風(fēng)力發(fā)電葉片主梁褶皺問題及預(yù)防措施

謝理國，劉宏亮，楊瑞志

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

近年來，我國風(fēng)電行業(yè)快速發(fā)展，國內(nèi)最長葉片的長度已達(dá)到甚至超過90m，并且長度在65m以上的葉片已經(jīng)成為市場主流需求。主梁作為葉片主承力結(jié)構(gòu)部件，其質(zhì)量尤為關(guān)鍵。主梁在生產(chǎn)過程中，如果出現(xiàn)質(zhì)量問題，將直接影響葉片的整體結(jié)構(gòu)安全，其中，主梁褶皺問題更是對葉片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重影響的一種質(zhì)量問題。一般情況下，一旦發(fā)現(xiàn)主梁出現(xiàn)褶皺，主梁就會被報(bào)廢處理。若主梁褶皺未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將帶有褶皺問題的主梁使用到葉片產(chǎn)品上，就可能造成葉片報(bào)廢或風(fēng)場運(yùn)行的葉片斷裂等更加嚴(yán)重的事故。本文基于葉片主梁采用真空灌注的制造方法，針對葉片主梁在制造過程中出現(xiàn)褶皺問題的原因及解決方法進(jìn)行了分析和研究。

1 主梁的低溫褶皺和高溫褶皺

主梁作為葉片的主要部件之一通常是單獨(dú)進(jìn)行預(yù)制。常見的預(yù)制方法為采用真空灌注方式在主梁模具上成型，有些時(shí)候由于條件限制，也會在葉片殼體模具上進(jìn)行主梁的生產(chǎn)。

無論在主梁模具上生產(chǎn)，還是在殼體模具上生產(chǎn)，主梁產(chǎn)品在脫模后，有時(shí)會出現(xiàn)沿主梁寬度方向的褶皺，如圖 1所示，通過長期對主梁生產(chǎn)過程的跟蹤和褶皺數(shù)據(jù)分析，結(jié)合褶皺出現(xiàn)的時(shí)機(jī)，本文將褶皺定義為低溫褶皺和高溫褶皺。

圖1 主梁寬度方向褶皺示意圖Fig.1 Width direction wrinkle of spar caps

1.1 低溫褶皺

低溫褶皺是指在灌注前期，纖維層表面溫度在30℃左右時(shí)，在纖維層表面出現(xiàn)了鋪層鼓起，纖維層彎曲，產(chǎn)生褶皺。

通過對低溫情況下出現(xiàn)褶皺的情況進(jìn)行調(diào)查和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生低溫褶皺的原因主要有2點(diǎn)。

1.1.1 操作原因

主梁在鋪層時(shí)，由于纖維布沒有鋪平或纖維布層間沒有貼實(shí)存在間隙。當(dāng)抽真空時(shí)，在真空壓力下，未鋪平的纖維布或纖維布間的間隙被擠壓，導(dǎo)致纖維布出現(xiàn)彎曲，產(chǎn)生褶皺。

1.1.2 模具膨脹收縮原因

主梁模具材質(zhì)通常為玻璃鋼，并采用鋼架進(jìn)行固定，且一般模具長度都超過 40m，模具本身存在熱脹冷縮情況。

主梁制造時(shí)，從開始鋪層到準(zhǔn)備灌注，一般會持續(xù) 4～6h，若在這期間模具溫度出現(xiàn)較大的溫差，模具就會出現(xiàn)熱脹冷縮，且整個(gè)模具不是均勻的熱脹冷縮，導(dǎo)致模具在某個(gè)截面位置被擠壓產(chǎn)生向上突起的變形，而此時(shí)纖維層已經(jīng)鋪放在了模具表面，且在真空壓力下與模具型面貼實(shí)，截面位置的凸起變形就會導(dǎo)致纖維層向上凸起，引起纖維彎曲，導(dǎo)致產(chǎn)生褶皺。

通常，上述褶皺問題比較隱蔽，加上真空輔材的遮擋，在灌注前難以被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)灌注開始后，樹脂填充了未鋪平的纖維層間間隙，使褶皺能被更清晰地看到，但此時(shí)基本已無法處理。

1.2 高溫褶皺

高溫褶皺是指在灌注完成后，在樹脂進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的放熱期內(nèi)，纖維層表面局部溫度超高，通常超溫區(qū)域與相鄰四周區(qū)域溫差大于 15℃，此時(shí)，在纖維層表面出現(xiàn)了纖維層鼓起，引起纖維層彎曲，導(dǎo)致產(chǎn)生褶皺。

高溫褶皺一般是由于纖維層局部溫度過高，局部纖維層與四周纖維層溫差較大，溫度超高區(qū)域熱量無法及時(shí)散出，導(dǎo)致局部膨脹鼓起，使纖維層彎曲，產(chǎn)生褶皺。

2 主梁褶皺的預(yù)防措施

葉片主梁出現(xiàn)褶皺，對葉片的結(jié)構(gòu)安全性影響很大，同時(shí)褶皺的修復(fù)難度也很大。因此，對主梁褶皺問題的預(yù)防就十分有必要。

通過對褶皺問題的研究可以發(fā)現(xiàn)，褶皺主要因?yàn)殇亴訒r(shí)纖維層未鋪放到位或模具產(chǎn)生了伸縮變形導(dǎo)致，所以對于主梁褶皺的預(yù)防可以采取以下措施：

①主梁在制造過程中，所有纖維層必須逐層鋪平、壓實(shí)，使纖維層層間緊密貼合，且與模具型面緊密貼合。

②主梁制造過程中，從開始鋪層前，到灌注樹脂開始放熱前，需要保證模具整體區(qū)域溫差小于 5℃(溫差具體值與模具材質(zhì)有關(guān))，保證在此過程中，模具不會出現(xiàn)較大的熱脹冷縮現(xiàn)象。

③主梁在制造過程中，當(dāng)灌注樹脂開始放熱后，要對整個(gè)纖維層表面溫度進(jìn)行監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)局部溫度突然升高，與四周纖維層溫差超過 15℃時(shí)，要及時(shí)對超溫區(qū)域纖維層采取降溫措施，以防溫差過大引起褶皺。

3 結(jié) 論

風(fēng)電葉片主梁褶皺主要發(fā)生在主梁灌注樹脂開始固化之前，因此，對于褶皺的預(yù)防，應(yīng)該從控制鋪層質(zhì)量、控制模具使用期間溫度、控制樹脂放熱期間的鋪層溫度3個(gè)方面進(jìn)行，簡述如下：

① 樹脂開始固化前，減少模具各區(qū)域溫差，盡量保證模具處于恒溫狀態(tài)，這是最關(guān)鍵的因素。

② 對樹脂放熱期間的纖維層表面溫度超高區(qū)域?qū)嵤┙禍卮胧?/p>

③ 保證鋪層過程中，纖維布層間緊密貼合。

通過上述措施，能有效解決葉片主梁在制造過程出現(xiàn)的褶皺問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量。