Как выбрать материалы сердцевины для лопастей ветряных турбин

Лопасти ветряных турбин должны быть достаточно легкими, чтобы эффективно вращаться, но при этом достаточно жесткими и прочными, чтобы выдерживать миллионы циклов нагрузки в течение срока службы. Поскольку лопасти становятся длиннее, выбор правильного материала конструкционного сердечника становится все более важным.

Материал сердцевины помещается между композитными оболочками, образуя сэндвич-структуру. Эта конструкция увеличивает жесткость панели без увеличения веса цельного ламината. В лопастях ветряных турбин структурные сердечники обычно используются в оболочках лопастей, сдвигающихся стенках и других многослойных секциях, где требуется устойчивость к продольному изгибу и сдвиговой нагрузке.

Однако не существует единого материала сердцевины, плотности или обработки поверхности, подходящего для каждого лезвия. Правильный выбор зависит от конструкции лезвия, расположения сердечника, механических требований, процесса инфузии, расхода смолы, рабочей температуры и стоимости производства.

В этом руководстве объясняется, как выбирать между Пена ПВХ и пена ПЭТ, а также то, как плотность, толщина, обработка поверхности и комплектация влияют на характеристики лезвий и эффективность производства.

Зачем лопастям ветряных турбин нужны материалы сердцевины

Лопасть ветряной турбины на протяжении всего срока службы подвергается сложным сочетаниям изгиба, сдвига, сжатия, усталости и местного давления. Изготовление всего лезвия из толстого твердого ламината из стекловолокна привело бы к увеличению веса и стоимости материала.

Сэндвич-структура обеспечивает более эффективное решение. Обычно он состоит из:

·  Наружная композитная обшивка;

·  Легкий структурный сердечник;

·  Внутренняя композитная обшивка.

Обшивки несут большую часть растягивающей и сжимающей нагрузки, тогда как сердцевина разделяет обшивки и передает сдвиг между ними. Увеличение расстояния между обшивками позволяет значительно улучшить жесткость на изгиб без пропорционального увеличения веса.

Основные материалы также помогают:

·  Увеличение местной жесткости панели;

·  Улучшить сопротивление короблению;

·  Сохранять аэродинамическую форму лопасти;

·  Стабилизировать большие секции корпуса;

·  Перенос сдвига между слоями ламината;

·  Уменьшите количество необходимого твердого ламината;

·  Поддержка эффективного производства крупных композитных конструкций.

Поэтому сердцевину следует оценивать как часть целостной сэндвич-структуры, а не как изолированный материал.

Где основные материалы используются в лопастях ветряных турбин?

Требования к материалу сердцевины варьируются в зависимости от лезвия, поскольку нагрузки, геометрия и конструкция ламината неодинаковы.

Лезвийные снаряды

Аэродинамическая оболочка образует внешнюю поверхность лопасти. Большие площади оболочки нуждаются в достаточной жесткости, чтобы сохранять свою форму и противостоять локальному короблению под аэродинамическими и эксплуатационными нагрузками.

Наполнители из структурного пенопласта обычно используются в сэндвич-секциях оболочки. Их плотность, толщина и механические характеристики выбираются в соответствии с местным конструктивным решением.

Сердечник также должен соответствовать изогнутой поверхности формы и оставаться стабильным во время инфузии и отверждения смолы.

Сдвиг паутины

Срезные перемычки соединяют две стороны лопасти и помогают передавать сдвиговые нагрузки, сохраняя при этом разделение несущих лонжеронов.

Сэндвич-панели, используемые в сдвиговых полотнах, требуют надежных свойств сдвига, стабильности размеров и хорошего сцепления с ламинатом. Комплекты стержней также должны подходить точно, поскольку зазоры, плохо подогнанные соединения или избыточное скопление смолы могут повлиять как на вес, так и на консистенцию конструкции.

Области переднего и заднего фронта

Материалы сердцевины могут использоваться в отдельных областях передней и задней кромки для стабилизации оболочки и улучшения местной жесткости.

Эти области могут иметь резкие изгибы, узкие участки и сложные переходы. Поэтому гибкость сердцевины, способность к термоформованию, рисунок насечек и точность размеров могут быть столь же важны, как и номинальные механические свойства.

Корневые переходы и переходы с высокой нагрузкой

Основание лопатки содержит толстые ламинаты, вставки, клеевые соединения и элементы передачи нагрузки. Один легкий сорт пенопласта автоматически не подходит для этой области.

Вокруг локализованных нагрузок, соединений и переходов могут потребоваться материалы сердцевины с более высокой плотностью или альтернативные конструктивные решения. Окончательная спецификация должна основываться на структурных расчетах разработчика лопаток.

Пена ПВХ или пена ПЭТ?

ПВХ и ПЭТ используются в качестве сердцевины из конструкционного пенопласта, но они имеют разные характеристики и характеристики обработки. Выбор должен основываться на требованиях каждой секции лопастей, а не только на цене.

Пенопласт ПВХ

Сшитый ПВХ представляет собой конструкционный пенопласт с закрытыми порами, сочетающий в себе малый вес, механические характеристики и надежность обработки.

Типичные преимущества включают в себя:

·  Хорошая прочность на сдвиг и жесткость относительно плотности;

·  Хорошая усталостная устойчивость;

·  Низкое водопоглощение;

·  Хорошая стабильность размеров;

·  Совместимость с распространенными методами обработки композитов;

·  Доступность различной плотности и обработки поверхности;

·  Надежная работа в сложных сэндвич-конструкциях.

Пенопласт ПВХ можно рассматривать там, где важны механическая эффективность, усталостные характеристики и малый вес. Его также можно предпочесть в областях с высокими структурными требованиями, когда выбранная марка обеспечивает требуемые свойства на сдвиг и сжатие.

Однако ПВХ обычно дороже стандартного пенопласта ПЭТ. Поэтому при выборе материала необходимо учитывать, необходимы ли его эксплуатационные преимущества в конкретном месте расположения лезвия.

ПЭТ пенопластовый сердечник

ПЭТ представляет собой термопластичный конструкционный пенопласт, широко используемый в сэндвич-конструкциях лопастей ветряных турбин. Он обеспечивает практический баланс механических характеристик, возможностей обработки, стоимости и устойчивости.

Типичные преимущества включают в себя:

·  Конкурентоспособная стоимость материалов;

·  Хорошие характеристики сжатия и сдвига;

·  Хорошая стабильность размеров;

·  Термоформуемость;

·  Наличие в широком диапазоне плотностей;

·  Совместимость с процессами вакуумной инфузии;

·  Пригодность к вторичной переработке как термопластичный материал;

·  Наличие марок, изготовленных из переработанного ПЭТ.

ПЭТ особенно привлекателен для крупносерийного производства лезвий, где важны экономическая эффективность, постоянство поставок и экологичность.

Однако марки ПЭТ существенно различаются по клеточной структуре, механическим свойствам, термостойкости и впитыванию смолы. Одного слова «ПЭТ» недостаточно. Выбранная марка должна быть проверена на соответствие требованиям к конструкции и обработке лезвия.

Пена ПВХ и пена ПЭТ: практическое сравнение

Данная таблица является лишь общим руководством. Для окончательных сравнений необходимо использовать фактические технические данные при выбранной плотности и условиях испытаний.

Не выбирайте материал активной зоны только по номиналу турбины

Может возникнуть соблазн сказать, что один материал подходит для турбины ниже определенной мощности, а другой следует использовать выше нее. Это слишком упрощенно.

Номинальная мощность турбины не полностью описывает конструктивные требования к ее лопаткам. На выбор также влияют:

·  Длина лезвия;

·  Береговая или морская установка;

·  Скорость ротора;

·  Аэродинамический дизайн;

·  Количество и положение срезных перемычек;

·  Конструкция лонжерона;

·  Геометрия оболочки;

·  Целевой вес лезвия;

·  Проектная жизнь;

·  Факторы безопасности;

·  Процесс настаивания и лечения.

Поэтому для двух лопастей с одинаковой номинальной мощностью могут использоваться разные материалы сердцевины или разные комбинации плотностей.

Чертеж лезвия, схема ламината и технические характеристики всегда должны иметь приоритет над общим правилом, основанным на мощности в мегаваттах.

Как выбрать правильную плотность пены

Плотность пены влияет на вес, прочность на сдвиг, эффективность сжатия и стоимость. Более высокая плотность обычно обеспечивает лучшие механические свойства, но также увеличивает вес лезвия и стоимость материала.

Целью не является выбор самой высокой плотности. Это использование самой низкой плотности, которая безопасно удовлетворяет структурным и технологическим требованиям каждого местоположения.

Учитывайте следующие факторы:

Сдвиговая нагрузка

Сердечник передает сдвиг между слоями ламината. Области, подвергающиеся более высоким нагрузкам сдвига, требуют достаточной прочности на сдвиг и модуля упругости.

Могут иметь значение как статические свойства, так и долговременное усталостное поведение.

Компрессия и местное давление

Сердечник должен противостоять сжатию во время производства и эксплуатации. Местное давление может возникать вокруг элементов инструмента, расходных материалов для вакуума, соединений и нагруженных участков.

Сердцевина с недостаточной компрессионной способностью может деформироваться во время инфузии, отверждения или эксплуатации.

Сопротивление короблению

Толщина сердцевины и жесткость на сдвиг способствуют устойчивости сэндвич-панели к продольному изгибу. Поэтому плотность следует учитывать вместе с толщиной и конструкцией оболочки.

Целевой вес

Использование неоправданно высокой плотности на большой площади лезвия может привести к значительному увеличению веса. Локальная оптимизация обычно лучше, чем применение одного сорта ко всему лезвию.

Условия обработки

Пена должна выдерживать давление вакуума, экзотермию смолы и температуру отверждения без неприемлемой деформации или потери свойств.

В результате одно лезвие может использовать несколько плотностей. Пенопласт низкой плотности можно использовать в местах с меньшими нагрузками, а вставки или переходники более высокой плотности используются там, где сосредоточены нагрузки.

Толщина сердцевины так же важна, как и плотность

Увеличение толщины сердцевины может значительно улучшить жесткость сэндвич-панелей, но более толстый материал не означает автоматически лучшего качества.

Правильная толщина зависит от:

·  Требуемая жесткость панели;

·  Местное сопротивление продольному изгибу;

·  Геометрия лезвия;

·  Толщина ламината кожи;

·  Касательное напряжение в активной зоне;

·  Ограничения по весу;

·  Доступное пространство для пресс-формы;

·  Производственные допуски.

Переходы толщины должны быть постепенными и точными. Плохо спроектированные ступени могут привести к образованию участков, богатых смолой, концентрации напряжений или затруднений во время укладки.

Разработчик лопатки должен указать окончательное распределение толщины. Основной поставщик может затем изготовить листы или комплекты с необходимыми конусами, фасками и переходами.

Обработка поверхности для вакуумной инфузии

Лопасти ветряных турбин обычно изготавливаются методом вакуумной инфузии смолы. Обработка поверхности сердцевины оказывает прямое влияние на текучесть смолы, удаление воздуха, соответствие требованиям и расход смолы.

Перфорированная пена

Перфорация позволяет воздуху и смоле проходить сквозь толщу сердцевины. Диаметр и расстояние между отверстиями следует выбирать в соответствии с конкретной стратегией инфузии.

Слишком малое количество отверстий может ограничить удаление воздуха. Слишком большое количество или слишком большие отверстия могут увеличить расход смолы и вес лезвия.

Рифленая пена

Поверхностные канавки создают каналы для потока смолы. Направление, расстояние и глубина канавок влияют на скорость и однородность инфузии.

Более агрессивный рисунок канавок может улучшить текучесть, но также может удерживать больше смолы. Таким образом, самая быстрая схема инфузии не всегда является решением с наименьшими затратами и весом.

Забитая и срезанная пена

Листы жесткого пенопласта можно разрезать на блоки, прикрепленные к поддерживающей сетке. Это позволяет сердечнику легче повторять формы изогнутых лезвий.

Размеры блоков, ширина разрезов и тип холста влияют на соответствие и поглощение смолы. После инфузии широкие промежутки между блоками могут стать насыщенными смолой.

Термоформованный сердечник

Пенопласт ПЭТ можно подвергать термоформованию, чтобы он соответствовал изогнутым поверхностям лезвий. Предварительно отформованный стержень может уменьшить зазоры и улучшить повторяемость, но процесс формования необходимо контролировать, чтобы избежать неприемлемых изменений толщины или местных свойств.

Поглощение смолы имеет значение

Стоимость основного материала составляет лишь часть стоимости готового лезвия. Смола, впитывающаяся в отверстия, канавки, порезы, открытые ячейки и зазоры, увеличивает вес и стоимость.

Для большой лопасти ветряной турбины даже небольшое увеличение поглощения смолы на квадратный метр может стать значительным по всей площади активной зоны.

На поглощение смолы влияют:

·  Пенистая ячеистая структура;

·  Плотность ядра;

·  Поверхностная пористость;

·  Диаметр и расстояние между отверстиями;

·  Ширина и глубина канавок;

·  Схема подсчета очков;

·  Зазоры между деталями комплекта;

·  Строительство сеток;

·  Вязкость смолы;

·  Уровень вакуума;

·  Температура инфузии.

Выбранная конфигурация сердцевины должна обеспечивать достаточный поток смолы без создания ненужных смоляных каналов. Пробные панели полезны для сравнения времени настаивания, смачивания, расхода смолы и качества готовой панели.

Стабильность температуры и размеров

Сердцевина должна оставаться стабильной на протяжении всего периода хранения, раскладки, настаивания и отверждения.

К важным факторам, связанным с температурой, относятся:

·  Максимальная температура формы;

·  экзотермия смолы;

·  Продолжительность лечения;

·  Требования к пост-отверждению;

·  Распределение температуры по толстым участкам ламината;

·  Размягчение или искажение ядра;

·  Восстановление размеров после охлаждения.

Температуру, указанную в технических характеристиках, не следует использовать без понимания того, как она была определена. Максимальная кратковременная температура, температура непрерывной эксплуатации и температура теплового искажения не являются взаимозаменяемыми.

При выборе марки пены клиенты должны предоставить полный цикл отверждения.

Усталостная производительность

Лопасти ветряных турбин испытывают повторяющиеся циклические нагрузки. Материал, выдержавший кратковременное статическое испытание, не обязательно может обеспечить требуемые долговременные усталостные характеристики.

Когда усталость является движущей силой конструкции, оценка может включать:

·  Поведение при сдвиговой усталости;

·  Компрессионная усталость;

·  Прочность соединения кожи с сердцевиной;

·  Сохранение имущества после воздействия окружающей среды;

·  Выполнение стыков и переходов;

·  Вариативность между производственными партиями.

Сердечник должен быть квалифицирован как часть полной сэндвич-системы с использованием предполагаемых обшивок, смолы, клея и производственного процесса.

Точность размеров и комплектация сердечника

Для больших лопастей материалы сердцевины часто поставляются в виде комплектов, обработанных на станках с ЧПУ, а не в виде стандартных прямоугольных листов.

Хорошо разработанный базовый комплект может обеспечить:

·  Точная посадка внутри формы;

·  Правильные переходы толщины;

·  Уменьшение ручной обрезки;

·  Более быстрая укладка;

·  Последовательные промежутки между частями;

·  Снижение риска ошибок при установке;

·  Лучшая повторяемость производства;

·  Идентификация каждой части комплекта.

Типичные варианты обработки включают в себя:

·  резка с ЧПУ;

·  Снятие фасок;

·  Сужение;

·  Канавка;

·  Перфорация;

·  Подсчет очков;

·  Приложение Scrim;

·  Термоформование;

·  Маркировка деталей;

·  Определение последовательности и упаковка комплектов.

Сами по себе свойства материала не определяют общую ценность базовой системы. Точность обработки, дизайн комплекта, надежность упаковки и доставки могут оказать большое влияние на эффективность производства лезвий.

Практический процесс выбора основного материала

Структурированный процесс выбора помогает избежать выбора материала только на основе плотности или цены.

Шаг 1. Определите расположение лезвия

Определите, предназначен ли сердечник для панели оболочки, стенки, работающей на сдвиг, передней кромки, задней кромки или локализованного перехода.

Шаг 2: Определите структурные требования

Подтвердите требуемую прочность на сдвиг, модуль сдвига, свойства сжатия, усталостные характеристики, толщину и допустимый вес.

Шаг 3: Определите условия обработки

Укажите систему смолы, метод инфузии, уровень вакуума, температуру отверждения, продолжительность отверждения и ожидаемую экзотерму.

Шаг 4. Сравните сорта ПВХ и ПЭТ

Сравните свойства при эквивалентной плотности и в сопоставимых условиях испытаний. Не сравнивайте только описания семейств продуктов.

Шаг 5: Выберите обработку поверхности

Выбирайте перфорацию, канавки, надрезы или термоформование в зависимости от требований к геометрии и текучести смолы.

Шаг 6: Оцените расход смолы

Измерьте влияние выбранной обработки поверхности и соединений на вес готовой панели.

Шаг 7. Подтвердите требования к комплекту

Предоставьте чертежи, допуски, идентификацию деталей, последовательность упаковки и ожидаемый годовой объем.

Шаг 8. Проверка всей сэндвич-системы

Изготовьте представительные пробные панели и протестируйте весь ламинат перед окончательным утверждением.

Информация, которую необходимо предоставить вашему поставщику основного материала

Для получения точных рекомендаций производители лезвий должны предоставить:

·  Основная область применения;

·  Требуемый тип материала;

·  Целевая плотность;

·  Толщина сердцевины;

·  Размеры листа или комплекта;

·  Требования к механическим свойствам;

·  Система смолы;

·  Инфузионный метод;

·  Цикл лечения;

·  Обработка поверхности;

·  Требуемые допуски;

·  Расчетное годовое количество;

·  Требования к тестированию и документации.

Если конструкция лопатки конфиденциальна, клиент может предоставить минимальные соответствующие требования к обработке и производительности, не раскрывая полную конструкцию конструкции.

Заключительная рекомендация

Пенопласт ПВХ и ПЭТ могут стать эффективными структурными решениями для лопастей ветряных турбин, но их не следует рассматривать как взаимозаменяемые материалы.

Пенопласт ПВХ часто рассматривают там, где особенно важны высокая структурная эффективность, усталостная прочность и малый вес. Пенопласт ПЭТ предлагает надежное сочетание механических характеристик, экономической эффективности, способности к термоформованию и устойчивости для крупносерийного производства лезвий.

Окончательный выбор должен основываться на конкретном расположении лезвия, структурных расчетах, плотности, толщине, температуре обработки, поглощении смолы и обработке поверхности. Во многих случаях лучшая конструкция лезвия может использовать разные марки сердечника в разных областях, а не полагаться на один материал во всем.

JLON поставляет ПВХ и Наполнители из пенопласта ПЭТ различной плотности, толщины и форматов обработки для производства лопастей ветряных турбин. Доступные варианты обработки включают нарезание канавок, перфорацию, надрезку, нанесение сетки, снятие фасок, обработку на станке с ЧПУ и индивидуальные наборы стержней.

Свяжитесь с JLON и сообщите о применении лезвия, необходимой плотности, толщине, температуре отверждения и чертежах. Наша команда поможет определить подходящий основной материал и конфигурацию обработки для оценки.