風電葉片的季節性灌注生產管理和工藝技術措施

李 斌

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

我國北方地區的春秋兩季為風電葉片生產的黃金季節，在此季節不需要額外投入更多的能源成本。然而葉片的市場供應依賴于風電整機裝機需求，每年入冬后至次年的 3、4月份，因整機裝機較少導致葉片的需求量少，同時環境溫濕度偏低也不適宜生產葉片。在每年的 5～10月伴隨整機裝機量的增多，葉片的需求量也增多，葉片生產進入高峰期，然而葉片生產所需的環境條件比較苛刻，由于環境溫濕度越來越高，并不適宜生產葉片。在不投入更多外界輔助能源的情況下，本文將在節約能源成本的前提下，對如何在極限條件下組織葉片的灌注生產進行探討，做到葉片生產的均衡。

1 樹脂灌注技術

灌注的基本原理是將樹脂在真空負壓的作用下被“吸入”增強纖維或纖維布中。樹脂灌注玻纖布的速率是由以下參數決定：樹脂系統的粘度 η，玻纖布或增強纖維的浸潤能力D，作用在灌注樹脂的壓強梯度ΔP。

灌注速率v與上述3個參數的相關性為：

可知灌注速率與纖維浸潤能力(D)正相關，與灌注壓強梯度(ΔP)正相關，與樹脂粘度(η)負相關。

1.1 樹脂粘度

在給定負壓下，低粘度樹脂保證了更快的流動性，樹脂流過增強纖維層時受到的阻力也減小，好的流動性意味著可以減少樹脂注入點，增大灌注構件同時減小灌注設計的復雜度，樹脂粘度由微觀分子結構決定。以環氧樹脂為例，多數用于風電葉片灌注制造的樹脂，以稀釋劑降低標準環氧單體樹脂的粘度值。另一種提高灌注速度的方法是提高樹脂溫度，因為樹脂的粘度是隨溫度升高而降低的。

1.2 滲透性

干纖維布或鋪層的滲透性取決于以下幾個因素：纖維直徑、纖維表面助劑、玻纖布的類型。

玻纖與碳纖維在滲透性上具有顯著區別，碳纖維的灌注難度明顯加大。這是由于碳纖維直徑(5～10,μm)小于玻璃纖維的直徑(16～24,μm)，以至碳纖維束更加緊密排布，妨礙了灌注樹脂的浸潤。一種化學表面助劑的添加保護了纖維在編織時不被損壞，并增加了纖維與樹脂的粘合能力以提高層合板的整體性能。表面助劑的一個重要功效就是增加纖維與樹脂浸潤能力，這在灌注工藝中尤為重要，使得樹脂能快速浸入并流過纖維層。玻纖布主要根據力學性能和纖維方向要求選擇，在灌注工藝中需要考慮纖維布的浸潤能力。

1.3 壓力梯度

通過真空泵抽真空，外界大氣壓會使得封閉的真空袋內部產生負壓，樹脂即被吸入負壓的真空袋繼而浸潤纖維鋪層，浸潤的前沿和后沿會產生牽引力，牽引力與纖維鋪層的浸潤性成正比，一旦纖維鋪層確定，牽引力將等于產生的壓力梯度。

2 風電葉片灌注工藝的主要影響因素

風電葉片真空輔助樹脂灌注工藝是將纖維增強材料直接鋪放在模具上，在纖維增強材料上鋪設一層剝離層(脫膜布)，剝離層上鋪放高滲透介質(隔離膜、導流網)，然后用真空袋膜包覆密封，模具用真空袋膜包覆密封，真空泵抽氣至負壓狀態；樹脂通過注膠管進入整個系統，通過導流管引導樹脂流動的主方向，導流網使樹脂分布到鋪層的每個角落，加熱固化后剝離脫模布，得到葉片殼體。

風電葉片幾何構造相對簡單，比較適合灌注工藝。但對現有灌注工藝進行核心開發和不斷優化后，仍然無法克服一些潛在可改變的影響因素，如環境溫度和真空壓力。灌注工藝的速度和樹脂的粘度以及與壓力梯度是正相關的，而樹脂的粘度對操作環境溫度的變化非常敏感，所以需要操作環境溫度的持續不變性以保證灌注工藝步驟不受影響。真空灌注最重要的工藝參數就是系統和模具的抽真空質量，即使極小的漏氣也會導致空氣被吸入鋪層，鋪層內的壓力梯度能很快催生氣泡并散布開來，最終造成成品的缺陷(如大量的氣泡)和需要修補的區域。

本文默認灌注的其他影響因素是正常的，僅考慮季節性的溫度對灌注生產的影響，探討如何在高溫及寒冷的條件下，在不投入過高的能源成本前提下，合理有效組織生產。

3 極限條件下風電葉片的灌注生產

8月份，屬于中國北方高溫季節，室外溫度高達37,℃以上，經測量統計某風電葉片公司成型車間環境溫度為 35,℃左右，樹脂從靜態混合器打出后出口溫度為 30,℃左右，凝膠時間相對變短。粘度變化的規律是：溫度每上升 10～15,℃，反應速度加倍，需要的固化時間將減半。在此條件下，在生產組織時可采取如下措施：葉片固化完成后，斷開加熱電源，提前將模具翻開，等滿足脫模條件后，將葉片吊出模具，采用通風方式(鼓風機)使模具的表面溫度降至室溫，開始鋪層；將葉片灌注用樹脂提前 3,d存入打膠房(打膠房裝有匹配的大功率空調，設置溫度 18,℃)，確保長時間的存放能使樹脂溫度降低，進而促使打膠溫度及脫泡后的溫度降低，以便延長灌注時間；錯峰生產，將葉片的灌注放在凌晨進行，并且整個灌注過程采用鼓風機進行通風。

1月份室外溫度低至 0,℃，經測量統計某風電葉片公司成型車間環境溫度為 10,℃左右(空調低溫運行)，樹脂從靜態混合器打出后出口溫度為 20,℃左右，樹脂粘度較大，灌注時間較長。在此條件下，在生產組織時可采取如下措施：葉片后固化完成后，將模具翻開，等滿足脫模條件后，將葉片吊出模具，直接鋪層，同時將模具的加熱溫度調至保溫溫度 35,℃，一直至葉片灌注完成，整個過程模具的表面溫度接近20,℃；將葉片灌注用樹脂提前 3,d轉入打膠房(打膠房裝有匹配的大功率空調，設置溫度 30,℃)，確保長時間的存放使樹脂溫度升高，進而促使打膠溫度及脫泡后的溫度升高，降低樹脂粘度，加熱的好處在于增加了樹脂的流動性和浸潤能力；錯峰生產，將葉片的灌注生產放在中午，盡可能在車間內部實時提高空調運行溫度。

4 總 結

風電葉片的灌注生產要求：灌注環境溫度 15～32,℃；打膠出膠溫度(25±3)℃，脫完泡溫度≤32,℃，若樹脂經過單組分脫泡，出膠溫度≤32,℃即可，出膠后可直接灌注。實際生產中，在高溫季節，如生產訂單飽滿的情況，在大型廠房中加裝空調是可行的，單支葉片的平均能耗成本會較低，同時采取輔助設施會大幅降低生產成本。在寒冷季節，如生產量少，在大型廠房中加裝空調是高成本、高耗能的，如交貨量少甚至可以短暫停產，少量生產則可采取輔助設施，雖然生產周期會加長，但生產成本增幅不高。根據生產任務量可以采用的方法是加熱模具表面至環境可達到的最高溫度(如 25,℃)，這樣既能保持灌注工藝的穩定性，也能通過降低樹脂粘度提高灌注速度。高溫季節灌注過程中，當樹脂溫度＞35,℃時，必須每 5,mim內檢測一次樹脂溫度，一旦溫度達到40,℃，必須更換樹脂，同時 10,min內向管道補充新的樹脂，防止先進入管道內的樹脂固化。