美国开发热塑性风机叶片雷击保护系统

 

　　日前，美国能源部可再生能源实验室（NREL）为热塑性复合材料风机叶片开发了采用热焊接技术制造的防雷电系统。

 

　　与目前风机叶片常用的热固性树脂基体不同，热塑性树脂能够被轻松回收。同时，与热固性材料需要加热固化的工艺不同，热塑性复合材料可在室温下固化，大幅降低了风机叶片的生产成本，缩短了工艺周期。

    为了给热塑性风机叶片建立有效的防雷击系统，研究团队为叶片增加了铝箔层（左），并在连接处增设碳纤维加热元件（右），方便采用热焊接技术将叶片上下半壳连接为一体。

 

    NREL的热塑性叶片热焊接工艺已申请专利，并已代替胶黏剂用于叶片部件的粘接，能够有效避免重量增加，防止潜在裂纹的产生。

 

    热焊接工艺要求在叶片内部安装金属加热元件来实施加热工序。因此，NREL团队在GE和LM的资助下，配套发明了新型防雷击系统来确保热塑性复合材料的安全。该项目于2018年启动。

 

   新叶片分上下半壳分别制造，液态热塑性树脂在真空辅助条件下被导入铺设于模具内的玻璃纤维材料。为了能将上下半壳顺利焊接为一体，研究者将扩展型金属箔或碳纤维以类似三明治结构夹在叶片上下半壳之间，并将电线连接到电源上构成加热元件。当电流流经该元件，热塑性树脂随之融化。而树脂一旦融化，系统将立即断电，熔融树脂随即在压力作用下冷却凝固。

    研究者采用雷电模拟技术尝试寻找叶片易遭雷击的区域，结果发现电流通常会电击叶片的尖端或边缘，而非叶片内部或焊接区等容易出现过度损伤的区域。

 

 

    热焊接技术对于热塑性复合材料风机叶片的商业化至关重要，但该技术在叶片上下半壳连接处设置的加热元件却为遭遇雷击埋下了隐患。因此对连接线进行雷击保护就显得尤为重要。

 

    2019年，项目团队获得了美国能源部技术商业化基金提供的15万美元的资金资助，GE公司也为该项目提供了15万美元的配套资金。

 

    研究者将扩展性铝箔埋入叶片蒙皮，从而将雷击电流导出金属加热元件。随后的模拟实验也证实了该方法能够有效保护叶片免遭雷击破坏。

 

    大电流物理损伤试验表明，80%的电流能够通过扩展铝箔层导出，并没有进入叶片蒙皮。同时，叶片尖端受损区下层的碳纤维也安然无恙。

 

    实验结果充分证实了该防雷击系统能够保护叶片免受雷击破坏。

 

    下一步，研究团队或将在明年对热焊接叶片连接线和叶片尖端区域进行结构验证。