san xuat canh tubin gio composite

Tổng quan về quy trình sản xuất vật liệu composite
dùng trong cánh turbine gió

Mục lục
 Vật liệu composite dùng trong cánh turbine gió
 Cấu trúc cánh turbine gió
 Vật liệu composite tiên tiến
 Quy trình chế tạo cánh
o Pha chế chất dẻo vật liệu composite
o Quá trình lắp ráp
o Quá trình gia công cột trụ
o Quy trình sản xuất tương lai
 Tóm tắt


Vật liệu composite được sử dụng ở đâu trong Turbine
gió?
 Cánh
 Vỏ
 Trục

Cấu trúc cánh Turbine
 Cánh turbine bắt buộc phải chịu được tĩnh và lực nâng động học,
kéo và tải quán tính trong một dải nhiệt độ rộng và các điều kiện
thiên nhiên khác (tia UV, mưa đá, va đập, …) trong suốt thời gian
phục vụ, thông thường là 20 năm.
 Cánh phải sở hữu các yếu tố sau:
o Trọng lượng nhẹ và quán tính quay
o Bền bỉ
o Chịu mỏi và sự ăn mòn
 Những yêu cầu tiêu chuẩn về tỉ lệ và kích thước cánh. Như: Một

cánh quạt tiêu chuẩn 35-40m cho Turbine công suất 1,5 MW nặng
6-7 tấn.
 Cấu trúc một cánh Turbine thông thường gồm có lớp vỏ bên ngoài
và xà dọc chính của cánh.
 Chú thích hình:
o Vỏ 3 lớp: được tạo nên từ vật liệu hỗn hợp cấu tạo bởi một
loại vật liệu nhẹ có tỷ trọng thấp được bao xung quanh bởi
các lớp chất rắn dày, kết hợp được trọng lượng nhẹ và độ
cứng lớn.


 Cấu trúc hoàn chỉnh của một cánh Turbine


Vật liệu Composite tiên tiến sử dụng trong cánh Turbine gió
 Bởi những yêu cầu đặc biệt của cánh Turbine kích thước lớn nên
vật liệu composite tiên tiến đã được lựa chọn.
 Vật liệu sợi composite được sử dụng để gia cố trong cấu trúc cánh
o Sợi E-glass truyền thống (70-75 % trọng lượng) liên kết với
epoxy hoặc chất dẻo polyester không no (phổ biến nhất)
o Sợi Carbon liên kết với chất dẻo như trên (ít phổ biến dù
cung cấp độ cứng cao cùng trọng lượng nhẹ cho cánh quạt
turbine dài hơn)
 Chất dẻo tổng hợp được sử dụng trong cấu trúc cánh:
o Epoxy được ưa thích hơn cho cánh lớn vì nó cho hiệu suất cơ
học tốt hơn đặc biệt là độ bền kéo và độ bền uốn.
o Polyester dễ dàng hơn cho gia công và ít tốn kém hơn
o Vinyl ester (sử dụng hạn chế nhưng đang phát triển)
 Những vật liệu lõi được sử dụng chủ yếu cho những khu vực độ
ổn định lớn như trong các tấm mũi trước/mép đuôi và màng kết

nối xà dọc trên dưới.
o Balsa: chi phí thấp, tính cắt tốt, trọng lượng nặng
o Lõi dạng bọt: PVC, Urathane, PET
o Vật liệu lõi kỹ thuật: Webcore TYCOR, NexCore


Chất thành phần của vật liệu Composite tiên tiến
 Một vật liệu Composite bao gồm hai hoặc nhiều hơn các vật liệu
trong đó: tác nhân gia cố (sợi) và chất dẻo kết dính phù hợp để có
được cụ thể các tính chất và đặc trưng mong muốn.
 Composite Matrix Polyester hay còn được gọi là “vật liệu
composite tiên tiến” bao gồm một lưới chất dẻo polymer chứa
các sợi có độ bền và mô-đun cao (thường là liên tục)
Sợi
 Vật liệu tổng hợp tiên tiến được dùng rất cứng và bền, như sợi
thủy tinh nhẹ, carbon/graphite, bo, Kevlar (aramid), vật liệu hữu
cơ khác, và sợi hỗn hợp.
 Dạng phổ biến của sợi gia cố được hiển thị dưới đây:
o Lưới
o Mạch rối liên tục
o Tấm theo một hướng xác định
 Tác dụng tăng độ bền của sợi trong vật liệu tổng hợp tiên tiến phụ
thuộc vào:
o Tỷ lệ các sợi
o Loại sợi
o Sự định hướng đối với phương của các tải
o Sự liên kết bền giữa sợi và lưới.

Lưới chất dẻo Polymer
 Hai loại chính của lưới chất dẻo polimer là chất dẻo nhiệt rắn và

chất dẻo nhiệt dẻo.


o Loại chất dẻo nhiệt rắn bao gồm epoxy, phenol,
bismaleimide, và polyimide.o Loại chất dẻo nhiệt dẻo bao gồm nylon (polyamide),
polysulfone, polyphenylene sulfide, và
polyetheretherketone (PEEK).
 Lưới giữ các sợi tại chỗ và dưới một tải áp dụng, biến dạng và
phân chia ứng suất giữa các sợi.
Các loại Composite tiên tiến
 Composite có thể chia thành lớp mỏng và lớp chồng

o Lớp mỏng – Các lớp của vật liệu composite được liên kết với
nhau


o Lớp chồng – Cấu trúc composite nhiều lớp gồm một lõi tỷ
trọng thấp giữa các lớp vỏ composite mỏng.


Chế tạo cánh Turbine gió
 Rào cản trong việc chế tạo cánh Turbin gió là:
o Quy mô vật lý các bộ phận
o Thiếu sự cạnh tranh công nghệ và bí quyết sản xuất
o Nguồn cung vật liệu
o Độ phổ biến trên toàn cầu
o Chi phí đầu tư cao
 Trong số 12 nhà cung cấp turbine gió hàng đầu, top 4 nắm giữ ¾
thị trường
o Vestas Wind Systems A/S của Đan Mạch

o GE Energy của Mỹ
o Gamesa của Tây Ban Nha
o Enercon của Đức


Các phương pháp pha chế chất dẻo cho lớp vỏ
cánh và xà dọc

 Hầu hết các nhà sản xuất cánh đều sử dụng các phương pháp pha
chế chất dẻo sau để làm lớp vỏ cho cánh Turbin bao gồm :
o RTM - Đúc ép phun chất dẻo
o SCRIMP - Quy trình đúc ép phun composite của Seeman
o Phủ màng chất dẻo
o Phủ lên tấm thủy tinh để pha chế chất dẻo của cánh turbine.
Xu hướng là tự động hóa cao hơn trong sản xuất cánh.
o Nung nóng ER của Epoxy/ lớp vỏ thủy tinh cánh


Pha chế chất dẻo – Đúc ép phun chất dẻo
 Quy trình: Các tấm vải được đặt lên thành một đống khô của vật
liệu. Các tấm vải này đôi khi được ép trước vào khuôn hình, và
được giữ với nhau bằng một chất kết dính. Những 'khuôn phôi'
này sau đó được dễ dàng đặt vào các khuôn công cụ. Một khuôn
công cụ thứ hai sau đó kẹp chặt cái đầu tiên, và chất dẻo được
phun vào khoang. Quy trình hút chân không cũng có thể được áp
dụng cho khoang khuôn để hỗ trợ trong việc kéo chất dẻo vào các
sợi vải. Đây được gọi là đúc ép phun chất dẻo với sự hỗ trợ của
hút chân không (VARTM). Một khi tất cả các vải đã nhúng ướt, các
lỗ rót chất dẻo được đóng lại, và sau đó là cán mỏng để lưu hóa.
Cả phun và lưu hóa có thể xảy ra ở cả nhiệt độ phòng hoặc nhiệt

độ cao.

 Lựa chọn vật liệu:
o Chất dẻo: Thông thường là epoxy, polyester, vinylester and
phenolic, mặc dù chất dẻo nhiệt độ cao như bismaleimides
có thể được sử dụng ở quy trình nhiệt độ cao.
o Sợi: Bất kz. Vật liệu khâu làm việc tốt trong quá trình này vì
có các khoảng trống cho phép lưu chuyển chất dẻo nhanh


chóng. Một số sợi được phát triển đặc biệt có thể hỗ trợ
chất dẻo chảy theo dòng.
o Lõi: Không có dạng tổ ong, vì các ô có thể bị lấp đầy bởi chất
dẻo và áp lực có thể phá vỡ bọt.
 Ưu điểm chính
o Thu được một lượng lớn tấm sợi với rất ít khoảng trống.
o An toàn cho sức khỏe con người và môi trường
o Có thể giảm số lượng lao động
 Nhược điểm chính
o Khuôn nặng và chi phí cao để có thể chịu được áp suất lớn
o Giới hạn số lượng thành phần
o Khu vực chống thấm cấu tạo từ rất nhiều bộ phận chi phí
cao
 Ứng dụng khác
o Thành phần phức tạp nhỏ trong máy bay, ô tô.


Pha chế chất dẻo – SCRIMP hoặc RTM
 Quy trình: Với quá trình SCRIMP hay RTM, các tấm vải được đặt
lên thành một chồng khô của vật liệu trong một khuôn mở như

trong RTM. Các chồng sợi sau đó được phủ bằng lớp vỏ và một
loại vải dệt kim phi cấu trúc. Các chồng vải khô sau đó được đóng
gói trong túi chân không, và một khi túi bị rò rỉ sẽ bị loại bỏ, chất
dẻo được chảy vào thành lớp mỏng. Sự phân bố đều chất dẻo
trên toàn bộ tấm mỏng nhờ chất dẻo có thể chảy dễ dàng qua lớp
vải phi kết cấu, và việc nhúng ướt vải từ trên cao.

 Lựa chọn vật liệu
o Chất dẻo: thông thường là epoxy, polyester và vinylester.
o Sợi: Bất kì loại vải thông thường nào. Vật liệu khâu sẽ làm
việc tốt trong quá trình này vì các lỗ trống sẽ cho chất dẻo
chuyển qua nhanh chóng.
o Lõi: Bất kì trừ vật liệu có cấu trúc tổ ong
 Lợi thế chính:
o Tương tự như RTM, ngoại trừ chỉ có một bên của thành
phần có đúc kết thúc.
o Chi phí khuôn thấp hơn nhiều do một nửa của công cụ là túi
chân không, và các khuôn chính yêu cầu ít độ bền hơn.
o Có thể tạo ra thành phần lớn


o Khuôn xếp lớp ướt tiêu chuẩn có thể được sửa đổi cho phù
hợp quá trình này.
o Có thể sản xuất được cấu trúc lõi chỉ trong một công đoạn.
 Nhược điểm chính:
o Quá trình tương đối phức tạp để thực hiện.
o Chất dẻo phải có độ nhớt rất thấp, để đảm bảo các đặc tính
cơ học.
o Khu vực chống thấm cần nhiều bộ phận đắt tiền.
o Một số bước của quá trình này được bảo vệ bởi bằng sáng

chế (SCRIMP).
 Ứng dụng khác


Pha chế chất dẻo – Pha chế màng chất dẻo
 Quy trình: Các tấm vải khô được đặt xen kẽ với lớp màng nhựa
bán rắn. Chúng được đóng túi chân không để loại bỏ không khí
trong các lớp vải khô, sau đó làm nóng để chất dẻo tan chảy và
chảy vào các lớp vải không có không khí, tiếp đến sau một thời
gian nhất định, tiến hành lưu hóa.

 Lựa chọn vật liệu:
o Nhựa: thường là eposy.
o Sợi: Bất kz.
o Lõi: Hầu hết, mặc dù vậy một số loại bọt PVC đặc biệt có thể
cần đến do nhiệt độ cao trong quá trình này.


 Ưu điểm chính
o Có thể đạt khối lượng sợi lớn một cách chính xác với khoảng
trống thấp.
o An toàn và sạch sẽ, như phương pháp dùng chất tẩm trước.
o Tính chất cơ cao do trạng thái rắn của vật liệu polyme ban
đầu và nhiệt độ lưu hóa cao.
o Chi phí thấp hơn so với phương pháp dùng chất tẩm trước,
và các lợi thế khác.
 Nhược điểm chính
o Không được ứng dụng rộng rãi bên ngoài ngành công nghiệp
hàng không vũ trụ.
o Yêu cầu một hệ thống lò và đóng gói chân không để lưu hóa

các thành phần như pp dùng chất tẩm trước.
o Cần khuôn đặc biệt để có thể tiến hành quá trình nhiệt màng
chất dẻo
o Vật liệu lõi cần phải có khả năng chịu được quá trình nhiệt
và áp suất.
 Các ứng dụng khác:
o Dùng trong Radomes máy bay và vòm sonar tàu ngầm.


Lắp ráp các bộ phận
 Cánh turbine composite thường được đúc trong hai nửa sau đó
liên kết với nhau bằng lớp chất dẻo kết dính epoxy.
Chế tạo cột
 Đánh bóng và hoàn thiện là những công đoạn thủ công ở quá
trình chế tạo có thể được tinh giảm bởi tự động hóa và các vật
liệu tiên tiến.
 Cánh gió thường được đúc phủ gel.


Tương lai của công nghệ chế tạo cánh
Phương pháp ép khuôn hở và xếp lớp thủ công chất tẩm trước
+ đóng gói chân không + lưu hóa
 Quy trình: Chất tẩm trước được lưu trữ ở nhiệt độ lạnh, giữ cho
các chất xúc tác chủ yếu chưa phản ứng cho đến khi chảy ra. Các
chất dẻo thường ở trạng thái gần rắn trong điều kiện nhiệt độ
phòng, vì vậy chất tẩm trước sẽ có độ dính nhẹ, chẳng hạn dính
như băng dính. Các chất tẩm trước được xếp thành lớp bằng tay
trên một khuôn bề mặt, cho vào túi hút chân không, và sau đó
đun nóng đến 120-180 ° C. Điều này cho phép chất dẻo chảy
thành dòng và cuối cùng để lưu hóa. Một nồi hấp được sử dụng

để tăng thêm áp suất khoảng 5 atm lên các khuôn để cán mỏng.
Nếu không, cũng có thể sử dụng một lò sấy đơn giản.


 Bản vẽ chi tiết các lớp của túi hút chân không có và không có vật
liệu lõi


 Vật liệu dùng trong túi xếp lớp hút chân không
o Chất phản ứng thoát hơi – cho phép thoát ra các phần đã
lưu hóa ra khỏi khuôn
o Lớp vỏ (tùy chọn) – lớp vải cho phép các chất bay hơi ra dễ
dàng và loại bỏ chất kết dính dư thừa
o Lớp vải lọc Bleeder (sợi vải nỉ hoặc sợi thủy tinh) – hấp thụ
chất kết dính dư thừa, có thể được định cỡ để sản xuất
thành các phần thể tích sợi xác định
o Lớp màng thoát hơi – ngăn chặn dòng chất kết dính chảy ra
ngoài và cho phép chất bay hơi và không khí bay qua đến lớp
Breather
o Lớp vải Breether - cung cấp phần không gian ở giữa để hút
chân không đồng đều và loại bỏ không khí cũng như chất
bay hơi ra khỏi toàn bộ các lớp. Tăng độ dày đồng nghĩa với
việc phải tăng áp lực nồi hấp.
o Túi chân không/Khóa chân không – cung cấp một túi kín để
tạo thành túi chân không.


 Giản đồ phác họa quá trình hấp

 Giản đồ phác họa cho quá trình điều nhiệt lưu hóa

 Lựa chọn vật liệu
o Chất dẻo: Thông thường là epoxy, polyester, phenolic và
chất dẻo nhiệt độ cao như polyimides, cyanate esters và
bismaleimides.
o Sợi: Bất kz. Có thể sử dụng trực tiếp từ sợi xơ thô hoặc bất
kz loại vải nào.
o Lõi: Bất kz, mặc dù vậy một số loại bọt đặc biệt có thể cần
đến do nhiệt độ cao trong quá trình này.
 Ưu điểm chính
o Tỉ lệ chất dẻo/chất xúc tác và hàm lượng chất dẻo được tính
toán chính xác theo quy định của nhà sản xuất vật liệu. Đạt
được khối lượng sợi lớn một cách an toàn.
o Vật liệu có đặc tính và tính chất tuyệt vời cũng như đã được
làm sạch.
o Chi phí sợi được giảm thiểu trong tấm một chiều vì không
cần quá trình trung gian để chuyển chất xơ thành sợi vải
trước khi sử dụng.
o Chất dẻo hóa học được tối ưu hóa về hiệu suất cơ và nhiệt,
với các chất dẻo có độ nhớt cao sẽ trở nên không thể thấm
được do quá trình sản xuất.
o Tuổi thọ làm việc được kéo dài nghĩa là dễ dàng đạt được
cấu trúc xếp lớp phức tạp và tối ưu hóa.
o Có khả năng tự động hóa và tinh giảm nhân công.


 Nhược điểm chính
o Chi phí vật liệu cao hơn so với vải đã được tẩm trước.
o Cần có các nồi hấp để lưu hóa các thành phần. Các nồi hấp

thường rất tốn kém, vận hành chậm và hạn chế về kích
thước.
o Khuôn cần phải chịu được quá trình nhiệt độ và ép áp suất.
o Vật liệu lõi cần phải chịu được quá trình nhiệt độ và ép áp
suất.
 Ứng dụng tiêu biểu
o Thành phần cấu trúc máy bay (đuôi và cánh), xe đua, dụng
cụ thể thao.


Khuôn mở - Lựa chọn thay thế cho xếp lớp thủ công
 Quy trình rải băng tự động (ATL) Thiết bị tham gia là robot đa trục
với cơ cấu chấp hành đầu cuối tùy chỉnh ghép với một dải rãnh cắt
chất tẩm trước lớn, duy nhất, gia cố đơn hướng để xếp lớp đơn
giản, hình bao thoát trên một khuôn ép cứng hoặc các chi tiết
phẳng.


Quá trình ép khuôn nhanh màng kép Diaphragm
(RDDF) của chi tiết gia công chất dẻo nhiệt rắn vật liệu
composite


Quá trình ép nhiệt (Đang chờ bằng sáng chế)