Suzlon玻璃纤维注入机舱盖盖。

玻璃纤维注入的机舱盖板。由苏珊kraus说明。

  • 优化的三部分设计可通过策略放置的泡沫芯加强件减少泡沫芯使用。
  • 由玻璃纤维和定制环氧树脂/聚酯树脂制造的四毫米厚的外皮。
  • 原位模塑加强筋减少总循环时间。

全球风能议会(GWEC,Brussels,Belgium)(GWEC,布鲁塞尔,比利时),全球风能装置增加了2020年的新产能新的千兆瓦(GW)的新产能,使全球总计为743 GW风电能力。2021年报告。但是,为了满足2050年的全球气候变化目标净碳排放目标,GWEC表示,风电需要更快地安装三倍,最多可容纳280 GW新容量,每年安装在2030年

为了满足可再生能源的需求,较大且强大的风力涡轮机,继续开发和安装涡轮机叶片。此外,为了竞争低成本的化石燃料能量,还需要以低级别的能量(LCoE)成本产生风能,这是建筑物和操作发电机的估计成本。风力涡轮机制造商不仅增加了生产更强大的涡轮机的生产,而且还通过更具成本效益,优化设备成本,帮助风电场降低LCoE。

风力涡轮机Suzlon.

树脂注入,玻璃纤维复合机舱盖。随着对较大和更强大的风力发电机的需求持续上升,Suzlon集团等风力涡轮机制造商继续调查途径优化其结构和过程。新型帽子加强筋设计使Suzlon能够降低机舱盖子上的循环时间和材料成本。照片信用,所有图片:Suzlon集团

风力涡轮机叶片,越来越大的全复合结构,可理解的是降低成本的目标,但它们不是风力涡轮机上的唯一复合组件,可能需要一些恢复,因为行业介绍了满足可再生电力的需求低lcoe。机舱盖,风力涡轮发电机和其他电子设备的大型保护性和结构外壳,也是复合材料的沉重用户。

机舱盖子通常通过树脂注入的玻璃纤维复合材料制造,以满足尺寸,复杂的几何和重量要求。国际电工委员会(IEC,Geneva,Switzerland)和TÜV(德国科隆,德国),种类覆盖物等核心封面是关键结构部件,可保护涡轮机械免受外部的关键结构部件造成沉淀,灰尘,紫外线辐射和雷击等灾害,以及为风力涡轮发电机内的气流提供入口和出口,承受由机舱齿轮箱和其他机械产生的叶片和热量经历的风力,并提供安全的服务人员的工作平台。

Suzlon集团(浦那,印度)是一种风力涡轮机制造商和可再生能源解决方案提供商,其迄今为止在全球范围内报告超过18.8 GW的安装风力。其一些研究专注于优化设计和制造流程的方法,以帮助公司满足全球和国内市场需求的更多涡轮机在较低的LCOES中。根据Suzlon集团的设计和产品工程总裁Fatehali Alchiya的说法,这些需求领导了该公司探索其涡轮机的各个部件的优化和创新潜力,目的是通过材料消费和/或制造来降低总成本成本。

在该评估期间,Suzlon组重新评估和重新设计的组件之一是其玻璃纤维复合材料,10米长的x 4米4米宽的x 4米高的机舱封面,用于其2.1-megawatt(mw)陆上风力发电机。

从三明治面板到帽子加强筋

风力涡轮机盖子的夹心板

以前的三明治建筑。最初,24毫米厚的机舱罩包括带有泡沫的内部和外部皮肤。

风力涡轮机盖子的夹心板

从概念化到建立第一个原型时,开发过程从2016年4月开始大约需要11个月。

为了便于组装,整个机舱外壳由三个部分制造 - 左下角和右下方- 在印度Daman的Suzlon的制造工厂中使用树脂输注成型工艺。

外壳的上盖部分的原始配置是一种24毫米厚的树脂注入的夹层面板,包括用泡沫芯片的内玻璃纤维皮。Suzlon wanted to develop an alternative cover design that reduced material costs through a reduction in foam usage, while still maintaining the necessary stiffness, load capability and compression and tensile strength — especially important because the nacelle cover functions not only to protect the turbine’s machinery against environmental forces and wind, but to protect and bear the weight of humans and maintenance equipment.

优化的机舱封面设计需要与以前版本相同的尺寸,具有相同的安装括号,硬件和内置在几何中的附加接口。除了降低材料的使用和相关成本外,还需要在相对快速,成本效益,可重复的过程中制造,以适应斜坡的生产体积。

优化的机舱封面设计

优化的帽子加强筋设计。新设计使泡沫芯使用最小化,同时最大化刚度,将纵向和侧向泡沫芯帽加强件加强玻璃纤维皮。顶部图像显示了机舱上盖的剪出模型。横截面(底部图像)显示“帽子”加强筋形状。

帽子加强筋

首先,团队的结构分析师生成的参数有限元分析(FEA)模型使用ansys.(Canonsburg,PA。,美国)工作台软件和执行的实验设计研究240设计组合建立了最佳设计参数。根据研究结果,将选项缩小到四个顶级电位设计,进一步评估制造可行性。最终设计概念被准备为CAD模型使用Autodesk.(San Rafael,Calif。,美国)发明家。

最终,通过虚拟测试和层压优惠券测试的组合,研究人员在加强的基于加强件的设计上,提供了原始夹心结构的两倍以上的刚度,具有高成本泡沫芯的使用。

优化的帽加强筋设计概念包括4毫米厚的外玻璃纤维复合皮肤,通过放置专用,负载携带的“帽子”形状加强筋,该加强筋由泡沫芯构成,在该部件的特定高负荷区域构成。额外的4毫米皮肤放在加强筋上。在最终设计上,盖子包括四个纵向和13个侧帽加强件。

优化树脂,制造和装配过程

每个部分由E-玻璃织物构成,泡沫芯可以由PVC,SAN,PU或PET制成。为了防止雷击撞击,导电网格在每个Suzlon专利设计的织物之间层叠。For the resin, N. Muthukrishan, senior general manager of structural design at Suzlon Group, says that a custom epoxy and polyester formulation was developed in partnership with Suzlon’s resin supplier, because none of the options on the market met the company’s specific requirements for gel time, wetting time and time to peak temperature.

将加强筋适用于机舱盖板

原位成型。泡沫芯帽加强件在树脂输注(顶部)之前策略性地放置在真空(底部)下模塑原位。这里描绘了上盖的制造。

输注复合机舱盖

为了适应更高的目标生产量,研究了整合泡沫芯帽加强筋与皮肤的各种选择。Muthukrishnan表示,Suzlon认为将预制的加强筋粘合到主要皮肤上作为模塑活动,类似于船体的制造方式。共叠层和机械紧固也被认为是选项。然而,显示循环时间最快和最大效率的选项是原位模制加强筋到皮肤的成型。

为了构建盖子,将切割织物放入由Suzlon内部开发的复合模具中。泡沫芯帽加强件是CNC加工,并放置在主皮肤的内表面上的预定位置,然后将另一层玻璃织物放在泡沫上。该配置真空袋,然后注入树脂。新设计的一个挑战是如何确保加强筋周围的树脂流动。树脂进料管线需要仔细定位,以便在整个部件上润湿,并且Suzlon与树脂供应商一起使用,以提供具有更长凝胶时间的树脂,以允许树脂比其他部分在某些区域蔓延到分布的时间。(据说输注需要60〜120分钟,基于部分复杂性和大小)。

复合机舱盖板

成品的顶盖。最终的机舱外壳,包括模制和修剪后所示的上盖的三件,在Suzlon的设施中机械紧固在一起。这里显示在顶盖中的大孔是能够使机舱通风。

输注后,通过在室温下通过1小时预固化固化组分以除去夹带空气,然后通过受控环境中的外部加热器在升高的温度下进行七小时固化。使用机械紧固件组装三个成品的机舱壳体组件。在真空下原位成型多加强筋的过程在2019年获得了Suzlon ICERP-JEC创新奖。

总体而言,Suzlon报告了原位成型过程导致循环时间减少10%,与夹心板的生产过程相比,泡沫芯的减少了35%,使得Suzlon能够更快地生产这些部件的成本节约-有效。根据Alchiya的说法,为了帮助风电场实现LCoE目标,这些节省也会导致客户的整体更实惠的能源系统:“这种优化被认为是风力涡轮机制造业中能量能源成本的主要贡献者之一,“ 他说。

优化的涡轮机外壳首先安装在2017-2018财年的Suzlon 2.1-MW涡轮机上,并已安装超过250个涡轮机迄今为止和计数。

Suzlon机舱

迄今已安装超过250。Suzlon继续安装2.1 MW涡轮机,其优化的机舱盖板。一个关键设计考虑因素是僵硬的,无论是保护内部涡轮机免受天气和其他危害,并为维护人员提供安全的表面。

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