大尺寸海上风电叶片根部灌注工艺研究

８２大尺寸海上风电叶片根部灌注工艺研究

２０１５年１２月

大尺寸海上风电叶片根部灌注工艺研究赵立岩ｈ，孙玉权２，颜晨１，李辉２（１．中材科技风电叶片股份有限公司，北京１００１９２；２．中材科技（阜宁）风电叶片股份有限公司，阜宁２２４４００）摘要：真空导入模塑工艺（ＶＩＭＰ）是生产大厚度、大尺寸海上风电叶片的关键技术。针对６ＭＷ级海上风电叶片叶根基圆尺寸为４０００ｒａｍ、灌注困难的特点，制定导流辅材铺放工艺，设定工艺过程参数，从而提高产品浸润效果，控制树脂含胶量，取得良好效果。关键词：海上风电叶片；真空灌注（ＶＩＭＰ）；环氧树脂；复合材料中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－０９９９（２０１５）１２－００８２—０５

随着风电产业的不断发展，海上风电逐渐成为风电行业发展的热点。相比于陆地上，海上风速更高、湍流更低、风切变更小、风向更稳定。基于上述优点，海上风电机组具有更大的输出功率和更好的疲劳特性。同时，海上风场靠近能源需求较大的沿海发达城市，海面可利用面积广阔，不存在土地占用等问题。因此，海上风资源的开发利用受到世界各国，尤其是陆地面积相对较小的国家越来越多的重视…。抢占海上风电的战略市场，已成为风电主机厂商及部件供应商的共识。风电叶片大致结构如图ｌ所示。叶片的传力方式为从叶尖向叶根传递，叶根通过螺栓与主机轮毂进行连接，叶根具有最大结构壁厚。图ｌ风电叶片结构示意图Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｗｉｎｄ－ｐｏｗｅｒｂｌａｄｅＶＩＭＰ工艺又被称为ＳＣＲＩＭＰ（ＳｅｅｍａｎｎＣｏｍｐｏｓ—ｉｔｅｓＲｅｓｉｎＩｎｆｕｓｉｏｎＭｏｌｄｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓ）Ｔ艺和ＶＩＰ（Ｖａｃ・ｕｕｍＩｎｆｕｓｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ）工艺，其工艺原理是在单面刚性模具上以柔性真空膜包覆、密封纤维增强预成型材料，在真空负压下排除模腔中的气体，注入聚合物树脂，利用树脂的渗透、流动实现树脂对纤维及其织物的浸渍，并在室温或加热条件下保持真空至固化成型‘２川。如图２所示。

Ｂａ蛔Ｉ＿ｍ…ｆ刚。胁。。，

＋／１ａｃｈ

ｊ＾／７

≮Ａ

）ｉ＼／、￡ｏ｜＿

—／ｔ“ｆｏｒｃｅｍｅｒａｎ—迅ＭｏｕｌｄＦｉＮｅ陀

收稿日期：２０１５—０７・０６作者简介：赵立岩（１９８６一），男，硕士，主要从事风电叶片工艺研究。粼一…、ｍｔｓ．骶ｊ１２

万方数据２０１５＃－ｇ１２期玻璃钢／复合材料８３１试验１．１主要原材料试验采用主要原材料如表１所示。表１试验材料表Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ矗１ｗｍａｔｅｒｉａｌ

１．２导流辅材铺设试验选择模具叶根Ｏ～５ｍ区域进行试验。制作对比样块：样块１、样块２、样块３、样块４。样块１：铺放在背风面模具中心水平处；样块２：铺放在背风面模具后缘；样块３：铺放在迎风面模具前缘；样块４：铺放在迎风面模具后缘。样块均铺放５０层±４５。／００三轴玻纤织物，００纱线方向与模具轴线平行。导流网是重要导流介质，其尺寸、铺放位置、层数对叶片的灌注质量具有决定性影响。在试验中铺放不同尺寸、层数导流网，通过产品结果验证导流系统合理性。具体铺放如下：样块１：在布层表面铺放双层导流网，在模具长度方向上每隔７５０ｍｍ将导流网断开５０ｍｍ；将布层分为四个区域：ｌ＃、２撑、３舟、４＃。注胶管沿导流网边缘铺设，注胶管起止点距离导流网边缘５０ｍｍ，注胶口位于注胶管中间位置，如图３所示。

０。方向图３样块１灌注流道示意图Ｆｉｇ．３Ｉｎｆｕｓｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｄｉａｇｒａｍｏｆｓａｍｐｌｅ

ｌ

样块２：在布层表面铺放双层导流网，在模具宽度方向上每隔７５０ｒａｍ将导流网断开５０ｎｕｎ；将布层分为四个区域：１＃、２＃、３＃、４＃。注胶管沿导流网边缘铺设，注胶管起止点距离导流网边缘５０ｍｍ，注胶口位于注胶管中间位置，如图４所示。

图４样块２灌注流道示意图Ｆｉｇ．４Ｉｎｆｕｓｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｄｉａｇｒａｍｏｆｓａｍｐｌｅ２

样块３：在布层表面铺放双层导流网，在模具宽度方向上隔９５０ｍｍ、７５０ｍｍ、７５０ｍｍ将导流网断开５０ｒａｍ；将布层分为四个区域：ｌ＃、２＃、３＃、４｝｝。注胶管沿导流网边缘铺设，注胶管起止点距离导流网边缘５０ｒａｍ，注胶口位于注胶管中间位置，如图５所示。

图５样块３灌注流道示意图Ｆｉｇ．５Ｉｎｆｕｓｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｄｉａｇｒａｍｏｆｓａｍｐｌｅ３

样块４：在布层表面铺放双层导流网，在模具宽度方向上隔９５０ｍｍ、７５０ｍｍ、７５０ｍｍ将导流网断开５０ｍｍ；将布层分为四个区域：１＃、２＃、３撑、４＃。４＃加铺一层导流网。注胶管沿导流网边缘铺设，注胶管起止点距离导流网边缘５０ｍｍ，注胶Ｅｌ位于注胶管中间位置，如图６所示。

万方数据万方数据２０１５年第１２期玻璃钢／复合材料８５注过程中的树脂流动速度的主要方法为控制压力差△Ｐ以及织物渗透率Ｋ。试验过程中采用真空泵抽真空，整体真空值恒定。通过在叶根最高点区域控制导流网层数，从而控制织物渗透率，可以有效调节叶根最高点布层渗透效率。叶根最高点距地高度较高，树脂受重力作用，胶液上行困难。将树脂桶抬高，可以有效减小树脂液面与浸润玻纤液面的高度差，缩短灌注用时。７０６０５０量４０ｂ垦３０絮２０ｌＯＯＩ霞蕊羹区域ｌ区域２区域３区域４样块ｌｌ霞蕊蕊区域１区域２区域３区域４样块２区域１区域２区域３区域４样块３２０－区域ｌ区域２区域３区域４样块４图９样品不同区域灌注时间图Ｆｉｇ．９Ｉｎｆｕｓｉｏｎｔｉｍｅｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅｚｏｎｅ图９表示样品区域的灌注时间，其中样品ｌ为水平铺放，灌注速率均匀。样品１、２的１撑、２＃、３＃区域灌注时间基本相同，导流网间隙可以有效控制流速。样品２的４＃区域位于模具最高点位置，将注胶桶抬高５００ｍｍ同时关闭其余注胶管，可减小胶液与灌注区域的液面高度差，并保证叶根最低点位置不会产生胶液淤积，实际灌注时间为６８ｒａｉｎ，与样品１用时接近，证明通过将胶液抬高５００ｒａｍ，可减小液面高度差，缩短灌注用时。样品３、４将ｌ＃区域扩大至９５０ｍｍ，灌注面积增加２７％，灌注时间增加１００％。样品３在４＃区域使用双层导流网，灌注中未抬高注胶桶位置，灌注时间增加１２５％。样品４在４＃区域使用３层导流网，通过增加导流网层数，提高渗透率，并抬高树脂桶５００ｒａｍ，减小液面高度差。相比样品２，灌注时间增加３５％，相比样品３，灌注时间降低４０％。试验证明，在最高点区域增加导流网，并抬高树脂桶位置，可有效提高灌注速率，缩短灌注时间。２．２样品纤维含量产品纤维含量采用在产品脱模后，分别在样块２、３、４最低点、２号注胶口下方、３号注胶口下方、产品最高点位置切割６０ｍｍ×４０ｍｍ的样块。切割下样品颜色碧绿，色泽通透，目测无缺陷。使用马弗炉及分析天平等设备计算其树脂含量，结果如表４所示。表４样品树脂含量Ｔａｂｌｅ４Ｒｅｓｉｎｃｏｎｔｅｎｔｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅ

最低点２号注胶口３号注胶口最高点用胶量／ｋｇ

２５．２７％２４．８９％２４．３％２３．１８％１０９．２２６．４％２４．６５％２４．３８％２３．３１％９９．４２６．３４％２４．５６％２４．３ｌ％２３．７８％１０６，２

随着注胶管位置的不断增高，重力作用愈加明显，树脂含量相对降低，纤维含量相对上升（如图１０所示）。在叶根最高点处，产品树脂含量最低。通过对比，样品３使用树脂比样品４低６．４％，样品２、３的４＃区树脂含量较低，而样品４最高点区域树脂含量相对最高，满足工艺要求。

∞∞∞如加旧０

—／屋曾

∞∞∞∞鲫∞∞∞０万方数据８６大尺寸海上风电叶片根部灌注工艺研究

２０１５年１２月

秤块２秤头３样头４图１０样品树脂含量对比图Ｆｉｇ．１０Ｒｅｓｉｎｃｏｎｔｅｎｔｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅ通过灌注时间和产品树脂含量的综合对比，证

明样品４导流系统设计更为合理，具有更好的工艺先进性及产品性能满足性。２．３玻璃化转变温度（Ｔｇ）玻璃化转变温度（Ｔｇ）值是通过对样品Ｔｇ值的检测，验证加热固化制度是否满足工艺要求。样品Ｔｇ值如表５所示。表５样品Ｔｇ值Ｔａｂｌｅ５Ｔｇｖａｌｕｅｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅ

结果表明，样块的玻璃化转变温度均满足设计要求，加热工艺满足要求。３结论（１）采用在模具叶根最高点位置增加导流网层数，抬高注胶桶，降低胶液与灌注区域液面差，可以缩短３５％～４０％灌注时间，并降低树脂因灌注时间过长而发热固化的风险，实现叶根区域高质量、快速灌注；（２）样品树脂含量均满足要求，证明灌注方案的切实可行，并且通过数据显示，样品４树脂含量更

均匀，离散性更小，灌注效果更佳；（３）产品不同区域玻璃化转变温度测定均合格，加热固化制度合理。参考文献［１］刘强，杨科，徐建中．６ＭＷ海上风电机组叶片设计［Ｊ］．风能，２０１１，０４．［２］赵渠森，赵攀峰．真空辅助成型工艺研究［Ｊ］．纤维复合材料，２００２，（１）：４２－４６．［３］ＣｏｒｒｅｉａＮｃ，ＲｏｂｉｔａｉｌｌｅＦ，ＬｏｎｇＡｃ，ｅｔａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｖａｃｕｕｍ

ｉｎｆｕｓｉｏｎｍｏｕｌｄｉｎｇ

ｐｒｏｃｅｓｓ：Ｉ．Ａｎａｌｙｔｉｃａ］ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣｏｍＩⅪｓｉｔｅｓ：

ＰａｎＡ，２００５，１６４５－１６５６．［４］ＭｏｄｉＤ，ＣｏｒｒｅｉａＮ，ＪｏｈｎｓｏｎＭ，ｅｔａ１．Ａｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｖａｃｕｕｍ

ｉｎｆｕｓｉｏｎｐｒｅｃｅｓｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＡ，２００７，３８（５）：１２７１・１２８７．

［５］杨金水．真空导入模塑工艺树脂流动行为研究［Ｄ］．长沙：国防科学技术大学，２００７．［６］陈宗来，陈余岳．大型风力机复合材料叶片技术进展［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００５。３：５３—５６．［７］常燕，王兆增，催元胜，等．风电叶片复合材料的研究进展及其应用［Ｊ］．工程塑料应用，２０１４，４：１３５－１３９．［８］李倩，符强，陆培，等．风力发电叶片选材分析［Ｊ］．河北化工，２０１３，２：６５－６６．［９］王海珍，颜晨，王兴波，等．ＣＦ／ＧＦ混杂复合材料性能分析及其在风电叶片上的应用［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１４，１１：６７－７１．［１０］ＧｅｏｒｇｅＭａｒｓｈ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈｅｌｐ

ｉｍｐｒｏｖｅ

ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ

ｂｒｅｅｄ［Ｊ］．

ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔＰｌａｓｔｉｃｓ，２００６，（３）：２６－３１．［１１］李军向，薛忠民，王继辉，等．大型风轮叶片设计技术的现状与发展趋势［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００８，ｌ：４８—５２．

［１２］王斌，金志浩，丘哲明，等．树脂含量对芳纶纤维／环氧复合材料性能的影响［Ｊ］．固体火箭技术，２００２，２５（１）：６１－６４．［１３］方心灵，吴中伟，高虹，等．树脂含量对芳纶防弹复合材料性能的影响［Ｊ］．宇航材料工艺，２０１２，５：４２ｍ．