風(fēng)力發(fā)電機機艙罩、輪轂罩的行業(yè)現(xiàn)狀分析

本文對風(fēng)力發(fā)電機機艙罩、輪轂罩的行業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對于目前應(yīng)用在機艙罩、輪轂罩的主流復(fù)合材料成型工藝進(jìn)行了介紹，同時在主流復(fù)合材料成型工藝過程中進(jìn)行了不斷的研究、優(yōu)化和改進(jìn)，總結(jié)形成了一些新經(jīng)驗、新技術(shù)進(jìn)行分享。

1.引言

風(fēng)力發(fā)電機機艙罩、輪轂罩是大型風(fēng)力發(fā)電機組的外殼防護(hù)結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，風(fēng)電機組機艙罩、輪轂罩作為風(fēng)力發(fā)電機組的重要部件，覆蓋風(fēng)力發(fā)電機組內(nèi)部的設(shè)備和電氣組件，使得風(fēng)力發(fā)電機組能夠在惡劣的氣象環(huán)境中正常工作，保護(hù)內(nèi)部設(shè)備和人員不受風(fēng)、雪、雨、鹽霧、紫外線輻射等外部環(huán)境因素的侵害。

圖1 風(fēng)電機艙罩及輪轂罩

由于機艙罩、輪轂罩長期遭受自然界及外界環(huán)境的侵襲，故對其強度和剛度的要求比較高，同時要有耐候性、抗腐蝕性、抗溫差性、抗老化性、抗疲勞性、抗紫外線輻射等性能，除此之外，考慮到整個風(fēng)電機組的承重，要求機艙罩重量輕、強度高、承載能力大。因此，能夠滿足上述要求的新型復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機組機艙罩、輪轂罩上的應(yīng)用開始得到廣泛的關(guān)注。

2.行業(yè)現(xiàn)狀分析

由于機艙罩、輪轂罩生產(chǎn)技術(shù)工藝相對透明，所以國內(nèi)機艙罩、輪轂罩行業(yè)競爭比較充分，較有規(guī)模的生產(chǎn)廠家在30家左右，境內(nèi)的外資風(fēng)電整機生產(chǎn)企業(yè)也全都在國內(nèi)采購相關(guān)產(chǎn)品，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)普遍認(rèn)可了國內(nèi)品牌的技術(shù)能力和質(zhì)量水平。

目前國內(nèi)機艙罩、輪轂罩廠家大致分為三個梯隊，第一梯隊以格瑞德、株丕特、山東雙一等為代表，技術(shù)能力強、質(zhì)量管控標(biāo)準(zhǔn)高、產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)異;第二梯隊以天津優(yōu)利康達(dá)等為代表，產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格，產(chǎn)品品質(zhì)比較優(yōu)異，市場占有份額較高;第三梯隊由一些客戶源比較單一，年出貨量比較少的其他廠家組成。由于近些年風(fēng)力發(fā)電裝機進(jìn)入低速增長階段，風(fēng)電行業(yè)整體利潤率持續(xù)下降，作為配套產(chǎn)業(yè)的機艙罩制造也受到較大影響，第一梯隊廠家產(chǎn)品價格相較于其他廠家偏高，但憑借其過硬的技術(shù)實力和嚴(yán)苛的質(zhì)量管理，獲得了更多高端客戶的認(rèn)可，訂單來源較廣，年出貨量比較有保障;而第二梯隊廠家在保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上對工廠的整體投入熱情不高，采用降價策略以爭取更多的訂單;第三梯隊廠家則緊守固有客戶，開發(fā)新客戶和擴大再生產(chǎn)動力不足，由于訂單不穩(wěn)定，很難保證熟練工人隊伍的穩(wěn)定和持續(xù)生產(chǎn)，往往導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量水平較差，售后服務(wù)成本增高，生存日益艱難。目前由國能聯(lián)合動力自主設(shè)計、研發(fā)并生產(chǎn)的機艙罩、輪轂罩產(chǎn)品也開始進(jìn)入研發(fā)周期，并將于年內(nèi)進(jìn)入市場。

從圖表2可以看出，第一梯隊廠家主要的客戶為國內(nèi)占有市場份額較大主機廠家金風(fēng)、聯(lián)合動力、華銳等，同時國外主機品牌同樣認(rèn)可和采購。第二、第三梯隊的機艙罩廠家客戶相對單一，市場份額相對較小。

3.新工藝研究

復(fù)合材料成型工藝是復(fù)合材料工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和必要條件。隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，復(fù)合材料工業(yè)得到迅速發(fā)展，機艙罩、輪轂罩常用的成型工藝有手糊成型工藝、噴射成型工藝、真空袋成型工藝、LRTM成型工藝等，目前多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)采用較為成熟的真空袋成型工藝，而以雙模具為主要設(shè)計理念的輕型樹脂傳遞模塑工藝(LRTM)也日漸成熟，LRTM由于兼具質(zhì)優(yōu)、環(huán)保和保護(hù)勞動者的多方面優(yōu)勢，成為未來發(fā)展的主流方向。

3.1主要工藝簡介

真空袋膜成型工藝介紹

真空袋成型工藝是將產(chǎn)品密封在模具和真空袋之間，通過抽真空對產(chǎn)品加壓使產(chǎn)品更加密實、力學(xué)性能更好的成型工藝。真空袋膜工藝分為干法和濕法兩種。濕法是將手糊或者噴射成型未固化的制品，加蓋一層真空袋***處于薄膜和模具之間，密封周邊，抽真空，使制品中的氣泡和揮發(fā)物排除。干法是將增強玻纖鋪放到模具上，將真空袋膜與模具周邊密封，在抽真空的同時將樹脂從模具的另一端由管路導(dǎo)入到模具中，將增強玻纖浸潤。兩種工藝的區(qū)別在于干法的玻纖含量可以做的更高，成型產(chǎn)品質(zhì)量更好，重量更輕。

圖表3 真空袋膜成型工藝真空灌注

真空導(dǎo)流成型技術(shù)的特點：1、可以制造單面光的制品;2、成型效率一般，適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn);3、為閉模操作，不污染環(huán)境，不損害工人健康;4、增強材料可以任意方向鋪放，容易實現(xiàn)按制品受力狀況鋪放增強材料;5、一次性耗材較多，垃圾回收是個問題，成本相對高。

LRTM成型工藝

輕型樹脂傳遞模塑工藝(RTM一Light)簡稱為LRTM,是一種新型的復(fù)合材料大型制件的成型技術(shù)，相較于真空袋膜單模具工藝，它是一種雙模具的成型工藝，上下模具具有一個寬約100mm的剛性周邊，由雙道密封帶構(gòu)成一個獨立的密封區(qū)，只要一抽真空模具即閉合，然后對模腔內(nèi)抽真空，利用模內(nèi)的負(fù)壓和較低的注射壓力將樹脂注入模具，使樹脂滲入預(yù)先鋪設(shè)的增強纖維或預(yù)制件中。它主要原理為首先在模腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計好的增強材料預(yù)成型體，采用注射設(shè)備將專用低粘度注射樹脂體系注入閉合模腔，模具具有周邊密封和緊固以及注射從排氣系統(tǒng)以保證樹脂流動順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維，是在真空狀態(tài)下排除纖維增強體中的氣體，通過樹脂的流動，滲透，實現(xiàn)對纖維及織物的浸漬，并在室溫下進(jìn)行固化，形成一定的樹脂及纖維比例的工藝方法。

圖表4 LRTM成型工藝工藝真空灌注

L-RTM工藝的特點：1、由于是采用雙磨具，可以制造兩面光的制品;2、成型效率高，適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn);3、L-RTM為閉模操作，不污染環(huán)境，不損害工人健康;4、增強材料可以任意方向鋪放，容易實現(xiàn)按制品受力狀況例題鋪放增強材料;5、原材料及能源消耗少。

LRTM工藝中，需要對模具內(nèi)腔注入樹脂具有一定的壓力和流速，因此要使模具的結(jié)構(gòu)強度和剛度大到足夠在注射壓力下不破壞、不變形。通常采用帶鋼管支撐的夾芯復(fù)合材料，或用數(shù)控機床加工的鋁?；蜾撃?，這使制造費用增大，只有對產(chǎn)量足夠大的產(chǎn)品，才能抵消模具費用。此外為了閉合模具，要使周邊有足夠的箝緊能力或使用閉合模具的壓力系統(tǒng)。上述因素都導(dǎo)致了了LRTM工藝模具的選材困難，投資成本昂貴，該工藝在目前階段實際應(yīng)用中還存在一定局限性。

3.2新工藝、新技術(shù)的研究

隨著機艙罩、輪轂罩產(chǎn)品客戶需求的不斷提升，各生產(chǎn)廠家在原有成熟工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行了不斷的優(yōu)化改進(jìn)，新技術(shù)、新設(shè)計不斷出現(xiàn)，這也極大豐富了產(chǎn)品多樣性，滿足了不同客戶定制化需求。

有色樹脂的應(yīng)用

有色樹脂是一種新型原材料，該樹脂與普通樹脂成分相同，按照成品要求加入定量的調(diào)色劑，真空灌注固化成型后內(nèi)表面直接達(dá)到成品顏色要求。該類型樹脂產(chǎn)品成型后內(nèi)表面顏色美觀，能夠有效避免后期內(nèi)表面噴涂油漆而產(chǎn)生的壁掛、顏色不均等現(xiàn)象，能夠有效提升表觀質(zhì)量。使用有色樹脂進(jìn)行機艙罩的整體灌注，相對于普通樹脂進(jìn)行的整體灌注的后期噴涂處理減少了一些工序，但對灌注工藝要求增加。如圖5、6所示增加有色樹脂相對比普通樹脂的使用能夠有效的避免噴漆等后處理產(chǎn)生的壁掛、色差不均、內(nèi)壁漏光和漆面剝落等缺陷，提升了產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，降低了成本。

目前該技術(shù)一般在國外風(fēng)機品牌如維斯塔斯、西門子、歌美颯等產(chǎn)品上應(yīng)用較多。

圖5 使用有色樹脂效果

圖6 使用普通樹脂噴漆后處理效果

內(nèi)部加強方式的優(yōu)化

傳統(tǒng)機艙罩玻璃鋼強度的加強方式一般采用機艙罩層鋪預(yù)埋聚氨酯泡沫板條進(jìn)行一體樹脂灌注的方式進(jìn)行，在機艙罩內(nèi)部制作網(wǎng)格狀加強筋進(jìn)行加強。新型工藝在保證機艙罩不降低強度的同時，為實現(xiàn)機艙罩減重的目的，改用內(nèi)部層鋪PVC芯材進(jìn)行加強的方式。芯材加強方式主要是在機艙罩、輪轂罩層鋪時大面積鋪設(shè)芯材，并相應(yīng)的減少玻纖布的層鋪數(shù)量，同時取消加強筋，達(dá)到減重的目的，通過表7的對比可以清楚地看到這一變化。(表格數(shù)據(jù)源自國內(nèi)某主流主機廠2MW機艙罩)：

從數(shù)據(jù)上看，通過更改機艙罩內(nèi)部強度增強方式降低了產(chǎn)品的鋪設(shè)的厚度，從而降低了產(chǎn)品重量。綜合對比分析有，通過芯材鋪設(shè)方式進(jìn)行機艙罩內(nèi)部加強方式較聚氨酯加強筋加強方式鋪設(shè)厚度降低，操作簡單，工藝性較為簡潔，容易實現(xiàn)，成本略有增加，卻實現(xiàn)了重量的大幅降低，生產(chǎn)出的成品由于內(nèi)部空間更大，在風(fēng)機整機安裝過程中變的更容易，減少了內(nèi)部干涉的發(fā)生。

圖8 使用聚氨酯加強筋加強方式

圖9 使用芯材加強方式

分體式設(shè)計的出現(xiàn)

由于機艙罩產(chǎn)品外形尺寸大，單體大面積玻璃鋼產(chǎn)品變形機率高，并且運輸不便，為了解決上述問題，出現(xiàn)了單元分體式設(shè)計(如圖10所示)，將機艙罩合理地設(shè)計成多個單元進(jìn)行生產(chǎn)制造，疊放運輸。其突出特點有以下幾點：

(1)小單元能夠有效的控制生產(chǎn)工藝，更好的保證產(chǎn)品質(zhì)量;

(2)生產(chǎn)的分體單元變形較小，充分體現(xiàn)了通配性和互換性;

(3)合理壓縮運輸空間，運輸快捷方便，提高提高運輸效率，大大降低運輸成本;

但分體式設(shè)計同時也存在缺點，一方面由于單位面積減小，絕對數(shù)量增加，整體面積增加，另一方面不同單元組合在一起對密封性能也提出了更高要求，合力導(dǎo)致生產(chǎn)成本及檢測成本增加約40%。綜合計算生產(chǎn)成本增加及運輸成本節(jié)約兩個因素，目前該設(shè)計在超長運距的海外運輸中應(yīng)用較多。

圖10 某知名廠家機艙罩分體式產(chǎn)

4.結(jié)論和展望

隨著風(fēng)電機艙罩、輪轂罩行業(yè)的不斷發(fā)展和國內(nèi)國際競爭的日益激烈，要求機艙罩、輪轂罩產(chǎn)品同時具備設(shè)計新、性能高、質(zhì)量優(yōu)、成本低等優(yōu)點。為了生產(chǎn)高精度、高質(zhì)量和高效率的產(chǎn)品，機艙罩、輪轂罩成型工藝技術(shù)就需要不斷的創(chuàng)新、改進(jìn)和優(yōu)化，從傳統(tǒng)的單一型走向復(fù)合型、多功能型，逐漸變得綜合化、多樣化和科學(xué)化，新材料的應(yīng)用也會不斷地充實其中，發(fā)揮出更高的價值。加快機艙罩、輪轂罩成型技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，是適應(yīng)國內(nèi)市場，參與全球競爭的必然要求。