風機葉片灌注質量影響因素的研究

岳彥山，何 明，陶生金，袁維瀚

（國電聯合動力技術（連云港）有限公司，江蘇連云港222002）

0 引言

隨著風電產業的不斷發展，為了在有限空間中獲取更多的風能，降低發電成本，風電機組的單機容量也從十幾千瓦發展到現在的兆瓦級，甚至向十兆瓦級、幾十兆瓦級發展［1］。葉片作為風電機組捕獲風能的關鍵部件，葉片尺寸與兆瓦級有著密切的關系，隨著容量的增大，葉片尺寸也隨之大型化，對質量的要求也更加苛刻。本文將理論與生產實際相結合，梳理材料對大尺寸風機葉片真空灌注質量的影響因素。

真空灌注工藝是生產大尺寸風電葉片的主要技術，其工藝是在單向剛性模具上預制纖維、增強型材料，包覆柔性真空膜后采用真空負壓注入聚合樹脂，利用樹脂的浸潤、流動能力實現樹脂對纖維、增強材料的浸潤，結合成為具有高強度、低空隙率的復合材料。風機葉片由玻璃纖維布、樹脂和增強材料組成，材料的性能不僅決定葉片的力學性能和使用年限，同樣也影響著真空灌注的質量。大尺寸葉片相比小尺寸葉片弧度落差和角度、纖維厚度和芯材的厚度都更大，因此對材料性能的影響也更高，必須綜合考慮材料的兼容性和材料對工藝的影響。

1 玻璃纖維對真空灌注的影響

玻璃纖維布是葉片的主要承力材料，其剛性、柔性的強度直接決定葉片質量和壽命，下面分別討論玻纖布的浸潤劑、含水率、縫編和裁剪工藝對真空灌注質量的影響。

1.1 玻纖布的浸潤劑對真空灌注影響

玻纖布表面浸潤劑直接影響真空灌注質量，表面的浸潤劑實現樹脂與玻纖的界面結合，同時對樹脂的微觀流動也起到促進作用，因此要想得到質量更高的產品，要求選擇玻璃纖維表面浸潤劑與樹脂相匹配。大型葉片制作必然會使用大量的玻纖布，纖維布的鋪設通常會經歷相對較長的時間，由于浸潤劑的吸水特性，纖維布難免會吸潮導致浸潤劑失效。而表面浸潤劑失效的玻纖表面，由于玻纖表面浸潤性差而界面粘接不佳，進而影響葉片的灌注質量，玻璃鋼本體產生大量白斑缺陷（見圖1），因此針對大型葉片制作應當選擇出廠時間較短的玻纖布。制作過程要減少暴露時間，減少玻纖布吸收空氣中的水分，可以擁有較好的樹脂流速，包抄率小，有利于保證微觀質量和含膠量。

圖1 過期纖維布的灌注效果

1.2 玻纖布的編制對真空灌注影響

玻纖布使用纖維束和縫編線編織而成，樹脂在纖維布內的流動可分為樹脂在纖維束之間的流動和在纖維內部纖維單絲之間的流動，縫編線編織緊密會導致纖維束之間的縫隙加大，纖維單絲之間的縫隙變小。兩種空隙率引起的流動速率不同會導致纖維布層出現不同程度的浸潤不良，在葉片表面形成白斑。大型葉片玻纖布的裁剪設計是容易忽視的方面。由于大型葉片型面在根部向葉身過渡區域有更加大扭轉角度，在鋪設過程中纖維的延展能力有限，無法完全與模具隨型，易產生局部褶皺（見圖2），而樹脂在纖維束和纖維褶皺中擁有更快的流速，局部流速的加快是產生包抄的主要原因。玻璃纖維布的平整程度不僅影響葉片的結構質量，同時也易產生包抄，影響葉片的灌注質量，因此扭轉角度比較大的區域應當著重設計纖維布的裁剪方式，減少或避免褶皺的出現。目前比較便捷的方式為在扭轉角度大的區域將玻纖布裁剪為多塊，并進行搭接鋪設。

圖2 葉根過渡區出現的褶皺

2 灌注樹脂對真空灌注的影響

灌注樹脂在玻璃鋼材料中起著粘接、支持、保護增強材料和傳遞應力的作用，能夠對纖維復合材料充分浸潤［2-6］。下面分別討論灌注樹脂的黏度、可操作時間、真空度和重力對真空灌注質量的影響。

2.1 灌注樹脂的黏度對真空灌注的影響

隨著風力發電的迅猛發展，葉片的長度也不斷增長，要求樹脂具備較高的力學性能和物理性能，大兆瓦葉片對黏度、可操作時間和凝膠時間有更嚴格的要求，保障能夠對玻璃玻纖充分浸潤和流動充模。大兆瓦葉片有更大的長度和厚度，要求樹脂擁有較低的黏度。有研究表明隨著樹脂黏度的減小，樹脂在玻璃纖維中的流動距離增加，流動速度更快，不論在長度方向還是厚度方向都有更好的浸潤能力，充分保障大兆瓦樹脂在可操作時間內能夠充分浸潤玻璃纖維，得到更好的質量。甚至可以說樹脂的黏度直接影響葉片的真空灌注質量，黏度上升到極值，樹脂固化，真空灌注結束。

2.2 灌注樹脂的可操作時間對真空灌注的影響

樹脂的混合黏度是隨時間遞增而增加的，樹脂是否適用于真空灌注，通常采用可操作時間和凝膠時間進行衡量，因此可操作時間和凝膠時間為樹脂固化時間的重要考量指標。隨著黏度的不斷升高，灌注樹脂開始凝膠，凝膠現象的出現宣布著真空灌注的結束，過短的凝膠時間導致灌注時間不足，過長的凝膠時間導致樹脂浪費。目前大兆瓦葉片的灌注時間通常在120 min以上，綜合考慮溫度的影響，可操作時間大于100 min，凝膠時間大于240 min的樹脂更便于大兆瓦葉片工藝的設計。避免邊緣區域樹脂無法抵達，充分保障葉片整體灌注成型。

環氧樹脂固化反應是放熱反應，隨著黏度的增加，固化反應產生的熱量不能及時消除，就會積累導致固化中的灌注樹脂溫度急劇上升，這樣伴隨著凝膠時間的到來，就會出現一個峰值溫度。實踐中通常利用這個溫度進行凝膠時間的判定，但峰值溫度在實驗室和現場的表現具有較大差距，需要進行實踐矯正。

2.3 真空度對真空灌注的影響

真空度是真空灌注的主動力，決定著樹脂流速和距離，較低的真空度伴隨著較多的空氣殘留，容易導致樹脂中溶入過多的空氣，固化后空氣留在玻璃鋼中，形成白點、干斑，影響葉片的灌注質量，更嚴重的會導致樹脂無法浸潤邊緣玻纖布。葉片受力情況下，白斑、干斑玻璃鋼由于有別于周圍材料，容易形成應力集中，所以真空度對樹脂的流動和浸潤具有十分重要的意義。在實際生產中對真空度和氣密性都有較高的要求，通?？刂普婵斩仍?.1 MPa，氣密性小于0.01 mPa/min。

隨著葉片根部直徑和預彎的增大，葉片根部高點與低點和根部與葉尖的高度差也越來越大，重力也成為影響樹脂流動的因素。一般情況下重力對樹脂的影響包含阻力和拉力兩個方面。樹脂向上流動時，表現為阻力，可以導致葉片高點樹脂無法到達或浸潤；向下流動時，表現為拉力，可以導致葉片低點富樹脂或淤積。在實際生產中通過抬高樹脂桶的方法，減小樹脂液面與浸潤玻纖液面的高度差；在低位前增加阻擋或樹脂排出的方式，避免富樹脂或淤積。

3 芯材對真空灌注的影響

葉片芯材具有質量輕、高比剛性和良好的抗沖擊性等特點，目前主要應用于殼體和腹板兩個位置，在葉片結構中起到重要的作用。目前流行使用的芯材材質上主要有天然材料Balsa和有機高分子材料PVC、PMI等［7］。為了保證性能和成本，兩種材料在葉片中共同使用，通常Balsa主要應用在葉片根部區域，PVC為代表的有機高分子材料應用在葉片尖部區域。為了得到更好的灌注效果，通常會在芯材表面開槽或者開通孔，為了與葉片模具能夠隨型鋪設，通常開槽深度會較大，深度基本與芯材厚度相等。葉片模具在部分區域弧面過渡較大，這時厚度較大的芯材會在下表面或上表面出現較大的軸向的三角形縫隙（見圖3），較嚴重區域甚至達到10 mm以上。實踐發現，存在芯材槽孔的區域樹脂導流速度明顯快于無槽孔的區域，證明槽孔的存在使芯材具有明顯的導流能力，會導致局部區域的白斑缺陷。同時，過大的空隙由于重力和真空負壓的影響，會導致樹脂的流失，形成沒有樹脂的縫隙（見圖4），這種缺陷十分隱蔽，運行的葉片會因為芯材的抗剪切和抗壓縮能力降低，甚至完全失效，形成事故。

圖3 芯材切縫變大

圖4 芯材切縫空心

在考慮芯材性能的過程中，經常被忽略的是芯材優異的保溫特性。大型葉片使用的芯材厚度較大，保溫特性更加明顯，而目前采用的有機高分子芯材（例如PVC芯材）耐高溫能力通常較低［8］，當樹脂放熱峰來臨時有機高分子芯材很容易被燒焦，甚至碳化（見圖5）成為粉末，芯材完全失去作用。

圖5 芯材燒焦

4 結語

通過對以上葉片主要原材料的選材原則進行了初步探索和總結，為提高葉片真空灌注質量的選材提供了參考。大型葉片的開發對材料性能要求越來越高，其相應的技術指標也相應提高，要不斷研究和完善各種材料的檢驗要求。充分了解各種材料的性能參數，尋求綜合性能優異的材料，更好地把材料的性能發揮到最大程度，滿足風力機復合材料葉片低成本、輕量化、質量穩定性的需求。