風電葉片內包邊缺陷分析及成型方法優化

李雪原，王雅珊

（1.洛陽雙瑞風電葉片有限公司，河南 洛陽 471000；2.北京玻鋼院檢測中心有限公司，北京 102101)

0 引言

世界氣象組織預估全球風能總資源量約為53萬億kW/h，約是水力資源的10倍，相當于1.08萬億t標準煤[1]。目前，我國的風力發電技術日趨成熟并具有自主創新能力，風力發電已成為國內三大主力電源之一，風電裝機總量排名世界第一，同時，我國風電市場不斷壯大，并逐漸走向世界。近20年來，國際商業風力機功率呈明顯增加趨勢，20世紀90年代，1 MW的風力機占市場主要地位，到2010年代，1.5～3.0 MW的風力機發展趨于成熟并投入市場，近幾年出現了額定功率為10 MW甚至功率更大的風力機用于海上風場[2]。

在實際運行中，風力機葉片發生故障或報廢主要是由于葉片粘接出現問題導致的，而在葉片粘接過程中，最易出現問題的區域為前、后緣內包邊，這與葉片受力有關。在正常情況下，由于葉片在擺振方向的剛度較強，受到激擾后的振幅較小且有衰減，所以葉片結構所承受的載荷在正常允許范圍內；但在失速工況下運行時，葉片的氣動阻尼由正變負，最終導致葉片振動不收斂反而出現發散[3-4]。如果葉片粘接區域存在空洞和分層，說明內包邊本身存在富樹脂、褶皺等缺陷。風機在運行過程中，葉片粘接區域反復受力，缺陷區域形成裂紋，導致葉片開裂甚至報廢。因此，保證風力機葉片的粘接質量是至關重要的[5]。

現有的葉片制作工藝中，由于合模會擠壓膠黏劑，導致出現膠黏劑掉落在葉片內部的情況，因此需定期清理維護，這已經成為葉片常規維護的重要項目。國內大部分廠家已投入大量精力研究解決上述問題，并采取PS面腹板粘接工裝、粘接角PS面成型等方法，但只能降低膠黏劑脫落的風險，無法完全避免其掉落。

1 傳統葉片內包邊成型方式

傳統的內包邊成型方式為手糊成型方式，手糊成型方法存在手糊質量差、粘接界面效果差等缺點。手糊內包邊一般采取以下2種方式與葉片半殼粘接，一種為布層手糊在SS面殼體區域，另一種為制作成預制件內包邊，將內包邊使用膠黏劑粘接在SS面。上述方法操作復雜，人工成本和材料成本耗費大。

2 內包邊常見缺陷

2.1 內包邊界面缺陷

在復合材料粘接過程中，需保證粘接界面粗糙且干凈無異物，如界面被污染或夾雜脫模布等輔助材料，可能造成粘接失效，出現膠黏劑裂紋和葉片開裂。

2.2 內包邊與殼體粘接厚度過大或碰撞缺陷

粘接強度隨膠層厚度的增加而降低，這是因為厚膠層內部缺陷較多，固化后內應力較大。膠層厚度不僅影響粘接強度，還會引起破壞類型的改變。Adams等[6]的研究表明，粘接膠層越厚，其存在的缺陷越多，如微裂紋、空隙等。但并不是膠層越薄越好，膠層太薄易造成缺膠，導致粘接強度降低，通常膠層厚度應在膠粘劑產品指定的范圍內為宜。在保證不缺膠的情況下，薄而均勻膠層的粘接強度較高。Gleich等[7]的研究表明，粘接膠層越薄，蒙皮與粘接膠界面的剝離和剪切應力越大。因此，通常將膠黏劑的厚度控制在2mm以內，避免由于葉片運轉過程中的變形量大造成內包邊與殼體碰撞，產生裂紋，甚至失效。

2.3 內包邊內側褶皺

布層褶皺對布層的力學性能影響較大，一般褶皺的定義為高寬比。復合材料褶皺可導致其性能大幅下降，如拉伸、壓縮強度、疲勞壽命等，使得性能值偏離預期設計值，無法在正常條件下使用。現有工藝內包邊內側合模縫區域的軸向褶皺對內包邊的整體強度影響較大。

2.4 內包邊粘接寬度不足

薛彩虹等[8]模擬粘接膠理想寬度，在最理想的粘接寬度范圍之內，后緣應力水平相對最低，強度較低，后緣比較安全。在內包邊粘接或者手糊成型過程中，內包邊的定位尺寸不準確，造成內包邊的部分寬度不足，影響膠接強度。

2.5 內包邊區域多余膠黏劑殘留

一般葉片成型方式為PS面與SS面粘接合模方式，為保證上下模完全粘接，施膠厚度需要一定的安全余量，這會導致膠黏劑溢出到葉片型腔內，增加葉片的本體重量，影響發電效率。在葉片運行過程中，膠塊脫落到主機中引發噪聲、葉片殼體碰傷，甚至安全事故。

3 內包邊工藝改進方法

3.1 內包邊積膠器設計和粘接角縫制方法

風場運行維護每年會花費大量資金開展風場葉片內部膠黏劑的清理工作，隨著海上風電的發展，葉片內部清理成本呈增加趨勢。同時，葉片內部膠黏劑掉落的影響越來越大，國內也曾出現多起葉片內部膠黏劑掉落引發的整機質量事故。針對上述問題，筆者設計了一種全新的內包邊結構，在內包邊邊緣增加“積膠器”結構，如圖1所示，以防止內包邊膠黏劑掉落。這一創新有效地解決了多余膠黏劑溢出到葉片型腔內的問題。

圖1 內包邊“積膠器”結構（Fig.1 Inner edge "glue integrator" structure）

將內包邊布層固定在SS面布層殼體上，通過內包邊模具固定內包邊布層，使其具有一定形狀，此形狀應與PS面型面一致，并留有膠結間隙。

3.2 內包邊布層預裁剪方法

裁剪工藝要求的內包邊布層，在合模縫區域放置1層100～150 mm、寬90°的三軸布，采用縫紉機將其縫紉在一起，在使用過程中，將三軸布搭接在殼體法蘭邊區域。

修剪去除位于SS面前后緣內包邊處超出模具產品線的玻纖布，預留1層內蒙皮布層，要求殼體布層與模具分模面平齊，確保內包邊布層、殼體布層及模具分模面能夠很好地貼實，并鋪設弧順。在SS面前及后緣放置內包邊布層，從內包邊起始位置往葉尖依次放置各區域內包邊布層，長度方向上要求內包邊布層繃緊，不能有褶皺；內包邊布層縫制線（布層中線）緊靠葉片內殼體玻纖布層邊緣，即寬度的一半處在SS面，內包邊外側縫制100～150 mm的布，另一半貼在模具分模面。

3.3 內包邊模具定位調整法

3.3.1 定位銷定位方式

內包邊模具定位對膠結厚度和內包邊成型質量有較大影響，可采用定位插銷將內包邊固定在模具法蘭邊上，以確保內包邊模具的位置，如圖2所示。在內包邊區域剪掉所有法蘭邊多余布層，把此區域與內包邊接觸的型面清理干凈，避免有物體影響內包邊模具的位置。

圖2 內包邊模具定位銷定位（Fig.2 Positioning pin of inner cladding die）

3.3.2 磁力定位方式

內包邊定位使用磁力系統定位，在內包邊模具和主模具相應位置預埋磁鐵，以準確定位內包邊模具和主模具位置，使內包邊模具與主模具貼實，避免產生中空，造成富樹脂和內包邊定位變形，如圖3所示。

圖3 內包邊模具磁力定位方式（Fig.3 Magnetic positioning mode of inner edge mould）

3.3.3 定位塊定位

首先在模具上定位塊位置預制金屬定位擋塊，避免定位塊接觸玻璃鋼模具，造成磨損玻璃鋼磨損，從而影響定位精度。定位塊材質為305鋼，將定位塊設計為梯形，避免袋膜在角度鋒利位置被扎破。提高葉片灌注過程中的安全系數。然后在定位塊上粘接特氟龍膠帶，避免樹脂塊殘留，易于清理。此方法能夠準確地定位粘接角模具，合理控制粘接角的膠接厚度。

3.4 內包邊預制成型件制作

內包邊放置完成后，在內包邊內側放置預制成型件，此成型件與內包邊型面一致，固定在內包邊內側，可避免由于真空體系壓力造成的內包邊合模縫區域凹陷褶皺，如圖4所示。

圖4 內包邊預制件放置（Fig.4 Bonding lip perform placement）

3.5 前緣內包邊模具設計

在模具設計過程中，采取獨特的設計方案，使內包邊模具拐角區域形成R3的圓角，避免內包邊出現褶皺。另外在內包邊模具設計過程中，將內包邊靠近模具側間隙控制在1～3 mm，將遠離模具側的間隙逐漸增大到5～7 mm，使其平滑過渡，既能避免內包邊褶皺，又能將膠黏劑的厚度控制在1～7 mm范圍內。

4 結語

本文優化了內包邊成型方法，通過改變模具定位方法和模具形狀，可有效控制膠結厚度和膠結質量，避免多余膠黏劑溢出；通過采取內包邊布層預裁剪的方法，可有效控制粘接寬度，縮短成型周期，降低人工和生產成本；通過內包邊預制件成型，避免產生內包邊褶皺；通過一體灌注成型，可有效提高內包邊的成型質量。由于內包邊成型具有復雜性，在風電葉片成型過程易發生質量問題。針對該質量問題采取一定的措施，可規避風險，節約模具占用時間，同時提高生產效率。