張 朋，霍志偉，李圓圓

（洛陽雙瑞風電葉片有限公司，洛陽 471039）

0 前言

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，風力發(fā)電等新能源產(chǎn)業(yè)逐步發(fā)展并成為熱點［1］。目前風力發(fā)電葉片多用熱固性樹脂、固化劑、玻璃纖維、夾心材料等通過真空輔助灌注工藝成型［2,3］。傳統(tǒng)真空灌注成型工藝主要采用樹脂和固化劑單組份脫泡或者混合脫泡的方式，脫泡之后結(jié)合移動灌注桶的打膠方式，灌注準備過程操作繁雜、機械化水平低、工作量大，整個灌注成型過程中，樹脂打到桶里后暴露在空氣中，因此存在樹脂與空氣直接接觸的弊端、生產(chǎn)過程中頻繁發(fā)生樹脂二次混入氣泡、注膠桶被抽干引入氣泡、樹脂灑落污染車間地面等問題。葉片制品灌注完成后常常伴隨葉片外表面發(fā)白、主梁邊緣氣泡聚集發(fā)白、芯材邊緣空洞斷續(xù)殘留氣泡、主梁或后緣UD預制件下連續(xù)氈氣泡、玻纖布搭接縫浸潤不良發(fā)白、葉根螺栓套邊緣空腔等質(zhì)量缺陷［4］。

風電葉片結(jié)構(gòu)和灌注導流方式比較復雜，樹脂浸潤過程有許多不規(guī)則的流動和浸潤方式，傳統(tǒng)真空灌注工藝在葉片質(zhì)量、樹脂用量、制造成本、環(huán)境友好等方面存在較大優(yōu)化空間，且葉片長度越長、體積越大，葉片生產(chǎn)成本和灌注質(zhì)量風險越高，葉片制造工廠急需一種成本更優(yōu)、質(zhì)量可靠、技術(shù)領(lǐng)先的風電葉片真空灌注技術(shù)。

1 研究背景

目前傳統(tǒng)的風電葉片成型樹脂脫泡方式分為單組份脫泡和混合樹脂脫泡。

（1）樹脂單組份脫泡：在60~70 ℃密閉的不銹鋼脫泡釜中，通過電機攪拌，使用真空泵制造真空環(huán)境下脫泡60~180 min，這種方式又稱一次脫泡。工作原理為在60~70 ℃的高溫和低壓下，樹脂中的氣泡膨脹上浮，在攪拌離心的作用下，氣泡上浮脫離樹脂或固化劑單組份，從而完成脫泡。

（2）混合樹脂脫泡：又稱為二次脫泡，使用未脫泡的單組份樹脂和固化劑按一定比例計量，通過混膠管混合后在真空脫泡箱中脫泡。工作原理是樹脂和固化劑混合后，用一定的壓力通過噴頭注入真空箱中，在壓力差的作用下氣泡上浮。

不管是單組份脫泡還是混合脫泡，脫泡完成后最終都是將樹脂注入敞口容器，灌注時利用模具和真空袋膜形成模腔的負壓，注入樹脂。在充模過程中，樹脂中的氣泡容易造成空氣進入、浸潤不良等質(zhì)量缺陷，這些缺陷的存在導致纖維浸潤性降低，樹脂與纖維界面粘接性差，造成復合材料制品強度下降，表面質(zhì)量差［5］，大量氣泡的存在使葉片剪切性能和彎曲性能嚴重降低［6］。此外，葉片灌注時，裝有樹脂的容器常常需要轉(zhuǎn)運、倒桶，也會將氣泡引入樹脂，造成灌注缺陷。

基于以上問題，研究人員做了大量的研究。結(jié)合現(xiàn)階段研究成果，本文提出了一種適用于風電葉片成型過程的一體在線真空灌注工藝，一體設(shè)備與樹脂和固化劑IBC桶連接，樹脂和固化劑通過多層濾膜將樹脂或固化劑平鋪，增加脫泡表面積，該技術(shù)可以將樹脂供應、脫泡、混膠、出膠、葉片灌注等集為一體；并取消分散式定點灌注桶，可以在線精準控制樹脂溫度、在線連續(xù)樹脂脫泡與葉片灌注直接供應；最終實現(xiàn)了改善樹脂組分脫泡效果的目的，提高了葉片灌注質(zhì)量和灌注效率，降低了制造成本和葉片維修成本。

2 實驗部分

2.1 原料

單軸向玻纖布：UDH-1215，單位面積質(zhì)量為 1 215 g/m2，宏發(fā)新材料有限公司；

環(huán)氧樹脂：Techstorm180，道生天合材料科技有限公司；

環(huán)氧樹脂固化劑：Techstorm185，道生天合材料科技有限公司；

真空輔助材料、脫模劑、導流網(wǎng)、脫模布、鋼絲增強管、雙向注膠閥門、三通注膠閥門、注膠板、真空袋膜、剪刀、直尺等。

2.2 儀器和設(shè)備

樹脂脫泡機：2X-30工業(yè)用樹脂脫泡機，東莞市全豐機械有限公司；

樹脂打膠機：XD-302樹脂打膠機，HUK；

真空泵：RUFUS旋轉(zhuǎn)葉片式真空泵，型號R0100，進口容量100 m3/h（50 Hz），最大真空度 0.5 mbar，廣州市佛泵真空設(shè)備有限公司；

一體在線灌注機：HD-2BV60，海德里希（廈門）真空機械制造有限公司。

2.3 實驗方案

本次實驗采用2種方式對主梁進行實驗，從而驗證脫泡效果、管路連接方式和設(shè)備連接模具灌注時間與樹脂用量。2種方法分別為：傳統(tǒng)方式灌注、一體機設(shè)備脫泡樹脂在線灌注。

2.4 固化制度

灌注完成后，開啟模具加熱控制系統(tǒng)，設(shè)置加熱曲線，開啟模具加熱器。使用保溫棉被覆蓋產(chǎn)品表面，若溫度達到50 ℃以上掀開棉被，待放熱峰過后，重新覆蓋棉被固化，加熱曲線如圖1所示：

圖1 樣品固化曲線

2.5 性能表征

2.5.1 樣品樹脂分析

樹脂質(zhì)量分數(shù)按照GB/T2577-2005《玻璃纖維增強塑料樹脂含量實驗方法》進行表征。

2.5.2 差示掃描量熱分析

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度按照GB/T19466.2-2004《塑料差示掃描量熱法》進行表征。

3 結(jié)果和討論

3.1 脫泡測試

樹脂機中打出150 ml置于250 ml的燒杯中，將盛有樹脂的燒杯置于真空干燥箱中10 min測試，樹脂混合后脫泡效果如圖2所示。圖2a為一次脫泡，燒杯內(nèi)氣泡高度大于2 mm，且無持續(xù)氣泡溢出，脫泡等級判定為二級；圖2b為一體機脫泡并循環(huán)10 min，燒杯內(nèi)幾乎無氣泡，脫泡等級為零級。

圖2 混合樹脂脫泡10 min

3.2 注膠管路布置方式

使用三通注膠閥門分別將SS面、PS面3個注膠口連接到1個注膠管，然后將此注膠管路放置到樹脂桶中進行同時灌注，灌注時間為160 min，樹脂用量為760 kg，與傳統(tǒng)灌注樹脂用量相同。

3.3 灌注參數(shù)

主梁灌注時間和樹脂用量如表1所示：

表1 主梁灌注數(shù)據(jù)表

3.4 成本核算

一體在線灌注工藝項目需要考慮投資設(shè)備、電路連接等方面；原材料成本從樹脂、鋼絲增強管、三通注膠閥門、大白桶等分析；或涉及到專業(yè)操作人員的培訓費用、設(shè)備引入新增費用等。

3.4.1 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝固定資產(chǎn)對比

傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝設(shè)備需求數(shù)量和價格如表2所示。

表2 傳統(tǒng)方式灌注灌注工藝和一體在線灌注工藝設(shè)備對比表

從表2可以看出傳統(tǒng)方式灌注設(shè)備有脫泡機、樹脂機、真空泵、空調(diào)、叉車等設(shè)備，共需168.7萬元；而一體在線灌注工藝，機械設(shè)備共需163.0萬元，通過比較，使用一體在線灌注設(shè)備可節(jié)省5.7萬元。

3.4.2 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝的原材料成本對比

（1）通過對SR120傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝殼體灌注樹脂用量結(jié)果統(tǒng)計，單支葉片殼體和大梁樹脂用量平均為3 113kg，而采用一體在線灌注工藝樹脂用量為3 020 kg，可以看出：單支葉片可節(jié)約93 kg樹脂。

（2）一體在線灌注時鋼絲增強管用量與現(xiàn)用幾乎相同；灌注大梁時，一體在線灌注設(shè)備比傳統(tǒng)方式灌注注膠管路節(jié)約19 m，單支葉片大梁可節(jié)省190元。

（3）單支葉片一體在線灌注設(shè)備比現(xiàn)用管箍多56個，單支葉片大梁增加56元；膠帶成本增加30元。

（4）傳統(tǒng)方式灌注殼體、大梁不需要三通注膠閥門，而一體在線灌注工藝灌注殼體需要17個，灌注大梁需要5個；單支葉片成本增加440元。

（5）傳統(tǒng)方式灌注用大白桶平均單支殼體和大梁各使用1個，共需80元；一體在線灌注設(shè)備打出樹脂通過一個緩沖袋連接，灌注單支殼體和大梁可節(jié)省60元。

綜上所述，從材料成本分析，灌注單支殼體和大梁可節(jié)省2 049元，如表3：

表3 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝材料對照表

3.4.3 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝的能耗

目前灌注用樹脂需要通過脫泡釜單組分脫泡60 min，脫泡箱的容量為500 L，單支葉片樹脂總量為3 660 kg，設(shè)備功率和出膠速度等總能耗為 4 27 kW·h。一體在線灌注分為脫泡入桶和在線灌注2種方式，設(shè)備出膠速度為25 L/min，設(shè)備功率為80kW，能耗為80×4.36=348.8 kW·h，若設(shè)備提前 1 h加熱，總能耗為428 kW·h，表4為傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線脫泡能耗對照。

表4 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線脫泡能耗對照表

3.4.4 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝人員

單支葉片殼體總量為3 660 kg，其中樹脂為 2 809 kg，需要脫泡5.6 h，按2臺脫泡機計算，需要脫泡2.8 h；殼體打膠4人，需要2 h，共8個工時；大梁、UD預制件和腹板分別為4、2、4個工時；而使用在線設(shè)備供膠，共需要4.7 h，具體對比見表5。

表5 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線脫泡人員工時對照表

除此之外，傳統(tǒng)方式灌注工藝還需配備恒溫房、轉(zhuǎn)運設(shè)備，這不僅使成本增加，還可能增加設(shè)備的能耗與維修；而一體在線灌注工藝省去了樹脂脫泡、儲存和轉(zhuǎn)運多個中間環(huán)節(jié)，減小了因脫泡樹脂供應不足造成的潛在風險。綜上所述：使用一體在線灌注工藝，固定資產(chǎn)投入節(jié)省5.7萬元， 單支葉片材料節(jié)約2 049元，能耗基本相同，操作人員工時減少約16個工時，可節(jié)約240元，SR120單支葉片節(jié)約成本總計約2 289元，具體對比 見表6。

表6 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線脫泡成本對比表

4 結(jié)論

（1）采用一體在線脫泡設(shè)備真空脫泡，脫泡效果明顯變好，樹脂氣泡等級由二級提升至零級。

（2）由于緩沖袋抬高一定距離，減少樹脂混合脫泡，灌注效率提高，降低制品的含膠量，減少因氣泡缺陷維修造成時間的浪費，并降低樹脂因灌注時間過長而發(fā)熱固化的風險，實現(xiàn)高質(zhì)量快速灌注。

（3）相比傳統(tǒng)方式灌注工藝，一體在線灌注設(shè)備從設(shè)備、材料成本、能耗和人工成本等方面單支葉片降低成本約2 289元。