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WebCore技术公司业务发展部副总裁Rob Banerjee博士在本文讨论了新型芯材如何帮助风机叶片制造商优化他们的设计。
清洁无污染的风能正推动风力涡轮机向更大更高功率的方向发展。美国风能协会的一份最新报告指出，风机向大型化发展的主要驱动力是经济性：更高的风机和更长的叶片以及更大的扫风面积可以产生更多的能量，每千瓦时的成本也更低。更大的风机还能捕获较低速的风，使风电更加靠近居民中心。
但更高的功率并不是更长更大有时是更重的风机叶片的唯一诉求。客户也希望风机具有更长的寿命周期（最长25年），而且保养要尽量少，特别是对于海上和偏远地区的风机，尤其要求如此。 （图片）
更严格的产品规范和更大型叶片设计的频繁出现为新型芯材提供了更好的机遇。
(图片版权所有：Shutterstock.com) 对于芯材供应商来说，例如位于美国俄亥俄州Miamisburg的WebCore技术公司，更加严格的产品规范和针对大型叶片的设计概念的日益增多，意味着新型夹心材料有着更好的发展机遇。
TYCOR ® W是WebCore公司的一种纤维增强复合材料芯材，弥补了轻木和聚氯乙烯(PVC)泡沫芯材的缺陷，满足了风机叶片制造商对于成本、重量、供应、质量和一致性的需求。
TYCOR W的结构由玻璃纤维和闭孔低密度泡沫组成，已经在风能行业使用了两年的时间。一家叶片制造商用该芯材取代轻木，以45米长的叶片为例，每根叶片的重量可以减轻325磅。叶片制造商还发现复合材料芯材还具有传统芯材不具备的其他优势，例如：
◆ 设计的优化；
◆ 通过与芯材装配商合作优化叶片的生产；
◆ 改善灌注过程；
◆ 所用芯材的数量更少，面积更大 ；
◆ 芯材间隙的减少提高了叶片的均匀性。
芯材的选择
随着叶片变得越来越大，市场竞争加剧，叶片制造商正通过优化他们的设计来保持竞争优势。
“叶片设计者和生产商可以通过去除多余的材料，并评估哪些材料可以在叶片的不同部位发挥最大功用，来优化成本和重量。” WebCore公司销售工程总监Scott Campbell说。“但是对于材料——树脂、层压材料和芯材的性能必须非常了解。”
对于需要高强度芯材的叶片根部附近，轻木是一种良好的候选材料。但是，在生产大型叶片时，轻木的可变性会限制设计工程师进行优化。因为轻木是一种天然生长的木制品，用于生产轻木芯材的不同木头之间，其密度、强度和硬度变化是非常大的。即使精心挑选的密度大致相同的木头之间，芯材的特性也有巨大的差别。
不同轻木制品之间的强度和硬度的差别很大。也就是说叶片设计者必须确保轻木具有足够的结构性能。这种木质产品还会吸收水分导致尺寸变化。
TYCOR W是由合成材料制成的工程复合材料芯材，与轻木相比，其性能的一致性高得多。机械性能试验表明，不同样品内之间的差别不是很大。因为TYCOR W性能的很大一部分可以在设计过程中得以发挥，因此非常容易进行优化，从而得到更加有效的叶片设计。 （图片）
TYCOR W由玻纤和闭孔的低密度泡沫组成 结构泡沫，例如苯乙烯-丙烯腈(SAN)和PVC比轻木轻，一致性高，但承受的载荷较低，价格也更贵。若低密度泡沫要达到与轻木相同的强度和硬度，厚度要达到轻木的两倍。由于这些因素，泡沫更适合用在叶片的低应力区域，即中点到叶片的部分。
聚对苯二甲酸乙二酯(PET)泡沫是一种较新的泡沫芯材，比PVC泡沫性价比更高，但是比相同重量的PVC泡沫的强度和硬度要低。由于PET比大多数结构泡沫要重，它不能显著减轻重量。而且由于其价格具有优势，比轻木的一致性好，在风能行业正逐渐获得认可。
WebCore注意到，制造商对于大型叶片生产的需求逐渐增多，共提供四种标准等级的TYCOR W产品，为设计者和制造商优化叶片的设计提供了自由度，而且这种材料能够应用在整个叶片中。
例如，TYCOR W 4已被用于叶片高强度区域或叶根附近，且性能表现良好，具有较轻的重量、较高的成本效益，可以取代相同厚度的天然轻木产品。TYCOR W 1和2比SAN和PVC泡沫更加具有成本效益，同时保持了高度的一致性和较轻的重量，这些特性在叶片中部和叶尖部分的低强度芯材中也有体现。（图片）
图1：不同芯材的剪切模量 进一步的优化
芯材的正确装配也有助于叶片设计的优化。通过与工具商紧密合作，WebCore公司可以改变其复合材料芯材的片材尺寸，同时可以将装配速率提高10%之多。
芯材还可以影响树脂的消耗量：树脂的成本和最终灌注而成的风机叶片的重量。轻木、SAN和PVC通常会被划伤或切断以有效控制树脂的流动，确保树脂的浸渍。
TYCOR W固有的可浸透的内部纤维结构和微小的泡沫蜂窝尺寸使得树脂的浸透变得容易，而且可控，也不会增加寄生树脂的吸收。（图片）
图2：25 mm厚的芯材的比剪切模量 （图片）
图3：真空灌注的25 mm厚的芯材的重量 这一特性降低了灌注部件的重量和成本。一英尺厚的TYCOR W与同样厚度的轻木相比，每平房英寸的面积平均可以降低0.5磅的重量。由于TYCOR W芯材是均厚且有弹性的，曲面和平面部位所吸收的树脂都更少。这些复合材料芯材不含杂质，尺寸稳定，有助于消除不均匀的曲面，以及由此产生的质量问题。
“对于寻求提高竞争能力的制造商来说，采用TYCOR芯材所产生的这些优势可以使其与那些采用传统芯材的设计者区别开来。” Campbell说道。
芯材原料的稳定供应也有助于制造商提高竞争能力。由于目前风机叶片市场正处于平稳发展时期，快速的增长状态预计最早会在2011年出现。就轻木来说，这种由于价格和物理性能而受到欢迎的传统芯材，其未来的市场增长很可能会导致天然木制品供应的减少。
“叶片制造商希望在重量、成本和质量方面有所改善，而对于一个追求快速增长和努力保持市场份额的公司来说，供应和稳定性是最重要的。” Campbell说。WebCore公司的复合材料芯材可以准时供货，可以满足目录上的所有要求，帮助客户降低成本。
“我们用传统且易得的复合材料原材料制备我们的芯材——直接拉制的玻纤粗纱、一些短切纤维毡和泡沫绝缘材料——因此供应永远不会出现问题。” Campbell指出。
这种复合材料芯材可以100%准时送达。除此之外，TYCOR W从未由于质量问题而导致工厂停工。正在申请GL认证并按照ISO质量标准生产的复合材料芯材的原材料在装配前要在WebCore公司的生产车间内进行检查。
“我们在生产的每个阶段都会检查我们的复合材料芯材，以确保其满足新的质量标准，这也是客户不断与我们商定以优化他们的风机叶片的标准。”Campbell说。
未来的挑战
面对更大更长的叶片制造过程中的挑战，制造商必须不断改进产品的一致性和质量。
同时，制造商需要确保他们的芯材目录可以跟得上风机叶片市场的增长趋势。对于活跃在全球市场上致力于解决生产难题的制造商来说，传统芯材之外的TYCOR W材料可能是他们下一步的选择。
更多信息：
WebCore Technologies LLC, 8821 Washington
Church Road, Miamisburg, OH 45342, USA;
tel.：+1-937-435-2200;
e-mail: scampbell@webcoreonline.com;
www.webcoreonline.com
12/2/2010
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