風(fēng)電葉片內(nèi)包邊缺陷分析及成型方法優(yōu)化

李雪原，王雅珊

（1.洛陽(yáng)雙瑞風(fēng)電葉片有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000；2.北京玻鋼院檢測(cè)中心有限公司，北京 102101)

0 引言

世界氣象組織預(yù)估全球風(fēng)能總資源量約為53萬(wàn)億kW/h，約是水力資源的10倍，相當(dāng)于1.08萬(wàn)億t標(biāo)準(zhǔn)煤[1]。目前，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟并具有自主創(chuàng)新能力，風(fēng)力發(fā)電已成為國(guó)內(nèi)三大主力電源之一，風(fēng)電裝機(jī)總量排名世界第一，同時(shí)，我國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)不斷壯大，并逐漸走向世界。近20年來(lái)，國(guó)際商業(yè)風(fēng)力機(jī)功率呈明顯增加趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代，1 MW的風(fēng)力機(jī)占市場(chǎng)主要地位，到2010年代，1.5～3.0 MW的風(fēng)力機(jī)發(fā)展趨于成熟并投入市場(chǎng)，近幾年出現(xiàn)了額定功率為10 MW甚至功率更大的風(fēng)力機(jī)用于海上風(fēng)場(chǎng)[2]。

在實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)力機(jī)葉片發(fā)生故障或報(bào)廢主要是由于葉片粘接出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致的，而在葉片粘接過(guò)程中，最易出現(xiàn)問(wèn)題的區(qū)域?yàn)榍?、后緣?nèi)包邊，這與葉片受力有關(guān)。在正常情況下，由于葉片在擺振方向的剛度較強(qiáng)，受到激擾后的振幅較小且有衰減，所以葉片結(jié)構(gòu)所承受的載荷在正常允許范圍內(nèi)；但在失速工況下運(yùn)行時(shí)，葉片的氣動(dòng)阻尼由正變負(fù)，最終導(dǎo)致葉片振動(dòng)不收斂反而出現(xiàn)發(fā)散[3-4]。如果葉片粘接區(qū)域存在空洞和分層，說(shuō)明內(nèi)包邊本身存在富樹(shù)脂、褶皺等缺陷。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，葉片粘接區(qū)域反復(fù)受力，缺陷區(qū)域形成裂紋，導(dǎo)致葉片開(kāi)裂甚至報(bào)廢。因此，保證風(fēng)力機(jī)葉片的粘接質(zhì)量是至關(guān)重要的[5]。

現(xiàn)有的葉片制作工藝中，由于合模會(huì)擠壓膠黏劑，導(dǎo)致出現(xiàn)膠黏劑掉落在葉片內(nèi)部的情況，因此需定期清理維護(hù)，這已經(jīng)成為葉片常規(guī)維護(hù)的重要項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)大部分廠家已投入大量精力研究解決上述問(wèn)題，并采取PS面腹板粘接工裝、粘接角PS面成型等方法，但只能降低膠黏劑脫落的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法完全避免其掉落。

1 傳統(tǒng)葉片內(nèi)包邊成型方式

傳統(tǒng)的內(nèi)包邊成型方式為手糊成型方式，手糊成型方法存在手糊質(zhì)量差、粘接界面效果差等缺點(diǎn)。手糊內(nèi)包邊一般采取以下2種方式與葉片半殼粘接，一種為布層手糊在SS面殼體區(qū)域，另一種為制作成預(yù)制件內(nèi)包邊，將內(nèi)包邊使用膠黏劑粘接在SS面。上述方法操作復(fù)雜，人工成本和材料成本耗費(fèi)大。

2 內(nèi)包邊常見(jiàn)缺陷

2.1 內(nèi)包邊界面缺陷

在復(fù)合材料粘接過(guò)程中，需保證粘接界面粗糙且干凈無(wú)異物，如界面被污染或夾雜脫模布等輔助材料，可能造成粘接失效，出現(xiàn)膠黏劑裂紋和葉片開(kāi)裂。

2.2 內(nèi)包邊與殼體粘接厚度過(guò)大或碰撞缺陷

粘接強(qiáng)度隨膠層厚度的增加而降低，這是因?yàn)楹衲z層內(nèi)部缺陷較多，固化后內(nèi)應(yīng)力較大。膠層厚度不僅影響粘接強(qiáng)度，還會(huì)引起破壞類型的改變。Adams等[6]的研究表明，粘接膠層越厚，其存在的缺陷越多，如微裂紋、空隙等。但并不是膠層越薄越好，膠層太薄易造成缺膠，導(dǎo)致粘接強(qiáng)度降低，通常膠層厚度應(yīng)在膠粘劑產(chǎn)品指定的范圍內(nèi)為宜。在保證不缺膠的情況下，薄而均勻膠層的粘接強(qiáng)度較高。Gleich等[7]的研究表明，粘接膠層越薄，蒙皮與粘接膠界面的剝離和剪切應(yīng)力越大。因此，通常將膠黏劑的厚度控制在2mm以內(nèi)，避免由于葉片運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的變形量大造成內(nèi)包邊與殼體碰撞，產(chǎn)生裂紋，甚至失效。

2.3 內(nèi)包邊內(nèi)側(cè)褶皺

布層褶皺對(duì)布層的力學(xué)性能影響較大，一般褶皺的定義為高寬比。復(fù)合材料褶皺可導(dǎo)致其性能大幅下降，如拉伸、壓縮強(qiáng)度、疲勞壽命等，使得性能值偏離預(yù)期設(shè)計(jì)值，無(wú)法在正常條件下使用?，F(xiàn)有工藝內(nèi)包邊內(nèi)側(cè)合模縫區(qū)域的軸向褶皺對(duì)內(nèi)包邊的整體強(qiáng)度影響較大。

2.4 內(nèi)包邊粘接寬度不足

薛彩虹等[8]模擬粘接膠理想寬度，在最理想的粘接寬度范圍之內(nèi)，后緣應(yīng)力水平相對(duì)最低，強(qiáng)度較低，后緣比較安全。在內(nèi)包邊粘接或者手糊成型過(guò)程中，內(nèi)包邊的定位尺寸不準(zhǔn)確，造成內(nèi)包邊的部分寬度不足，影響膠接強(qiáng)度。

2.5 內(nèi)包邊區(qū)域多余膠黏劑殘留

一般葉片成型方式為PS面與SS面粘接合模方式，為保證上下模完全粘接，施膠厚度需要一定的安全余量，這會(huì)導(dǎo)致膠黏劑溢出到葉片型腔內(nèi)，增加葉片的本體重量，影響發(fā)電效率。在葉片運(yùn)行過(guò)程中，膠塊脫落到主機(jī)中引發(fā)噪聲、葉片殼體碰傷，甚至安全事故。

3 內(nèi)包邊工藝改進(jìn)方法

3.1 內(nèi)包邊積膠器設(shè)計(jì)和粘接角縫制方法

風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)每年會(huì)花費(fèi)大量資金開(kāi)展風(fēng)場(chǎng)葉片內(nèi)部膠黏劑的清理工作，隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，葉片內(nèi)部清理成本呈增加趨勢(shì)。同時(shí)，葉片內(nèi)部膠黏劑掉落的影響越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)也曾出現(xiàn)多起葉片內(nèi)部膠黏劑掉落引發(fā)的整機(jī)質(zhì)量事故。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種全新的內(nèi)包邊結(jié)構(gòu)，在內(nèi)包邊邊緣增加“積膠器”結(jié)構(gòu)，如圖1所示，以防止內(nèi)包邊膠黏劑掉落。這一創(chuàng)新有效地解決了多余膠黏劑溢出到葉片型腔內(nèi)的問(wèn)題。

圖1 內(nèi)包邊“積膠器”結(jié)構(gòu)（Fig.1 Inner edge "glue integrator" structure）

將內(nèi)包邊布層固定在SS面布層殼體上，通過(guò)內(nèi)包邊模具固定內(nèi)包邊布層，使其具有一定形狀，此形狀應(yīng)與PS面型面一致，并留有膠結(jié)間隙。

3.2 內(nèi)包邊布層預(yù)裁剪方法

裁剪工藝要求的內(nèi)包邊布層，在合?？p區(qū)域放置1層100～150 mm、寬90°的三軸布，采用縫紉機(jī)將其縫紉在一起，在使用過(guò)程中，將三軸布搭接在殼體法蘭邊區(qū)域。

修剪去除位于SS面前后緣內(nèi)包邊處超出模具產(chǎn)品線的玻纖布，預(yù)留1層內(nèi)蒙皮布層，要求殼體布層與模具分模面平齊，確保內(nèi)包邊布層、殼體布層及模具分模面能夠很好地貼實(shí)，并鋪設(shè)弧順。在SS面前及后緣放置內(nèi)包邊布層，從內(nèi)包邊起始位置往葉尖依次放置各區(qū)域內(nèi)包邊布層，長(zhǎng)度方向上要求內(nèi)包邊布層繃緊，不能有褶皺；內(nèi)包邊布層縫制線（布層中線）緊靠葉片內(nèi)殼體玻纖布層邊緣，即寬度的一半處在SS面，內(nèi)包邊外側(cè)縫制100～150 mm的布，另一半貼在模具分模面。

3.3 內(nèi)包邊模具定位調(diào)整法

3.3.1 定位銷(xiāo)定位方式

內(nèi)包邊模具定位對(duì)膠結(jié)厚度和內(nèi)包邊成型質(zhì)量有較大影響，可采用定位插銷(xiāo)將內(nèi)包邊固定在模具法蘭邊上，以確保內(nèi)包邊模具的位置，如圖2所示。在內(nèi)包邊區(qū)域剪掉所有法蘭邊多余布層，把此區(qū)域與內(nèi)包邊接觸的型面清理干凈，避免有物體影響內(nèi)包邊模具的位置。

圖2 內(nèi)包邊模具定位銷(xiāo)定位（Fig.2 Positioning pin of inner cladding die）

3.3.2 磁力定位方式

內(nèi)包邊定位使用磁力系統(tǒng)定位，在內(nèi)包邊模具和主模具相應(yīng)位置預(yù)埋磁鐵，以準(zhǔn)確定位內(nèi)包邊模具和主模具位置，使內(nèi)包邊模具與主模具貼實(shí)，避免產(chǎn)生中空，造成富樹(shù)脂和內(nèi)包邊定位變形，如圖3所示。

圖3 內(nèi)包邊模具磁力定位方式（Fig.3 Magnetic positioning mode of inner edge mould）

3.3.3 定位塊定位

首先在模具上定位塊位置預(yù)制金屬定位擋塊，避免定位塊接觸玻璃鋼模具，造成磨損玻璃鋼磨損，從而影響定位精度。定位塊材質(zhì)為305鋼，將定位塊設(shè)計(jì)為梯形，避免袋膜在角度鋒利位置被扎破。提高葉片灌注過(guò)程中的安全系數(shù)。然后在定位塊上粘接特氟龍膠帶，避免樹(shù)脂塊殘留，易于清理。此方法能夠準(zhǔn)確地定位粘接角模具，合理控制粘接角的膠接厚度。

3.4 內(nèi)包邊預(yù)制成型件制作

內(nèi)包邊放置完成后，在內(nèi)包邊內(nèi)側(cè)放置預(yù)制成型件，此成型件與內(nèi)包邊型面一致，固定在內(nèi)包邊內(nèi)側(cè)，可避免由于真空體系壓力造成的內(nèi)包邊合?？p區(qū)域凹陷褶皺，如圖4所示。

圖4 內(nèi)包邊預(yù)制件放置（Fig.4 Bonding lip perform placement）

3.5 前緣內(nèi)包邊模具設(shè)計(jì)

在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，采取獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案，使內(nèi)包邊模具拐角區(qū)域形成R3的圓角，避免內(nèi)包邊出現(xiàn)褶皺。另外在內(nèi)包邊模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，將內(nèi)包邊靠近模具側(cè)間隙控制在1～3 mm，將遠(yuǎn)離模具側(cè)的間隙逐漸增大到5～7 mm，使其平滑過(guò)渡，既能避免內(nèi)包邊褶皺，又能將膠黏劑的厚度控制在1～7 mm范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文優(yōu)化了內(nèi)包邊成型方法，通過(guò)改變模具定位方法和模具形狀，可有效控制膠結(jié)厚度和膠結(jié)質(zhì)量，避免多余膠黏劑溢出；通過(guò)采取內(nèi)包邊布層預(yù)裁剪的方法，可有效控制粘接寬度，縮短成型周期，降低人工和生產(chǎn)成本；通過(guò)內(nèi)包邊預(yù)制件成型，避免產(chǎn)生內(nèi)包邊褶皺；通過(guò)一體灌注成型，可有效提高內(nèi)包邊的成型質(zhì)量。由于內(nèi)包邊成型具有復(fù)雜性，在風(fēng)電葉片成型過(guò)程易發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題。針對(duì)該質(zhì)量問(wèn)題采取一定的措施，可規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約模具占用時(shí)間，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。