兆瓦級(jí)風(fēng)電葉片碳纖維大梁真空灌注方法

武賽娟

摘 要：兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片碳纖維大梁的真空灌注方法，是風(fēng)電行業(yè)新興的生產(chǎn)工藝。相較于以往的玻璃纖維，因碳纖維比重較小，強(qiáng)度大的特點(diǎn)，所以碳纖維大梁較傳統(tǒng)工藝不但減輕了葉片的重量，而且提高了風(fēng)機(jī)葉片的強(qiáng)度，提升了生產(chǎn)效率。本文詳細(xì)敘述了兆瓦級(jí)風(fēng)電葉片碳纖維大梁真空灌注的方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電葉片；真空灌注方法；碳纖維

中圖分類(lèi)號(hào)：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）02-0087-01

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源。開(kāi)發(fā)和利用風(fēng)能資源，不僅可以尋找新型的替代能源，而且可以防止環(huán)境的人為破壞。風(fēng)電的價(jià)格和風(fēng)機(jī)功率成反比，風(fēng)機(jī)率越大，單位發(fā)電成本越低。隨著現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展與日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)容量、減輕單位千瓦重量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。

葉片是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件之一，風(fēng)能開(kāi)發(fā)中所用的葉片的設(shè)計(jì)和采用的材料決定風(fēng)力發(fā)電裝置的性能和功率，也決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本，而葉片的材質(zhì)強(qiáng)度是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。其涉及氣動(dòng)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、工藝等領(lǐng)域。葉片的長(zhǎng)度和風(fēng)機(jī)的功率成正比，風(fēng)機(jī)功率越大，葉片越長(zhǎng)。葉片也是風(fēng)機(jī)中成本最高的部件，雖然它的重量?jī)H僅占風(fēng)機(jī)總重量的15%。風(fēng)葉類(lèi)似于航空葉片，要求提高提升比，并且其提升特性不易受葉片表面污染和粗糙度影響。從結(jié)構(gòu)考慮要求葉片有較厚的葉型。葉片要經(jīng)受20年應(yīng)用，以受風(fēng)力造成的疲勞次數(shù)達(dá)10（也有以500萬(wàn)次作標(biāo)準(zhǔn)）。隨著風(fēng)機(jī)功率的增加，風(fēng)葉尺寸也相應(yīng)增加。風(fēng)電材料設(shè)備對(duì)于葉片的材質(zhì)選擇，隨著葉片的大型化，由最初的木質(zhì)品逐步升級(jí)為玻璃鋼材質(zhì)，而今采用碳纖維復(fù)合材料的超大型葉片的風(fēng)電機(jī)組正在蓬勃興起。玻璃鋼風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)點(diǎn)在于疲勞強(qiáng)度高、缺口敏感性低、耐蝕性好、容易成型，且可根據(jù)葉片的受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度與剛度等，現(xiàn)如今廣泛用作葉片材料。目前商品化的大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用玻璃鋼復(fù)合材料。然而，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)功率的不斷增長(zhǎng)，葉片的長(zhǎng)度也在不斷增長(zhǎng)。葉片長(zhǎng)度的增加葉片的重量，葉片重量對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行、疲勞壽命、能量輸出有重要的影響。由于葉片運(yùn)行，重力產(chǎn)生交變荷載，使葉片本身及機(jī)組產(chǎn)生疲勞，隨著葉片長(zhǎng)度的增加，對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足，葉片的一次性投入大，為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的重量，又要滿(mǎn)足強(qiáng)度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強(qiáng)，所以采用碳纖維材料生產(chǎn)葉片已經(jīng)成了風(fēng)電行業(yè)生產(chǎn)葉片的一種趨勢(shì)。國(guó)外專(zhuān)家認(rèn)為，由于現(xiàn)有材料性不能很好滿(mǎn)足大功率風(fēng)力發(fā)電裝置的需求，玻璃纖維復(fù)合材料性能已經(jīng)趨于極限，因此，在發(fā)展更大功率風(fēng)力發(fā)電裝置和更長(zhǎng)轉(zhuǎn)于葉片時(shí)，采用性能更好的碳纖維復(fù)合材料是勢(shì)在必行。

風(fēng)電葉片碳纖維大梁的真空灌注方法，是為了解決現(xiàn)有碳纖維大梁真空灌注技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理，操作方便，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)難題的工藝。

難點(diǎn)在于碳纖維材料本身顏色是黑色的，在灌注的時(shí)候無(wú)法看到膠液浸潤(rùn)情況，是否完全將纖維布浸透無(wú)法確定，如果不完全浸透，生產(chǎn)出的大梁會(huì)容易出現(xiàn)干斑、包死的現(xiàn)象，有可能?chē)?yán)重影響碳纖維大梁的性能。所以為了避免此類(lèi)情況發(fā)生，首先需要滿(mǎn)鋪導(dǎo)流網(wǎng)，且沒(méi)有斷開(kāi)，只有這樣在灌注的時(shí)候就會(huì)整體、均勻的浸膠，以確保碳纖維布可以完全浸潤(rùn)。這樣就要求纖維布上表面具有良好的透氣性，并且不能透膠，為了滿(mǎn)足上述要求，就必須在纖維布上方使用VAP膜，并且同時(shí)在VAP膜上表面放上透氣粘，這樣就保證了空氣可以良好的透出，確?？梢酝耆夏z避免出現(xiàn)干斑及包死現(xiàn)象。

大梁模具的邊緣采用了可活動(dòng)的邊緣塊（如圖1），相比較于傳統(tǒng)的固定擋邊，不僅在碳纖維布鋪設(shè)時(shí)可以使其邊緣整齊，同時(shí)還可以避免固定邊帶來(lái)的圓角。采用這種工藝方法就可以有效的避免碳纖維大梁的干斑和包死的現(xiàn)象，同時(shí)活動(dòng)的邊緣也避免了圓角的產(chǎn)生，從而可以確保碳纖維大梁的性能。首先將綠色導(dǎo)流網(wǎng)（8）鋪在碳纖維材料的下方，以便于樹(shù)脂通過(guò)樹(shù)脂管（5），然后再經(jīng)過(guò)導(dǎo)流管Ω管（7），通過(guò)導(dǎo)流網(wǎng)（8）將樹(shù)脂注入碳纖維材料中，在樹(shù)脂注入的同時(shí)有空氣排出，為了便于空氣的排出，而不形成以為碳纖維材料里有空氣而形成的白斑和包死，需要在材料上方加透氣性能好，而又不透膠的VAP膜（6）及透氣性能很好的透氣氈（15），很好的將空氣排出。同時(shí)在模具（12）邊緣放邊緣塊（10），可以避免纖維布鋪設(shè)時(shí)產(chǎn)生的圓角，從而不會(huì)影響碳纖維大梁的使用性能。在產(chǎn)品上方鋪上真空薄膜（3），用密封膠條（11）密封好，然后通過(guò)真空管（13）將空氣抽走，壓力表（4）用來(lái)測(cè)量產(chǎn)品環(huán)境中的負(fù)壓。

今后的發(fā)展趨勢(shì)是安全的利用潔凈、高效的新能源時(shí)代，伴隨著風(fēng)電單機(jī)容量的增加，葉片的尺寸也越來(lái)越向大型化發(fā)展，全世界的風(fēng)電行業(yè)都的迫切的探索先進(jìn)復(fù)合材料及其制造工藝，今后風(fēng)機(jī)葉片的生產(chǎn)材料必然向著抗疲勞特性?xún)?yōu)良、強(qiáng)度越來(lái)越大、質(zhì)量越來(lái)越輕的方向發(fā)展，所以碳纖維復(fù)合玻璃鋼材質(zhì)葉片具有良好的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。理論設(shè)想階段和使用中實(shí)際應(yīng)用情況均證實(shí)了碳纖維應(yīng)用到玻璃鋼風(fēng)機(jī)葉片中的可行性，同時(shí)我們還應(yīng)該必須清楚的認(rèn)識(shí)到碳纖維在玻璃鋼風(fēng)機(jī)葉片中推廣過(guò)程中可能遇到的困難與阻力，然后從原材料的選擇、葉片工藝的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，制造工藝技術(shù)及設(shè)備的改進(jìn)、質(zhì)量控制等方面進(jìn)一步研究提升，不斷開(kāi)發(fā)和研制新的工藝技術(shù)及設(shè)備，以便碳纖維增強(qiáng)材料可以在風(fēng)電葉片中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。