翼型葉片的粘結 zund G3 L-3200-車輛圖形台中切割加工－胡揚劭焦點新聞熱搜

英國新星（NOVA）項目團隊已經實現了用于10MW雙臂垂直風力發電概念系統的一個重要里程碑――成功建造用于該系統的50kW葉片原型。這款商用的10MW海上渦輪風力發電機擁有兩條160m的長臂，用來支撐兩個80m的長V形翼型葉片。一旦建成，它將是上重的復合材料結構，約為160t。

新星（NOVA）是獲英國能源技術研究所（ETI）和工程與科學研究委員會（EPSRC）支持的一個為期兩年的可再生能源可行性研究項目。項目資金來源于歐洲地區發展基金（ERDF）。該項目成立的目的是研究按當前設計和規模制造垂直風力發電機系統（VAWT）的經濟可行性和技術可行性。

這臺50kW的葉片原型由克蘭菲爾德大學（Cranfield University）的復合材料中心負責制造，一些關鍵材料供應商對其設計和制造提供了部分支持。Scott Bader公司就是其中之一，其Crystic®Crestomer®1152 PA聚氨酯丙烯酸酯結構膠粘劑被指定用于連接兩個10m×1.9m的翼型葉片中的多個碳纖維和玻璃纖維環氧復合材料部件。

為了更加實用，計劃大規模生產的海上風力渦輪機要求翼型葉片達到至少穩定運行20年而無需維護的質量標準。正因如此，結構的設計和長期保持良好性能的材料的選擇是該項目成功的關鍵。借助初開發的一臺按比例縮小，嵌有結構張力和壓力監測設備的50kW葉片原型，新星項目團隊能夠對當前結構設計在使用中的工程性能和空氣動力特性有所了解，并能充分測試海上作業環境中所選復合材料的性能。

葉片原型的加工幫助團隊解決了在較小規模上任何在施工工藝方面的挑戰，包括如何以較高的成本效益來制造和裝配復合材料部件。這些收獲也同樣適用于實際尺寸葉片的制造，以確保其經濟可行性和商業可行性。整個渦輪機組在設計和制造方面確保了佳的結構可靠性，以滿足其20年使用壽命期間內“免維修”的關鍵標準。兩個葉片原型均為10m長、1.9m寬，中段部分的大厚度為180mm。

葉片所采取的結構與大型商用飛機的機翼類似，有一個中央箱體部分，采用逐漸變厚的蒙皮設計，此外還有兩個C形的翼梁和肋骨、“Ω”形的帽桁條以提供抗屈曲強度（圖1）。葉片中央箱體部件由多軸向碳纖維織物和環氧樹脂采用真空灌注成型工藝制成。中央箱體部分添加了玻璃纖維增強的前緣和后緣部件。

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按比例放大的10MW風機葉片長為80米，因此在整個葉片的設計過程中，找到減輕重量的方法至關重要。而對葉片原型而言，由于使用了大量的結構膠接劑，葉片的重量得到了顯著的降低，與葉片截面和機械組件采取鉚接的方式相比，該方法還有利于更好地降低整體制造成本。

采用碳纖維/環氧樹脂制成的肋骨、翼梁及箱體蒙皮通過Scott Bader公司的Crystic Crestomer 1152 PA膠粘劑連接在一起。通過玻璃纖維/環氧樹脂復合材料制成的前緣和后緣組件則膠接在葉片的中央箱體上。所有的連接部分都采用簡單的榫接設計并加上墊板，以方便快速裝配，這樣可以采用少的夾具并保證連接區域光滑平順（圖2）。

對于兩個輕質葉片而言，不論制造還是長期的海上使用，膠粘劑都是一個至關重要的因素，因此克蘭菲爾德大學復合材料中心針對該需求對一系列可選的膠粘劑進行了評估。

克蘭菲爾德大學復合材料中心的新星項目主管Andrew Mills說，“葉片結構的設計和規模意味著其存在大范圍的連接表面和較寬的粘合線。因此，全固化結構膠粘劑必須具有長期可靠的粘結性能，而且要達到一些關鍵的要求。這些要求包括間隙填充、很好的耐剝離性，同時還要十分牢固、不易斷裂并具有非常高的彎曲強度。”

克蘭菲爾德團隊針對厚度范圍為2-30mm的粘合線進行了粘合性能比較測試。獲得的測試結果表明，在碳纖維和玻璃纖維環氧層壓基板連接方面，性能好的膠粘劑是Crystic Crestomer 1152 PA。該結果與Crestomer膠粘劑長期粘結性能相符，這早已在長達30年諸多苛刻的船舶復合材料應用中得到論證，比如甲板、船體縱梁和艙壁等船體部件，并因其在多種船體復合材料中的應用而得到了勞氏和RINA兩家船級社的認證。

對10m長葉片原型而言，每個部件和模具在設計時都包含了榫接部分、折疊的裝配位置和1mm粘結墊片。這種方式提供了準確的裝配尺寸，而無需使用復雜的裝配夾具。作為裝配過程的一部分，為了確保接縫的準確性，在無膠定位后，再對每一部分進行鉆孔，在涂完膠之后用定位栓或鉚釘穿過這些孔將部件固定在一起。所有的粘結點都會在便攜式發泡板烤箱內50°C溫度下再固化24小時，隨后在接縫間隙里補上填料，并用砂光機進行打磨，除去組件的接縫痕跡。

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