1.前言

風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙罩是罩在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最外的一層防護(hù)裝置，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)、變速箱和變流器等核心部件基本都安裝在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙罩內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙罩對(duì)于安裝在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙罩內(nèi)的設(shè)備起著安全防護(hù)作用。國(guó)內(nèi)2008 年開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)了各型1.5MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙，獲得了相關(guān)技術(shù)資料。但在開(kāi)發(fā)2.5MW 風(fēng)電機(jī)組中對(duì)于材料選型、模具制作、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型過(guò)程等仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，如何在更大尺寸的前提下保證不變形、較高的尺寸要求和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等。

本文對(duì)此大型機(jī)艙罩整個(gè)設(shè)計(jì)制造過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研制出了滿足要求的復(fù)合材料機(jī)艙罩。2.5MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙罩外形為方形設(shè)計(jì)，最大長(zhǎng)度 10m，最大寬度4m，最大高度 4m，經(jīng)計(jì)算力學(xué)性能好，所采用的膠衣耐環(huán)境要求高。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)性能

此機(jī)艙罩的罩體主要由兩種結(jié)構(gòu)形式組成，一種是實(shí)心層合板，主要為機(jī)艙罩脫模面部位;另一種是夾層結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋，主要鋪設(shè)于機(jī)艙罩內(nèi)部，由于此機(jī)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(jī)艙罩內(nèi)部橫向鋪設(shè)多根加強(qiáng)筋。通過(guò)將實(shí)心層和加強(qiáng)筋結(jié)合后設(shè)計(jì)出2.5MW 風(fēng)電機(jī)艙罩模型。

為解決風(fēng)電機(jī)組密封性的問(wèn)題，在風(fēng)電機(jī)組前段增加了前段密封裝置和密封門(mén)，有效的解決了風(fēng)沙大和冬季艙內(nèi)溫度低齒輪箱無(wú)法啟動(dòng)的問(wèn)題。機(jī)艙罩模型圖如圖1 所示。

力學(xué)性能方面，通過(guò)采用計(jì)算和利用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)校核，滿足強(qiáng)度要求和剛度要求。

實(shí)心層壓板方面：根據(jù)初步設(shè)計(jì)計(jì)算，玻纖層壓板連同膠衣層厚度為8.0mm。面板性能其壓縮強(qiáng)度σb 為100MPa，試驗(yàn)的離散系數(shù)Cv為 7.2%，拉伸強(qiáng)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(qiáng)度τt 為1.5MPa，剪切模量GC為30MPa;經(jīng)向芯子剪切強(qiáng)度τc 為1.0MPa，剪切模量GC 為 18MPa。

加強(qiáng)筋方面：因斷面為矩形，泡沫芯或空心的，壁厚為 12mm，機(jī)艙罩沿寬度方向布置了10 根加強(qiáng)筋，沿長(zhǎng)度方向布置了2 根。加強(qiáng)筋的性能：拉伸強(qiáng)度為 220MPa，壓縮強(qiáng)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(guò)對(duì)此機(jī)艙罩的撓度的計(jì)算，最大撓度為0.306%，小于 0.5%;強(qiáng)度方面：經(jīng)計(jì)算層壓板結(jié)構(gòu)面板的最大壓應(yīng)力為13.227MPa，比其設(shè)計(jì)值Rd=31.327(35.09)MPa 小得多;加強(qiáng)筋上的最大拉伸應(yīng)力為43.128MPa，也遠(yuǎn)比加強(qiáng)筋的拉伸應(yīng)力設(shè)計(jì)值Rd=69.27(77.57)MPa 小。穩(wěn)定性方面：主要由機(jī)艙罩迎風(fēng)面產(chǎn)生風(fēng)壓，對(duì)上、下蓋板、側(cè)板產(chǎn)生軸向壓力而可能產(chǎn)生的失穩(wěn)，加之上、下蓋板、側(cè)板還有風(fēng)壓(負(fù)壓)作用。計(jì)算得σcr=33.763MPa， 臨界應(yīng)力遠(yuǎn)比軸向壓應(yīng)力大，側(cè)向載荷和軸向壓力聯(lián)合作用下，其臨界準(zhǔn)則為：

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得出以下結(jié)論：

(1)以52.5m/s 風(fēng)速， 最大撓度為29.208mm， 相對(duì)最大跨距的0.306%，滿足技術(shù)要求。

(2)層壓板結(jié)構(gòu)面板的最大壓應(yīng)力為13.227MPa， 為其設(shè)計(jì)值42.22%，強(qiáng)度是很富裕的。

(3)采用聯(lián)合穩(wěn)定準(zhǔn)則，計(jì)及上、下蓋的側(cè)向載荷后，遠(yuǎn)小于 1，軸向壓力穩(wěn)定性很好。

3. 制造工藝

相較1.5MW 風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙罩，2.5MW 風(fēng)電機(jī)組艙罩尺寸更大大、精度要求更高，為有效的提高其力學(xué)性能，在制造過(guò)程中采用最新式的一體成型的工藝，通過(guò)真空導(dǎo)入的方式將樹(shù)脂注入成型，整個(gè)制造過(guò)程較傳統(tǒng)手糊工藝簡(jiǎn)易且內(nèi)部樹(shù)脂固化成型連接致密度高。

首先制作模具，模具是機(jī)艙罩成型工藝中的主要裝備，模具的結(jié)構(gòu)形式、強(qiáng)度、表面質(zhì)量對(duì)機(jī)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(gè)步驟，分別為：木模制作(陽(yáng)模)、(圖2)、模具制作(陰模)。

模具制備完成后經(jīng)過(guò)下列步驟來(lái)制備機(jī)艙罩：

模具表面清理→材料準(zhǔn)備→涂脫模劑→刷膠衣→密封手糊層制作→玻纖布裁剪鋪覆→鋪脫模布→鋪導(dǎo)流網(wǎng)→封真空袋膜→接真空管→試抽真空→抽真空導(dǎo)入樹(shù)脂→固化→脫模 →切邊→ 整理去毛刺→刷阻燃膠衣。

在樹(shù)脂真空導(dǎo)入后，需要考慮樹(shù)脂的固化過(guò)程，材料的固化過(guò)程與制品的強(qiáng)度和剛度密切相關(guān)，合理有效的固化是制造出質(zhì)量?jī)?yōu)良的制品和提高生產(chǎn)效率的保證。復(fù)合材料的固化與溫度、配方和脫模時(shí)間息息相關(guān)。由于2.5MW 機(jī)艙罩具有大尺寸、高性能的特點(diǎn)，只有嚴(yán)格地控制好車間溫度、工藝配方和后固化時(shí)間，才能保證制品的力學(xué)性能和精確的外形尺寸。由于制品尺寸大，生產(chǎn)操作時(shí)間長(zhǎng)。溫度過(guò)高時(shí)，如果為了延長(zhǎng)凝膠時(shí)間而降低固化劑含量，容易造成后固化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或固化度不足，反而導(dǎo)致力學(xué)性能偏低和整體生產(chǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng);如果固化劑含量過(guò)高，又容易導(dǎo)致凝膠時(shí)間過(guò)快，出現(xiàn)未來(lái)得及排泡便凝膠的現(xiàn)象，嚴(yán)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(dāng)調(diào)節(jié)配方是控制產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。脫模時(shí)間的控制與產(chǎn)品的變形量密切相關(guān)，脫模時(shí)間過(guò)早會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品組裝困難，特別是兩個(gè)法蘭邊難以合攏，原因是產(chǎn)品還沒(méi)足夠固化，還沒(méi)釋放完所有應(yīng)力。

同時(shí)通過(guò)在機(jī)艙罩內(nèi)表面和脫模面涂覆不同類別的膠衣來(lái)達(dá)到不同的性能要求，包括防紫外線、抗老化、阻燃等性能。

在成型后通過(guò)組裝和安裝部分配件即可完成整個(gè)機(jī)艙罩的制作，在整個(gè)制作過(guò)程中應(yīng)注意尺寸控制和避免一些質(zhì)量問(wèn)題，包括表面質(zhì)量缺陷和結(jié)構(gòu)層質(zhì)量缺陷兩方面。表面缺陷主要有膠衣流掛、起皺、砂眼或針孔、纖維外露、開(kāi)裂、起泡等。結(jié)構(gòu)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。質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生原因應(yīng)根據(jù)機(jī)艙罩的具體結(jié)構(gòu)和工藝做詳細(xì)的分析。

4. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)進(jìn)模型設(shè)計(jì)、有限元結(jié)構(gòu)性能分析，制作高品質(zhì)的模具和采用一體成型工藝的工藝方法研制出的2.5MW 風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙罩可滿足新型風(fēng)電機(jī)組的需求。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，希望通過(guò)規(guī)范化機(jī)艙罩的研制過(guò)程，生產(chǎn)出更多可在極端復(fù)雜環(huán)境條件下使用的高性能機(jī)艙罩。

原標(biāo)題:2.5MW大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩的研制