ПРИМЕНЕНИЕ СЛОИСТЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ВЕТРОСИЛОВЫХ УСТАНОВКАХ
APPLICATION OF LAMINAR STRUCTURES IN WINDMILLS

Изобретение касается применения слоистых конструкций при изготовлении лопастей роторов для ветросиловых установок (ветроэлектростанций, ветрогенераторов), а также оно касается лопастей роторов для ветросиловых установок.
Использование энергии ветра приобретает все большее значение, так что ветросиловые установки, в особенности лопасти роторов и их изготовление, интенсивно изучают и совершенствуют. При этом основное внимание уделяют качеству изготовленных роторных лопастей и дешевизне производства. Известные до настоящего времени лопасти роторов для ветросиловых установок состоят из армированных волокнами синтетических материалов на основе смол в качестве материала матрикса, как, например, полиэфирных смол (UP), винилэфирных смол (VE), эпоксидных смол (ЕР). Производство лопастей в основном осуществляют, изготавливая в каждом случае одним куском нижнюю и верхнюю половину крыла. Затем обе эти половины прикладывают друг к другу и склеивают. Для укрепления вклеивают распорки или пояски.
При производстве половин лопастей (крыльев) сначала изготавливают волоконные композитные материалы, которые должны затвердеть. Этот процесс затвердевания занимает очень много времени и отрицательно сказывается на быстроте производства в целом. Роторные лопасти для ветросиловых установок из вышеуказанных смол обычно изготавливают ламинированием вручную, ручным ламинированием с поддержкой по технологии препрегов, методом намотки или методом вакуумной инфузии. При ламинировании вручную сначала готовят форму, нанося на поверхность формы разделяющий агент и при необходимости гелевое покрытие. Затем в форму последовательно вкладывают стеклянные свивки с однонаправленной или двухосной ориентацией. После этого на свивку наносят смолу и вручную - раскаткой - вдавливают в свивку. Этот этап можно повторять соответствующее число раз. Дополнительно можно вводить пояски как армирующий материал и другие детали, как, например, молниеотводные устройства. На этот первый слой, армированный стекловолокном, наносят так называемый распорочный (прокладочный слой), как правило, из бальсового дерева, поливинилхлоридной (РУС) или полиуретановой (PUR) пены, и второй армированный стекловолокном слой аналогично первому. Хотя этот способ и обладает тем преимуществом, что капиталовложения в оборудование малы, а ошибки просто обнаруживать и исправлять, но изготовление, однако, сопряжено со слишком большими расходами на оплату труда, из-за чего стоимость способа очень высока, а продолжительное время изготовления ведет к росту числа ошибок и к высоким затратам на обеспечение качества.
Способ ручного ламинирования с поддержкой по технологии препрегов реализуют подобно способу простого ламинирования вручную. При этом, однако, вне формы изготавливают так называемые препреги (пропитанные смолой предварительно изготовленные стеклянные маты), а затем размещают их в форме для лопасти ротора. Хотя реализованная в сравнении с простым ручным ламинированием частичная автоматизация для изготовления препрегов и улучшает равномерность качества при изготовлении роторов, но требования техники безопасности по защите рабочих от содержащихся в смолистых смесях летучих соединений означают заметные затраты (безопасность на рабочем месте и т.д.).
При реализации метода инжекции смолы в закрытую форму (известного также как Resin Transfer Molding (RTM), или как литьевое прессование полимера с помощью вакуума (VA RTM), или как процесс SCRIMP (Seemann Composites Resin Infusion Molding Process)) подготавливают формы, нанося разделяющий агент и при необходимости гелевое покрытие. Затем согласно точному плану изготовления в форму укладывают сухие волоконные маты. Первый уложенный слой позднее будет представлять собой обращенный наружу слой роторной лопасти. Затем укладывают распорочные (прокладочные) материалы, на которых снова размещают волоконные маты, которые образуют уже внутренний слой готовой половины (полуоболочки) ротора. Затем всю форму герметично закрывают пленкой, выдерживающей вакуум. Из подготовленной таким образом формы откачивают воздух - из волоконных матов и прокладочных материалов, после чего в форму в различных местах инъецируют смолу (в пространство между пленкой и формой. Этот способ, как и оба указанных выше, обладает тем недостатком, что время, необходимое на затвердевание до извлечения детали из формы, составляющее до 12 часов, слишком велико, и производительность установок из-за этого очень ограничена.
Поэтому задача настоящего изобретения состояла в том, чтобы предложить роторные лопасти, которые не имеют вышеупомянутых недостатков и которые также можно недорого изготавливать за более короткое время.
Эту задачу неожиданно удалось решить посредством того, что лопасти изготавливают, применяя в качестве синтетического материала полиуретан вместо вышеуказанных смол. Согласно изобретению полиуретан применяют в качестве синтетического материала в особенности в наружной оболочке роторной лопасти; им нагружают применяемые в наружной оболочке волоконные слои.
Предметом изобретения являются роторные лопасти для ветросиловых установок, имеющие наружную оболочку, которая по меньшей мере частично состоит из слоистой конструкции со следующими слоями:
a) слой разделяющего агента;
b) при необходимости слой гелевого покрытия;
c) обработанный синтетическим материалом волоконный слой;
d) при необходимости дистанцирующий (распорный) слой;
e) снабженный синтетическим материалом волоконный слой;
f) при необходимости синтетическая пленка,
и отличается тем, что в качестве синтетического материала применяют полиуретан.
Еще одним предметом изобретения является способ изготовления роторных лопастей для ветросиловых установок согласно изобретению, имеющих наружную оболочку, которая по меньшей мере частично состоит из слоистой конструкции со следующими слоями:
a) слой разделяющего агента;
b) при необходимости слой гелевого покрытия;
c) обработанный синтетическим материалом волоконный слой;
d) при необходимости распорный(дистанцирующий) слой;
e) снабженный синтетическим материалом волоконный слой;
f) при необходимости синтетическая пленка,
отличающийся тем, что волоконные слои обрабатывают в качестве синтетического материала реакционной смесью для изготовления полиуретана.
Еще один предмет изобретения - это применение слоистой конструкции при изготовлении роторных лопастей для ветросиловых установок, причем слоистая конструкция включает в себя следующие слои:
a) слой разделяющего агента;
b) при необходимости слой гелевого покрытия;
c) обработанный синтетическим материалом волоконный слой;
d) при необходимости распорный(дистанцирующий) слой;
e) снабженный синтетическим материалом волоконный слой;
f) при необходимости синтетическая пленка,
и отличается тем, что в качестве синтетического материала применяют полиуретан.
Для слоя разделяющего агента предпочтительно применяют разделяющие агенты, содержащие силикон или воск. Они известны из литературы.
Гелевое покрытие предпочтительно состоит из полиуретановых, эпоксидных, ненасыщенных сложно-полиэфирных или виниловых смол.
В качестве волоконного слоя можно, предпочтительно, применять спутанные слои стекловолокна, ткань и свивку из стекловолокна, резаные или размолотые стеклянные или минеральные волокна, а также волоконные маты, холсты и трикотаж на основе полимерных, минеральных, углеродных, стеклянных либо же арамидных волокон, а также их смеси, особо предпочтительно - стекловолоконные маты или стекловолоконные холсты. В качестве распорного слоя предпочтительно применять пенопластмассы, дерево или металл.
Применяемую в качестве опции синтетическую пленку можно при изготовлении роторной лопасти оставлять как слой в оболочке или удалять при извлечении половины роторной лопасти из формы.
Она служит, в частности, для того, чтобы в процессе производства герметизировать полуоболочку формы, заполненную вышеуказанными слоями, для удаления воздуха перед заполнением жидкой смолистой смесью.
В качестве синтетического материала применяют полиуретан. Полиуретаны получают реакцией полиизоцианатов с соединениями, имеющими по меньшей мере два способных реагировать с изоцианатными группами атома водорода. Реакционную смесь из изоцианатного компонента и соединений, имеющих по меньшей мере два способных реагировать с изоцианатными группами атома водорода, впрыскивают в подготовленную слоистую конструкцию, из которой откачан воздух.
В качестве соединений, имеющих по меньшей мере два атома водорода, способных реагировать с изоцианатными группами, можно применять те, что несут в молекуле по меньшей мере две реактивные группы, например ОН-группы, SH-группы, NH-группы, NH-группы и СН-кислые группы. Предпочтительно применять простые полиэфирполиолы и/или сложные полиэфирполиолы, особо предпочтительно простые полиэфирполиолы. Полиольная рецептура предпочтительно содержит такие полиолы, у которых гидроксильное число составляет от 200 до 1830 мг КОН/г, предпочтительно от 300 до 1000 мг КОН/г, а особо предпочтительно - от 350 до 500 мг КОН/г. Предпочтительно, чтобы вязкость полиолов была ниже 800 мПа·с (при 25°С). Предпочтительно, чтобы полиолы содержали по меньшей мере 60% вторичных ОН-групп, предпочтительно по меньшей мере 80% вторичных ОН-групп, а особо предпочтительно - по меньшей мере 90% вторичных ОН-групп. Особо предпочтительны простые полиэфирполиолы на основе пропиленоксида.
В качестве полиизоцианатного компонента применяют обычные алифатические, циклоалифатические, а в особенности ароматические диизоцианаты и/или полиизоцианаты. Примеры таких подходящих полиизоцианатов - это 1,4-бутилендиизоцианат, 1,5-пентандиизоцианат, 1,6-гексаметилендиизоцианат (HDI), изофорондиизоцианат (IPDI), 2,2,4- и/или 2,4,4-триметилгексаметилендиизоцианат, бис(4,4'-изоцианатоциклогексил)метан или его смеси с произвольным содержанием изомеров, 1,4-циклогексилендиизоцианат, 1,4-фенилендиизоцианат, 2,4- и/или 2,6-толуилендиизоцианат (TDI), 1,5-нафтилендиизоцианат, 2,2'-и/или 2,4'- и/или 4,4'-дифенилметандиизоцианат (MDI) и/или более высокие его гомологи (полимерный MDI), 1,3- и/или 1,4-бис-(2-изоцианато- prop-2-ил)-бензол (TMXDI), 1,3-бис-(изоцианатометил)бензол (XDI). В качестве изоцианата предпочтительно применяют дифенилметандиизоцианат (MDI), а в особенности смеси дифенилметандиизоцианата и полифениленполиметиленполиизоцианата (pMDI). Содержание мономеров в смесях дифенилметандиизоцианата и полифениленполиметиленполиизоцианата (pMDI) предпочтительно составляет от 40 до 100 вес.%, предпочтительно от 50 до 90 вес.%, особо предпочтительно от 60 до 80 вес.%. Целесообразно, чтобы содержание NCO в применяемом полиизоцианате превышало 25 вес.%, предпочтительно превышало 30 вес.%, особо предпочтительно - превышало 31,4 вес.%. Предпочтительно, чтобы в использованном MDI содержание 2,2'-дифенилметандиизоцианата и 2,4'-дифенилметандиизоцианата суммарно составляло по меньшей мере 3 вес.%, предпочтительно по меньшей мере 20 вес.%, особо предпочтительно по меньшей мере 40 вес.%. Предпочтительно, чтобы вязкость изоцианата была <250 мПа·с (при 25°С), предпочтительно <100 мПа·с (при 25°С), а особо предпочтительно <50 мПа·с (при 25°С).
Предпочтительно, чтобы полиуретановая реакционная смесь помимо известных реакционных компонентов, а также присадок и добавок содержала наполнители, например углеродные нанотрубки, сульфат бария, диоксид титана, короткие стекловолокна или натуральные минералы в форме волокон или пластинок (чешуек), как, например, волластонит или мусковит. В качестве присадок и добавок предпочтительно применяют пеногасители, катализаторы и латентные катализаторы. В случае необходимости можно применять другие известные присадки и добавки.
Подходящие полиуретановые системы - это, в частности, прозрачные системы. Поскольку при изготовлении крупных фасонных изделий для равномерного заполнения формы необходима низкая вязкость, особо удобны в применении полиуретановые системы, имеющие вязкость <5000 мПа·с (при 25°С; через 30 мин. после смешивания компонентов), предпочтительно 5; 2000 мПа·с, особо предпочтительно 1000 мПа·с. Соотношение между изоцианатным компонентом и соединениями, имеющими по меньшей мере два атома водорода, способных реагировать с изоцианатами, предпочтительно выбирать так, чтобы в реакционной смеси отношение числа изоцианатных групп к числу групп, способных реагировать с изоцианатом, находилось между 0,9 и 1,5, предпочтительно между 1,0 и 1,2, особо предпочтительно между 1,02 и 1,1.
В предпочтительной форме исполнения реакционную смесь из изоцианатного компонента и соединений по меньшей мере с двумя способными реагировать с изоцианатами атомами водорода впрыскивают при температуре от 20 до 80°С, особо предпочтительно от 25 до 40°С.
После введения реакционной смеси затвердевание полиуретана можно ускорить, нагревая форму. В предпочтительной форме исполнения инъецированная реакционная смесь из изоцианатного компонента и соединений по меньшей мере с двумя способными реагировать с изоцианатами атомами водорода затвердевает при температуре от 40 до 160°С, предпочтительно от 60 до 120°С, особо предпочтительно от 70 до 90°С.
Более подробное пояснение изобретения дано на основании нижеследующих примеров.
Примеры
Изготовили фасонные изделия (пластины) из различных полиуретановых систем и сравнили их со стандартной системой эпоксидных смол. Размер пластины составлял 17 см*17 см при толщине 4 мм.
Время извлечения из формы - это то время, по прошествии которого образец из ПУ можно вручную извлечь из формы для пластины без деформации.
Вязкость определяли через 30 минут после перемешивания компонентов, поскольку при изготовлении крупных фасонных изделий для равномерного заполнения формы необходима низкая вязкость на некоторое время.
Пример 1
70 г Baygal К 55 (простой полиэфирполиол производства фирмы Bayer MaterialScience AG; гидроксильное число 385±15 мг КОН/г; вязкость при 25°С 600±50 мПа·с) смешали при комнатной температуре с 65,3 г Baymidur К 88 (продукт фирмы Вауег MaterialScience AG, смесь дифенилметандиизоцианата и полифенилен-полиметиленполииизоцианата, содержание NCO 31,5±0,5 вес.%; вязкость при 25°С: 90±20 мПа·с) и провели дегазацию при пониженном давлении. Раствор залили в форму для пластины и выдержали один час при комнатной температуре. Затем образец подвергли термообработке при 80°С. Длительность желирования составила около 70 минут, а время извлечения из формы - два часа.
Плотность образца по Шору составила 76 D.
Вязкость при 25°С через 30 минут после смешивания компонентов составила 1540 мПа·с.
Пример 2
70 г Baygal К 55 (простой полиэфирполиол производства фирмы Bayer MaterialScience AG; гидроксильное число 385±15 мг КОН/г; вязкость при 25°С 600±50 мПа·с) смешали при комнатной температуре с 63 г Baymidur VP.K.U 3-5009 (продукт фирмы Вауег MaterialScience AG, смесь дифенилметандиизоцианата и полифенилен-полиметиленполииизоцианата, содержание NCO 31,5-33,5 вес.%; вязкость при 25°С 15-30 мПа·с) и провели дегазацию при пониженном давлении.
Раствор залили в форму для пластины и выдержали один час при комнатной температуре. Затем образец подвергли термообработке при 80°С. Время извлечения из формы составило два часа.
Плотность образца по Шору составила 76 D.
Вязкость при 25°С через 30 минут после смешивания компонентов составила 974 мПа·с.
Контрольный пример 3
180 г инфузионной смолы Larit RIM 135 (L-135i) (продукт фирмы Lange+Ritter) смешали при комнатной температуре с 60 г отвердителя Larit RIMH 137 (продукт фирмы Lange+Ritter) и провели дегазацию при пониженном давлении. Раствор залили в форму для пластины и выдержали один час при комнатной температуре. Затем образец подвергли термообработке при 80°С. Время извлечения из формы составило двенадцать часов.
Плотность образца по Шору составила 76 D.
Полиуретановую систему удалось извлечь из формы значительно быстрее. Сокращение периода до извлечения из формы у полиуретановой системы дает возможность высокой производительности, поскольку время занятия форм можно значительно уменьшить, и таким образом можно изготовить больше фасонных изделий.