兆瓦級風電葉片碳纖維大梁真空灌注方法

武賽娟

摘 要：兆瓦級風力發電機葉片碳纖維大梁的真空灌注方法，是風電行業新興的生產工藝。相較于以往的玻璃纖維，因碳纖維比重較小，強度大的特點，所以碳纖維大梁較傳統工藝不但減輕了葉片的重量，而且提高了風機葉片的強度，提升了生產效率。本文詳細敘述了兆瓦級風電葉片碳纖維大梁真空灌注的方法。

關鍵詞：風電葉片；真空灌注方法；碳纖維

中圖分類號：TK83 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）02-0087-01

風能是一種清潔的可再生能源。開發和利用風能資源，不僅可以尋找新型的替代能源，而且可以防止環境的人為破壞。風電的價格和風機功率成反比，風機率越大，單位發電成本越低。隨著現代風電技術的發展與日趨成熟，風力發電機組的技術沿著增大單機容量、減輕單位千瓦重量、提高轉換效率的方向發展。

葉片是風力機的關鍵部件之一，風能開發中所用的葉片的設計和采用的材料決定風力發電裝置的性能和功率，也決定風力發電機組的成本，而葉片的材質強度是風力發電機組性能優劣的關鍵。其涉及氣動、復合材料結構、工藝等領域。葉片的長度和風機的功率成正比，風機功率越大，葉片越長。葉片也是風機中成本最高的部件，雖然它的重量僅僅占風機總重量的15%。風葉類似于航空葉片，要求提高提升比，并且其提升特性不易受葉片表面污染和粗糙度影響。從結構考慮要求葉片有較厚的葉型。葉片要經受20年應用，以受風力造成的疲勞次數達10（也有以500萬次作標準）。隨著風機功率的增加，風葉尺寸也相應增加。風電材料設備對于葉片的材質選擇，隨著葉片的大型化，由最初的木質品逐步升級為玻璃鋼材質，而今采用碳纖維復合材料的超大型葉片的風電機組正在蓬勃興起。玻璃鋼風機葉片優點在于疲勞強度高、缺口敏感性低、耐蝕性好、容易成型，且可根據葉片的受力特點設計強度與剛度等，現如今廣泛用作葉片材料。目前商品化的大型風力機葉片大多采用玻璃鋼復合材料。然而，隨著風力發電機的單機功率的不斷增長，葉片的長度也在不斷增長。葉片長度的增加葉片的重量，葉片重量對風機運行、疲勞壽命、能量輸出有重要的影響。由于葉片運行，重力產生交變荷載，使葉片本身及機組產生疲勞，隨著葉片長度的增加，對增強材料的強度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復合材料葉片制造中逐漸顯現出性能方面的不足，葉片的一次性投入大，為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的重量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強，所以采用碳纖維材料生產葉片已經成了風電行業生產葉片的一種趨勢。國外專家認為，由于現有材料性不能很好滿足大功率風力發電裝置的需求，玻璃纖維復合材料性能已經趨于極限，因此，在發展更大功率風力發電裝置和更長轉于葉片時，采用性能更好的碳纖維復合材料是勢在必行。

風電葉片碳纖維大梁的真空灌注方法，是為了解決現有碳纖維大梁真空灌注技術的不足，提供一種設計合理，操作方便，能夠解決現有技術難題的工藝。

難點在于碳纖維材料本身顏色是黑色的，在灌注的時候無法看到膠液浸潤情況，是否完全將纖維布浸透無法確定，如果不完全浸透，生產出的大梁會容易出現干斑、包死的現象，有可能嚴重影響碳纖維大梁的性能。所以為了避免此類情況發生，首先需要滿鋪導流網，且沒有斷開，只有這樣在灌注的時候就會整體、均勻的浸膠，以確保碳纖維布可以完全浸潤。這樣就要求纖維布上表面具有良好的透氣性，并且不能透膠，為了滿足上述要求，就必須在纖維布上方使用VAP膜，并且同時在VAP膜上表面放上透氣粘，這樣就保證了空氣可以良好的透出，確保可以完全上膠避免出現干斑及包死現象。

大梁模具的邊緣采用了可活動的邊緣塊（如圖1），相比較于傳統的固定擋邊，不僅在碳纖維布鋪設時可以使其邊緣整齊，同時還可以避免固定邊帶來的圓角。采用這種工藝方法就可以有效的避免碳纖維大梁的干斑和包死的現象，同時活動的邊緣也避免了圓角的產生，從而可以確保碳纖維大梁的性能。首先將綠色導流網（8）鋪在碳纖維材料的下方，以便于樹脂通過樹脂管（5），然后再經過導流管Ω管（7），通過導流網（8）將樹脂注入碳纖維材料中，在樹脂注入的同時有空氣排出，為了便于空氣的排出，而不形成以為碳纖維材料里有空氣而形成的白斑和包死，需要在材料上方加透氣性能好，而又不透膠的VAP膜（6）及透氣性能很好的透氣氈（15），很好的將空氣排出。同時在模具（12）邊緣放邊緣塊（10），可以避免纖維布鋪設時產生的圓角，從而不會影響碳纖維大梁的使用性能。在產品上方鋪上真空薄膜（3），用密封膠條（11）密封好，然后通過真空管（13）將空氣抽走，壓力表（4）用來測量產品環境中的負壓。

今后的發展趨勢是安全的利用潔凈、高效的新能源時代，伴隨著風電單機容量的增加，葉片的尺寸也越來越向大型化發展，全世界的風電行業都的迫切的探索先進復合材料及其制造工藝，今后風機葉片的生產材料必然向著抗疲勞特性優良、強度越來越大、質量越來越輕的方向發展，所以碳纖維復合玻璃鋼材質葉片具有良好的市場優勢和發展前景。理論設想階段和使用中實際應用情況均證實了碳纖維應用到玻璃鋼風機葉片中的可行性，同時我們還應該必須清楚的認識到碳纖維在玻璃鋼風機葉片中推廣過程中可能遇到的困難與阻力，然后從原材料的選擇、葉片工藝的結構的優化，制造工藝技術及設備的改進、質量控制等方面進一步研究提升，不斷開發和研制新的工藝技術及設備，以便碳纖維增強材料可以在風電葉片中進一步推廣應用。