Como escolher os materiais principais para as pás da turbina eólica

As pás das turbinas eólicas devem ser leves o suficiente para girar com eficiência, mas rígidas e duráveis ​​o suficiente para suportar milhões de ciclos de carga durante sua vida útil. À medida que as lâminas ficam mais longas, a seleção do material de núcleo estrutural correto torna-se cada vez mais importante.

Um material central é colocado entre películas compostas para formar uma estrutura em sanduíche. Esta construção aumenta a rigidez do painel sem adicionar o peso de um laminado sólido. Nas pás de turbinas eólicas, os núcleos estruturais são comumente usados ​​em carcaças de pás, almas de cisalhamento e outras seções sanduíche onde é necessária resistência à flambagem e à carga de cisalhamento.

No entanto, não existe um único material de núcleo, densidade ou tratamento de superfície adequado para cada lâmina. A seleção correta depende do design da lâmina, localização do núcleo, requisitos mecânicos, processo de infusão, consumo de resina, temperatura operacional e custo de produção.

Este guia explica como escolher entre Espuma de PVC e espuma de PET e como a densidade, espessura, tratamento de superfície e kit influenciam o desempenho da lâmina e a eficiência de fabricação.

Por que as pás das turbinas eólicas precisam de materiais básicos

Uma pá de turbina eólica está sujeita a combinações complexas de flexão, cisalhamento, compressão, fadiga e pressão local ao longo de sua vida operacional. Fazer a lâmina inteira a partir de um laminado de fibra de vidro sólido e espesso acrescentaria peso excessivo e custo de material.

Uma estrutura sanduíche oferece uma solução mais eficiente. Normalmente consiste em:

·  Uma película externa composta;

·  Núcleo estrutural leve;

·  Uma pele interna composta.

As películas suportam grande parte da carga de tração e compressão, enquanto o núcleo separa as películas e transfere o cisalhamento entre elas. Aumentar a distância entre as películas pode melhorar significativamente a rigidez à flexão sem um aumento proporcional no peso.

Os materiais principais também ajudam:

·  Aumentar a rigidez local do painel;

·  Melhorar a resistência à flambagem;

·  Manter o formato aerodinâmico da pá;

·  Estabilizar grandes seções de casca;

·  Cisalhamento de transferência entre películas laminadas;

·  Reduzir a quantidade de laminado sólido necessária;

·  Apoiar a produção eficiente de grandes estruturas compostas.

O núcleo deve, portanto, ser avaliado como parte da estrutura sanduíche completa – e não como um material isolado.

Onde os materiais principais são usados ​​em uma pá de turbina eólica?

Os requisitos de material do núcleo variam em toda a lâmina porque as cargas, a geometria e a construção do laminado não são uniformes.

Conchas de Lâmina

A concha aerodinâmica forma a superfície externa da lâmina. Grandes áreas do casco necessitam de rigidez suficiente para manter a sua forma e resistir à flambagem local sob cargas aerodinâmicas e operacionais.

Núcleos de espuma estrutural são comumente usados ​​em seções sanduíche do casco. Sua densidade, espessura e desempenho mecânico são selecionados de acordo com o projeto estrutural local.

O núcleo também deve estar em conformidade com a superfície curva do molde e permanecer estável durante a infusão e cura da resina.

Teias de cisalhamento

As teias de cisalhamento conectam os dois lados da lâmina e ajudam a transferir as cargas de cisalhamento, mantendo a separação das longarinas de suporte de carga.

Painéis sanduíche usados ​​em telas de cisalhamento exigem propriedades de cisalhamento confiáveis, estabilidade dimensional e boa ligação com as películas laminadas. Os kits de núcleo também devem se ajustar com precisão porque lacunas, juntas mal ajustadas ou acúmulo excessivo de resina podem afetar o peso e a consistência estrutural.

Áreas de borda inicial e final

Os materiais do núcleo podem ser usados ​​em regiões selecionadas dos bordos de ataque e de fuga para estabilizar o casco e melhorar a rigidez local.

Estas áreas podem envolver curvaturas estreitas, seções estreitas e transições complexas. A flexibilidade do núcleo, a termoformabilidade, o padrão de pontuação e a precisão dimensional podem, portanto, ser tão importantes quanto as propriedades mecânicas nominais.

Transições raiz e de alta carga

A raiz da lâmina contém laminados espessos, inserções, juntas adesivas e recursos de transferência de carga. Um único tipo de espuma leve não é automaticamente adequado nesta área.

Materiais de núcleo de maior densidade ou soluções estruturais alternativas podem ser necessários em torno de cargas, conexões e transições localizadas. A especificação final deve ser baseada nos cálculos estruturais do projetista da lâmina.

Espuma de PVC ou espuma de PET?

PVC e PET são usados ​​como núcleos de espuma estrutural, mas possuem desempenho e características de processamento diferentes. A seleção deve ser baseada nos requisitos de cada seção da lâmina e não apenas no preço.

Núcleo de espuma de PVC

O PVC reticulado é uma espuma estrutural de célula fechada com um forte equilíbrio entre baixo peso, desempenho mecânico e confiabilidade de processamento.

As vantagens típicas incluem:

·  Boa resistência ao cisalhamento e rigidez em relação à densidade;

·  Boa resistência à fadiga;

·  Baixa absorção de água;

·  Boa estabilidade dimensional;

·  Compatibilidade com métodos comuns de processamento de compósitos;

·  Disponibilidade em diferentes densidades e tratamentos de superfície;

·  Desempenho confiável em estruturas sanduíche exigentes.

A espuma de PVC pode ser considerada onde a eficiência mecânica, o desempenho à fadiga e o baixo peso são importantes. Também pode ser preferido em áreas estruturalmente exigentes quando o grau selecionado fornece as propriedades de cisalhamento e compressão necessárias.

No entanto, o PVC é normalmente mais caro do que a espuma PET padrão. A escolha do material deve, portanto, considerar se as suas vantagens de desempenho são necessárias na localização específica da lâmina.

Núcleo de espuma PET

PET é uma espuma estrutural termoplástica amplamente utilizada na construção de pás sanduíche de turbinas eólicas. Ele fornece um equilíbrio prático entre desempenho mecânico, capacidade de processamento, custo e sustentabilidade.

As vantagens típicas incluem:

·  Custo de material competitivo;

·  Bom desempenho em compressão e cisalhamento;

·  Boa estabilidade dimensional;

·  Termoformabilidade;

·  Disponibilidade em ampla gama de densidades;

·  Compatibilidade com processos de infusão a vácuo;

·  Reciclabilidade como material termoplástico;

·  Disponibilidade de grades feitas com conteúdo de PET reciclado.

O PET é especialmente atraente para a produção de lâminas em grande volume, onde a eficiência de custos, o fornecimento consistente e a sustentabilidade são importantes.

No entanto, os tipos de PET diferem significativamente em estrutura celular, propriedades mecânicas, resistência à temperatura e absorção de resina. A palavra “PET” por si só não é uma especificação suficiente. A classe selecionada deve ser verificada em relação aos requisitos estruturais e de processamento da lâmina.

Espuma de PVC vs Espuma PET: Comparação Prática

Esta tabela é apenas um guia geral. As comparações finais devem usar dados técnicos reais na densidade selecionada e nas condições de teste.

Não selecione o material do núcleo apenas pela classificação da turbina

Pode ser tentador dizer que um material é adequado abaixo de uma determinada capacidade da turbina e outro deve ser usado acima dela. Isso é muito simplista.

A potência nominal de uma turbina não descreve completamente os requisitos estruturais de suas pás. A seleção também é afetada por:

·  Comprimento da lâmina;

·  Instalação onshore ou offshore;

·  Velocidade do rotor;

·  Design aerodinâmico;

·  Número e posição das almas de cisalhamento;

·  Projeto de spar-cap;

·  Geometria da casca;

·  Peso alvo da lâmina;

·  Projetar vida;

·  Fatores de segurança;

·  Processo de infusão e cura.

Duas pás com potências semelhantes podem, portanto, usar diferentes materiais de núcleo ou diferentes combinações de densidades.

O desenho da lâmina, o cronograma do laminado e as especificações de engenharia devem sempre ter prioridade sobre uma regra geral baseada na classificação de megawatts.

Como escolher a densidade correta da espuma

A densidade da espuma afeta o peso, a resistência ao cisalhamento, o desempenho de compressão e o custo. Uma densidade mais alta geralmente proporciona maiores propriedades mecânicas, mas também aumenta o peso da lâmina e o custo do material.

O objetivo não é selecionar a densidade mais alta. É utilizar a densidade mais baixa que satisfaça com segurança os requisitos estruturais e de processamento de cada local.

Considere os seguintes fatores:

Carregamento de cisalhamento

O núcleo transfere cisalhamento entre as películas laminadas. As áreas expostas a cargas de cisalhamento mais altas requerem resistência e módulo de cisalhamento suficientes.

Tanto as propriedades estáticas como o comportamento à fadiga a longo prazo podem ser relevantes.

Compressão e Pressão Local

O núcleo deve resistir à compressão durante a fabricação e serviço. A pressão local pode ocorrer em torno de recursos de ferramentas, consumíveis de vácuo, juntas e áreas carregadas.

Um núcleo com desempenho de compressão inadequado pode deformar-se durante a infusão, cura ou operação.

Resistência à flambagem

A espessura do núcleo e a rigidez ao cisalhamento contribuem para a resistência à flambagem do painel sanduíche. A densidade deve, portanto, ser considerada juntamente com a espessura e o desenho da pele.

Meta de peso

Usar uma densidade desnecessariamente alta em uma grande área de lâmina pode adicionar peso substancial. A otimização local geralmente é melhor do que aplicar uma classe à lâmina inteira.

Condições de processamento

A espuma deve tolerar pressão de vácuo, exotérmica da resina e temperatura de cura sem distorção inaceitável ou perda de propriedade.

Como resultado, uma lâmina pode usar múltiplas densidades. Espuma de densidade mais baixa pode ser usada em áreas menos exigentes, enquanto inserções de alta densidade ou peças de transição são usadas onde as cargas estão concentradas.

A espessura do núcleo é tão importante quanto a densidade

Aumentar a espessura do núcleo pode melhorar muito a rigidez do painel sanduíche, mas materiais mais espessos não são automaticamente melhores.

A espessura correta depende de:

·  Rigidez necessária do painel;

·  Resistência à flambagem local;

·  Geometria da lâmina;

·  Espessura do laminado da pele;

·  Tensão de cisalhamento no núcleo;

·  Limitações de peso;

·  Espaço disponível para molde;

·  Tolerâncias de fabricação.

As transições de espessura devem ser graduais e usinadas com precisão. Degraus mal projetados podem criar áreas ricas em resina, concentrações de tensão ou dificuldades durante a aplicação.

O projetista da lâmina deve especificar a distribuição final da espessura. O fornecedor principal pode então fabricar folhas ou kits com os cones, chanfros e transições necessários.

Tratamentos de Superfície para Infusão a Vácuo

As pás das turbinas eólicas são comumente fabricadas por infusão de resina assistida por vácuo. O tratamento da superfície do núcleo tem efeito direto no fluxo da resina, na remoção de ar, na conformidade e no consumo de resina.

Espuma Perfurada

As perfurações permitem que o ar e a resina se movam através da espessura do núcleo. O diâmetro e o espaçamento dos furos devem ser selecionados para a estratégia de infusão real.

Poucos furos podem restringir a remoção de ar. Muitos furos ou furos excessivamente grandes podem aumentar o consumo de resina e o peso da lâmina.

Espuma Ranhurada

Ranhuras superficiais criam canais de fluxo de resina. A direção, o espaçamento e a profundidade do sulco influenciam a velocidade e a uniformidade da infusão.

Um padrão de ranhura mais agressivo pode melhorar o fluxo, mas também pode reter mais resina. O padrão de infusão mais rápido nem sempre é, portanto, a solução de menor custo ou menor peso.

Espuma marcada e marcada

Folhas de espuma rígida podem ser cortadas em blocos presos a uma tela de suporte. Isso permite que o núcleo siga os moldes das lâminas curvas com mais facilidade.

As dimensões dos blocos, a largura dos cortes e o tipo de tela afetam a conformidade e a absorção de resina. Grandes espaços entre os blocos podem ficar ricos em resina após a infusão.

Núcleo Termoformado

A espuma PET pode ser termoformada para combinar com as superfícies curvas das lâminas. O núcleo pré-formado pode reduzir lacunas e melhorar a repetibilidade, mas o processo de formação deve ser controlado para evitar alterações inaceitáveis ​​na espessura ou nas propriedades locais.

A absorção de resina é importante

O custo do material do núcleo é apenas uma parte do custo da lâmina acabada. A resina absorvida em furos, ranhuras, cortes, células abertas e lacunas adiciona peso e despesas.

Para uma pá grande de turbina eólica, mesmo um pequeno aumento na absorção de resina por metro quadrado pode se tornar significativo na área total do núcleo.

A absorção de resina é influenciada por:

·  Estrutura celular espumosa;

·  Densidade central;

·  Porosidade superficial;

·  Diâmetro e espaçamento dos furos;

·  Largura e profundidade do canal;

·  Padrão de pontuação;

·  Espaços entre peças do kit;

·  Construção de telas;

·  Viscosidade da resina;

·  Nível de vácuo;

·  Temperatura de infusão.

A configuração do núcleo selecionada deve fornecer fluxo de resina suficiente sem criar canais de resina desnecessários. Os painéis de teste são úteis para comparar o tempo de infusão, a molhagem, o consumo de resina e a qualidade do painel acabado.

Temperatura e estabilidade dimensional

O núcleo deve permanecer estável durante o armazenamento, disposição, infusão e cura.

Fatores importantes relacionados à temperatura incluem:

·  Temperatura máxima do molde;

·  Exotérmica de resina;

·  Duração da cura;

·  Requisitos de pós-cura;

·  Distribuição de temperatura em áreas laminadas espessas;

·  Amolecimento ou distorção do núcleo;

·  Recuperação dimensional após resfriamento.

A temperatura indicada em uma ficha técnica não deve ser utilizada sem a compreensão de como foi definida. A temperatura máxima de curto prazo, a temperatura de serviço contínua e a temperatura de distorção térmica não são intercambiáveis.

Os clientes devem fornecer o ciclo de cura completo ao selecionar um tipo de espuma.

Desempenho de fadiga

As pás das turbinas eólicas experimentam cargas cíclicas repetidas. Um material que passa em um teste estático de curto prazo pode não fornecer necessariamente o desempenho de fadiga exigido em longo prazo.

Quando a fadiga é um fator determinante do projeto, a avaliação pode incluir:

·  Comportamento à fadiga por cisalhamento;

·  Fadiga por compressão;

·  Durabilidade da ligação pele-núcleo;

·  Retenção de bens após exposição ambiental;

·  Desempenho de juntas e transições;

·  Variabilidade entre lotes de produção.

O núcleo deve ser qualificado como parte do sistema sanduíche completo usando as películas, resina, adesivo e processo de fabricação pretendidos.

Precisão Dimensional e Core Kitting

Para lâminas grandes, os materiais do núcleo são frequentemente fornecidos como kits usinados em CNC, em vez de folhas retangulares padrão.

Um kit básico bem projetado pode fornecer:

·  Encaixe preciso no interior do molde;

·  Correção de transições de espessura;

·  Corte manual reduzido;

·  Lançamento mais rápido;

·  Espaços consistentes entre peças;

·  Menor risco de erros de instalação;

·  Melhor repetibilidade de produção;

·  Identificação de cada peça do kit.

As opções de usinagem típicas incluem:

·  Corte CNC;

·  Biselamento;

·  Afilamento;

·  Ranhura;

·  Perfuração;

·  Pontuação;

·  Aplicação de tela;

·  Termoformagem;

·  Marcação de peças;

·  Sequenciamento e embalagem do kit.

As propriedades dos materiais por si só não determinam o valor total de um sistema central. A precisão da usinagem, o design do kit, a embalagem e a confiabilidade da entrega podem ter uma grande influência na eficiência da produção de lâminas.

Um processo prático de seleção de materiais essenciais

Um processo de seleção estruturado ajuda a evitar a escolha de materiais com base apenas na densidade ou no preço.

Etapa 1: Identifique a localização da lâmina

Determine se o núcleo é para um painel de casca, alma de cisalhamento, borda de ataque, borda de fuga ou uma transição localizada.

Passo 2: Definir Requisitos Estruturais

Confirme a resistência ao cisalhamento necessária, módulo de cisalhamento, propriedades de compressão, desempenho à fadiga, espessura e peso admissível.

Passo 3: Definir Condições de Processamento

Forneça o sistema de resina, método de infusão, nível de vácuo, temperatura de cura, duração da cura e exotermia esperada.

Etapa 4: compare as classes de PVC e PET

Compare propriedades em densidades equivalentes e sob condições de teste comparáveis. Não compare apenas as descrições da família de produtos.

Passo 5: Selecione o Tratamento de Superfície

Escolha perfurações, ranhuras, ranhuras ou termoformagem com base na geometria e nos requisitos de fluxo de resina.

Passo 6: Avalie o Consumo de Resina

Meça a influência do tratamento de superfície e das juntas selecionados no peso do painel acabado.

Etapa 7: confirme os requisitos do kit

Fornecer desenhos, tolerâncias, identificação de peças, sequência de embalagem e volume anual esperado.

Etapa 8: validar o sistema sanduíche completo

Fabrique painéis de teste representativos e teste o laminado completo antes da aprovação final.

Informações a serem fornecidas ao seu fornecedor de material principal

Para uma recomendação precisa, os fabricantes de lâminas devem fornecer:

·  Área central de aplicação;

·  Tipo de material necessário;

·  Densidade alvo;

·  Espessura do núcleo;

·  Dimensões da folha ou kit;

·  Requisitos de propriedade mecânica;

·  Sistema de resina;

·  Método de infusão;

·  Ciclo de cura;

·  Tratamento de superfície;

·  Tolerâncias exigidas;

·  Quantidade anual estimada;

·  Requisitos de testes e documentação.

Quando o projeto da lâmina for confidencial, o cliente poderá fornecer os requisitos mínimos relevantes de processamento e desempenho sem compartilhar o projeto estrutural completo.

Recomendação Final

As espumas de PVC e PET podem fornecer soluções de núcleo estrutural eficazes para pás de turbinas eólicas, mas não devem ser tratadas como materiais intercambiáveis.

A espuma de PVC é frequentemente considerada onde a alta eficiência estrutural, a resistência à fadiga e o baixo peso são especialmente importantes. A espuma PET oferece uma forte combinação de desempenho mecânico, eficiência de custos, termoformabilidade e sustentabilidade para produção de lâminas em alto volume.

A escolha final deve ser baseada na localização específica da lâmina, cálculos estruturais, densidade, espessura, temperatura de processamento, absorção de resina e tratamento de superfície. Em muitos casos, o melhor projeto de lâmina pode usar diferentes tipos de núcleo em diferentes áreas, em vez de depender de um único material.

JLON fornece PVC e Núcleos de espuma PET em múltiplas densidades, espessuras e formatos processados ​​para fabricação de pás de turbinas eólicas. As opções de processamento disponíveis incluem canal, perfuração, marcação, aplicação de tela, chanfro, usinagem CNC e kits de núcleo personalizados.

Entre em contato com a JLON com sua aplicação de lâmina, densidade necessária, espessura, temperatura de cura e desenhos. Nossa equipe ajudará a identificar um material de núcleo adequado e uma configuração de processamento para avaliação.