風電葉片芯材蒙皮微裂紋產生原因及缺陷的消除

張成旭

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

近些年來，各種清潔能源，如風能、水能、潮汐能等得到了較廣泛的應用。其中，利用風能進行風力發電，是利用清潔能源的重要形式之一。早在公元前700年，中國人就研制出帆船，以“風帆助航”的形式利用風能；宋代時期就有風車出現，以風車為載體，將風能轉化為機械能用于農業生產；19世紀末至20世紀初，美國、丹麥等國家研制出了各種型號的風力發電機，用于工業領域[1]。

風力發電機由發電機、葉片、輪轂、主軸等部件組成，各部件結構均對葉片質量產生影響[2-4]。風電葉片為風機中的重要組件之一，對風機的運行效果及穩定性起到了決定性的影響，控制葉片各組件質量對保證風機穩定運行起到了積極作用。同時，由于風電行業平價上網的新政策[5]，在保證葉片質量的前提下，做到控制成本、實現精益生產將是未來的一大發展趨勢。本文以減少葉片缺陷，降低葉片維修成本為出發點，針對芯材蒙皮微裂紋問題，通過試驗的途徑進行研究，旨在找出可解決微裂紋缺陷的方法，降低維修成本，為葉片產業保交付、控成本目標的實現奠定基礎。

1 風電葉片芯材蒙皮微裂紋產生的原因

1.1 芯材蒙皮微裂紋定義

微裂紋指的是芯材蒙皮外表面出現的微小的細絲狀裂紋缺陷，因該缺陷較微小，用肉眼難以觀察清楚，需要借助手電筒等工具進行觀察方能發現并判別該缺陷，故將此種缺陷稱為微裂紋。芯材蒙皮微裂紋形態如圖1所示。

圖1 芯材蒙皮微裂紋形態Fig.1 Micro-crack morphology in core material covering

1.2 芯材蒙皮微裂紋問題產生原因分析

通過試驗對芯材蒙皮微裂紋問題進行研究，首先分析其產生原因，再提出解決方案，對比方案改進后，樣塊微裂紋情況是否得到改善，驗證解決方案的合理性。

通過調研得知，灌注速度過快可能是導致芯材蒙皮產生微裂紋的主要原因，因灌注速度過快，樹脂在導流網的作用下快速流動，不同部位流動充注程度不一致，固化后容易出現較長的微裂紋缺陷。

2 芯材蒙皮微裂紋問題解決方案及其對比

2.1 芯材蒙皮微裂紋問題解決方案

由于灌注速度過快是導致微裂紋現象的主要原因，以灌注速度為出發點展開研究，分別設定如下2種樣塊制備的方案：①灌注時注膠管半開，使灌注過程保持較快的速度；②灌注時注膠管 1/4開，使灌注時間延長 1倍左右。分別按照上述 2種方案制備500mm×500mm×20mm 樣塊，對比樣塊微裂紋發生情況。

2.2 微裂紋問題對比分析

2.2.1 方案1樣塊微裂紋情況

按方案 1制備樣塊時，微裂紋缺陷相對較嚴重，長度較長，面積較大，樣塊表面大部分區域均有不同程度的微裂紋，長度較長的微裂紋占比較大。微裂紋缺陷如圖2所示。

圖2 方案1樣塊微裂紋缺陷情況Fig.2 Micro-crack defect of sample in scheme 1

2.2.2 方案2樣塊微裂紋情況

按方案 2制備樣塊時，大部分樣塊無微裂紋缺陷，僅個別樣塊部分區域有輕微的微裂紋，且與按方案 1制備的樣塊相比，微裂紋長度及面積明顯減小。微裂紋缺陷如圖3所示。

圖3 方案2樣塊微裂紋缺陷情況Fig.3 Micro-crack defect of sample in scheme 2

2.2.3 2種方案下樣塊微裂紋缺陷統計

對比5組樣塊，共10塊，1～5號為按方案1制備出的樣塊，6～10號為按方案 2制備出的樣塊。根據微裂紋缺陷嚴重程度，將微裂紋缺陷情況分為較長，面積較大；較長，面積中等；較短，面積較小；較短，點狀微裂紋；無微裂紋 5個等級。按照上述等級劃分，統計出方案改進前后1～10號樣塊的微裂紋情況，如表1所示。

表1 樣塊微裂紋缺陷情況對比Tab.1 Comparison of micro-crack defects of samples

由表1可知，按方案1制備樣塊時，微裂紋缺陷較長且面積相對較大，部分樣塊表面大部分區域幾乎都有微裂紋缺陷，其余樣塊微裂紋缺陷也較長，面積略小，處于中等水平；按方案 2制備樣塊后，微裂紋缺陷問題基本上得到解決，大部分樣塊無微裂紋缺陷，只有 1個樣塊有點狀微裂紋缺陷，且缺陷長度及面積明顯減小。改進方案后，微裂紋缺陷問題基本上得到解決。

3 結 論

①樣塊灌注過程中，將注膠管由半開調整為 1/4開，將灌注時間延長 1倍左右，有效地解決了微裂紋問題。

②將按照 2種方案分別制備的樣塊微裂紋缺陷情況進行對比得知，按照第 2種方案制備的樣塊，大部分無微裂紋缺陷，僅有 1個樣塊有點狀微裂紋缺陷，且缺陷長度及面積明顯減小，微裂紋缺陷問題基本上得到解決，驗證了改進方案的有效性和可行性。