淺析風電葉片材料對葉片制造質量的使用風險

吳紅煥，劉鮮紅，江一杭

(天津東汽風電葉片工程有限公司 天津300480)

淺析風電葉片材料對葉片制造質量的使用風險

吳紅煥，劉鮮紅，江一杭

(天津東汽風電葉片工程有限公司 天津300480)

根據對構成風電葉片的 4大關鍵材料(纖維、樹脂、粘接劑、芯材)的設計參數和材料性能分析結果，進行關鍵材料在風電葉片制造使用過程中的風險評估，提出了這些材料質量控制的關鍵點。

風電葉片 玻璃纖維 環氧樹脂 粘接劑 芯材

0 引 言

葉片是轉換風能最關鍵的部件，高空運轉時承受著強大的交變載荷。這不僅要求材料要有足夠的拉彎應力，還要有足夠的剛性和韌性。玻璃鋼之所以能從眾多的材料中脫穎而出，這與其較輕的密度、優良的強度以及良好的可設計性密不可分。張汝光教授說過：“玻璃鋼是張白紙，你可以盡情發揮自己的想象進行描繪”。這就是說，開發風電葉片產業的難點不在于材料的市場技術狀況，而在于葉片結構對材料設計的理念把握。然而，復合材料生產過程的可設計性對于制造企業來說，存在著潛在的材料使用風險。

眾所周知，葉片設計及制造所關注的風電葉片中常規 4大結構材料分別為：纖維、環氧樹脂、粘結劑及芯材。這 4類材料在葉片結構中承擔著各自的角色。本文旨在通過設計參數和材料性能分析，闡述目前在生產過程中的問題，提出把握各類材料所需要控制的關鍵點。

1 纖維材料

1.1 設計參數研究

纖維作為葉片結構的主承力材料，其剛度、韌性的高低直接決定著葉片的鋪層設計及剛度、韌性，疲勞強度的高低直接決定著葉片的使用壽命。這點可以從很多葉片設計公司對玻璃纖維紗的關鍵指標中看出：模量≥76,GPa，延伸率≥2.5%，疲勞 m 值≥10。同時考慮與基本樹脂的界面結合性，要求表面浸潤劑必須是環氧專用。根據葉片鋪層結構設計及運載過程中葉片各部位所承受的不同載荷分布，葉片中使用的玻璃纖維織物主要有 3類：單向、雙向和三軸向。[1]

①葉片外蒙皮(腹板)：葉片外蒙皮部位除滿足氣動外形需要外，在運行中主要承受拉伸剪切及氣動扭轉所產生的剪切應力，故需要較大的剪切應變，按照優化設計理論，一般主要采用±45 °兩相布完成，并且在主梁及根部內外表面也會分布一層兩向布。

②主梁帽：主要承受由離心力和氣動彎矩所產生的軸向應力；它是葉片剛性體系的直接部件，一般由單向纖維來實現，可將葉片剛度與主梁帽的鋪層參數關系簡單計算為：

式中：E為主梁帽上 UD織物的材料模量；d為剪切梁的一半；b為主梁帽寬度；h為主梁帽厚度。

從簡單公式可看出，葉片剛度與主梁帽上單向材料的剛度、寬度、厚度成正比關系；同時考慮到葉片主梁重量約占葉片重量的30%，因此如果單向纖維材料在剛度研究上能夠有所突破，對于在設計上減輕主梁重量、減輕葉根載荷都具有深遠意義。材料的比強度愈高，則構件自重愈小；比模量愈高，則構件的剛度愈大。這也是一些纖維材料供應商一直致力開發高強高模材料以及長葉片而逐步采用H-Gf和Cf的原因。表 1和表 2即為目前玻璃纖維的系列產品技術指標與玻璃纖維與碳纖維在原紗和復合板的強度比較。

表1 玻璃纖維紗線產品技術現狀Tab.1 Current technical status of glass fiber yarns

表2 Cf和Gf的性能對比Tab.2 Property contrast between Cfand Gf

③葉根部位：葉片根部不僅重量較大(占到葉片總重量的 50%)，也是葉片承受載荷最大的部位，在運轉過程中承受葉尖引起的拉彎及壓縮應力，同時另一個主要作用是利用螺栓把荷載從復合材料結構傳遞到風力渦輪機的樞紐和主傳動軸，因此在螺栓連接處還承受較大的剪切、擠壓和粘接剪切強度。與主梁帽一樣，這部分復合材料應達到高品質、高纖維體積分數和低孔隙率。但由于根部的荷載要求與主梁不同，它一般兼用多軸向材料以及雙向材料制成，具體的織物厚度和克重分布根據葉片設計時的載荷分布以及根部需求厚度等確定。表 3為目前 2個不同葉片設計公司在根部設計中主要三向材料的使用情況。

表3 2家公司主要三向材料設計對比Tab.3 Design and comparison of main three-way materials in 2 companies

1.2 制造使用風險

眾所周知，玻璃纖維的生產是采用瓷窯生產，一般瓷窯的容量都在 100,t左右，屬于連續生產作業，生產原絲的狀況如圖 1。編織設備質量主要是依靠控制爐內溫度、監控爐內B-Si-P-S等玻璃成分進行監控。此外，關鍵技術就是纖維處的表面浸潤劑技術。[2]

圖1 玻璃纖維絲和織物的生產圖Fig.1 Production drawing of glass fiber yarns and fabrics

從目前市場使用的纖維織物質量反饋方面了解，玻璃紗線質量出現批量性偏差情況較少。截至目前，纖維原紗的生產過程還都是比較穩定的。但隨著國內二級編織供應商的增加以及葉片生產廠的成本壓力，使用的織物基本都由二級編織單位構成。經過這幾年對不同編織工廠進行測試評估，基本上編織設備、編織技術的控制會存在一些微小差異，但關鍵還在于原紗性能。同時在生產制造中又對其進行裁剪、鋪放，而葉片中使用的玻璃纖維都是連續性纖維，需要承接載體的作用，采購和制造方面是葉片廠監控纖維材料是否存在重大風險的關鍵，對于葉片制造商，主要需關注以下方面：①二級編織廠商采購的纖維原紗類型是否與需求一致；②裁布尺寸、鋪層方向、鋪層層數、鋪放位置是否無大錯，是否嚴格按照設計鋪層文件執行；③纖維搭接的合理性，避免使用過程中的纖維裁剪、拼接，尤其主梁帽位置上的 UD 布 0,°斷經，這是非常致命的；④纖維布鋪覆的平整性，避免產生纖維大幅褶皺，不論是殼體還是主梁和葉根部位；⑤纖維的吸膠量，控制較為穩定，含膠量的高低直接決定著復合材料的機械性能及疲勞壽命。

2 芯材

2.1 芯材設計參數

芯材具有質量輕、高比剛性和良好的抗沖擊性等特點，目前主要應用于葉片的殼體和腹板兩個位置。空腹葉片需要避免彎曲失穩，空腹結構在彎曲荷載作用下，某一剖面壓應力若達到一定水平，剖面就會產生扁平，進而剛度下降，從而導致屈曲失穩。也就是說，芯材在葉片腹板中主要承受彎曲載荷作用下的壓縮應力和殼體扭轉時的剪切應力，殼體位置上主要承受氣動扭轉時的剪切應力以及吸收表面順時壓力的壓縮載荷。[3]這點也可以從不同設計公司對葉片芯材(PVC和 Basla)的性能要求中看出(見表 4)，它們主要考慮的是壓縮和剪切性能，這對材料選型及評價提供了很大的幫助。

芯材的采購目前主要還依靠進口，使用在葉片中為 PVC和 Basla木，同時目前市場也存在 SAN、PMI、PS以及 PET材料的性能指標。市場上材料廠家性能匯總分析見表 5。其中，SAN 泡沫、T系列均有個別廠家使用，部分葉片設計制作大梁也采用 PS系列，其剪切性能較低。在這些材料中，除 Balsa屬于木質纖維，屬于各向異性外，其他均屬于各向同性材料。從目前了解的市場信息分析，均有可能作為下步葉片材料降低成本的一個方向。

表4 設計公司對芯材數據對比表Tab.4 Correlation table of general properties of core materials from the designer

表5 芯材數據對比表Tab.5 Correlation table of general properties of core materials

2.2 采購和生產質量風險

由于國內的代理點大多是芯材的機械加工廠，并且由于PVC的密度受發泡技術及和Basla木受生長環境的客觀影響，密度均一性較大，一般都在±10%。根據近幾年制造過程芯材出現的問題以及考慮芯材在葉片中的承載作用，認為主要監控點有以下3個方面：①材料進料，Basla使用時的含水率、芯材密度及剪切強度的穩定性；②研究芯材的開槽打孔方式對灌注工藝過程的影響；③芯材在生產制造過程中，注意芯材拼縫大小，芯材拼縫對葉片運行質量影響較大，如果拼縫較大，葉片運行過程中引起應力集中。

3 樹脂

3.1 材料設計參數

樹脂材料在復合材料中起著載荷傳遞的關鍵作用，其優異的拉壓強度、較高的斷裂應變及疲勞特性一直是樹脂技術攻堅的方向。樹脂在復合材料破壞過程中的作用過程為：當復合材料受到載荷時，紗線首先要伸直，因此不同軸向之間的紗線就會產生不同程度的拉伸，處于紗線之間的樹脂就會受到剪切作用，在織物交織點處相互摩擦，損傷玻璃纖維(玻璃纖維對摩擦是很敏感的)，這就大大損失了玻璃纖維的強力。因為樹脂的斷裂延伸略低，在拉伸過程中，隨著拉伸的進一步破壞，玻璃纖維和樹脂之間的連接就會破壞。為充分發揮玻璃纖維的承載力，樹脂的斷裂應變亦是非常關鍵的指標。目前在葉片材料設計中，起初僅對其拉伸強度和模量作了要求，68,MPa和3.0,GPa，通過近幾年風電葉片的發展，目前逐步添加動態載荷評估。[4]

3.2 采購和生產質量風險

樹脂類材料由于是雙組分材料，根據其工藝特性在生產中尤其需關注以下問題：

① 環境對產品工藝標準實施所引起的變化：樹脂類材料對溫濕度極其敏感，特別是溫度，溫度不僅會引起樹脂粘度的變化，而且會影響凝膠時間的變化，甚至會影響到后固化環境的控制。因此具備一個穩定的操作使用環境，才會使樹脂材料的工藝特性發揮穩定，產品質量才會有穩定的保障。

② 混合程度對材料性能發揮所引起的變化：環氧樹脂的混合比例和均勻程度直接決定著樹脂和固化劑的反應程度，嚴重影響最終的機械和耐溫等性能，如果出現混合比例不對的情況，會導致各種性能急劇下降，直接影響使用壽命。這也是目前葉片生產商嚴格控制混膠設備的輸出狀況、手工配膠的原因所在。

③后固化的環境：環氧樹脂體系顯得尤為重要，這是由環氧樹脂分子間交聯的反應機制所決定的，后固化溫度和保溫時間會增加體系內交聯點密度、減少自由鏈段活動，進而表現在性能上是機械性能及耐溫(Tg)的升高。

4 粘結劑

4.1 材料設計參數

粘接質量在葉片設計中尤為關鍵。結構粘結劑性能評價和判斷的 4大關鍵指標為：剪切強度、剝離強度、沖擊韌性、疲勞性能。設計公司在葉片設計的粘結劑剪切方面考慮3.0的安全因子后，對粘結劑剪切強度提出設計值大于7,MPa。而目前市場粘結劑的剪切強度≥20,MPa，這就是說材料的關鍵性能遠遠大于設計值。然而生產中除了考慮起初的設計值之外，還需考慮更多的材料工藝評價以及其他方面的疲勞、耐水等本體性能，同時葉片在粘接過程中也會帶來較大的材料缺陷。因此做好合模粘接工序，對于葉片制作行業來說至關重要。

4.2 生產使用風險

材料的安全因子再高，生產實際使用不當也會大大降低安全因子。結合粘結劑材料的特性，其在使用方面重點有：①材料的比例和混合均勻程度，直接決定著材料使用最終剪切性能。②界面處理方式，對粘結質量的影響是致命的。③粘接的時間，混合后就開始交聯反應。④粘接寬度，直接影響葉片粘接面積。⑤粘接厚度，高觸變性的材料，厚度越大，使用過程中越易引入氣泡。⑥后固化環境。

5 結 論

通過對葉片4大結構主材的設計參數、生產使用以及近幾年出現的問題進行分析，發現大部分問題是由于使用過程中的不當操作而引起。因此實際中更應從葉片的生產使用過程把好材料的使用關，關注材料使用細節及每種材料的關鍵控制點。

［1］ 劉萬琨，張志英. 風能與風力發電技術[M]. 北京：化學工業出版社，2010.

［2］ 馬振基，林育鋒. 復合材料在風力發電上的應用發展[J]. 高科技纖維與應用，2005，30(4)：5-8，14.

［3］ 高會煥. 纖維增強材料風機葉片發展概述[J]. 玻璃鋼/復合材料，2009(4)：104-108.

［4］ 董鋒巖. 復合材料風機葉片發展現狀及成型工藝進展[C]. 第十七屆玻璃鋼/復合材料學術年會論文集，2008.

Quality Risk Analysis on Blade Materials for Wind Turbine Blade Manufacturing

WU Honghuan，LIU Xianhong，JIANG Yihang
(TianJin DongQi Wind Turbine Blade Engineering Co.，LTD.，Tianjin 300480，China)

Key design parameters and material performances of the four key materials of a wind turbine blade，including fiber，resin，adhesive and core material were analyzed. A risk assessment on the materials in the blade manufacturing and their utilization was made and key quality control points were presented.

wind blade；glass fiber；epoxy resin；adhesive；core material

TK83

A

1006-8945(2014)06-0055-04

2014-05-09