叶片模具制造
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风电基础知识培训风机叶片结构风电作为一种清洁能源,近年来迅猛发展。
而风机叶片作为风力发电的核心组成部分之一,其结构设计和材料选择直接关系到风机的性能和寿命。
本文将介绍风机叶片的结构和相关知识。
一、风机叶片的概述风机叶片是将风能转化为机械能的重要部件,其主要作用是捕捉风能,并将风能转化为旋转能量,驱动发电机发电。
叶片的设计和制造直接影响了风机的效率和稳定性。
二、风机叶片的构造1. 叶片型号风机叶片通常采用空气动力学原理设计,常见的叶片型号有直线型、扭曲型、三维型等。
在选择叶片型号时,需要考虑风机所处的环境、风力特点以及预期的发电效率。
2. 叶片材料常见的叶片材料有玻璃钢和碳纤维复合材料。
玻璃钢叶片具有成本低、易加工等优点,但其强度和刚度相对较低;碳纤维复合材料叶片具有优良的机械性能,但成本较高。
选择合适的叶片材料需要综合考虑经济性和可靠性。
3. 叶片结构叶片一般由根部、腹板、翼尖和翼面等部分组成。
根部是叶片与风机轴连接的部位,需要具备足够的强度和刚度。
腹板是叶片最宽的部分,承担风压的主要作用。
翼尖则是叶片的末端部位,其形状和角度对风机的性能有直接影响。
叶片的翼面则通过空气动力学原理,利用不同的曲率和厚度分布实现对风能的捕捉和转化。
三、风机叶片的设计原则1. 力学强度风机叶片需要经受来自风力的巨大压力和外力的作用,因此在叶片设计过程中,需要考虑强度和刚度,以确保叶片能够承受外界的力量而不发生破坏。
2. 空气动力性能叶片的空气动力性能直接关系到风机发电效率。
在叶片设计过程中,需要采用合理的空气动力学曲线,以最大程度地捕捉和利用风能。
3. 质量和成本在选择叶片材料和结构设计时,需要兼顾质量和成本的平衡。
选择合适的材料和合理的结构设计,既可以确保叶片的强度和刚度,又可以降低生产成本。
四、风机叶片的制造工艺1. 叶片模具制造叶片模具是制造风机叶片的关键步骤之一。
叶片模具需要经过精确的设计和制造,以确保叶片的尺寸和形状符合设计要求。
螺旋叶片,也叫无轴螺旋叶片或连续冷轧螺旋叶片,实用各种输送设备,如绞龙或搅龙,各种螺旋输送设备。
那么它的叶片是怎么加工的呢?
一、模具压制。
也属于铸造的一种,将要制作的螺旋叶片,做一个模型,然后选好材料进行浇筑,最后得到绞龙成品。
这种方法制作成本好,且只适合于大批量的制作,因此,这种方法应用不是很普遍。
二、液压拉伸法。
将计算好的尺寸,用钢板下料,得到一个圆环,然后在圆环上切割出一道缝,用事先做好的夹具加紧圆环的两个边,启动液压缸,使圆环的两边上下分离。
拉到一定程度,用尺寸测量绞龙叶片的螺距,测量的螺距要大于实际的螺距,因为,液压缸松开之后,钢板会有一定的收缩。
得到正确的螺距后,就得出所需的绞龙叶片。
这种方法使用较广泛,无需模具,加工速度较快,如今还广泛的使用着。
三、挤压法。
这种方法类似于模具压制,属于改进型的压制法,做绞龙之前,
需要做一套尺寸和成品一样的模具。
模具分为两个,形状和尺寸一样,分别安置于压力机的上下部,然后将下好料的圆环放置于模具上,启动压力机,使上下模具压在一起,钢板随之变形,形成螺旋状。
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大曲率弯扭叶片涡轮产品注射模具设计关键技术的研究大曲率弯扭叶片是现代航空发动机中的关键部件之一,其性能直接影响到发动机的推力和效率。
随着航空工业的快速发展,对大曲率弯扭叶片的制造精度和生产效率提出了更高的要求。
因此,研究大曲率弯扭叶片涡轮产品注射模具设计的关键技术具有重要的实际意义。
1. 引言大曲率弯扭叶片因其复杂的几何形状和高精度要求,在制造过程中面临诸多挑战。
传统的制造方法不仅成本高昂,而且生产效率低下。
随着注射成型技术的发展,采用注射模具制造叶片成为可能,这不仅能够提高生产效率,还能保证叶片的制造精度。
2. 大曲率弯扭叶片的设计特点大曲率弯扭叶片的设计需要考虑气流动力学、材料力学性能以及制造工艺等多方面因素。
叶片的形状通常呈现复杂的三维曲面,这要求模具设计必须能够精确反映叶片的几何特征。
此外,叶片的材料通常为高强度合金,这进一步增加了模具设计的难度。
3. 注射模具设计的关键技术注射模具设计是实现大曲率弯扭叶片高效制造的关键环节。
设计过程中需要考虑模具材料的选择、模具结构的优化、冷却系统的布局、注射成型参数的设定等多个方面。
- 3.1 模具材料的选择:模具材料需要具备足够的强度和硬度,以承受高压注射成型过程中的应力。
同时,材料的热导率和热膨胀系数也是设计时需要考虑的因素。
- 3.2 模具结构的优化:模具结构设计需要确保叶片的形状和尺寸精度。
这通常涉及到复杂的几何建模和有限元分析,以优化模具的几何形状和减少成型过程中的变形。
- 3.3 冷却系统的布局:冷却系统对于控制模具温度和缩短成型周期至关重要。
设计时需要确保冷却通道的布局能够均匀地传递冷却介质,以避免叶片在成型过程中产生热应力。
- 3.4 注射成型参数的设定:注射成型参数,如注射压力、注射速度和成型温度,对于叶片的成型质量有着直接的影响。
这些参数需要根据叶片的材料特性和模具设计进行精确调整。
4. 模具设计案例分析通过具体的模具设计案例,可以更直观地展示大曲率弯扭叶片注射模具设计的关键技术。
叶片工艺流程叶片是风力发电机的重要组成部分,其工艺流程对于风力发电机的性能和效率有着重要的影响。
下面将介绍叶片的工艺流程,包括设计、材料选择、制造和测试等环节。
1. 设计阶段叶片的设计是整个工艺流程的第一步,设计阶段需要考虑到叶片的长度、宽度、厚度、扭曲角度等参数。
设计师需要使用专业的软件进行建模和仿真分析,以确保叶片在风力发电机工作时能够承受风力的作用力,并具有良好的动力学性能。
2. 材料选择叶片的材料选择对于叶片的性能和寿命有着重要的影响。
一般来说,叶片采用玻璃纤维增强塑料(GRP)或碳纤维增强塑料(CFRP)等复合材料制成,这些材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点。
在材料选择阶段,需要考虑到叶片的工作环境、成本和可持续性等因素。
3. 制造工艺叶片的制造工艺包括模具制作、预制、成型、固化、修整等环节。
在模具制作阶段,需要根据设计图纸制作叶片的模具,确保叶片的形状和尺寸符合设计要求。
在预制和成型阶段,需要将玻璃纤维布或碳纤维布与树脂进行层叠和成型,形成叶片的外形。
固化阶段是将叶片放入烤箱或采用其他固化方法,使树脂能够充分固化。
最后,在修整环节,需要对叶片进行修整和打磨,确保叶片表面光滑,没有气泡和裂纹。
4. 测试阶段叶片制造完成后,需要进行一系列的测试,以确保叶片的质量和性能。
测试项目包括静态弯曲试验、动态弯曲试验、冲击试验、疲劳试验等。
这些测试可以帮助制造商评估叶片的强度、刚度、耐久性等性能指标,确保叶片在风力发电机工作时能够安全可靠。
总之,叶片的工艺流程包括设计、材料选择、制造和测试等环节,每个环节都需要严格控制,以确保叶片具有良好的性能和质量。
只有这样,风力发电机才能发挥最大的效率,为清洁能源的发展做出贡献。
风电叶片阴模的设计与制作技术关键字:风电叶片,设计,制作,技术风电叶片阴模的设计与制作技术本文为Word文档,感谢你的关注!摘要:随着叶片向大兆瓦级以及海机的发展,对叶片的质量要求也越来越高,但是叶片的质量很大程度上依赖于模具的质量,模具质量的好坏以及模具型面精度直接影响叶片的质量,本文对大型风机叶片模具设计和制作工艺进行了经验介绍,对玻璃钢模具工程应用具有指导意义。
关键词:玻璃钢,模具,设计,制作随着风电市场的发展,对风机叶片的生产提出了更高的尺寸精度及质量要求,特别是海上风机叶片的发展。
而风机叶片的质量很大程度上依赖于生产叶片所用的模具,这就对生产叶片的阴模模具提出了更高的质量要求,即要求表面气动外形尺寸准确、表面光洁度要求高、无潜藏气泡和针孔等弊病,保证良好的气密性。
1 叶片模具的结构形式叶片模具主要有钢结构部分与复合材料两部分构成。
1.1 钢结构的设计钢结构材料的选型,对于叶片模具来说,由于是不规则结构,设计时一般采用桁架结构,钢材选用一般考虑到强度,稳定性以及应变,首选无缝冷拔结构钢,一般采用60*60*3,80*80*4或者100*100*5的方管做整体的骨架,并在液压翻转的局部地方采用局部加强。
按照叶片的形状,绘制出叶片的外轮廓框架,在从叶片翼型标定的L0m开始,沿叶片的长度方向,每隔2m做一个截面,并将钢架的中心定位线标记好,以便后续安装使用,钢架是型面复合材料层提供主要的受力件,运用软件绘制三维钢架模型图画以后,运用有限元分析软件(ANSYS)分析钢架在各种工况下的静强度以及模态,确定钢架的安全系数。
在实体模型的基础上首先建立钢结构的有限元模型,划分有限元网格,将叶片的重量加上符合材料层的重量,在加上钢架整个的总重量,作为自重载荷作用在整个钢结构上,钢结构的翻转机构采用全约束形式,即采用限制六个自由度,进行求解。
并评价计算结果,分析查看钢结构的稳定性。
钢结构应变云图1.2 复合材料层的结构设计与制作复合材料层主要有下面几个主要层构成:1)密封层,密封层可以分成内胶衣层,外胶衣层以及过渡层构成,外胶衣层的主要材料为环氧性、耐高温、耐磨胶衣构成,待胶衣不粘手时开始制作内胶衣层;内层胶衣主要有类同于外胶衣层性能,待胶衣不粘手时开始制作过渡层;过渡层包括依次铺设的表面毡层、斜纹编织布层和双轴布层,第2密封层的外胶衣层设在第1密封层的过渡层的上部。
浅谈风电叶片的特点及制造工艺风力发电是目前广泛应用的清洁能源之一,而风电叶片作为风力发电机的关键部件,其特点和制造工艺直接影响着整个风电系统的性能和效率。
本文将从风电叶片的特点和制造工艺两个方面展开详细的讨论。
一、风电叶片的特点1. 复杂的外形结构风电叶片通常呈扇形状,具有较大的曲率和扭转角度,外形结构复杂,同时要求叶片表面光滑,气动特性优越。
这种复杂的外形结构对叶片的制造工艺和材料性能提出了较高的要求。
2. 极端的工作环境风电叶片长期在高海拔、高温、高湿、酸碱等恶劣环境中工作,受到风载荷的长期影响,因此需要具备良好的耐候性、抗腐蚀性和抗老化性能。
3. 轻量化和强度性能为了提高风电机组的能量转换效率、降低成本、减小对支撑结构的负载,风电叶片需要在保证强度的前提下尽可能轻量化,而轻量化又需要保证叶片的强度和刚性性能,这对材料的选用和制造工艺提出了更高的要求。
4. 大尺寸和长寿命叶片作为风力发电机的主要部件之一,其尺寸大、寿命长,一般要求至少20年以上的使用寿命,因此需要具备较高的耐久性和可靠性。
二、风电叶片的制造工艺1. 材料选择风电叶片的制造材料一般为复合材料,如玻璃纤维增强塑料(GFRP)、碳纤维增强塑料(CFRP)等,这些材料具有良好的抗拉强度、抗冲击性和耐腐蚀性能,能够满足叶片在恶劣环境下的使用要求。
碳纤维具有较高的比强度和比刚度,能够有效提高叶片的载荷承受能力,但成本较高。
2. 叶片设计叶片的设计是风电叶片制造的关键步骤,设计不仅要考虑叶片的气动性能,还要考虑到叶片的结构强度、刚度和耐久性。
目前采用先进的计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助工程(CAE)技术,能够对叶片的外形、内部结构和材料布局进行全面的优化。
3. 模具制造风电叶片通常是通过模压工艺来制造的,因此模具的设计和制造对于叶片的成型质量和生产效率至关重要。
模具制造一般采用数控机床进行精密加工,保证叶片的复杂外形结构和表面光滑度。
航空发动机叶片的生产制造技术航空发动机叶片是航空发动机的重要组成部分,它在整个发动机运行过程中承受着极高的温度、压力和振动等力载荷。
因此,航空发动机叶片的生产制造技术对航空发动机的性能、可靠性和寿命都有着重要影响。
在这篇文章中,我们将详细介绍航空发动机叶片的生产制造技术。
1.材料选择与预处理在进行叶片制造之前,需要对材料进行预处理,以去除杂质、提高材料的均匀性和晶粒细化。
预处理方法包括热处理、化学处理和表面处理等。
2.叶片造型与设计叶片的造型与设计是叶片制造的关键环节。
叶片的形状、结构和轮毂之间的连接方式直接影响着叶片的性能和寿命。
通常情况下,叶片的内部结构是由空腔、腔板和护腔等组成的。
这些结构可以提高叶片的强度和刚度,在高速旋转过程中减小振动和压力损失。
叶片的形状通常采用空气动力学原理和结构力学原理进行设计,以提高发动机的效率和推力。
同时,还需要考虑到叶片的制造可行性和工艺性,确保叶片可以顺利制造出来。
3.叶片制造工艺铸造是叶片制造的主要工艺,通常采用真空熔模铸造或单晶铸造等方法。
真空熔模铸造是指将预熔的合金材料注入到陶瓷模具中,然后进行冷却凝固,最后得到具有复杂形状和精密尺寸的叶片。
单晶铸造则是通过在模具中形成单一晶体结构,去除晶界和晶粒边界,提高叶片的高温性能和抗腐蚀性能。
锻造是叶片制造的另一种常见工艺,通过对金属材料进行加热和塑性变形,使其达到所需的形状和尺寸。
复合材料制造是使用纤维增强树脂基体材料制造叶片的工艺。
这种工艺具有良好的抗腐蚀性和高温性能,适用于制造大型和复杂形状的叶片。
机加工是对叶片进行最后加工和整形的工艺。
这包括数控机床加工、电火花加工、冲压和磨削等方法,以保证叶片的几何尺寸和表面质量。
热处理是对叶片进行热处理,以改善材料的组织结构和性能。
常见的热处理方法包括固溶处理、时效处理和表面处理等。
4.质量控制与检测质量控制主要通过严格的制造工艺和生产流程来实现,确保叶片的尺寸和形状的精确性。
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一种扭曲叶片的成型方法
一种扭曲叶片的成型方法可以是通过引入扭曲模具来形成叶片的扭曲效果。
以下是一种可能的步骤:
1. 设计扭曲模具:根据叶片的设计要求,创建一个具有所需扭曲形状的模具。
模具的形状可以根据具体需求来设计,考虑到叶片的形状、尺寸和材料等因素。
2. 加工模具:使用合适的加工方法,如数控铣床、电火花加工等,将扭曲模具制作出来。
确保模具的表面光滑且符合所需的形状。
3. 准备材料:选择合适的叶片材料,如金属或复合材料,根据设计要求切割或裁剪成适当大小的板材或者原料坯料。
4. 放置材料:将材料放置在扭曲模具上,确保材料与模具表面接触紧密,以便于精确形成扭曲形状。
5. 加热材料:根据材料性质,使用适当的加热方式,如热压、热压造型等,将材料加热至足够的温度使其变得柔软和可塑性。
6. 扭曲材料:通过适当的工具或力量,如机械力或液压压力等,将材料按照模具的形状进行扭曲。
可以根据需要进行多次扭曲,直到达到所需的扭曲效果。
7. 冷却材料:待材料保持在扭曲形状时进行冷却,使其恢复到固态并保持所需的形状。
8. 分离和修整:将扭曲叶片从模具上取出,并根据需要进行修整和修饰,如去除边缘毛刺、打磨表面等。
9. 检验和测试:对成型的扭曲叶片进行质量检验和测试,以确保其满足设计要求。
需要注意的是,这只是一种可能的扭曲叶片成型方法,具体步骤可能会因材料、形状和制造工艺的不同而有所差异。
在实际应用中,还需根据具体要求和条件进行方案设计和实验验证。
18玻璃钢2008年第4期译文为大型风力机叶片提供模具王强华译王金海校(上海玻璃钢研究院有限公司,上海201404)摘要怀特岛上的一家公司,集中了英国在复合材料和可再生能源领域内领先的一些专业技术,它向《增强塑料》提交了一份有关当今制造大型风力机叶片模具的综述。
“在当前制造的最大增强塑料产品中,大型叶片可以说确实非常大,”Matthew Chalk 断言道,他是怀特岛Solent 复合材料系统公司的运营董事。
“我们制造30米到45米长的模具,并且最近已经询问了关于55米叶片的模具。
”40米叶片的一整套模具重约16-18吨。
这个重量的四分之一是由复合材料构成,剩下的是硬质钢制成的支撑框架。
通常叶片模具很少做300到400套叶片,因为和新叶片模型相比,它们会显得过时,必须使用新的模具替换。
这些事实都表明叶片模具本身形成了一个重要的复合材料市场领域。
复合材料已能应对制造大翼型的挑战。
金属模具仍被一些小叶片制造商使用,对于目前流行的兆瓦级叶片,通常认为它们太笨重。
复合材料更轻,热惰性和热膨胀系数低,和叶片材料天然匹配。
而金属不同,它的不匹配性会在模内热循环中产生困难。
增强塑料模具可以做成任何要求的形状,不会有材料浪费。
虽然它们比金属模具在耐久性上略为逊色,但是由于叶片发展快,淘汰也快,这使得在耐久性问题上的考虑并不紧迫。
材料技术已发展,和叶片制造商偏爱采用树脂灌注制造工艺相符合。
既然有可能用复合材料模具来获得一种光滑均匀的模具表面,同时带高真空系统,那么真空灌注工艺很快就被选择用于叶片的规模化生产。
图1在主模具一边用铰链连接,并打开模具一瓣Solent复合材料系统(SCS)公司最初是SP系统公司(现在叫Gurit)的一个部门,1996年以离岸复合材料结构公司独立出来,2004年3月成为SCS。
它在2000年制造了第一个叶片模具,用于生产23米叶片。
公司曾和NEG Micon有过接触,后来被V estas获得,因为它具有为离岸石油天然气领域制造复合材料和钢质产品的背景。
风电叶片合模工艺流程The process of manufacturing wind turbine blades involves several important steps to ensure the quality and efficiency of the final product. 风力发电叶片的制造过程涉及多个重要步骤,以确保最终产品的质量和效率。
One of the key aspects of this process is the mold making stage, where the design and creation of the blade mold is crucial to achieving the desired shape and size. 这个过程的一个关键方面是模具制作阶段,其中叶片模具的设计和制作对于实现所期望的形状和尺寸至关重要。
In order to create a high-quality mold for wind turbine blades, advanced techniques and materials are often required. 为了为风力发电叶片制造高质量的模具,通常需要采用先进的技术和材料。
The process typically starts with the design of the blade mold using computer-aided design (CAD) software, which allows for precise measurements and adjustments to be made. 该过程通常以使用计算机辅助设计(CAD)软件设计叶片模具开始,这使得可以进行精确的测量和调整。
Once the design is finalized, the mold can be created using various techniques such as CNC machining or 3D printing. 设计确定后,可以使用各种技术,如数控加工或3D打印,制作模具。
叶片的设计与制造叶片的重量完全取决于其结构形式,目前生产的叶片,多为轻型叶片,承载好而且很可靠。
轻型结构叶片的优缺点如下:优点:1)在变距时驱动质量小,在很小的叶片机构动力下产生很高的调节速度2)减少风力发电机组总质量3)风轮的机械刹车力矩很小4)周期振动弯矩由于自重自重减轻而减小5)减少了材料成本6)运费减少7)便于安装缺点:1)要求叶片结构必须可靠,制造费用高2)所用材料成本高3)风轮推力小,风轮在阵风时反映敏感,因此,要求功率调节也要快4)材料特性以载荷计算必须很准确,以免超载。
目前叶片多数为玻璃纤维增强复合材料(GRP)基本材料为聚酯树脂或环氧树脂。
环氧树脂比聚酯树脂强度高,材料疲劳特性好,且收缩变形小。
聚酯树脂材料比较便宜,他在固化时收缩大,在叶片的连接处可能存在潜在的危险,即由于收缩变形在金属材料和玻璃钢之间可能产生裂纹。
水平轴风轮叶片一般近似是梯形的,由于它的曲面外形复杂,仅外表面结构就需要很高的制造费用。
使用复合材料可以改变这种情况,只是在模具制造工艺上要求高些,叶片的模具由叶片上、下表面的反切面样板成型,在模具中由手工成型复合材料叶片。
叶片设计有很多规范可供参考和选用1.极限变形由于复合材料的优良特性大型风力发电机组风轮叶片的设计首先考虑叶片的刚度是否满足使用要求,然后进行强度校核。
因此叶片的极限变形极为重要。
1)避免机组运行过程中与塔架碰撞,要设计叶片在最大设计风速时的极限变形。
2)在叶片变距时,应考虑气弹载荷对变形的影响。
2.固有频率1)叶片在挥舞、摆振和扭转方向上的固有频率,应避开转速激振频率。
2)在计算叶片的固有频率时,应考虑轮毂的刚性。
3)在叶片运行时由于离心力场的作用,其固有频率会提高。
3.叶片轴线位置重心、刚性中心和轴中心位置,在变桨距风力发电机组中应尽可能靠近叶片变距轴线(一般在1/4弦长的位置),会增加叶片气弹稳定性。
4.积水在叶片内部可能会产生冷凝水,其他水分也可能通过适当的位置进入叶片内部,为了避免这些水对叶片造成危害,必须把叶片内部的水排除;可以在叶尖部位打一个小孔,另一个小孔在叶根颈部,使叶片内部有一个很好的通风渠道。
航空发动机中叶片的一般工艺流程航空发动机的叶片是发动机中的重要部件,它直接影响着飞机的性能和安全。
因此,叶片的制造工艺非常重要,需要经过严格的流程来保证叶片的质量和性能。
下面就来详细介绍航空发动机中叶片的一般工艺流程。
第一步,设计与建模叶片的制造首先需要经过设计与建模的阶段。
在这一阶段,工程师们会根据发动机的设计参数和性能要求,利用CAD软件进行叶片的三维模型设计。
在设计完成后,还需要进行有限元分析,确保叶片在飞行时能够承受各种外部力和温度变化。
这个阶段的工作需要高度的技术水平和经验积累,以确保叶片的设计能够满足各种工作条件下的要求。
第二步,材料选取与准备叶片的制造材料通常使用高温合金,这种材料具有良好的耐高温性能和高强度,非常适合用于发动机叶片的制造。
在这一阶段,制造厂家需要根据设计要求和材料特性选择合适的高温合金材料,并进行原材料的采购和准备工作。
由于高温合金材料的成本较高,制造厂家需要确保原材料的质量和规格符合要求。
第三步,精密铸造叶片的制造通常采用精密铸造的工艺。
在这一阶段,制造厂家将选取好的高温合金材料进行加热熔融,然后通过精密铸造工艺将熔融金属注入到预先制作好的叶片模具中。
精密铸造能够保证叶片的内部结构和外部形状的精度,确保叶片在空气动力学性能和稳定性上具有较好的表现。
第四步,热处理与表面处理在精密铸造完成后,叶片还需要经过热处理和表面处理的工艺。
热处理能够调整叶片的微观组织和提高其强度和硬度,以确保在高温和高速飞行状态下仍能保持稳定的性能。
同时,叶片的表面还需要进行特殊的涂层处理,以提高其抗氧化和抗腐蚀能力,延长叶片的使用寿命。
第五步,精密加工与组装在经过热处理和表面处理后,叶片还需要进行精密加工工艺。
这一阶段主要包括CNC加工、抛光和平衡等工序,以确保叶片的精度和平衡性。
同时,叶片还需要与其他部件进行组装,形成完整的叶片装配组件。
第六步,质量检测与试验叶片的制造流程完成后,还需要经过严格的质量检测与试验。
风力发电机叶片模具制造
作者:李良君
单位:天津轻工职业技术学院
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,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
1、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。
我国风力发电在八十年代开始发展,2003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。
2、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,模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,在其上翻制模具。
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
1、概念
叶片模具通常指的是阴模,阴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。
2、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。
3、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,主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、喷聚氨酯保温材料、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2所示。
图2 模具切面示意图
1 定位系统
2 夹紧/顶起系统
3 钢架
4 模具胶衣
5 FRP层
6 加热层
7 FRP层
8 木夹芯层
9 FRP层
4、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。