszt.

W przypadku dużej łopaty turbiny wiatrowej nawet niewielki wzrost poboru żywicy na metr kwadratowy może stać się znaczący na całej powierzchni rdzenia.

Na wchłanianie żywicy wpływają:

·  Struktura komórkowa pianki;

·  Gęstość rdzenia;

·  Porowatość powierzchni;

·  Średnica i rozstaw otworów;

·  Szerokość i głębokość rowka;

·  Wzór punktacji;

·  Luki pomiędzy elementami zestawu;

·  Konstrukcja siatki;

·  Lepkość żywicy;

·  Poziom próżni;

·  Temperatura infuzji.

Wybrana konfiguracja rdzenia powinna zapewniać wystarczający przepływ żywicy bez tworzenia niepotrzebnych kanałów żywicy. Panele próbne są przydatne do porównywania czasu infuzji, zwilżania, zużycia żywicy i jakości gotowego panelu.

Stabilność temperaturowa i wymiarowa

Rdzeń musi pozostać stabilny podczas przechowywania, układania, infuzji i utwardzania.

Do ważnych czynników związanych z temperaturą należą:

·  Maksymalna temperatura formy;

·  Żywica egzotermiczna;

·  Czas utwardzania;

·  Wymagania po utwardzeniu;

·  Rozkład temperatury w grubych obszarach laminatu;

·  Zmiękczenie lub zniekształcenie rdzenia;

·  Odzysk wymiarów po ochłodzeniu.

Nie należy stosować temperatury podanej w karcie technicznej bez zrozumienia, jak została zdefiniowana. Maksymalna temperatura krótkotrwała, temperatura pracy ciągłej i temperatura odkształcenia cieplnego nie są zamienne.

Wybierając gatunek pianki, klienci powinni podać pełny cykl utwardzania.

Wydajność zmęczeniowa

Łopaty turbin wiatrowych podlegają powtarzającym się cyklicznym obciążeniom. Materiał, który pomyślnie przejdzie krótkotrwałą próbę statyczną, niekoniecznie zapewnia wymaganą długoterminową odporność na zmęczenie.

Jeżeli zmęczenie jest czynnikiem wpływającym na projekt, ocena może obejmować:

·  Zachowanie przy zmęczeniu ścinającym;

·  Zmęczenie ściskające;

·  Trwałość połączenia skóra-rdzeń;

·  Zatrzymanie własności po narażeniu środowiskowym;

·  Wykonanie złączy i przejść;

·  Zmienność pomiędzy partiami produkcyjnymi.

Rdzeń powinien być zakwalifikowany jako część kompletnego systemu warstwowego, wykorzystującego zamierzone powłoki, żywicę, klej i proces produkcyjny.

Dokładność wymiarowa i zestaw rdzeni

W przypadku dużych ostrzy materiały rdzenia są często dostarczane w postaci zestawów obrabianych CNC, a nie standardowych arkuszy prostokątnych.

Dobrze zaprojektowany zestaw podstawowy może zapewnić:

·  Dokładne dopasowanie wewnątrz formy;

·  Prawidłowe przejścia grubości;

·  Ograniczone ręczne przycinanie;

·  Szybsze układanie;

·  Stałe odstępy pomiędzy elementami;

·  Mniejsze ryzyko błędów instalacyjnych;

·  Większa powtarzalność produkcji;

·  Identyfikacja każdej części zestawu.

Typowe opcje obróbki obejmują:

·  Cięcie CNC;

·  Fazowanie;

·  Zwężający się;

·  Rowkowanie;

·  Perforacja;

·  Punktacja;

·  Aplikacja Scrim;

·  Termoformowanie;

·  Znakowanie części;

·  Sekwencjonowanie i pakowanie zestawu.

Same właściwości materiału nie determinują całkowitej wartości systemu podstawowego. Dokładność obróbki, konstrukcja zestawu, niezawodność pakowania i dostawy mogą mieć duży wpływ na wydajność produkcji ostrzy.

Praktyczny proces wyboru materiału rdzenia

Ustrukturyzowany proces selekcji pomaga uniknąć wyboru materiału wyłącznie na podstawie gęstości lub ceny.

Krok 1: Zidentyfikuj położenie ostrza

Określ, czy rdzeń jest przeznaczony dla panelu powłoki, środnika ścinanego, krawędzi natarcia, krawędzi spływu czy też zlokalizowanego przejścia.

Krok 2: Zdefiniuj wymagania strukturalne

Potwierdzić wymaganą wytrzymałość na ścinanie, moduł sprężystości, właściwości ściskające, wytrzymałość zmęczeniową, grubość i dopuszczalną masę.

Krok 3: Zdefiniuj warunki przetwarzania

Podaj system żywicy, metodę infuzji, poziom próżni, temperaturę utwardzania, czas utwardzania i oczekiwaną egzotermię.

Krok 4: Porównaj gatunki PVC i PET

Porównaj właściwości przy równoważnych gęstościach i porównywalnych warunkach testowych. Nie porównuj wyłącznie opisów rodzin produktów.

Krok 5: Wybierz obróbkę powierzchni

Wybierz perforacje, rowki, nacięcia lub termoformowanie w oparciu o geometrię i wymagania dotyczące przepływu żywicy.

Krok 6: Oceń zużycie żywicy

Zmierz wpływ wybranej obróbki powierzchni i połączeń na masę gotowego panelu.

Krok 7: Potwierdź wymagania zestawu

Dostarcz rysunki, tolerancje, identyfikację części, kolejność pakowania i oczekiwaną roczną wielkość.

Krok 8: Sprawdź kompletny system kanapkowy

Wyprodukuj reprezentatywne panele próbne i przetestuj cały laminat przed ostatecznym zatwierdzeniem.

Informacje, które należy przekazać dostawcy materiałów podstawowych

Aby uzyskać dokładne zalecenia, producenci ostrzy powinni zapewnić:

·  Podstawowy obszar zastosowań;

·  Wymagany rodzaj materiału;

·  Gęstość docelowa;

·  Grubość rdzenia;

·  Wymiary arkusza lub zestawu;

·  Wymagania dotyczące właściwości mechanicznych;

·  Układ żywiczny;

·  Metoda infuzyjna;

·  Cykl utwardzania;

·  Obróbka powierzchniowa;

·  Wymagane tolerancje;

·  Szacunkowa ilość roczna;

·  Wymagania dotyczące testowania i dokumentacji.

Jeżeli projekt ostrza jest poufny, klient może podać minimalne odpowiednie wymagania dotyczące przetwarzania i wydajności bez udostępniania pełnego projektu konstrukcyjnego.

Ostateczne zalecenie

Zarówno pianka PVC, jak i PET mogą stanowić efektywne rozwiązania rdzenia konstrukcyjnego łopat turbin wiatrowych, ale nie należy ich traktować jako materiałów wymiennych.

Pianka PVC jest często brana pod uwagę tam, gdzie szczególnie ważna jest wysoka wydajność konstrukcyjna, odporność na zmęczenie i niska waga. Pianka PET oferuje mocne połączenie wydajności mechanicznej, opłacalności, termoformowalności i zrównoważonego rozwoju w przypadku produkcji ostrzy na dużą skalę.

Ostateczny wybór powinien opierać się na konkretnym położeniu ostrza, obliczeniach konstrukcyjnych, gęstości, grubości, temperaturze przetwarzania, absorpcji żywicy i obróbce powierzchni. W wielu przypadkach najlepsza konstrukcja ostrza może wykorzystywać różne gatunki rdzenia w różnych obszarach, zamiast polegać na jednym materiale.

JLON dostarcza PCV i Rdzenie z pianki PET o różnych gęstościach, grubościach i przetworzonych formatach do produkcji łopat turbin wiatrowych. Dostępne opcje przetwarzania obejmują rowkowanie, perforację, nacinanie, nakładanie siatki, fazowanie, obróbkę CNC i niestandardowe zestawy rdzeni.

Skontaktuj się z firmą JLON w sprawie zastosowania ostrza, wymaganej gęstości, grubości, temperatury utwardzania i rysunków. Nasz zespół pomoże określić odpowiedni materiał rdzenia i konfigurację przetwarzania do oceny.