葉片真空灌注工藝樣件尺寸與纖維孔隙的影響分析

魯學林，鄭磊，李卓，張金峰

（北京鑒衡認證中心，北京 100013）

0 引言

隨著能源危機日趨嚴重，風能作為一種清潔、可再生的能源日益受到重視。作為風電機組關(guān)鍵部件之一的復合材料葉片，目前多數(shù)采用真空灌注工藝。真空灌注工藝是將纖維等增強材料鋪設到模具上，再鋪上具有密封功能的真空輔助系列，在抽真空后的負壓下導入樹脂浸透增強材料并固化成型的工藝。

當前也有不少關(guān)于葉片的真空灌注成型工藝方面的研究。董鋒巖[1]簡述了我國復合材料風電機組葉片的發(fā)展現(xiàn)狀，并對葉片材料體系、灌注成型工藝進行了較為詳細的論述；李傳勝、周利峰、張錦南[2]對真空灌注工藝的技術(shù)原理、工藝要求等進行了探討，提出了影響灌注工藝的幾點重要因素；齊大偉、寧榮昌、凌輝[3]對用于真空灌注工藝的樹脂體系研究進展進行了綜述；Scott M Rossell[4]通過真空灌注實驗測定了3種增強材料在不同纖維體積含量下的滲透率，提出了混合增強材料疊加滲透率的推算方法，并通過實際葉片灌注予以驗證。彭家順、高建勛[5]研究了真空灌注工藝管路布置以及孔隙的形成。

通常，研發(fā)新葉片時需要先做根端灌注試驗，確認設計的最厚布層區(qū)可以被浸透后，才可以做全尺寸葉片的灌注試驗。本文著重討論了葉片根端灌注中橋架與孔隙的影響。

1 真空灌注孔隙的形成與影響

樹脂在纖維內(nèi)的流動可分為樹脂在纖維束之間的流動和在纖維束內(nèi)部纖維單絲之間的流動，即宏觀流動與微觀流動[6-7]。纖維束間的孔隙比較大，形成的孔隙稱為宏觀孔隙；而纖維單絲之間的孔隙較小，形成的孔隙為微觀孔隙；前后者的動力分別為動壓力和毛細壓力。兩種孔隙引起的流動速率的不同會導致纖維布層出現(xiàn)不同程度浸漬不良，從而形成白斑。

此外，還有表層纖維布與真空材料之間形成的間隙。樹脂在表層纖維布與真空材料形成的間隙以及在纖維布層中流動的速率不同會產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象導致纖維布層出現(xiàn)不同程度的“包絡”現(xiàn)象，形成白斑。

2 灌注試驗

2.1 材料體系

材料體系如表1所示。

2.2 根端灌注與全尺寸葉片灌注試驗

參照Aerodyn某款設計葉片的工藝做實驗，具體的試驗條件與結(jié)果對比如表2所示。

2.3 纖維間隙變化的葉片灌注試驗

參照Aerodyn某款設計葉片的工藝做實驗，具體的試驗條件與結(jié)果對比如表3所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 根端灌注與全葉片試驗

從試驗結(jié)果中可以看出，根端樣件與全葉片的根端出現(xiàn)了完全不同的灌注效果：樣件出現(xiàn)了嚴重的包絡現(xiàn)象，中間僅有31%的布層浸透；而全葉片根端僅在前后緣的翻邊陡峭處出現(xiàn)了小面積包絡，易于通過調(diào)整真空輔材尺寸解決。可見，根端試件的試驗不完全等同于全葉片的根端灌注的膠液流動模式。

原因分析：開啟注膠管后，膠液沿著導流網(wǎng)迅速向前流動，同時也向下面布層滲透。對于根端試件，膠液很快就達到了纖維布的邊緣，而四周被壓緊的纖維布壁面與真空材料間形成“橋架”造成了虹吸現(xiàn)象，使得膠液在表層纖維布間加速前進，速度明顯大于在布層間的下滲速度。樹脂到達注膠管最前端的布層后形成回流，導致中央布層中的空氣難以排出，膠液下滲速度變緩，產(chǎn)生包絡，最終樹脂產(chǎn)生凝膠，出現(xiàn)大面積的多層干布。而對于全葉片，由于重力作用膠液難以迅速上升到前后緣的翻邊，同時葉片根端的膠液可以向葉尖無限延伸，出現(xiàn)不了包絡現(xiàn)象，樹脂得以迅速下滲，浸透下層布層，而前后緣的小面積包絡應該是導流體系的鋪設尺寸不合理導致的，可以通過增加導流網(wǎng)到翻邊的距離來解決。

表1 材料體系

3.2 纖維間隙變化的葉片灌注試驗

從試驗結(jié)果看出，增加纖維間隙，提高了布層間的孔隙率，使得灌注時間大大減少。同時，由于纖維布只是改變了纖維束間隙而沒有改變面密度，布層強度不會有變化，也可以保證葉片的強度不會有明顯變化。

原因分析：纖維間隙的適當增加，使得膠液在纖維束間動壓力增加，在布層間下滲的速度加快，同時纖維束間足量的膠液也使得纖維束間的毛細壓力增加，綜合結(jié)果是膠液下滲和浸透纖維的速度都增加了，布層浸漬良好，如表3所示。但是過度的增加纖維間隙，會使得纖維束間的動壓力大于纖維束內(nèi)的毛細壓力而造成纖維絲的浸潤不良。從整體灌注時間上看，在葉片所有管路打開后，葉根與葉身的滲透速度都加快，最終提高了整體灌注時間。

4 結(jié)語

葉片灌注的質(zhì)量問題多是由工藝因素造成的，這些因素會影響到膠液在纖維布層間的流動：宏觀流動、微觀流動和虹吸現(xiàn)象。在生產(chǎn)過程中，通過靈活設計與匹配工藝因素，如纖維間隙、導流材料的尺寸等，可以提高生產(chǎn)效率和避免缺陷。

表2 根端灌注與全尺寸葉片灌注試驗對比

表3 纖維間隙變化的全尺寸葉片灌注試驗對比

攝影：傅俊明

[1]董鋒巖.復合材料風機葉片發(fā)展現(xiàn)狀及成型工藝進展[A].玻璃鋼/復合材料增刊(第十七屆玻璃鋼/復合材料年會論文集)[C], 2008:343-345.

[2]李傳勝,周利峰,張錦南.真空灌注成型工藝及其影響因素的探討[J].玻璃鋼,2004(4):7-10.

[3]齊大偉,寧榮昌,凌輝.風機葉片真空吸塑成型(VARTM)工藝的研究[J].中國膠粘劑,2007,17(4):50-56.

[4]Scott M.Rossell,Fluid Flow Modeling of Resin Transfer Molding for Material Wind Turbine Blade Structures [D].2004.

[5]彭家順,高建勛.葉片真空灌注工藝管路布置以及孔隙的形成[J].武漢理工大學學報, 2009（31）: 99-100.

[6]Micheal A A.Sapid Frederick R.Phelan Jr.Modeling Void Formation Dynamics in Fibrous Porous Media with the Lattic Bolzamann Method[J].Composite, Part A,1998,29:749-755.

[7]楊俊英.樹脂傳遞模塑工藝過程的樹脂模擬[D].濟南: 山東大學,2007.