風力發電葉片主梁褶皺問題及預防措施

謝理國，劉宏亮，楊瑞志

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

近年來，我國風電行業快速發展，國內最長葉片的長度已達到甚至超過90m，并且長度在65m以上的葉片已經成為市場主流需求。主梁作為葉片主承力結構部件，其質量尤為關鍵。主梁在生產過程中，如果出現質量問題，將直接影響葉片的整體結構安全，其中，主梁褶皺問題更是對葉片結構產生嚴重影響的一種質量問題。一般情況下，一旦發現主梁出現褶皺，主梁就會被報廢處理。若主梁褶皺未被及時發現，將帶有褶皺問題的主梁使用到葉片產品上，就可能造成葉片報廢或風場運行的葉片斷裂等更加嚴重的事故。本文基于葉片主梁采用真空灌注的制造方法，針對葉片主梁在制造過程中出現褶皺問題的原因及解決方法進行了分析和研究。

1 主梁的低溫褶皺和高溫褶皺

主梁作為葉片的主要部件之一通常是單獨進行預制。常見的預制方法為采用真空灌注方式在主梁模具上成型，有些時候由于條件限制，也會在葉片殼體模具上進行主梁的生產。

無論在主梁模具上生產，還是在殼體模具上生產，主梁產品在脫模后，有時會出現沿主梁寬度方向的褶皺，如圖 1所示，通過長期對主梁生產過程的跟蹤和褶皺數據分析，結合褶皺出現的時機，本文將褶皺定義為低溫褶皺和高溫褶皺。

圖1 主梁寬度方向褶皺示意圖Fig.1 Width direction wrinkle of spar caps

1.1 低溫褶皺

低溫褶皺是指在灌注前期，纖維層表面溫度在30℃左右時，在纖維層表面出現了鋪層鼓起，纖維層彎曲，產生褶皺。

通過對低溫情況下出現褶皺的情況進行調查和試驗，發現產生低溫褶皺的原因主要有2點。

1.1.1 操作原因

主梁在鋪層時，由于纖維布沒有鋪平或纖維布層間沒有貼實存在間隙。當抽真空時，在真空壓力下，未鋪平的纖維布或纖維布間的間隙被擠壓，導致纖維布出現彎曲，產生褶皺。

1.1.2 模具膨脹收縮原因

主梁模具材質通常為玻璃鋼，并采用鋼架進行固定，且一般模具長度都超過 40m，模具本身存在熱脹冷縮情況。

主梁制造時，從開始鋪層到準備灌注，一般會持續 4～6h，若在這期間模具溫度出現較大的溫差，模具就會出現熱脹冷縮，且整個模具不是均勻的熱脹冷縮，導致模具在某個截面位置被擠壓產生向上突起的變形，而此時纖維層已經鋪放在了模具表面，且在真空壓力下與模具型面貼實，截面位置的凸起變形就會導致纖維層向上凸起，引起纖維彎曲，導致產生褶皺。

通常，上述褶皺問題比較隱蔽，加上真空輔材的遮擋，在灌注前難以被發現。當灌注開始后，樹脂填充了未鋪平的纖維層間間隙，使褶皺能被更清晰地看到，但此時基本已無法處理。

1.2 高溫褶皺

高溫褶皺是指在灌注完成后，在樹脂進行化學反應的放熱期內，纖維層表面局部溫度超高，通常超溫區域與相鄰四周區域溫差大于 15℃，此時，在纖維層表面出現了纖維層鼓起，引起纖維層彎曲，導致產生褶皺。

高溫褶皺一般是由于纖維層局部溫度過高，局部纖維層與四周纖維層溫差較大，溫度超高區域熱量無法及時散出，導致局部膨脹鼓起，使纖維層彎曲，產生褶皺。

2 主梁褶皺的預防措施

葉片主梁出現褶皺，對葉片的結構安全性影響很大，同時褶皺的修復難度也很大。因此，對主梁褶皺問題的預防就十分有必要。

通過對褶皺問題的研究可以發現，褶皺主要因為鋪層時纖維層未鋪放到位或模具產生了伸縮變形導致，所以對于主梁褶皺的預防可以采取以下措施：

①主梁在制造過程中，所有纖維層必須逐層鋪平、壓實，使纖維層層間緊密貼合，且與模具型面緊密貼合。

②主梁制造過程中，從開始鋪層前，到灌注樹脂開始放熱前，需要保證模具整體區域溫差小于 5℃(溫差具體值與模具材質有關)，保證在此過程中，模具不會出現較大的熱脹冷縮現象。

③主梁在制造過程中，當灌注樹脂開始放熱后，要對整個纖維層表面溫度進行監控，若發現局部溫度突然升高，與四周纖維層溫差超過 15℃時，要及時對超溫區域纖維層采取降溫措施，以防溫差過大引起褶皺。

3 結 論

風電葉片主梁褶皺主要發生在主梁灌注樹脂開始固化之前，因此，對于褶皺的預防，應該從控制鋪層質量、控制模具使用期間溫度、控制樹脂放熱期間的鋪層溫度3個方面進行，簡述如下：

① 樹脂開始固化前，減少模具各區域溫差，盡量保證模具處于恒溫狀態，這是最關鍵的因素。

② 對樹脂放熱期間的纖維層表面溫度超高區域實施降溫措施。

③ 保證鋪層過程中，纖維布層間緊密貼合。

通過上述措施，能有效解決葉片主梁在制造過程出現的褶皺問題，提高產品質量。