降低風電葉片褶皺系列方法研究

李奎

（國電聯(lián)合動力技術（連云港）有限公司，江蘇 連云港222000）

葉片作為風機最前端的捕風機構，除了需具備優(yōu)良的氣動外形保證其捕風性能的發(fā)揮外，還需要完美的結構足夠的強度，確保葉片在各種工況運行時能承受瞬息萬變的風壓和長達20 年的運行壽命。一旦葉片的結構存在缺陷或出現(xiàn)損壞，必然會對整個機組的運行產生影響，嚴重的甚至還會出現(xiàn)葉片折斷、開裂、掃塔等結構失效的嚴重事故[1]，風場常見的葉片失效多由以下原因導致：極端風況時變漿故障、嚴重雷擊、褶皺疲勞斷裂、運輸?shù)跹b磕碰暗傷、風機超負荷超風況使用以及結構設計缺陷導致，其中褶皺導致的葉片失效最為常見影響最廣，而褶皺是在葉片設計和制作過程中因玻纖布彎曲產生，因此如何避免和減少設計及制造過程中褶皺的產生非常重要，本文將根據(jù)目前主流的風電葉片成型工藝，對可能和容易產生褶皺的工序逐一論述，并提出相應解決措施。

1 大梁的褶皺

大梁作為風電葉片的核心結構，是承載整個葉片強度的脊梁，因此無論普通玻纖、高模玻纖還是碳纖維大梁都是絕對不允許有一點褶皺，大梁常見的褶皺主要存在于長度方向和寬度方向。

褶皺的分布與大梁寬度方向平行即為寬度方向褶皺，這種褶皺必然會導致葉片后續(xù)運行時隨著時間的推移從褶皺位置因應力集中疲勞斷裂，因大梁的鋪層均為單向布，其寬度方向褶皺的產生主要由以下幾個方面導致，第一是鋪設時沒有將布層撫平，層層積累最終產生褶皺，這種褶皺的產生必須加強操作人員的技能，將每層布鋪平同時加強質量控制即可解決，在大梁鋪設時使用平整的夾板固定好每布層起止點確保其平整度，可避免拉布時褶皺產生。第二為模具加熱不均，導致大梁在灌注固化過程中加熱不均勻或者局部過熱，出現(xiàn)應力帶起布層隆起而產生的褶皺，出現(xiàn)這種褶皺的大梁不能使用且不具備維修價值應以予報廢處理，避免這種褶皺的產生，可通過使用加熱均勻可控的水加熱系統(tǒng)加以解決，同時在大梁制作完成后通過觸檢、光照或無損檢測設備進行檢查[2]，避免有這種褶皺的大梁流入后續(xù)使用環(huán)節(jié)。第三種褶皺為所使用的玻纖布編制時經紗和緯紗張力不均勻，無法鋪平在真空抽緊時產生褶皺，這種褶皺需要在鋪設時及時發(fā)現(xiàn)過更換合格的材料，并及時調整和控制纖維材料編織時的張力加以糾正。

少數(shù)情況下還會出現(xiàn)與大梁長度平行的褶皺，這種褶皺一般較為輕微其對主梁強度的影響雖沒有寬度方向褶皺那么大，但也不容忽視，這種褶皺多為導流輔材的壓痕產生，可以通過控制某一側導流輔材的厚度及真空輔材平整度加以控制，另一種為玻纖布編織集束不均勻導致出現(xiàn)層疊凹陷，可通過調整和控制玻纖布編織設備均勻度加以避免。

2 葉片殼體的褶皺

葉片殼體容易發(fā)生褶皺的部位主要集中在根部、芯材厚度過渡區(qū)域、模具曲率變化較大等區(qū)域，這些地方褶皺產生的原因是多方面的，需要從氣動外形設計、葉片結構設計[3]、原材料、過程質量控制等方面加以控制系統(tǒng)解決。

2.1 葉根褶皺

葉根作為整個葉片厚度最大的部位，增強纖維層數(shù)最多，也是褶皺的高發(fā)地帶，葉根褶皺多為玻纖布下滑導致的累積隆起性褶皺，其產生原因主要有以下幾方面，一為玻纖布鋪設時操作不規(guī)范，每層布鋪設時沒有做到撫平壓實出現(xiàn)懸空并層層累積，最終在抽真空時玻纖布無規(guī)則下滑出現(xiàn)隆起性褶皺，二為部分葉根預鋪件工藝的葉片，在預鋪件鋪設時沒有將每層布壓實撫平或預鋪件預鋪完畢后捆扎綁帶過窄導致的勒痕，以及捆扎不牢預鋪件安裝時下滑產生的褶皺，解決方案為規(guī)范操作，每一層壓實鋪設并使用10 公分以上寬度的綁帶捆扎牢靠加以避免，或者通過葉根預制瓦形式，將較厚的葉根玻璃鋼層部分單獨預置成型，減少同時鋪設產生的累積性褶皺和一次灌注過厚固化不均勻導致的鼓包性褶皺。

2.2 芯材過渡區(qū)域褶皺

芯材作為葉片的結構填充材料，其鋪設范圍涵蓋了葉片90%以上的區(qū)域，芯材的厚度隨葉片的結構每個區(qū)域均不同，芯材的起止點、前后緣邊界及不同厚度的過渡區(qū)域，極易在后續(xù)的玻纖鋪設時產生過渡性褶皺，這些區(qū)域作為不同材料的過渡區(qū)也是風電葉片結構應變的過渡區(qū)，在風機運行時有較大的呼吸效應極易產生疲勞缺陷[4]，對褶皺極為敏感，因此需要在結構設計時最大限度控制這些區(qū)域芯材厚度的過渡倒角，一般應控制在1:20 以上，以確保這些區(qū)域芯材厚度平滑過渡，為玻纖布層的鋪設提供較平緩的過渡基礎，減少這些區(qū)域褶皺的產生。

2.3 后緣輔梁區(qū)域褶皺

后緣輔梁作為葉片后緣的單向結構起著重要的作用，其結構與主梁一樣均為單向纖維布層疊構成，由于葉片的后緣多為弧形，因此輔梁在鋪設時須與后緣弧形隨型鋪設，這也是后緣輔梁與主梁最大的不同，單向的纖維布在后緣隨弧形型鋪設時極易產生弦向褶皺，同時輔梁在鋪設時需要與后緣芯材邊界進行錯層搭接鋪設，該區(qū)域芯材倒角和尺寸如若加工處理不好，也極易在鋪設后緣輔梁時使該區(qū)域的單向布產生錯綜復雜的褶皺，最終在灌注成型后形成鼓包或懸空富樹脂褶皺，這些褶皺也是致命的，因此后緣輔梁的鋪設平整度也至關重要。在操作層面需要注意做好每一層布的撫平隨型、貼實壓平，在設計層面可通過控制后緣葉型的弧度來降低鋪設隨型的難度，使用高模量玻纖減少后緣單向層數(shù)避免過厚層層累積產生的褶皺，在工藝層面可通過將后緣輔梁單獨預置成型的方式，來避免鋪設時芯材帶來鋪設干擾，以及隨葉片整體固化時樹脂受熱不均勻帶起玻纖布隆起變形產生的褶皺。

2.4 后緣最大弦長區(qū)域褶皺

葉片后緣最大弦長前后多為模具曲率變化較大的區(qū)域，該區(qū)域在玻纖鋪設時因模面不平整不易捋平，加之現(xiàn)在流行的大葉型鈍尾緣設計，使該區(qū)域成為葉片玻纖鋪設褶皺的高發(fā)區(qū)，避免該區(qū)域產生褶皺，除了在操作層面上要將每一層布逐層壓實撫平外，在設計層面也應盡量控制該區(qū)域葉型曲率變化過大做到平滑過渡，在工藝層面該區(qū)域應避免使用幅寬較大的玻纖布裁片，弧形模具上玻纖布幅寬越大越不容易鋪平，可將該區(qū)域裁片幅寬控制在80CM以內，結合離縫搭接的方式控制褶皺的產生。

2.5 工裝及其他輔料壓痕褶皺

葉片在成型過程中需要使用大量的工裝夾具和輔材，其中固定布層的夾具如若設計不合理接觸面太小會對玻纖布層產生壓痕，導流網脫模布等輔料在鋪設固定時，其粘接固定物在抽真空后也會對其下玻纖布產生壓痕，使用的導流管材如果沒有大接觸面的底板也會在玻纖布表面產生較深的棱角壓痕，這些壓痕從微觀上看均為褶皺，積少成多也會對葉片的使用壽命產生一定的影響，因此需要嚴加控制。其中玻纖布的固定除采用接觸面大的夾具外，可使用鉤針穿縫編線牽引固定，或使用最新的雙針便攜式縫編機在線多層釘合固定防止下滑移位，次之可在控制用量的情況下少量使用纖維布粘貼專用噴膠加以輔助固定，但重要部位不建議使用噴膠以免降低復合材料的層間粘合強度[5]。輔材的固定方面可使用超薄雙面膠帶或液體膠水的方式固定，嚴禁使用硬質塊狀膠條。導流管材應選用帶底板的防壓痕導注管材，降低管材棱角對下方玻纖布的壓力，可有效避免這些工序褶皺的產生。

2.6 其它產生褶皺的方面

現(xiàn)有技術下葉片的制造多為勞動密集型生產，在制造過程中需要大量的工人在模具上完成玻纖、芯材、輔件、輔材的鋪設，作業(yè)人員的頻繁踩踏勢必也導致腳下的玻纖布層產生褶皺，應盡量減少和控制人員踩踏，特別是所有玻纖布鋪設完畢后的踩踏、奔跑導致的玻纖布碾壓褶皺和移位變形。在芯材鋪設時要提高芯材一次拼接鋪放的準確率，避免芯材鋪放后二次調整對位時造成下方玻纖布移位產生褶皺，使用加工精確的整體芯材做到一次鋪設到位。在預置大梁及輔梁的安放時盡量使用工裝夾具做到一次放置到位，避免二次調整造成下方玻纖布移位變形。在輔材鋪設時可使用集成了脫模布隔離膜導流網以及導流管路的復合型導注輔材，實現(xiàn)一次將所有輔材鋪設到位，減少傳統(tǒng)輔材分別鋪設時人員多次踩踏帶來的褶皺。在纖維材料的升級上，可采用大厚度的三維立體纖維材料或化零為整多層裁片整體縫邊的高性能復合型纖維材料，減少鋪放層數(shù)進而避免褶皺的產生。

結束語

近年來褶皺導致的風電葉片制造和運行產生的質量事的越來越多，愈發(fā)受到葉片制造企業(yè)和風電場運營單位的重視，相應的褶皺無損檢測技術也得到了發(fā)展有了較成熟的應用，能在一定程度上將已經產生暗藏在葉片結構內的褶皺檢測出來以便于及時維修處理，但維修后的葉片其整體性能將會打折，因此葉片的設計制造成型中褶皺應作為第一大質量問題加以控制和消除，在風電大力發(fā)展的今后，除了在設計優(yōu)化上要結合生產實際，包容制造工藝存在的客觀短板做到本質安全避免褶皺產生外，還應在材料上不斷升級控制褶皺，同時在制造上更應積極踐行“中國制造2025”積極部署機械化自動化和智能化，在制造加工環(huán)節(jié)引入諸如自動化鋪絲、鋪帶等自動化裝備最大限度減少人工鋪設局限產生的褶皺[6]，在檢測方面通過智能制造引入機器視覺技術[7]，實現(xiàn)鋪設過程中褶皺的實時在線檢測預警，扭轉事后探傷檢測的被動局面，通過自動化智能化優(yōu)勢實現(xiàn)葉片制造零褶皺的最終目標講師各個葉片企業(yè)的必由之路。