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英国新星（NOVA）项目团队已经实现了用于10MW双臂垂直风力发电概念系统的一个重要里程碑——成功建造用于该系统的50kW叶片原型。这款商用的10MW海上涡轮风力发电机拥有两条160m的长臂，用来支撑两个80m的长V形翼型叶片。一旦建成，它将是世界上最重的复合材料结构，约为160t。 （图片） 新星（NOVA）是获英国能源技术研究所（ETI）和工程与科学研究委员会（EPSRC）支持的一个为期两年的可再生能源可行性研究项目。项目资金来源于欧洲地区发展基金（ERDF）。该项目成立的目的是研究按当前设计和规模制造垂直风力发电机系统（VAWT）的经济可行性和技术可行性。
这台50kW的叶片原型由克兰菲尔德大学（Cranfield University）的复合材料中心负责制造，一些关键材料供应商对其设计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聚氨酯丙烯酸酯结构胶粘剂被指定用于连接两个10m×1.9m的翼型叶片中的多个碳纤维和玻璃纤维环氧复合材料部件。（图片） 为了更加实用，计划大规模生产的海上风力涡轮机要求翼型叶片达到至少稳定运行20年而无需维护的质量标准。正因如此，结构的设计和长期保持良好性能的优质材料的选择是该项目成功的关键。借助最初开发的一台按比例缩小，嵌有结构张力和压力监测设备的50kW叶片原型，新星项目团队能够对当前结构设计在使用中的工程性能和空气动力特性有所了解，并能充分测试海上作业环境中所选复合材料的性能。（图片） 叶片原型的加工帮助团队解决了在较小规模上任何在施工工艺方面的挑战，包括如何以较高的成本效益来制造和装配复合材料部件。这些收获也同样适用于实际尺寸叶片的制造，以确保其经济可行性和商业可行性。
整个涡轮机组在设计和制造方面确保了最佳的结构可靠性，以满足其20年使用寿命期间内“免维修”的关键标准。两个叶片原型均为10m长、1.9m宽，中段部分的最大厚度为180mm。（图片） 叶片所采取的结构与大型商用飞机的机翼类似，有一个中央箱体部分，采用逐渐变厚的蒙皮设计，此外还有两个C形的翼梁和肋骨、“Ω”形的帽桁条以提供抗屈曲强度（图1）。叶片中央箱体部件由多轴向碳纤维织物和环氧树脂采用真空灌注成型工艺制成。中央箱体部分添加了玻璃纤维增强的前缘和后缘部件。（图片） 按比例放大的10MW风机叶片长为80米，因此在整个叶片的设计过程中，找到减轻重量的方法至关重要。而对叶片原型而言，由于使用了大量的结构胶接剂，叶片的重量得到了显著的降低，与叶片截面和机械组件采取铆接的方式相比，该方法还有利于更好地降低整体制造成本。（图片） 采用碳纤维/环氧树脂制成的肋骨、翼梁及箱体蒙皮通过Scott Bader公司的Crystic Crestomer 1152 PA胶粘剂连接在一起。通过玻璃纤维/环氧树脂复合材料制成的前缘和后缘组件则胶接在叶片的中央箱体上。所有的连接部分都采用简单的榫接设计并加上垫板，以方便快速装配，这样可以采用最少的夹具并保证连接区域光滑平顺（图2）。
对于两个轻质叶片而言，不论制造还是长期的海上使用，胶粘剂都是一个至关重要的因素，因此克兰菲尔德大学复合材料中心针对该需求对一系列可选的胶粘剂进行了评估。（图片） 克兰菲尔德大学复合材料中心的新星项目主管Andrew Mills说，“叶片结构的设计和规模意味着其存在大范围的连接表面和较宽的粘合线。因此，全固化结构胶粘剂必须具有长期可靠的粘结性能，而且要达到一些关键的要求。这些要求包括间隙填充、很好的耐剥离性，同时还要十分牢固、不易断裂并具有非常高的弯曲强度。”
克兰菲尔德团队针对厚度范围为2-30mm的粘合线进行了粘合性能比较测试。获得的测试结果表明，在碳纤维和玻璃纤维环氧层压基板连接方面，性能最好的胶粘剂是Crystic Crestomer 1152 PA。该结果与Crestomer胶粘剂长期粘结性能相符，这早已在长达30年诸多苛刻的船舶复合材料应用中得到论证，比如甲板、船体纵梁和舱壁等船体部件，并因其在多种船体复合材料中的应用而得到了劳氏和RINA两家船级社的认证。（图片） 对10m长叶片原型而言，每个部件和模具在设计时都包含了榫接部分、折叠的装配位置和1mm粘结垫片。这种方式提供了准确的装配尺寸，而无需使用复杂的装配夹具。作为装配过程的一部分，为了确保接缝的准确性，在无胶定位后，再对每一部分进行钻孔，在涂完胶之后用定位栓或铆钉穿过这些孔将部件固定在一起。所有的粘结点都会在便携式发泡板烤箱内50°C温度下再固化24小时，随后在接缝间隙里补上填料，并用砂光机进行打磨，除去组件的接缝痕迹。
7/31/2013
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