風(fēng)電葉片用高模玻纖的開發(fā)與應(yīng)用分析

賈智源，關(guān)曉方，程 方，陳 淳

（1. 中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司，北京 102101；2. 泰山玻璃纖維有限公司，山東 泰安 271000）

風(fēng)電葉片用高模玻纖的開發(fā)與應(yīng)用分析

賈智源1，關(guān)曉方1，程 方2，陳 淳1

（1. 中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司，北京 102101；2. 泰山玻璃纖維有限公司，山東 泰安 271000）

以風(fēng)電葉片專用高模量玻璃纖維為研究對象，將其與E玻纖進(jìn)行了纖維性能差異對比，并利用相應(yīng)的玻纖單向布制備層合板，對比了層合板的力學(xué)性能和單向布的工藝性能，選取3 個型號的風(fēng)電葉片進(jìn)行了等剛度換算。結(jié)果表明，高模玻纖具有更高的抗拉強度、彈性模量、耐化學(xué)腐蝕性以及耐疲勞強度；在特征單層厚度和垂直滲透性能相當(dāng)?shù)那闆r下，高模玻纖層合板的力學(xué)性能均有不同程度的提升；高模玻纖在風(fēng)電葉片主梁帽中的應(yīng)用使得風(fēng)電葉片的質(zhì)量減輕和成本降低。

高模玻纖；風(fēng)電葉片；開發(fā)；應(yīng)用；分析

0 引言

風(fēng)電葉片大型化的發(fā)展趨勢[1]，提高了對原材料的技術(shù)要求。葉片的風(fēng)能捕捉效率與葉片長度的平方成正比，而葉片的質(zhì)量與葉片長度的3 次方成正比，這就導(dǎo)致長度增加的同時，葉片重量增加的更加顯著。質(zhì)量的大幅度增加會給葉片的設(shè)計帶來很多難題：主梁帽與蒙皮之間分層的風(fēng)險大幅度提高，葉片的固有頻率與旋轉(zhuǎn)頻率更加接近，葉片的運輸與吊裝難度大幅度增加，機組需要承受更大的載荷等。如何在增加葉片長度的同時，避免葉片質(zhì)量的大幅度增加成為目前風(fēng)電葉片制造業(yè)的核心問題之一。通過原材料的性能提高來實現(xiàn)葉片質(zhì)量的減輕是一條有效的途徑。

當(dāng)前的研究熱點集中于提高風(fēng)電葉片主梁帽的結(jié)構(gòu)剛性技術(shù)上[2]，具體對原材料來說即如何提高所使用纖維的拉伸模量上。玻纖是大型風(fēng)電葉片所使用的主要增強材料，使用碳纖維來進(jìn)行替換被認(rèn)為是一條顯然的途徑[3～4]，其復(fù)合材料的模量可以提高3 倍以上，但是同時成本提高10倍以上，因此大大降低了此類材料的應(yīng)用推廣動力。E玻纖是公認(rèn)的風(fēng)電葉片用優(yōu)質(zhì)原材料，一方面玻纖本身生產(chǎn)成本非常低廉，而其性能滿足風(fēng)電葉片的基本要求，另一方面由于制造復(fù)合材料過程中玻纖材料易鋪放和易檢查缺陷而降低了應(yīng)用成本。因此為實現(xiàn)低成本的結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕，開發(fā)高模玻纖成為各玻纖廠商的開發(fā)熱點[5～10]。

研究對泰山玻璃纖維有限公司所開發(fā)的風(fēng)電葉片專用高模玻纖進(jìn)行了性能分析，與E玻纖進(jìn)行了對比，并對高模玻纖在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用進(jìn)行了初步分析。

1 實驗

1.1 主要原材料

高模玻纖HMG 2 400 tex紗及HMG無屈曲單向織物（面密度1 200 g/m2，簡稱HMG），E玻纖TCR 2 400 tex紗及TCR無屈曲單向織物（面密度1 200 g/m2，簡稱TCR），均由泰山玻璃纖維有限公司提供。

樹脂為上緯（天津）風(fēng)電材料有限公司的2511-1A-BS環(huán)氧樹脂，其主劑和固化劑的質(zhì)量配比為100∶30，固化制度為50 ℃下5 h，后固化為75 ℃下5 h。

1.2 儀器與測試

層合板的制備采用真空導(dǎo)入成型工藝。力學(xué)測試采用Instron 3382電子萬能試驗機。涉及到的力學(xué)性能測試項目及參照標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。層合板中纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測試參照標(biāo)準(zhǔn)ISO1172進(jìn)行。層合板厚度測量采用青海量具刃具廠電子深弓架千分尺，最大量程50 mm，精度0.001 mm。

1.3 Z向滲透率測試

用于測試Z向滲透率的實驗鋪層中織物的鋪層數(shù)為20 層，實驗過程中記錄預(yù)成型體鋪層厚度、樹脂穿透預(yù)成型體時間、樹脂粘度和織物層數(shù)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式計算Z向滲透率KZ。

增強纖維材料的孔隙率?根據(jù)式⑴計算

其中：ρf為纖維的平均密度（kg/m3）；ρa為織物的面密度（g/m2）；n為織物的層數(shù)；H為預(yù)成型體鋪層的厚度（mm）。

Z向滲透率KZ的計算根據(jù)式⑵計算[11]

其中：H為預(yù)成型體鋪層的厚度（mm）；t為穿透時間（s）；μ為樹脂粘度（Pa.s）；?為織物孔隙率；P為注射壓力（Pa）；KZ為增強體滲透率（m2）。

2 結(jié)果與討論

2.1 高模玻纖與普通E玻纖的性能差異

HMG玻纖是泰山玻璃纖維有限公司自主設(shè)計開發(fā)的一種高強高模玻纖，與E玻纖相比，它具有更高的抗拉強度、彈性模量、耐化學(xué)腐蝕性以及耐疲勞強度。

HMG玻璃配方組分分析如表2。

表1 復(fù)合材料層合板測試標(biāo)準(zhǔn)

表2 HMG玻璃組分表

HMG玻璃組分中不含B2O3和F2，實現(xiàn)了有害氣體零排放；SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)59.0%～62.0%，SiO2是主要的玻璃骨架成分，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加可以顯著提高玻璃的強度、耐溫性、耐化學(xué)腐蝕性。Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，玻璃結(jié)構(gòu)更加致密，強度和模量也隨之提高。特定SiO2/Al2O3在3.1～3.9之間，這種特定的組分使玻纖具有更高的強度和模量，且利于纖維成型。SiO2和Al2O3在提高玻璃粘度、模量及其他性能的同時也會導(dǎo)致玻璃熔化溫度升高，對窯爐使用的耐火材料材質(zhì)耐溫性和熔制溫度提出更高要求，不利于拉絲成型；CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%～13.0%，玻璃的軟化點升至930 ℃，提高了玻璃的耐溫性能，同時CaO會加速玻璃的成型速度，使玻璃具有較短的料性，利于拉絲成型。0.5%～1.5%的ZrO2提高了玻璃的耐化學(xué)腐蝕性。

表3給出了E玻纖與HMG玻纖的特征性能數(shù)據(jù)。HMG玻纖浸膠紗強度超過2 700 MPa，比E玻纖高出20%以上，模量高出15%以上，達(dá)到90 GPa。兩種纖維的密度相近，HMG玻纖軟化點更高，比E玻纖高出85 ℃。實際上高強高模玻纖早已存在，我國早在1968年就開發(fā)出S-2玻纖。S-2玻纖單絲拉伸強度高達(dá)4 800 MPa，彈性模量90 GPa，力學(xué)性能十分優(yōu)異。需要指出的是HMG玻纖與已知的S玻纖比具有明顯的成本優(yōu)勢，這也符合風(fēng)電葉片對高模高強玻纖的實際需求。S玻纖的熔制溫度高達(dá)1 650 ℃，成形非常困難；而HMG玻纖的成形溫度為 1 330 ℃，可以在玻璃池窯中大規(guī)模生產(chǎn)，有效的降低了生產(chǎn)成本。

2.2 單向復(fù)合材料的性能差異

2.2.1 力學(xué)性能

真空導(dǎo)入成型工藝下制備了HMG和TCR的單向?qū)雍习?，分別測試了纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與0°拉伸、0°壓縮和±45°剪切這3 種力學(xué)性能，如表4所示。從表4可以看出，HMG玻纖單向布和TCR玻纖單向布制備的層合板中纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相當(dāng)，均約在72%～73%。在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)?shù)那闆r下，由于HMG玻纖比TCR玻纖具有更優(yōu)越的性能，因此與TCR玻纖相比，利用HMG玻纖制備出的復(fù)合材料層合板，具有更高的強度和模量。對于0°拉伸性能，HMG單向?qū)雍习宓膹姸群湍Ａ糠謩e比TCR層合板的強度和模量提升了約20%和10%。對于0°壓縮性能，HMG單向?qū)雍习宓膹姸群湍Ａ糠謩e比TCR層合板提升了約25%和11%。對于±45°剪切性能，HMG單向?qū)雍习宓膹姸群湍Ａ縿t與TCR層合板相當(dāng)。

表3 E玻纖與高模玻纖的性能對比

表4 真空導(dǎo)入成型單向?qū)雍习宓闹饕阅?/p>

2.2.2 工藝性能

隨著風(fēng)電葉片長度的增長，為達(dá)到葉片整體剛度和強度的要求，主梁帽常應(yīng)用40～50 層甚至上百層的玻纖單向布。在這樣的真空導(dǎo)入成型的厚型制件中，玻纖單向布及其復(fù)合材料的工藝性能，主要包括布層的Z向（即厚度方向）滲透性能和單向復(fù)合材料的單層厚度，對于厚制件的最終成型質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。這兩個工藝性能參數(shù)中，Z向滲透性能主要影響主梁帽的成型工藝時間，單層厚度對于風(fēng)電葉片主梁帽的意義則在于構(gòu)建宏觀的幾何參數(shù)。

單向玻纖織物中Z向滲透性能的測試基本理論依據(jù)是一維達(dá)西定律[12]，由于纖維束之間及纖維單絲之間存在空隙，樹脂會沿著空隙從纖維預(yù)成型體底部滲透到表面，因此通過測試樹脂穿透預(yù)成型體的時間來判定玻纖織物的滲透性能。對HMG和TCR兩種單向織物均分別采用20 層纖維鋪層，使纖維鋪層的x、y平面內(nèi)的尺寸遠(yuǎn)大于導(dǎo)流網(wǎng)的尺寸，以摒除樹脂在x、y平面內(nèi)滲透過快導(dǎo)致的邊緣效應(yīng)。表5給出了Z向滲透性能的相關(guān)測試參數(shù)和孔隙率、Z向滲透率計算結(jié)果。結(jié)果表明HMG和TCR兩種單向織物中的孔隙率和Z向滲透率數(shù)值相當(dāng)，在風(fēng)電葉片制造過程中應(yīng)用HMG織物替換TCR織物時并不會對成型工藝效率及質(zhì)量造成影響。

對HMG和TCR織物分別制備了2、4、8、16和32 層的層合板，得出實際單層厚度，并對單層厚度相對于鋪層數(shù)進(jìn)行了理論擬合，具體結(jié)果見表6和圖1。從圖1和表6可以看出，利用倒數(shù)線性關(guān)系對單層厚度和鋪層數(shù)目進(jìn)行擬合相對于實際測試具有很大的符合度[13]。擬合結(jié)果表示，對于同樣是1 200 g/m2面密度的織物制備的單向復(fù)合材料，HMG和TCR兩種織物制備層合板的特征單層厚度均約為0.78 mm。

2.3 風(fēng)電葉片質(zhì)量減輕效果評估

風(fēng)電葉片中主梁帽的主要作用是提供葉片揮舞方向上的剛度，承載葉片的大部分彎矩載荷。從之前的討論得知，HMG單向?qū)雍习灞萒CR單向?qū)雍习宓?°拉伸模量要高，因此在風(fēng)電葉片的主梁帽中等剛度應(yīng)用時，使用HMG單向復(fù)合材料會帶來一定的質(zhì)量減輕效果。進(jìn)行等剛度換算時，葉片主梁帽以外的蒙皮、葉根及芯材鋪層等均保持不變，主梁帽寬度和主梁帽的起止點均保持不變，僅對主梁帽的鋪層層數(shù)和每層鋪層的起止點位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后對于使用HMG和TCR單向布的葉片在揮舞方向、擺振方向及扭轉(zhuǎn)方向的剛度均保持一致。

用于主梁帽設(shè)計、葉片等剛度換算的HMG高模單向?qū)雍习搴蚑CR E玻纖單向?qū)雍习宓闹饕W(xué)性能見表7。兩種單向?qū)雍习宓睦w維質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為72%。根據(jù)中材葉片的設(shè)計型號，分別選擇了45、52和59 m 3 個不同長度的葉片進(jìn)行等剛度換算，所造成的質(zhì)量變化見表8。

圖1 單向玻纖復(fù)合材料單層厚度隨層數(shù)的變化曲線

表5 Z向滲透性能測試相關(guān)參數(shù)及計算結(jié)果

表6 單層厚度關(guān)于層數(shù)的擬合參數(shù)

由表8可知，使用HMG高模單向布后，主梁帽的鋪層層數(shù)均發(fā)生了不同程度的減少，質(zhì)量也得到了降低，對于45、52和59 m葉片的主梁帽分別減輕質(zhì)量785、1 592和1 595 kg，分別占原先E玻纖主梁帽質(zhì)量的27.8%、34.9%和25.7%，減輕質(zhì)量效果顯著?？紤]玻纖單向布的單價和纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)，HMG單向?qū)雍习宓某杀炯s為TCR單向?qū)雍习宓?.2 倍，因此使用HMG后，葉片主梁帽的成本下降幅度分別為13.4%、21.9%和10.8%，降成本效果十分可觀。

表7 等剛度換算選用的單向?qū)雍习逯饕W(xué)性能

表8 等剛度換算后主梁帽的鋪層及質(zhì)量

3 結(jié)論

研究了泰山玻璃纖維有限公司開發(fā)的風(fēng)電葉片專用高模量玻纖，對其與E玻纖進(jìn)行了性能對比分析，利用等剛度換算對高模玻纖在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用進(jìn)行初步分析。

⑴ 與E玻纖相比，高模玻纖具有更高的抗拉強度、彈性模量、耐化學(xué)腐蝕性以及耐疲勞強度；

⑵ 高模玻纖層合板的力學(xué)性能相比于E玻纖層合板均有不同程度的提升，強度和模量分別提升約20%和10%；

⑶ 高模玻纖單向布具有與E玻纖單向布相當(dāng)?shù)墓に囆阅?，即兩者的特征單層厚度和垂直滲透性能相當(dāng)；

⑷ 在所選的3 個不同型號風(fēng)電葉片中等剛度應(yīng)用，高模玻纖使得風(fēng)電葉片主梁帽的質(zhì)量實現(xiàn)超過25%的減輕。

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Development and application analysis of high modulus glass fiber for wind turbine blade

JIA Zhi-yuan1, GUAN Xiao-fang1, CHENG Fang2, CHEN Chun1

( 1. Sinomatech Wind Power Blade Co.,Ltd, Beijing 102101 China; 2. Taishan Fiberglass INC., Shandong Taian 271000 China )

High modulus glass fiber special for the wind turbine blade was studied in this paper, with its performances compared with common E glass. Corresponding UD fabrics were fabricated laminates, with mechanical properties and process properties compared. Three types of wind turbine blades were chosen for the equal stiffness basically retained. High modulus glass fiber has higher strength, modulus, resistance to chemical corrosion and fatigue strength. Under the condition of considerable characteristical ply thickness and vertical permeability, high modulus glass laminate has better mechanical properties. The application of high modulus glass in spar cap of wind turbine made the weight and cost of the wind turbine reduce.

high modulus glass; wind turbine blade; development; application; analysis

TQ327.1; TK8

A

1007-9815（2016）05-0027-05

定稿日期:2016-09-08

國家科技支撐計劃（2012BAA01B02）

賈智源（1980-），男，河北青縣人，高級工程師，主要從事風(fēng)電葉片原材料評估技術(shù)和低成本成型技術(shù)，(電子信箱)jiazhy@sinomatech.com。