風電機組機艙罩是罩在風力發(fā)電機組最外的一層防護裝置。發(fā)電機組的發(fā)電機、變速器和變流器等核心部件基本都安裝在罩內(nèi)，對于安裝在罩內(nèi)的設備起著安全防護作用。國內(nèi)2008年開始從國外引進了各型1.5MW機艙罩，但在開發(fā)2.5MW風電機組中，材料選型、模具制作、結構設計和成型過程等面臨更大尺寸的技術難點。2.5MW機艙罩外形為方形設計，最大長度10m，最大寬度4m。最大高度4m，對此，我們在大型機艙罩整個設計制造過程進行了系統(tǒng)的研究，研制出了滿足要求的復合材料機艙罩。
結構設計和力學性能。機艙罩的罩體主要由兩種結構形式做成，一種是實心層合板，主要為機艙罩脫模面部位；另一種是夾層結構加強筋，主要鋪設于機艙罩內(nèi)部，由于機艙罩縱向尺寸較橫向尺寸大很多，為了有效提高罩體的剛度，機艙罩內(nèi)部橫向鋪設多根加強筋。通過將實心層和加強筋結合后設計出2.5MW風電機艙罩模型。
①力學性能方面：通過采用計算和利用有限元軟件對結構進行了力學校核，滿足強度要求和剛度要求。②實心層壓板方面：根據(jù)初步設計計算，玻纖層壓板連同膠衣層厚度為8.0mm。面板性能其壓縮強度σb 為100MPa，試驗的離散系數(shù)Cv為7.2%，拉伸強度σt為150MPa，離散系數(shù)Cv為7.0%；彈性模量Ef為10GPa，泊松比為0.25。緯向芯子剪切強度Tt為1.5MPa，剪切模量Gc為30MPa；經(jīng)向芯子剪切強度Tc為1.0MPa，剪切模量Gc為18MPa.③加強筋方面：因斷面為矩形，泡沫芯或空心的壁厚為12mm，機艙罩沿寬度方向布置了10根加強筋，沿長度方向布置了2根。加強筋的性能，拉伸強度為220MPa，壓縮強度為200MPa，離散系數(shù)為7.0%，彈性模量為10GPa，泊松比為0.22。經(jīng)過對機艙罩的撓度的計算，最大撓度為0.306%，小于0.5%；強度方面：經(jīng)計算層壓板結構面板的最大壓應力為13.227MPa，比其設計值Rd=31.327（35.09）MPa小得多；加強筋上的最大拉伸應力為43.128 MPa，也遠比加強筋的拉伸應力設計值Rd=69.27（77.57）MPa小。穩(wěn)定性方面：主要由機艙罩迎風面產(chǎn)生風壓，對上、下蓋板、側(cè)板產(chǎn)生軸向壓力而肯呢過產(chǎn)生的失穩(wěn)，加之上、下蓋板、側(cè)板還有風壓（負壓）作用。計算得σcr=33.763MPa，臨界應力遠比軸向壓應力大，側(cè)向載荷和軸向壓力聯(lián)合作用下，經(jīng)過計算可得到以下結論：
?。?）以52.5m/s風速，最大撓度為29.208mm，相對最大跨距為0.306%，滿足技術要求。
?。?）層壓板結構面板的做大壓應力為13.227MPa，為其設計值42.22%，強度是很富裕的。
?。?）采用聯(lián)合穩(wěn)定準則，計及上、下蓋的側(cè)向載荷后，遠小于1，軸向壓力穩(wěn)定性很好。
制造工藝。2.5MW風電機組艙罩尺寸大，精度要求更高，為有效的提高其力學性能，在制造過程中采用一體成型的工藝，通過真空導入的方式將樹脂注入成型，整個制造過程較傳統(tǒng)手糊工藝簡易且內(nèi)部樹脂固化成型連接致密度高。
模具的結構形式、強度、表面質(zhì)量對機艙罩制品的質(zhì)量、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率有非常大的影響。模具制造分為兩個步驟，分別為：木模制作（陽模）、模具制備完成后經(jīng)過下列步驟來制備機艙罩：
模具表面清理→材料準備→涂脫模劑→刷膠衣→密封手糊層制作→玻纖不裁剪鋪覆→鋪脫模布→鋪導流網(wǎng)→封真空袋膜→接真空管→試抽真空→抽真空導入樹脂→固化→脫模→切邊→整理去毛刺→刷阻燃膠衣。機艙罩內(nèi)表面和脫模面涂覆不同類別的膠衣來達到不同的性能要求，包括防紫外線、抗老化、阻燃等性能。
在樹脂真空導入后，材料的固化過程與制品的強調(diào)和剛度密切相關。如果為了延長凝膠時間而降低固化劑含量，容易造成后固化時間過長或固化度不足，反而導致力學性能偏低和整體生產(chǎn)時間過長；固化劑含量過高，又容易導致凝膠時間過快，出現(xiàn)未來得及排泡便凝膠的現(xiàn)象，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此有效地控制溫度和根據(jù)溫度適當調(diào)節(jié)配方是控制產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵。脫模時間的控制與產(chǎn)品的變形量密切相關，脫模時間過早會導致產(chǎn)品組裝困難，特別是兩個法蘭邊難以合攏，原因是產(chǎn)品還沒足夠固化，還沒釋放完所有應力。
在成型后通過組裝和安裝部分配件即可完成整個機艙罩的制作，在整個制作過程中應注意尺寸控制和避免一些質(zhì)量問題，包括表面質(zhì)量缺陷和結構層質(zhì)量缺陷兩方面。表面缺陷主要由膠衣流掛、起皺、砂眼或針孔、纖維外露、開裂、氣泡等。結構層缺陷主要有制品變形較大、制品硬度低、氣泡多、流膠、分層等。
通過進模型設計、有限元機構性能分析，制作高品質(zhì)的模具和采用一體成型工藝的方法研制出的2.5MW風電機組機艙罩可滿足新型風電機組的需求。為解決風電機組密封性的問題，我們還在風電機組前段增加了密封裝置和密封門，有效的解決了風沙大和冬季艙內(nèi)溫度低齒輪箱無法啟動的問題。隨著風電技術的發(fā)展，希望通過規(guī)范化的研制過程，生產(chǎn)出更多可在極端復雜環(huán)境條件下使用的高性能機艙罩。
結構設計和力學性能。機艙罩的罩體主要由兩種結構形式做成，一種是實心層合板，主要為機艙罩脫模面部位；另一種是夾層結構加強筋，主要鋪設于機艙罩內(nèi)部，由于機艙罩縱向尺寸較橫向尺寸大很多，為了有效提高罩體的剛度，機艙罩內(nèi)部橫向鋪設多根加強筋。通過將實心層和加強筋結合后設計出2.5MW風電機艙罩模型。
①力學性能方面：通過采用計算和利用有限元軟件對結構進行了力學校核，滿足強度要求和剛度要求。②實心層壓板方面：根據(jù)初步設計計算，玻纖層壓板連同膠衣層厚度為8.0mm。面板性能其壓縮強度σb 為100MPa，試驗的離散系數(shù)Cv為7.2%，拉伸強度σt為150MPa，離散系數(shù)Cv為7.0%；彈性模量Ef為10GPa，泊松比為0.25。緯向芯子剪切強度Tt為1.5MPa，剪切模量Gc為30MPa；經(jīng)向芯子剪切強度Tc為1.0MPa，剪切模量Gc為18MPa.③加強筋方面：因斷面為矩形，泡沫芯或空心的壁厚為12mm，機艙罩沿寬度方向布置了10根加強筋，沿長度方向布置了2根。加強筋的性能，拉伸強度為220MPa，壓縮強度為200MPa，離散系數(shù)為7.0%，彈性模量為10GPa，泊松比為0.22。經(jīng)過對機艙罩的撓度的計算，最大撓度為0.306%，小于0.5%；強度方面：經(jīng)計算層壓板結構面板的最大壓應力為13.227MPa，比其設計值Rd=31.327（35.09）MPa小得多；加強筋上的最大拉伸應力為43.128 MPa，也遠比加強筋的拉伸應力設計值Rd=69.27（77.57）MPa小。穩(wěn)定性方面：主要由機艙罩迎風面產(chǎn)生風壓，對上、下蓋板、側(cè)板產(chǎn)生軸向壓力而肯呢過產(chǎn)生的失穩(wěn)，加之上、下蓋板、側(cè)板還有風壓（負壓）作用。計算得σcr=33.763MPa，臨界應力遠比軸向壓應力大，側(cè)向載荷和軸向壓力聯(lián)合作用下，經(jīng)過計算可得到以下結論：
?。?）以52.5m/s風速，最大撓度為29.208mm，相對最大跨距為0.306%，滿足技術要求。
?。?）層壓板結構面板的做大壓應力為13.227MPa，為其設計值42.22%，強度是很富裕的。
?。?）采用聯(lián)合穩(wěn)定準則，計及上、下蓋的側(cè)向載荷后，遠小于1，軸向壓力穩(wěn)定性很好。
制造工藝。2.5MW風電機組艙罩尺寸大，精度要求更高，為有效的提高其力學性能，在制造過程中采用一體成型的工藝，通過真空導入的方式將樹脂注入成型，整個制造過程較傳統(tǒng)手糊工藝簡易且內(nèi)部樹脂固化成型連接致密度高。
模具的結構形式、強度、表面質(zhì)量對機艙罩制品的質(zhì)量、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率有非常大的影響。模具制造分為兩個步驟，分別為：木模制作（陽模）、模具制備完成后經(jīng)過下列步驟來制備機艙罩：
模具表面清理→材料準備→涂脫模劑→刷膠衣→密封手糊層制作→玻纖不裁剪鋪覆→鋪脫模布→鋪導流網(wǎng)→封真空袋膜→接真空管→試抽真空→抽真空導入樹脂→固化→脫模→切邊→整理去毛刺→刷阻燃膠衣。機艙罩內(nèi)表面和脫模面涂覆不同類別的膠衣來達到不同的性能要求，包括防紫外線、抗老化、阻燃等性能。
在樹脂真空導入后，材料的固化過程與制品的強調(diào)和剛度密切相關。如果為了延長凝膠時間而降低固化劑含量，容易造成后固化時間過長或固化度不足，反而導致力學性能偏低和整體生產(chǎn)時間過長；固化劑含量過高，又容易導致凝膠時間過快，出現(xiàn)未來得及排泡便凝膠的現(xiàn)象，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此有效地控制溫度和根據(jù)溫度適當調(diào)節(jié)配方是控制產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵。脫模時間的控制與產(chǎn)品的變形量密切相關，脫模時間過早會導致產(chǎn)品組裝困難，特別是兩個法蘭邊難以合攏，原因是產(chǎn)品還沒足夠固化，還沒釋放完所有應力。
在成型后通過組裝和安裝部分配件即可完成整個機艙罩的制作，在整個制作過程中應注意尺寸控制和避免一些質(zhì)量問題，包括表面質(zhì)量缺陷和結構層質(zhì)量缺陷兩方面。表面缺陷主要由膠衣流掛、起皺、砂眼或針孔、纖維外露、開裂、氣泡等。結構層缺陷主要有制品變形較大、制品硬度低、氣泡多、流膠、分層等。
通過進模型設計、有限元機構性能分析，制作高品質(zhì)的模具和采用一體成型工藝的方法研制出的2.5MW風電機組機艙罩可滿足新型風電機組的需求。為解決風電機組密封性的問題，我們還在風電機組前段增加了密封裝置和密封門，有效的解決了風沙大和冬季艙內(nèi)溫度低齒輪箱無法啟動的問題。隨著風電技術的發(fā)展，希望通過規(guī)范化的研制過程，生產(chǎn)出更多可在極端復雜環(huán)境條件下使用的高性能機艙罩。
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