大風機葉片材料輕量化的探索

孫二平，蘇寶定，江海濤

（1.中國廣核新能源控股有限公司，北京 100071； 2.中廣核如東海上風力發(fā)電有限公司，南通 226400）

0 前言

我國的風能資源極為豐富，根據(jù)第四次風能資源調(diào)查結果，我國風能資源可以容納的裝機容量超過10億 kW［1］。風能環(huán)保、無污染、資源豐富，風力發(fā)電技術逐步發(fā)展成熟，并且在逐年提高其在發(fā)電領域的比例［2］。美國新能源研發(fā)計劃投資1 500億美元；日本追加投資至1 156億日元，在未來的經(jīng)濟、能源、環(huán)保以及技術領域，一場新的能源革命悄然來臨［3］。

隨著風能的優(yōu)勢顯著及科技水平的逐年提高，使得風力發(fā)電成為新能源領域最具競爭力的發(fā)電形式之一［4］，其中海上風電資源潛力較大，近海風電場水深5～50 m，深海風電場水深在50 m以上［5］，開發(fā)沿海用電城市將成為未來風電市場的發(fā)展趨勢，但高成本仍是阻礙其大規(guī)模開發(fā)的關鍵因素。綜合考慮之下，超大型化、輕量化將成為海上風電葉片發(fā)展的核心方向。國內(nèi)風電葉片廠家紛紛推出百米級葉片，指明了風機的發(fā)展方向是超大型化、高發(fā)電量［6］。

百米級葉片的突破是具有里程碑意義的，但是葉片制造是項復雜的工藝。超大型化的葉片意味著更高的運行雷諾數(shù)、更大的重量、更大的陣風載荷及伴隨的振動和疲勞載荷。在風機運行的諸多影響因素中，材料本身要朝著高可靠性、低成本化、輕量化發(fā)展，從材料迭代、工藝改進的角度出發(fā)，探索復合材料的性能提升、降低生產(chǎn)成本的解決方案。國外Vestas 85 m葉片，西門子97m葉片，國內(nèi)遠景79.8 m葉片，金風80 m葉片，上海電氣84 m葉片的梁帽均采用碳纖維材料制造。碳纖維材料在風能領域內(nèi)的優(yōu)點：1.提升葉片剛度，減輕質(zhì)量；2.提高葉片的抗疲勞性能；3.使風機輸出更平穩(wěn)均衡，提高效率；4.葉片可超大型化；5.具有振動阻尼特性［7-10］。企業(yè)需要分析當前的行業(yè)發(fā)展，以便適應經(jīng)濟發(fā)展，隨著超大型葉片時代的來臨，最初的真空灌注玻璃纖維梁帽已經(jīng)不能滿足發(fā)展需求，急需材料的更新迭代、工藝的改進創(chuàng)新，才可為大風機的輕量化、低成本，創(chuàng)造新的競爭優(yōu)勢。

為應對下一代百米級風機的發(fā)展，解決風機超大型化帶來的輕量化，低成本問題，本文采取材料迭代、工藝改進的方法，以梁帽拉擠板為分析對象，通過實驗及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析對比，探索大風機葉片的輕量化、低成本的應對方法。

圖1 復合材料拉擠板生產(chǎn)工藝流程示意圖

1 復合材料成型工藝

1.1 真空灌注成型工藝

真空灌注成型工藝是風電葉片使用時間最長的相對的成熟工藝。成型原理是利用抽真空產(chǎn)生的負壓使樹脂通過預鋪的管路注入纖維層中，讓樹脂浸潤增強材料，最后充滿整個模具，在特定的樹脂固化條件下，樹脂與增強材料共固化，移去輔材后得到所需制品，真空灌注成型工藝具有操作簡單、設備投資少、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品孔隙率低等優(yōu)點，特別適合大型和復雜結構制品的制備。［11］

1.2 拉擠板成型工藝

拉擠板是利用紗通過膠槽進行浸漬，然后通過預成型，穿入一定截面形狀的模具中，分區(qū)進行加熱固化，一般分為三區(qū)，不同區(qū)的溫度不同，在不同區(qū)進行預固化、固化，之后通過后固化爐進行后固化，再在一定的牽引力下以一定的拉擠速度進行拉擠，在收卷機上進行收卷，達到規(guī)定長度后進行裁切。一般玻板在生產(chǎn)時需要上下兩面鋪放脫模布，一并放入模具中進行拉擠。使得玻板上下表面在使用前保持干凈，撕去脫模布后有一定的粗糙度。不同層的玻板在后續(xù)灌注固化后有較強的層間結合力。

拉擠板的截面尺寸要根據(jù)梁帽尺寸來定，梁帽灌注時，拉擠板本身不能在纖維方向進行拼接，所以拉擠板長度不能低于梁帽長度，梁帽寬度應為拉擠板寬度整數(shù)倍，厚度方向不能太厚，過厚不利于拉擠板貼附模具型面。通過玻纖拉擠板的研發(fā)，研發(fā)新型玻纖拉擠主梁，引入葉片結構優(yōu)化設計，葉片靜力和疲勞測試新技術，實現(xiàn)超大規(guī)模葉片輕量化，和傳統(tǒng)灌注主梁葉片相比減重15%，同時帶來工藝和制造上的優(yōu)勢，杜絕大梁褶皺，提高葉片生產(chǎn)效率，攻克大型葉片輕量化的難題。

1.3 研究方法

本文采取了實驗測試對比的方法，直觀地評估拉擠板的關鍵性能比模量的優(yōu)勢。比模量是材料的模量/密度，是材料承載能力的一個關鍵指標，比模量高說明材料質(zhì)量輕，而剛度大，是風機設計參考的關鍵參數(shù)。同時聚合物基復合材料在承受壓應力載荷時，由于試樣厚度較小，容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，同時拉-拉疲勞一般比壓-壓疲勞特性差很多，通常選擇拉-拉疲勞數(shù)據(jù)作為疲勞關鍵性能分析參數(shù)。

2 實驗部分

風機發(fā)展的趨勢是超大型化，超大型化葉片帶來了高發(fā)電量、低成本、輕量化的挑戰(zhàn)。輕量化的關鍵之一在于材料的創(chuàng)新突破，玻纖拉擠板是技術創(chuàng)新的選擇，更高性能的碳纖維拉擠板運用在百米級超大型化葉片上，能解決葉片剛度和輕量化問題，更是符合當下的新能源企業(yè)的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃。理論上由于玻纖的密度高于樹脂，拉擠工藝提高了纖維占比，提高了密度的同時，也提高了模量；這種情況下，航空航天通常引入比模量指標參數(shù)作為最終設計關鍵參數(shù)，參考航空航天，相比于玻纖灌注工藝，本文從比模量這個角度出發(fā)，研究了拉擠板在減重方面的優(yōu)勢。

2.1 原料

玻纖拉擠板，振石集團華美新材料有限公司；

玻纖織物，振石集團恒石纖維基業(yè)有限公司；

碳纖維織物，振石集團恒石纖維基業(yè)有限公司；

碳纖維拉擠板，振石集團華智研究院（浙江）有限公司。

玻纖拉擠板應滿足表1-3驗收要求。

表1 玻纖拉擠板尺寸要求

表2 玻纖拉擠板外觀要求

表3 玻纖拉擠板生產(chǎn)要求

2.2 儀器設備

電子萬能試驗機：INSTRON 5985，英斯特朗；

疲勞試驗機：MTS Landmark 370.25，美特斯。

2.3 制樣方法

撕除玻纖拉擠板上下表面的脫模布，將板材左右兩側倒角部分裁切掉，并用雕樣機進行雕樣，試樣尺寸參照測試指定標準。

2.4 測試方法

測試方法引用標準如下：

ISO 1172：玻璃纖維增強塑料預浸料、模塑料和玻璃纖維層合板和礦物填料含量的測定煅燒方法；

ISO 527-5：塑料拉伸性能測定的第5部分-單向纖維增強復合材料拉伸性能的測試方法；

ISO 14126：纖維增強塑料復合材料面內(nèi)壓縮性能的測試方法；

ISO 1183：塑料-非泡沫塑料密度的測試方法。

3 結果統(tǒng)計分析

3.1 玻纖拉擠板材測試結果

玻纖拉擠板相關性能測試結果見表4。其中0°拉伸強度、應變，0°壓縮強度、應變?yōu)樘卣髦?，計算方法依?jù)GL2010版計算公式，其余參數(shù)為平 均值。

表4 玻纖拉擠板0°拉伸和0°壓縮測試結果

玻纖拉擠板疲勞性能測試結果見圖2。

圖2 拉-拉疲勞的S-N曲線

進行疲勞測試時，在外加疲勞載荷的作用下，裂紋沿裂尖方向延展，擴展到纖維時則受阻，纖維界面起到橋聯(lián)的作用，其界面特性在循環(huán)載荷以及滑移阻力的作用下，逐漸降低。不同形狀的測試樣條，在有限元分析中，其應力分布不一樣，在設計樣條尺寸時，應力集中位置最大面內(nèi)剪切力越低越好，剪切力不能超過玻纖拉擠板的層間剪切強度，若超過，則首先發(fā)生樣條的剪切破壞。葉片形狀是曲面的，測試長條和啞鈴型是為了分別測試不同形態(tài)下疲勞特性。啞鈴型更符合葉片結構，所以通常結構設計取值選擇啞鈴型。

玻纖拉擠板的拉-拉疲勞（四面啞鈴型）測試結果見圖2。直線斜率是-0.1122，m值是8.91，N=1時對應的截距是是1 570.7 MPa。雖然m值低于灌注材料的m值，但是由于拉伸和壓縮極限強度提高，拉擠主梁依然滿足葉片疲勞設計要求，同時通過設計優(yōu)化可以實現(xiàn)減重，提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點。

3.2 碳纖維拉擠板測試結果

碳纖維拉擠板相關性能測試結果見表5。其中0°拉伸強度、應變?yōu)樘卣髦担嬎惴椒ㄒ罁?jù)GL2010版計算公式，其余參數(shù)為平均值。

如表5所示，碳纖維比玻纖性能高，密度小，同為拉擠工藝，碳纖維拉擠板的體積分數(shù)比玻纖拉擠板低10.4%，碳纖維拉擠板拉伸模量比玻纖拉擠板高144.8%，碳纖維拉擠板提升顯著，是比較理想的高性能輕量化材料。

表5 碳纖維拉擠板0°拉伸及相關性能測試結果

3.3 性能測試數(shù)據(jù)對比

另外測試了玻纖織物和碳纖維織物的真空灌注玻璃鋼性能，綜合數(shù)據(jù)如下，表6所示，其中0°拉伸強度、0°拉伸應變、0°壓縮強度、0°壓縮應變?yōu)樘卣髦?，其他性能為平均值?/p>

表6 4種材料的關鍵力學性能對比

對比發(fā)現(xiàn)：

（1）同為玻纖，采用拉擠工藝的玻纖拉擠板 比 模 量 為28.9 Gpa/（g/cm3），高 于 真 空 灌 注成型工藝的比模量23.9 Gpa/（g/cm3）；同為碳纖維，采用拉擠工藝的碳纖維拉擠板比模量為 97.4 Gpa/（g/cm3），高于真空灌注成型工藝的比模量79.3 Gpa/（g/cm3）；從數(shù)據(jù)上看，拉擠工藝成型的拉擠板體積分數(shù)要高于真空灌注，而纖維體積分數(shù)是影響性能的關鍵影響因素。拉擠工藝能提高復材中纖維增強層的體積分數(shù)，提高性能。

（2）同為拉擠工藝，碳纖維拉擠板的比模量為97.4 Gpa/（g/cm3），高于玻纖拉擠板的比模量 28.9 Gpa/（g/cm3），碳纖維拉擠板性能更優(yōu)，是葉片輕量化的首選材料。

4 結論

（1）同為玻纖或碳纖維，采用拉擠成型工藝的拉擠板性能要優(yōu)于灌注工藝成型的織物灌注玻璃鋼性能。

（2）碳纖維拉擠板比模量最高，是超大型葉片的優(yōu)選高性能拉擠板材料。

輕量化、高發(fā)電量、低成本是葉片超大型化的關鍵問題，最大程度解決輕量化問題，需要更為昂貴的材料，更優(yōu)的技術工藝，碳纖維拉擠板的比模量是97.4 Gpa/（g/cm3），對輕量化具有非常高的意義。