風電葉片陰模的設計與制作技術

陶生金　何明　林濤

摘 要：隨著葉片向大兆瓦級以及海機的發展，對葉片的質量要求也越來越高，但是葉片的質量很大程度上依賴于模具的質量，模具質量的好壞以及模具型面精度直接影響葉片的質量，本文對大型風機葉片模具設計和制作工藝進行了經驗介紹，對玻璃鋼模具工程應用具有指導意義。

關鍵詞：玻璃鋼，模具，設計，制作

引言

隨著風電市場的發展，對風機葉片的生產提出了更高的尺寸精度及質量要求，特別是海上風機葉片的發展。而風機葉片的質量很大程度上依賴于生產葉片所用的模具，這就對生產葉片的陰模模具提出了更高的質量要求，即要求表面氣動外形尺寸準確、表面光潔度要求高、無潛藏氣泡和針孔等弊病，保證良好的氣密性。

1 葉片模具的結構形式

葉片模具主要有鋼結構部分與復合材料兩部分構成。

1.1 鋼結構的設計

鋼結構材料的選型，對于葉片模具來說，由于是不規則結構，設計時一般采用桁架結構，鋼材選用一般考慮到強度，穩定性以及應變，首選無縫冷拔結構鋼，一般采用60*60*3，80*80*4或者100*100*5的方管做整體的骨架，并在液壓翻轉的局部地方采用局部加強。按照葉片的形狀，繪制出葉片的外輪廓框架，在從葉片翼型標定的L0m開始，沿葉片的長度方向，每隔2m做一個截面，并將鋼架的中心定位線標記好，以便后續安裝使用，鋼架是型面復合材料層提供主要的受力件，運用軟件繪制三維鋼架模型圖畫以后，運用有限元分析軟件（ANSYS）分析鋼架在各種工況下的靜強度以及模態，確定鋼架的安全系數。在實體模型的基礎上首先建立鋼結構的有限元模型，劃分有限元網格，將葉片的重量加上符合材料層的重量，在加上鋼架整個的總重量，作為自重載荷作用在整個鋼結構上，鋼結構的翻轉機構采用全約束形式，即采用限制六個自由度，進行求解。并評價計算結果，分析查看鋼結構的穩定性。

鋼結構應變云圖

1.2 復合材料層的結構設計與制作

復合材料層主要有下面幾個主要層構成：1）密封層，密封層可以分成內膠衣層，外膠衣層以及過渡層構成，外膠衣層的主要材料為環氧性、耐高溫、耐磨膠衣構成，待膠衣不粘手時開始制作內膠衣層；內層膠衣主要有類同于外膠衣層性能，待膠衣不粘手時開始制作過渡層；過渡層包括依次鋪設的表面氈層、斜紋編織布層和雙軸布層，第2密封層的外膠衣層設在第1密封層的過渡層的上部。室溫固化12h.2）密封邊 為了防止在制作結構層是真空灌注時的保壓，必須制作密封邊，用合模膠沿模具周邊全部刮一遍，固化后方可進行下一步工作。3）內結構層 結構層主要有四軸向纖維布按照給定的設計鋪層鋪層，結構層纖維布按照模具的大小可以鋪設8—12層纖維布，為模具復合材料層的強度層，再采用真空灌注工藝形成，固化時間為室溫24h，選用的真空灌注樹脂為必須為環氧性，固化后的Tg值高于葉片本體的Tg值。4）法蘭邊增厚層，為了提高玻璃鋼的強度，故在法蘭邊設計了增厚的鋪層設計，提高法蘭邊的強度。5）加熱層 為了使葉片能夠在制定得工藝條件下的固化，故模具需要加熱層，現用的玻璃鋼葉片的樹脂固化成型溫度都低于100度，加熱層主要有銅管組成加熱管路，加熱管路必須經過試水打壓測試，檢驗管道的氣密性，管路與管路之間用導熱較好并且較輕的鋁粉作為導熱材料，為了給模具減重，可以適當的加入一些輕木。6）外結構層，外結構層一般、按照模具的大小可以鋪設3—5層纖維布，手糊工藝制作外結構層。7）保溫層 保溫層主要選用聚氨酯發泡材料，制作厚度為5cm，主要為模具提供保溫。整個模具復合材料層結構圖見下圖。

1.3 復合材料層各部分的功能與作用

密封層主要作用：提高了模具的質量，確保了葉片的氣動外形尺寸，提高模具表面的光潔度，同時保障了模具的氣密性和模具的其他使用性能。其保證了在生產過程中模具有更高的使用性能，確保了葉片的質量，減少了模具的維護和維修工作，延長模具的使用期限，降低消耗成本，更加滿足了生產對模具的使用要求。

密封邊的主要作用：保證法蘭邊的密封性，確保陰模制作的密封性能。

內結構的主要作用：主要是符合材料層的受力部分，為葉片的型面提供受力保障，保證葉片模具的受力變形；

加熱層的主要作用：模具熱源的供體，葉片產品的加熱提供熱能量，使模具完全固化。

外結構層的主要作用：與模具內結構一起對模具起到承載作用。

保溫層的主要作用：保證熱源提供的熱能能夠持續穩定的傳導到模具里面，并對模具起到保持溫度作用。

2 鋼結構部分與復合材料層的連接

鋼結構按照圖紙焊接完畢之后，需要用液晶全自動振動時效裝置將鋼架的應力消除，復合材料層在陽模上制作完成，復合材料層與鋼結構各自制作完成以后，用2臺行車將鋼架吊起，然后將鋼架的中心線與復合材料層模具的中心線方重合，再用圓形鋼管和隨型板將鋼架與復合材料層連接，并使用手糊樹脂將其固定，并將內部加熱層與外部加熱系統連接，對復合材料層用模溫機進行后固化。后固化完成后，將帶有鋼結構的PS面與SS面模具通過液壓翻轉機構連接起來（為保證葉片合模的前后緣的同步性以及葉片根部與尖部的同步升降，防止鋼架以及模具的扭曲，翻轉機構的翻轉角度誤差應該控制在2°以內）。在對模具的標高以及型面進行全面綜合性能的檢測。

3 結論

3.1 葉片模具設計要控制葉片模具鋼架的強度，穩定性，為防止模具的形變，鋼架的結構設計應該控制在一定是的范圍之內，且變形越小越好。

3.2 葉片模具表面的光潔度應該在800目左右，以至于在生產葉片時容易脫模，減少生產過程中模具損傷，保證葉片表面狀態。

3.3 模具復合材料層灌注樹脂應該選用收縮率低于0.05%，且Tg值高于葉片本體，具有記號的力學性能的環氧樹脂，以保證模具的形變；

3.4 模具翻轉機構翻轉同步角度誤差應該控制在2°以內，以保證模具和鋼架安全性。

參考文獻

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作者簡介：

陶生金（1982-），男，江蘇連云港人，本科，工程師。研究方向：主要從事風力發電機組葉片設計研發工作

何明（1977-），男，江蘇連云港人，本科，工程師。研究方向：主要從事風力發電機組葉片設計研發工作

林濤（1984-），男，江蘇連云港人，本科，工程師。研究方向：主要從事風力發電機組葉片設計研發工作