岳彥山，何 明，陶生金，袁維瀚

（國電聯(lián)合動力技術(shù)（連云港）有限公司，江蘇連云港222002）

0 引言

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

真空灌注工藝是生產(chǎn)大尺寸風電葉片的主要技術(shù)，其工藝是在單向剛性模具上預(yù)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(xiàn)樹脂對纖維、增強材料的浸潤，結(jié)合成為具有高強度、低空隙率的復(fù)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(xué)性能和使用年限，同樣也影響著真空灌注的質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量，表面的浸潤劑實現(xiàn)樹脂與玻纖的界面結(jié)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(zhì)量更高的產(chǎn)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(shè)通常會經(jīng)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(dǎo)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(zhì)量，玻璃鋼本體產(chǎn)生大量白斑缺陷（見圖1），因此針對大型葉片制作應(yīng)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(zhì)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(nèi)的流動可分為樹脂在纖維束之間的流動和在纖維內(nèi)部纖維單絲之間的流動，縫編線編織緊密會導(dǎo)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(dǎo)致纖維布層出現(xiàn)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(shè)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(qū)域有更加大扭轉(zhuǎn)角度，在鋪設(shè)過程中纖維的延展能力有限，無法完全與模具隨型，易產(chǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時也易產(chǎn)生包抄，影響葉片的灌注質(zhì)量，因此扭轉(zhuǎn)角度比較大的區(qū)域應(yīng)當著重設(shè)計纖維布的裁剪方式，減少或避免褶皺的出現(xiàn)。目前比較便捷的方式為在扭轉(zhuǎn)角度大的區(qū)域?qū)⒉＠w布裁剪為多塊，并進行搭接鋪設(shè)。

圖2 葉根過渡區(qū)出現(xiàn)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(yīng)力的作用，能夠?qū)w維復(fù)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(zhì)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(fā)電的迅猛發(fā)展，葉片的長度也不斷增長，要求樹脂具備較高的力學(xué)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?qū)ΣＡР＠w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(nèi)能夠充分浸潤玻璃纖維，得到更好的質(zhì)量。甚至可以說樹脂的黏度直接影響葉片的真空灌注質(zhì)量，黏度上升到極值，樹脂固化，真空灌注結(jié)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(xiàn)象的出現(xiàn)宣布著真空灌注的結(jié)束，過短的凝膠時間導(dǎo)致灌注時間不足，過長的凝膠時間導(dǎo)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(shè)計。避免邊緣區(qū)域樹脂無法抵達，充分保障葉片整體灌注成型。

環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，隨著黏度的增加，固化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不能及時消除，就會積累導(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)場的表現(xiàn)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(dǎo)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(zhì)量，更嚴重的會導(dǎo)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(yīng)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(chǎn)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(yù)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(xiàn)為阻力，可以導(dǎo)致葉片高點樹脂無法到達或浸潤；向下流動時，表現(xiàn)為拉力，可以導(dǎo)致葉片低點富樹脂或淤積。在實際生產(chǎn)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(zhì)量輕、高比剛性和良好的抗沖擊性等特點，目前主要應(yīng)用于殼體和腹板兩個位置，在葉片結(jié)構(gòu)中起到重要的作用。目前流行使用的芯材材質(zhì)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(yīng)用在葉片根部區(qū)域，PVC為代表的有機高分子材料應(yīng)用在葉片尖部區(qū)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(shè)，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(qū)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(xiàn)較大的軸向的三角形縫隙（見圖3），較嚴重區(qū)域甚至達到10 mm以上。實踐發(fā)現(xiàn)，存在芯材槽孔的區(qū)域樹脂導(dǎo)流速度明顯快于無槽孔的區(qū)域，證明槽孔的存在使芯材具有明顯的導(dǎo)流能力，會導(dǎo)致局部區(qū)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(dǎo)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(jīng)常被忽略的是芯材優(yōu)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(jié)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(jié)，為提高葉片真空灌注質(zhì)量的選材提供了參考。大型葉片的開發(fā)對材料性能要求越來越高，其相應(yīng)的技術(shù)指標也相應(yīng)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(shù)，尋求綜合性能優(yōu)異的材料，更好地把材料的性能發(fā)揮到最大程度，滿足風力機復(fù)合材料葉片低成本、輕量化、質(zhì)量穩(wěn)定性的需求。