Làm thế nào để chế tạo cánh quạt tuabin gió cỡ lớn?
Việc sản xuất cánh quạt tuabin gió cỡ lớn là một quy trình đòi hỏi độ chính xác cao và công nghệ tiên tiến, chủ yếu sử dụng vật liệu composite như nhựa gia cường sợi thủy tinh (GFRP) hoặc nhựa gia cường sợi carbon (CFRP), và được sản xuất thông qua công nghệ tạo hình khuôn. Sau đây là các bước sản xuất chính và các điểm kỹ thuật quan trọng:
1. Thiết kế và chuẩn bị khuôn
Thiết kế khí nén và kết cấu: Dựa trên các yêu cầu về hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió, khả năng chịu tải, kiểm soát tiếng ồn, v.v., phần mềm CAD/CAE được sử dụng để mô hình hóa 3D cánh quạt và mô phỏng cơ học.
Chế tạo khuôn: Các cánh quạt thường được chia thành hai nửa vỏ trên và dưới, được chế tạo riêng biệt. Khuôn thường được làm bằng thép hoặc vật liệu composite, và bề mặt của chúng cần được đánh bóng với độ chính xác cao và phủ chất chống dính để đảm bảo bề mặt cánh quạt nhẵn mịn (giảm sức cản của gió).
2. Chuẩn bị nguyên liệu
Nguyên liệu chính:
Vật liệu gia cường: vải sợi thủy tinh (thường dùng), vải sợi carbon (dùng cho cánh quạt siêu dài để giảm trọng lượng).
Vật liệu cơ bản: Nhựa epoxy hoặc nhựa polyester (nhựa epoxy có hiệu suất tốt hơn và được sử dụng cho các cánh quạt lớn).
Vật liệu lõi: gỗ balsa hoặc xốp PVC, được sử dụng để lấp đầy bên trong cánh quạt tạo thành cấu trúc "sandwich" nhằm tăng độ cứng và giảm trọng lượng.
Các bộ phận cấu trúc: ống lót bu lông nhúng ở gốc cánh quạt (trục nối), dầm chịu lực cắt ở mép trước và sau, v.v.
3. Kỹ thuật xếp lớp và truyền dịch chân không
Đây là quy trình cốt lõi của việc tạo hình lưỡi dao, thường sử dụng công nghệ truyền nhựa hỗ trợ chân không (VARI):
Xếp lớp: Xếp vải sợi, vật liệu lõi và các thành phần cấu trúc từng lớp một trong khuôn. Thiết kế lớp cần điều chỉnh hướng và độ dày của sợi theo tình trạng ứng suất của các phần khác nhau của cánh quạt.
Niêm phong và hút chân không: Phủ lớp vật liệu bằng màng hút chân không và niêm phong lại, hút chân không để loại bỏ không khí, và cho phép nhựa thấm đều vào các sợi dưới áp suất âm.
Phương pháp bơm nhựa: Bơm hỗn hợp nhựa vào khuôn thông qua đường ống và thấm đều tất cả các lớp sợi dưới điều kiện chân không.
Quá trình đóng rắn: Làm nóng khuôn (thường từ 50°C đến 80°C) để đóng rắn nhựa, tạo thành lớp vỏ composite có độ bền cao.
4. Đóng khuôn và liên kết
Tháo khuôn: Lấy phần vỏ trên và phần vỏ dưới ra khỏi khuôn sau khi sản phẩm đông cứng.
Chất kết dính: Căn chỉnh vỏ trên và vỏ dưới, sau đó dùng chất kết dính cấu trúc (thường là keo epoxy) để dán chúng lại với nhau. Đồng thời, dán tấm vách ngăn bên trong (để tăng cường độ bền cho cấu trúc).
Xử lý phần gốc: Tăng cường vùng gốc của lưỡi dao nối với trục (ví dụ như làm dày lớp hoặc lót kim loại).
5. Xử lý hậu kỳ và kiểm thử
Cắt tỉa: Cắt bỏ phần vật liệu thừa ở các cạnh và đánh bóng bề mặt.
Lớp phủ: Lớp phủ bảo vệ dạng phun (chống tia cực tím, chống đóng băng, chống ăn mòn) và màu sắc logo.
Kiểm tra cân bằng: Kiểm tra trọng tâm và sự phân bố trọng lượng của các cánh quạt để đảm bảo cân bằng động.
Kiểm tra không phá hủy: sử dụng sóng siêu âm hoặc tia X để kiểm tra các khuyết tật bên trong (như bọt khí, tách lớp).
Thử nghiệm tải trọng tĩnh và mỏi (lấy mẫu): Mô phỏng tải trọng gió cực đoan để thử nghiệm cơ học nhằm đảm bảo tuổi thọ thiết kế (thường là 20-30 năm).
6. Xu hướng phát triển công nghệ
Sản xuất thông minh: Robot xếp lớp tự động, hệ thống giám sát truyền dịch thời gian thực.
Đổi mới vật liệu: Ứng dụng vật liệu lai sợi carbon, nhựa tái chế (như vật liệu composite nhiệt dẻo).
Thiết kế dạng mô-đun: Các cánh quạt được chia thành nhiều đoạn giúp dễ dàng vận chuyển và lắp đặt.
Tái chế lưỡi dao đã qua sử dụng: Phát triển các công nghệ tái chế xanh như nhiệt phân và nghiền cơ học để tái sử dụng.
những thách thức chính
Hạn chế về quy mô lớn: Chiều dài cánh quạt đã vượt quá 100 mét (đối với tuabin gió ngoài khơi), gây ra những thách thức về vận chuyển, kích thước khuôn và độ cứng kết cấu.
Kiểm soát chất lượng: Những lỗi nhỏ có thể dẫn đến hỏng hóc do mỏi vật liệu, và cần phải giám sát chặt chẽ tính nhất quán của quy trình.
Kiểm soát chi phí: Chi phí nguyên vật liệu và quy trình chiếm tỷ lệ khá cao trong tổng chi phí của quạt, và hiệu quả sản xuất cần được tối ưu hóa.
Nhờ các quy trình chính xác đã đề cập, cánh quạt tuabin gió hiện đại đạt được sự cân bằng giữa độ bền cao, trọng lượng nhẹ và tuổi thọ dài, trở thành một trong những thành phần cốt lõi của công nghệ năng lượng gió.
