文：张奇虎、杨胜、宋加佳、钟杰南车株洲电力机车研究所风电事业部
摘要：本文主要介绍了2.5MW 沿海型风力发电机机舱罩选用的研制过程、结构形式、力学性能，对今后研发和实现机舱罩的规模化和系列化有着重要的指导意义，提出了目前玻璃钢复合材料在风电发电领域应用存在的问题，具有一定的现实意义和实用价值。
1.前言
风电机组机舱罩是罩在风力发电机组最外的一层防护装置，风力发电机组的发电机、变速箱和变流器等核心部件基本都安装在风电机组机舱罩内，风电机组机舱罩对于安装在风电机组机舱罩内的设备起着安全防护作用。国内2008 年开始从国外引进了各型1.5MW 风力发电机机舱，获得了相关技术资料。但在开发2.5MW 风电机组中对于材料选型、模具制作、结构设计和成型过程等仍然远远不足，如何在更大尺寸的前提下保证不变形、较高的尺寸要求和合理的结构设计和制造工艺等。
本文对此大型机舱罩整个设计制造过程进行了系统的研究，研制出了满足要求的复合材料机舱罩。2.5MW 风力发电机机舱罩外形为方形设计，最大长度 10m，最大宽度4m，最大高度 4m，经计算力学性能好，所采用的胶衣耐环境要求高。
2.结构设计和力学性能
此机舱罩的罩体主要由两种结构形式组成，一种是实心层合板，主要为机舱罩脱模面部位;另一种是夹层结构加强筋，主要铺设于机舱罩内部，由于此机舱罩纵向尺寸较横向尺寸大很多，为了有效提高罩体的刚度，机舱罩内部横向铺设多根加强筋。通过将实心层和加强筋结合后设计出2.5MW 风电机舱罩模型。
为解决风电机组密封性的问题，在风电机组前段增加了前段密封装置和密封门，有效的解决了风沙大和冬季舱内温度低齿轮箱无法启动的问题。机舱罩模型图如图1 所示。
力学性能方面，通过采用计算和利用有限元软件对结构进行了力学校核，满足强度要求和刚度要求。
实心层压板方面：根据初步设计计算，玻纤层压板连同胶衣层厚度为8.0mm。面板性能其压缩强度σb 为100MPa，试验的离散系数Cv为 7.2%，拉伸强度σt 为 150MPa，离散系数Cv 为7.0%;弹性模量Ef 为10GPa，泊松比为 0.25。纬向芯子剪切强度τt 为1.5MPa，剪切模量GC为30MPa;经向芯子剪切强度τc 为1.0MPa，剪切模量GC 为 18MPa。
加强筋方面：因断面为矩形，泡沫芯或空心的，壁厚为 12mm，机舱罩沿宽度方向布置了10 根加强筋，沿长度方向布置了2 根。加强筋的性能：拉伸强度为 220MPa，压缩强度为 200MPa， 离散系数为 7.0%，弹性模量为 10GPa，泊松比为 0.22。
经过对此机舱罩的挠度的计算，最大挠度为0.306%，小于 0.5%;强度方面：经计算层压板结构面板的最大压应力为13.227MPa，比其设计值Rd=31.327(35.09)MPa 小得多;加强筋上的最大拉伸应力为43.128MPa，也远比加强筋的拉伸应力设计值Rd=69.27(77.57)MPa 小。稳定性方面：主要由机舱罩迎风面产生风压，对上、下盖板、侧板产生轴向压力而可能产生的失稳，加之上、下盖板、侧板还有风压(负压)作用。计算得σcr=33.763MPa， 临界应力远比轴向压应力大，侧向载荷和轴向压力联合作用下，其临界准则为：
经过计算可得出以下结论：
(1)以52.5m/s 风速， 最大挠度为29.208mm， 相对最大跨距的0.306%，满足技术要求。
(2)层压板结构面板的最大压应力为13.227MPa， 为其设计值42.22%，强度是很富裕的。
(3)采用联合稳定准则，计及上、下盖的侧向载荷后，远小于 1，轴向压力稳定性很好。
3. 制造工艺
相较1.5MW 风电机组机舱罩，2.5MW 风电机组舱罩尺寸更大大、精度要求更高，为有效的提高其力学性能，在制造过程中采用最新式的一体成型的工艺，通过真空导入的方式将树脂注入成型，整个制造过程较传统手糊工艺简易且内部树脂固化成型连接致密度高。
首先制作模具，模具是机舱罩成型工艺中的主要装备，模具的结构形式、强度、表面质量对机舱罩制品的质量、生产成本和生产效率有非常大的影响。模具制造分为两个步骤，分别为：木模制作(阳模)、(图2)、模具制作(阴模)。
模具制备完成后经过下列步骤来制备机舱罩：
模具表面清理→材料准备→涂脱模剂→刷胶衣→密封手糊层制作→玻纤布裁剪铺覆→铺脱模布→铺导流网→封真空袋膜→接真空管→试抽真空→抽真空导入树脂→固化→脱模 →切边→ 整理去毛刺→刷阻燃胶衣。
在树脂真空导入后，需要考虑树脂的固化过程，材料的固化过程与制品的强度和刚度密切相关，合理有效的固化是制造出质量优良的制品和提高生产效率的保证。复合材料的固化与温度、配方和脱模时间息息相关。由于2.5MW 机舱罩具有大尺寸、高性能的特点，只有严格地控制好车间温度、工艺配方和后固化时间，才能保证制品的力学性能和精确的外形尺寸。由于制品尺寸大，生产操作时间长。温度过高时，如果为了延长凝胶时间而降低固化剂含量，容易造成后固化时间过长或固化度不足，反而导致力学性能偏低和整体生产时间过长;如果固化剂含量过高，又容易导致凝胶时间过快，出现未来得及排泡便凝胶的现象，严重影响产品质量。因此有效地控制温度和根据温度适当调节配方是控制产品质量的关键。脱模时间的控制与产品的变形量密切相关，脱模时间过早会导致产品组装困难，特别是两个法兰边难以合拢，原因是产品还没足够固化，还没释放完所有应力。
同时通过在机舱罩内表面和脱模面涂覆不同类别的胶衣来达到不同的性能要求，包括防紫外线、抗老化、阻燃等性能。
在成型后通过组装和安装部分配件即可完成整个机舱罩的制作，在整个制作过程中应注意尺寸控制和避免一些质量问题，包括表面质量缺陷和结构层质量缺陷两方面。表面缺陷主要有胶衣流挂、起皱、砂眼或针孔、纤维外露、开裂、起泡等。结构层缺陷主要有制品变形较大、制品硬度低、气泡多、流胶、分层等。质量问题发生原因应根据机舱罩的具体结构和工艺做详细的分析。
4. 结语
通过进模型设计、有限元结构性能分析，制作高品质的模具和采用一体成型工艺的工艺方法研制出的2.5MW 风电机组机舱罩可满足新型风电机组的需求。随着风电技术的发展，希望通过规范化机舱罩的研制过程，生产出更多可在极端复杂环境条件下使用的高性能机舱罩。
原标题：2.5MW大型风力发电机组机舱罩的研制
