淺析風(fēng)電葉片材料對葉片制造質(zhì)量的使用風(fēng)險

吳紅煥，劉鮮紅，江一杭

(天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

淺析風(fēng)電葉片材料對葉片制造質(zhì)量的使用風(fēng)險

吳紅煥，劉鮮紅，江一杭

(天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

根據(jù)對構(gòu)成風(fēng)電葉片的 4大關(guān)鍵材料(纖維、樹脂、粘接劑、芯材)的設(shè)計參數(shù)和材料性能分析結(jié)果，進(jìn)行關(guān)鍵材料在風(fēng)電葉片制造使用過程中的風(fēng)險評估，提出了這些材料質(zhì)量控制的關(guān)鍵點。

風(fēng)電葉片 玻璃纖維 環(huán)氧樹脂 粘接劑 芯材

0 引 言

葉片是轉(zhuǎn)換風(fēng)能最關(guān)鍵的部件，高空運轉(zhuǎn)時承受著強(qiáng)大的交變載荷。這不僅要求材料要有足夠的拉彎應(yīng)力，還要有足夠的剛性和韌性。玻璃鋼之所以能從眾多的材料中脫穎而出，這與其較輕的密度、優(yōu)良的強(qiáng)度以及良好的可設(shè)計性密不可分。張汝光教授說過：“玻璃鋼是張白紙，你可以盡情發(fā)揮自己的想象進(jìn)行描繪”。這就是說，開發(fā)風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)的難點不在于材料的市場技術(shù)狀況，而在于葉片結(jié)構(gòu)對材料設(shè)計的理念把握。然而，復(fù)合材料生產(chǎn)過程的可設(shè)計性對于制造企業(yè)來說，存在著潛在的材料使用風(fēng)險。

眾所周知，葉片設(shè)計及制造所關(guān)注的風(fēng)電葉片中常規(guī) 4大結(jié)構(gòu)材料分別為：纖維、環(huán)氧樹脂、粘結(jié)劑及芯材。這 4類材料在葉片結(jié)構(gòu)中承擔(dān)著各自的角色。本文旨在通過設(shè)計參數(shù)和材料性能分析，闡述目前在生產(chǎn)過程中的問題，提出把握各類材料所需要控制的關(guān)鍵點。

1 纖維材料

1.1 設(shè)計參數(shù)研究

纖維作為葉片結(jié)構(gòu)的主承力材料，其剛度、韌性的高低直接決定著葉片的鋪層設(shè)計及剛度、韌性，疲勞強(qiáng)度的高低直接決定著葉片的使用壽命。這點可以從很多葉片設(shè)計公司對玻璃纖維紗的關(guān)鍵指標(biāo)中看出：模量≥76,GPa，延伸率≥2.5%，疲勞 m 值≥10。同時考慮與基本樹脂的界面結(jié)合性，要求表面浸潤劑必須是環(huán)氧專用。根據(jù)葉片鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計及運載過程中葉片各部位所承受的不同載荷分布，葉片中使用的玻璃纖維織物主要有 3類：單向、雙向和三軸向。[1]

①葉片外蒙皮(腹板)：葉片外蒙皮部位除滿足氣動外形需要外，在運行中主要承受拉伸剪切及氣動扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，故需要較大的剪切應(yīng)變，按照優(yōu)化設(shè)計理論，一般主要采用±45 °兩相布完成，并且在主梁及根部內(nèi)外表面也會分布一層兩向布。

②主梁帽：主要承受由離心力和氣動彎矩所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力；它是葉片剛性體系的直接部件，一般由單向纖維來實現(xiàn)，可將葉片剛度與主梁帽的鋪層參數(shù)關(guān)系簡單計算為：

式中：E為主梁帽上 UD織物的材料模量；d為剪切梁的一半；b為主梁帽寬度；h為主梁帽厚度。

從簡單公式可看出，葉片剛度與主梁帽上單向材料的剛度、寬度、厚度成正比關(guān)系；同時考慮到葉片主梁重量約占葉片重量的30%，因此如果單向纖維材料在剛度研究上能夠有所突破，對于在設(shè)計上減輕主梁重量、減輕葉根載荷都具有深遠(yuǎn)意義。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小；比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大。這也是一些纖維材料供應(yīng)商一直致力開發(fā)高強(qiáng)高模材料以及長葉片而逐步采用H-Gf和Cf的原因。表 1和表 2即為目前玻璃纖維的系列產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)與玻璃纖維與碳纖維在原紗和復(fù)合板的強(qiáng)度比較。

表1 玻璃纖維紗線產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀Tab.1 Current technical status of glass fiber yarns

表2 Cf和Gf的性能對比Tab.2 Property contrast between Cfand Gf

③葉根部位：葉片根部不僅重量較大(占到葉片總重量的 50%)，也是葉片承受載荷最大的部位，在運轉(zhuǎn)過程中承受葉尖引起的拉彎及壓縮應(yīng)力，同時另一個主要作用是利用螺栓把荷載從復(fù)合材料結(jié)構(gòu)傳遞到風(fēng)力渦輪機(jī)的樞紐和主傳動軸，因此在螺栓連接處還承受較大的剪切、擠壓和粘接剪切強(qiáng)度。與主梁帽一樣，這部分復(fù)合材料應(yīng)達(dá)到高品質(zhì)、高纖維體積分?jǐn)?shù)和低孔隙率。但由于根部的荷載要求與主梁不同，它一般兼用多軸向材料以及雙向材料制成，具體的織物厚度和克重分布根據(jù)葉片設(shè)計時的載荷分布以及根部需求厚度等確定。表 3為目前 2個不同葉片設(shè)計公司在根部設(shè)計中主要三向材料的使用情況。

表3 2家公司主要三向材料設(shè)計對比Tab.3 Design and comparison of main three-way materials in 2 companies

1.2 制造使用風(fēng)險

眾所周知，玻璃纖維的生產(chǎn)是采用瓷窯生產(chǎn)，一般瓷窯的容量都在 100,t左右，屬于連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)，生產(chǎn)原絲的狀況如圖 1。編織設(shè)備質(zhì)量主要是依靠控制爐內(nèi)溫度、監(jiān)控爐內(nèi)B-Si-P-S等玻璃成分進(jìn)行監(jiān)控。此外，關(guān)鍵技術(shù)就是纖維處的表面浸潤劑技術(shù)。[2]

圖1 玻璃纖維絲和織物的生產(chǎn)圖Fig.1 Production drawing of glass fiber yarns and fabrics

從目前市場使用的纖維織物質(zhì)量反饋方面了解，玻璃紗線質(zhì)量出現(xiàn)批量性偏差情況較少。截至目前，纖維原紗的生產(chǎn)過程還都是比較穩(wěn)定的。但隨著國內(nèi)二級編織供應(yīng)商的增加以及葉片生產(chǎn)廠的成本壓力，使用的織物基本都由二級編織單位構(gòu)成。經(jīng)過這幾年對不同編織工廠進(jìn)行測試評估，基本上編織設(shè)備、編織技術(shù)的控制會存在一些微小差異，但關(guān)鍵還在于原紗性能。同時在生產(chǎn)制造中又對其進(jìn)行裁剪、鋪放，而葉片中使用的玻璃纖維都是連續(xù)性纖維，需要承接載體的作用，采購和制造方面是葉片廠監(jiān)控纖維材料是否存在重大風(fēng)險的關(guān)鍵，對于葉片制造商，主要需關(guān)注以下方面：①二級編織廠商采購的纖維原紗類型是否與需求一致；②裁布尺寸、鋪層方向、鋪層層數(shù)、鋪放位置是否無大錯，是否嚴(yán)格按照設(shè)計鋪層文件執(zhí)行；③纖維搭接的合理性，避免使用過程中的纖維裁剪、拼接，尤其主梁帽位置上的 UD 布 0,°斷經(jīng)，這是非常致命的；④纖維布鋪覆的平整性，避免產(chǎn)生纖維大幅褶皺，不論是殼體還是主梁和葉根部位；⑤纖維的吸膠量，控制較為穩(wěn)定，含膠量的高低直接決定著復(fù)合材料的機(jī)械性能及疲勞壽命。

2 芯材

2.1 芯材設(shè)計參數(shù)

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)用于葉片的殼體和腹板兩個位置?？崭谷~片需要避免彎曲失穩(wěn)，空腹結(jié)構(gòu)在彎曲荷載作用下，某一剖面壓應(yīng)力若達(dá)到一定水平，剖面就會產(chǎn)生扁平，進(jìn)而剛度下降，從而導(dǎo)致屈曲失穩(wěn)。也就是說，芯材在葉片腹板中主要承受彎曲載荷作用下的壓縮應(yīng)力和殼體扭轉(zhuǎn)時的剪切應(yīng)力，殼體位置上主要承受氣動扭轉(zhuǎn)時的剪切應(yīng)力以及吸收表面順時壓力的壓縮載荷。[3]這點也可以從不同設(shè)計公司對葉片芯材(PVC和 Basla)的性能要求中看出(見表 4)，它們主要考慮的是壓縮和剪切性能，這對材料選型及評價提供了很大的幫助。

芯材的采購目前主要還依靠進(jìn)口，使用在葉片中為 PVC和 Basla木，同時目前市場也存在 SAN、PMI、PS以及 PET材料的性能指標(biāo)。市場上材料廠家性能匯總分析見表 5。其中，SAN 泡沫、T系列均有個別廠家使用，部分葉片設(shè)計制作大梁也采用 PS系列，其剪切性能較低。在這些材料中，除 Balsa屬于木質(zhì)纖維，屬于各向異性外，其他均屬于各向同性材料。從目前了解的市場信息分析，均有可能作為下步葉片材料降低成本的一個方向。

表4 設(shè)計公司對芯材數(shù)據(jù)對比表Tab.4 Correlation table of general properties of core materials from the designer

表5 芯材數(shù)據(jù)對比表Tab.5 Correlation table of general properties of core materials

2.2 采購和生產(chǎn)質(zhì)量風(fēng)險

由于國內(nèi)的代理點大多是芯材的機(jī)械加工廠，并且由于PVC的密度受發(fā)泡技術(shù)及和Basla木受生長環(huán)境的客觀影響，密度均一性較大，一般都在±10%。根據(jù)近幾年制造過程芯材出現(xiàn)的問題以及考慮芯材在葉片中的承載作用，認(rèn)為主要監(jiān)控點有以下3個方面：①材料進(jìn)料，Basla使用時的含水率、芯材密度及剪切強(qiáng)度的穩(wěn)定性；②研究芯材的開槽打孔方式對灌注工藝過程的影響；③芯材在生產(chǎn)制造過程中，注意芯材拼縫大小，芯材拼縫對葉片運行質(zhì)量影響較大，如果拼縫較大，葉片運行過程中引起應(yīng)力集中。

3 樹脂

3.1 材料設(shè)計參數(shù)

樹脂材料在復(fù)合材料中起著載荷傳遞的關(guān)鍵作用，其優(yōu)異的拉壓強(qiáng)度、較高的斷裂應(yīng)變及疲勞特性一直是樹脂技術(shù)攻堅的方向。樹脂在復(fù)合材料破壞過程中的作用過程為：當(dāng)復(fù)合材料受到載荷時，紗線首先要伸直，因此不同軸向之間的紗線就會產(chǎn)生不同程度的拉伸，處于紗線之間的樹脂就會受到剪切作用，在織物交織點處相互摩擦，損傷玻璃纖維(玻璃纖維對摩擦是很敏感的)，這就大大損失了玻璃纖維的強(qiáng)力。因為樹脂的斷裂延伸略低，在拉伸過程中，隨著拉伸的進(jìn)一步破壞，玻璃纖維和樹脂之間的連接就會破壞。為充分發(fā)揮玻璃纖維的承載力，樹脂的斷裂應(yīng)變亦是非常關(guān)鍵的指標(biāo)。目前在葉片材料設(shè)計中，起初僅對其拉伸強(qiáng)度和模量作了要求，68,MPa和3.0,GPa，通過近幾年風(fēng)電葉片的發(fā)展，目前逐步添加動態(tài)載荷評估。[4]

3.2 采購和生產(chǎn)質(zhì)量風(fēng)險

樹脂類材料由于是雙組分材料，根據(jù)其工藝特性在生產(chǎn)中尤其需關(guān)注以下問題：

① 環(huán)境對產(chǎn)品工藝標(biāo)準(zhǔn)實施所引起的變化：樹脂類材料對溫濕度極其敏感，特別是溫度，溫度不僅會引起樹脂粘度的變化，而且會影響凝膠時間的變化，甚至?xí)绊懙胶蠊袒h(huán)境的控制。因此具備一個穩(wěn)定的操作使用環(huán)境，才會使樹脂材料的工藝特性發(fā)揮穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量才會有穩(wěn)定的保障。

② 混合程度對材料性能發(fā)揮所引起的變化：環(huán)氧樹脂的混合比例和均勻程度直接決定著樹脂和固化劑的反應(yīng)程度，嚴(yán)重影響最終的機(jī)械和耐溫等性能，如果出現(xiàn)混合比例不對的情況，會導(dǎo)致各種性能急劇下降，直接影響使用壽命。這也是目前葉片生產(chǎn)商嚴(yán)格控制混膠設(shè)備的輸出狀況、手工配膠的原因所在。

③后固化的環(huán)境：環(huán)氧樹脂體系顯得尤為重要，這是由環(huán)氧樹脂分子間交聯(lián)的反應(yīng)機(jī)制所決定的，后固化溫度和保溫時間會增加體系內(nèi)交聯(lián)點密度、減少自由鏈段活動，進(jìn)而表現(xiàn)在性能上是機(jī)械性能及耐溫(Tg)的升高。

4 粘結(jié)劑

4.1 材料設(shè)計參數(shù)

粘接質(zhì)量在葉片設(shè)計中尤為關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑性能評價和判斷的 4大關(guān)鍵指標(biāo)為：剪切強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度、沖擊韌性、疲勞性能。設(shè)計公司在葉片設(shè)計的粘結(jié)劑剪切方面考慮3.0的安全因子后，對粘結(jié)劑剪切強(qiáng)度提出設(shè)計值大于7,MPa。而目前市場粘結(jié)劑的剪切強(qiáng)度≥20,MPa，這就是說材料的關(guān)鍵性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計值。然而生產(chǎn)中除了考慮起初的設(shè)計值之外，還需考慮更多的材料工藝評價以及其他方面的疲勞、耐水等本體性能，同時葉片在粘接過程中也會帶來較大的材料缺陷。因此做好合模粘接工序，對于葉片制作行業(yè)來說至關(guān)重要。

4.2 生產(chǎn)使用風(fēng)險

材料的安全因子再高，生產(chǎn)實際使用不當(dāng)也會大大降低安全因子。結(jié)合粘結(jié)劑材料的特性，其在使用方面重點有：①材料的比例和混合均勻程度，直接決定著材料使用最終剪切性能。②界面處理方式，對粘結(jié)質(zhì)量的影響是致命的。③粘接的時間，混合后就開始交聯(lián)反應(yīng)。④粘接寬度，直接影響葉片粘接面積。⑤粘接厚度，高觸變性的材料，厚度越大，使用過程中越易引入氣泡。⑥后固化環(huán)境。

5 結(jié) 論

通過對葉片4大結(jié)構(gòu)主材的設(shè)計參數(shù)、生產(chǎn)使用以及近幾年出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大部分問題是由于使用過程中的不當(dāng)操作而引起。因此實際中更應(yīng)從葉片的生產(chǎn)使用過程把好材料的使用關(guān)，關(guān)注材料使用細(xì)節(jié)及每種材料的關(guān)鍵控制點。

［1］ 劉萬琨，張志英. 風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］ 馬振基，林育鋒. 復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電上的應(yīng)用發(fā)展[J]. 高科技纖維與應(yīng)用，2005，30(4)：5-8，14.

［3］ 高會煥. 纖維增強(qiáng)材料風(fēng)機(jī)葉片發(fā)展概述[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料，2009(4)：104-108.

［4］ 董鋒巖. 復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片發(fā)展現(xiàn)狀及成型工藝進(jìn)展[C]. 第十七屆玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會論文集，2008.

Quality Risk Analysis on Blade Materials for Wind Turbine Blade Manufacturing

WU Honghuan，LIU Xianhong，JIANG Yihang
(TianJin DongQi Wind Turbine Blade Engineering Co.，LTD.，Tianjin 300480，China)

Key design parameters and material performances of the four key materials of a wind turbine blade，including fiber，resin，adhesive and core material were analyzed. A risk assessment on the materials in the blade manufacturing and their utilization was made and key quality control points were presented.

wind blade；glass fiber；epoxy resin；adhesive；core material

TK83

A

1006-8945(2014)06-0055-04

2014-05-09