基于雙碳目標(biāo)下低成本葉片開發(fā)研究

楊朋飛，毛水蓮，楊 晨，程 維，陳淑娜

(1. 華銳風(fēng)電科技(集團(tuán))股份有限公司，北京 100872； 2. 上?？颠_(dá)化工新材料股份有限公司，上海 201201)

隨著平價時代到來，風(fēng)機(jī)投標(biāo)價格持續(xù)下行。葉片作為風(fēng)機(jī)最核心的部件之一，其性能對風(fēng)機(jī)的整體性能起著決定性作用。葉片成本占機(jī)組成本22～25%[1]，制約著主機(jī)、風(fēng)電的成本，低成本的葉片是機(jī)組具備競爭力的前提。葉片尺寸逐步進(jìn)入百米級，柔性葉片變形對氣彈穩(wěn)定性造成的幾何非線性影響[2]，使得葉片設(shè)計及生產(chǎn)面臨新的挑戰(zhàn)和難題。低成本的葉片設(shè)計，需從源頭開始入手，使用系統(tǒng)化的思維考慮葉片設(shè)計過程，才能有效地推動葉片成本的降低。賈智源等[3]對比了聚氨酯樹脂用于制造葉片主梁的可行性，結(jié)果顯示聚氨酯樹脂具備更好的性能，能夠降低葉片生產(chǎn)成本。張振聰?shù)萚4]論證了PET200芯材用于葉片的可行性。李光友等[5]通過將國產(chǎn)碳纖維拉擠板用于葉片主梁，可以提高葉片性能和降低材料成本。王冠華等[6]研究了電加熱模具導(dǎo)熱性能的影響因素，通過改變加熱絲的排布方式，能夠提高模具加熱效率，降低能耗。趙立巖等[7]研究了風(fēng)電葉片制造工藝系統(tǒng)，提出建立風(fēng)電葉片工藝數(shù)據(jù)庫、基于工藝參數(shù)驅(qū)動設(shè)計，可以為風(fēng)電葉片的工藝能力建設(shè)及創(chuàng)新提供有效支持。張朋等[8]通過采用一體化灌注設(shè)備，可以使葉片灌注缺陷減少80%，工人配置減少30%，單支葉片樹脂用量降低60 kg以上，顏晨等[9]研究了風(fēng)電葉片自動打磨機(jī)器人的應(yīng)用前景，通過在葉片后處理工序中使用自動打磨機(jī)器人可有效降低葉片生產(chǎn)打磨工序的用工人數(shù)、提升打磨效率、穩(wěn)定打磨質(zhì)量、改善工序作業(yè)環(huán)境。眾多研究者從各個方面對葉片設(shè)計、生產(chǎn)等方面降成本進(jìn)行了諸多探討，但是都局限于葉片的單個因素，未能形成系統(tǒng)性的開發(fā)思路。

本文將從葉片設(shè)計選材、葉片模具、葉片制造等多個維度論述低成本葉片開發(fā)的思路。

1 風(fēng)機(jī)葉片的成本構(gòu)成

葉片的成本構(gòu)成主要由原材料費(fèi)用、人工費(fèi)用、模具攤銷、制造費(fèi)用以及其它等構(gòu)成，以某型號葉片成本為例，如圖1所示。

圖1 葉片各項成本分布圖

2 葉片原材料降本

原材料成本大約占葉片成本的近80%，因此，尋找低成本、高性能的原材料對于開發(fā)低成本葉片具有重要的意義。

2.1 基體樹脂

葉片的基體樹脂一般為環(huán)氧樹脂，近兩年來，環(huán)氧樹脂價格上浮超過34%，造成葉片成本上漲超過10%，因此，迫切需要尋找一種低成本高性能的樹脂替代環(huán)氧樹脂。聚氨酯樹脂由于其低成本、高韌性及抗疲勞的特點，逐漸開始在風(fēng)電行業(yè)葉片生產(chǎn)中小批量應(yīng)用。

2.1.1 聚氨酯樹脂簡述

聚氨酯樹脂是一種具備高強(qiáng)度、低粘度、高韌性的高分子材料，適用于RIM真空灌注工藝，可用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片生產(chǎn)。

2.1.2 聚氨酯樹脂性能

基體樹脂的作用是保護(hù)纖維，分散載荷和傳遞載荷。基體樹脂材料性能對復(fù)合材料性能有著很大影響。對于葉片而言，樹脂的性能至關(guān)重要，聚氨酯樹脂的拉伸強(qiáng)度相比環(huán)氧樹脂提高了18%，拉伸模量提高20%，斷裂伸長率略高于環(huán)氧樹脂。

表1中列出單向纖維玻璃鋼層合板的力學(xué)性能，可以看出，0°方向拉伸模量提高約6%，壓縮模量提高20.6%。因此，用于主梁設(shè)計可以有效減少材料量，增強(qiáng)葉片的穩(wěn)定性。

表1 玻璃鋼力學(xué)性能

聚氨酯樹脂性能相對于環(huán)氧樹脂的提升，是由于聚氨酯樹脂與玻纖界面的接觸角和表面張力低，可以更充分潤濕纖維，而聚氨酯中NCO基團(tuán)比環(huán)氧樹脂中環(huán)氧基團(tuán)具有更高的活性，氨酯基與玻纖表面浸潤劑形成氫鍵，具有更高的界面強(qiáng)度[10]。

2.1.3 聚氨酯樹脂兼容性

葉片粘接普遍采用環(huán)氧型結(jié)構(gòu)膠，聚氨酯樹脂應(yīng)用于葉片設(shè)計中還需考慮聚氨酯樹脂與環(huán)氧樹脂的兼容性，聚氨酯樹脂與結(jié)構(gòu)膠的粘接強(qiáng)度比環(huán)氧樹脂與結(jié)構(gòu)膠的粘接強(qiáng)度高出24.6%。

葉片中的加強(qiáng)層、粘接角等鋪層中樹脂使用手糊型環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂-聚氨酯樹脂基材的界面粘接強(qiáng)度與環(huán)氧樹脂-環(huán)氧基材的粘接強(qiáng)度相當(dāng)。

2.1.4 聚氨酯樹脂工藝性

與環(huán)氧樹脂相比，聚氨酯樹脂初始粘度更低，25℃時粘度低于60 MPa·s，約為同溫度下環(huán)氧樹脂的1/4，由達(dá)西定律[11]可知，真空灌注工藝灌注速度取決于三個因素：樹脂的粘度、對玻纖的浸潤能力和壓力梯度。在其它條件不變的情況下，灌注速度與樹脂的粘度負(fù)相關(guān)，樹脂粘度越低越有利于實現(xiàn)灌注過程的快速導(dǎo)入以及有利于對玻纖的充分潤濕。

式中：v為流體流動速率；K為多孔介質(zhì)的滲透率；A為流動截面積；η為流體粘度；ΔP為壓力；ΔL為流動方向距離；ρ為流體密度；g為重力常數(shù)；θ為流動方向與水平方向的夾角。

此外，聚氨酯樹脂由于活性較高，還具有快速固化的特性，能夠縮短葉片成型周期。

2.1.5 小結(jié)

通過對比聚氨酯樹脂的力學(xué)性能、與環(huán)氧體系的兼容性以及固化特性可以看出，聚氨酯樹脂具備優(yōu)良的機(jī)械性能和工藝性，應(yīng)用于葉片設(shè)計中能夠有利于實現(xiàn)降低葉片成本，縮短葉片成型周期，是一種極具前景的替代環(huán)氧體系的樹脂。

2.2 拉擠玻板

葉片主梁通常采用真空灌注成型工藝，將單向織物層鋪在模具中后真空導(dǎo)入樹脂固化成型。單向織物編織過程中由于緯向紗的存在使纖維在軸向存在不同程度的微彎曲，造成織物的強(qiáng)度和模量低于原紗的強(qiáng)度和模量。

拉擠成型是將預(yù)浸過樹脂的連續(xù)纖維在牽引設(shè)備的作用下，通過模具定型，固化成型。制品具備高纖維體積含量、高效率、低成本的特點，同時拉擠工藝成型過程中對纖維有一定的預(yù)張力，能夠提高制品纖維方向的力學(xué)性能。

對于高模玻纖，通過采用拉擠成型工藝，拉伸模量能搞提升20%～30%，可以實現(xiàn)材料的高效率利用，進(jìn)而降低成本。

但是拉擠板使用過程中也面臨一些工藝上的挑戰(zhàn)，如片材與模具的隨形性、灌注質(zhì)量的穩(wěn)定性、以及灌注缺陷識別與檢測、缺陷的修復(fù)等方面。

2.3 芯材PET

葉片中常見的夾芯材料主要為PVC和Balsa，PET泡沫由于良好的力學(xué)性能、相比PVC較好的耐高溫特性以及低成本等優(yōu)勢，越來越多地用于葉片批量生產(chǎn)中[12]。

PET泡沫的壓縮強(qiáng)度、模量等各項性能均優(yōu)于PVC泡沫的性能，滿足葉片強(qiáng)度設(shè)計要求。而PET泡沫可以在120℃下長時間不變色不變形，耐高溫性能也優(yōu)于PVC泡沫。

此外，PET泡沫還具備可循環(huán)利用，價格較PVC價格低約30%等優(yōu)勢，在低成本葉片中具備良好的應(yīng)用前景。

3 模具降本

隨著風(fēng)機(jī)迭代速度的加快，葉片單型號壽命周期越來越短。而葉片尺寸越來越大，葉片模具費(fèi)用越來越貴，模具往往未到使用壽命就面臨淘汰，造成模具攤銷費(fèi)用居高不下。

為了充分利用模具，在葉片氣動外形設(shè)計中，要充分使用模塊化設(shè)計技術(shù)，最大程度地利用葉片模具。通過葉根替換、葉尖部替換等，加強(qiáng)模具的通用性使用，最大程度降低模具成本。模具模塊化見示意圖2。

圖2 模具模塊化利用示意圖

以3MW-141葉片為例，模具成本約600萬元，隨著葉片迭代，當(dāng)市場需要3MW-156型葉片時，可通過借用3MW-141葉片模具的大部分型面，僅對葉尖進(jìn)行更換，葉尖模具成本約230萬元，通過模具的模塊化使用，使3MW-156葉片模具成本降低65%以上。

4 自動化生產(chǎn)

由于葉片型面復(fù)雜，目前葉片生產(chǎn)仍為勞動密集型產(chǎn)業(yè)，自動化程度低、作業(yè)環(huán)境差、工人勞動強(qiáng)度大、產(chǎn)品受工人經(jīng)驗影響波動大。而隨著人工成本的上升，制造費(fèi)用成為葉片成本中不可忽略的一部分。提升自動化、智能化生產(chǎn)水平是降低葉片成本的重要途徑之一。葉片一體灌注設(shè)備、自動打磨設(shè)備等雖然初始投資大，但是能夠降低用工數(shù)量，改善作業(yè)環(huán)境，2～3年能夠回收成本，具備良好的競爭力。

在設(shè)計環(huán)節(jié)，需要考慮制造過程中的可操作性，便于實現(xiàn)自動化，降低作業(yè)難度和少人化工廠的實現(xiàn)。西門子歌美颯通過將葉片的鋪層軸向分塊、環(huán)向鋪設(shè)來提升葉片的鋪設(shè)性能，維斯塔斯通過將分塊鋪層縫合提升鋪設(shè)效率，中材通過多層環(huán)向整布縫合提升效率，這些設(shè)計結(jié)合現(xiàn)場操作性改進(jìn)的提升能夠有效地縮短葉片成型周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、降低廢品率，進(jìn)而減少人工成本、降低原材料耗用、提高生產(chǎn)管理效率。

5 結(jié) 語

本文系統(tǒng)分析了低成本葉片開發(fā)的思路，從葉片氣動外形設(shè)計、低成本高性能材料體系選用、自動化生產(chǎn)等幾個方面進(jìn)行了論述。低成本葉片開發(fā)不能以降低葉片性能和安全性為代價，而是需要系統(tǒng)地從全過程綜合考慮，協(xié)同合作實現(xiàn)降本增效的目的。