浅析风电叶片材料对叶片制造质量的使用风险

吴红焕，刘鲜红，江一杭

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津300480)

浅析风电叶片材料对叶片制造质量的使用风险

吴红焕，刘鲜红，江一杭

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津300480)

根据对构成风电叶片的 4大关键材料(纤维、树脂、粘接剂、芯材)的设计参数和材料性能分析结果，进行关键材料在风电叶片制造使用过程中的风险评估，提出了这些材料质量控制的关键点。

风电叶片 玻璃纤维 环氧树脂 粘接剂 芯材

0 引 言

叶片是转换风能最关键的部件，高空运转时承受着强大的交变载荷。这不仅要求材料要有足够的拉弯应力，还要有足够的刚性和韧性。玻璃钢之所以能从众多的材料中脱颖而出，这与其较轻的密度、优良的强度以及良好的可设计性密不可分。张汝光教授说过：“玻璃钢是张白纸，你可以尽情发挥自己的想象进行描绘”。这就是说，开发风电叶片产业的难点不在于材料的市场技术状况，而在于叶片结构对材料设计的理念把握。然而，复合材料生产过程的可设计性对于制造企业来说，存在着潜在的材料使用风险。

众所周知，叶片设计及制造所关注的风电叶片中常规 4大结构材料分别为：纤维、环氧树脂、粘结剂及芯材。这 4类材料在叶片结构中承担着各自的角色。本文旨在通过设计参数和材料性能分析，阐述目前在生产过程中的问题，提出把握各类材料所需要控制的关键点。

1 纤维材料

1.1 设计参数研究

纤维作为叶片结构的主承力材料，其刚度、韧性的高低直接决定着叶片的铺层设计及刚度、韧性，疲劳强度的高低直接决定着叶片的使用寿命。这点可以从很多叶片设计公司对玻璃纤维纱的关键指标中看出：模量≥76,GPa，延伸率≥2.5%，疲劳 m 值≥10。同时考虑与基本树脂的界面结合性，要求表面浸润剂必须是环氧专用。根据叶片铺层结构设计及运载过程中叶片各部位所承受的不同载荷分布，叶片中使用的玻璃纤维织物主要有 3类：单向、双向和三轴向。[1]

①叶片外蒙皮(腹板)：叶片外蒙皮部位除满足气动外形需要外，在运行中主要承受拉伸剪切及气动扭转所产生的剪切应力，故需要较大的剪切应变，按照优化设计理论，一般主要采用±45 °两相布完成，并且在主梁及根部内外表面也会分布一层两向布。

②主梁帽：主要承受由离心力和气动弯矩所产生的轴向应力；它是叶片刚性体系的直接部件，一般由单向纤维来实现，可将叶片刚度与主梁帽的铺层参数关系简单计算为：

式中：E为主梁帽上 UD织物的材料模量；d为剪切梁的一半；b为主梁帽宽度；h为主梁帽厚度。

从简单公式可看出，叶片刚度与主梁帽上单向材料的刚度、宽度、厚度成正比关系；同时考虑到叶片主梁重量约占叶片重量的30%，因此如果单向纤维材料在刚度研究上能够有所突破，对于在设计上减轻主梁重量、减轻叶根载荷都具有深远意义。材料的比强度愈高，则构件自重愈小；比模量愈高，则构件的刚度愈大。这也是一些纤维材料供应商一直致力开发高强高模材料以及长叶片而逐步采用H-Gf和Cf的原因。表 1和表 2即为目前玻璃纤维的系列产品技术指标与玻璃纤维与碳纤维在原纱和复合板的强度比较。

表1 玻璃纤维纱线产品技术现状Tab.1 Current technical status of glass fiber yarns

表2 Cf和Gf的性能对比Tab.2 Property contrast between Cfand Gf

③叶根部位：叶片根部不仅重量较大(占到叶片总重量的 50%)，也是叶片承受载荷最大的部位，在运转过程中承受叶尖引起的拉弯及压缩应力，同时另一个主要作用是利用螺栓把荷载从复合材料结构传递到风力涡轮机的枢纽和主传动轴，因此在螺栓连接处还承受较大的剪切、挤压和粘接剪切强度。与主梁帽一样，这部分复合材料应达到高品质、高纤维体积分数和低孔隙率。但由于根部的荷载要求与主梁不同，它一般兼用多轴向材料以及双向材料制成，具体的织物厚度和克重分布根据叶片设计时的载荷分布以及根部需求厚度等确定。表 3为目前 2个不同叶片设计公司在根部设计中主要三向材料的使用情况。

表3 2家公司主要三向材料设计对比Tab.3 Design and comparison of main three-way materials in 2 companies

1.2 制造使用风险

众所周知，玻璃纤维的生产是采用瓷窑生产，一般瓷窑的容量都在 100,t左右，属于连续生产作业，生产原丝的状况如图 1。编织设备质量主要是依靠控制炉内温度、监控炉内B-Si-P-S等玻璃成分进行监控。此外，关键技术就是纤维处的表面浸润剂技术。[2]

图1 玻璃纤维丝和织物的生产图Fig.1 Production drawing of glass fiber yarns and fabrics

从目前市场使用的纤维织物质量反馈方面了解，玻璃纱线质量出现批量性偏差情况较少。截至目前，纤维原纱的生产过程还都是比较稳定的。但随着国内二级编织供应商的增加以及叶片生产厂的成本压力，使用的织物基本都由二级编织单位构成。经过这几年对不同编织工厂进行测试评估，基本上编织设备、编织技术的控制会存在一些微小差异，但关键还在于原纱性能。同时在生产制造中又对其进行裁剪、铺放，而叶片中使用的玻璃纤维都是连续性纤维，需要承接载体的作用，采购和制造方面是叶片厂监控纤维材料是否存在重大风险的关键，对于叶片制造商，主要需关注以下方面：①二级编织厂商采购的纤维原纱类型是否与需求一致；②裁布尺寸、铺层方向、铺层层数、铺放位置是否无大错，是否严格按照设计铺层文件执行；③纤维搭接的合理性，避免使用过程中的纤维裁剪、拼接，尤其主梁帽位置上的 UD 布 0,°断经，这是非常致命的；④纤维布铺覆的平整性，避免产生纤维大幅褶皱，不论是壳体还是主梁和叶根部位；⑤纤维的吸胶量，控制较为稳定，含胶量的高低直接决定着复合材料的机械性能及疲劳寿命。

2 芯材

2.1 芯材设计参数

芯材具有质量轻、高比刚性和良好的抗冲击性等特点，目前主要应用于叶片的壳体和腹板两个位置。空腹叶片需要避免弯曲失稳，空腹结构在弯曲荷载作用下，某一剖面压应力若达到一定水平，剖面就会产生扁平，进而刚度下降，从而导致屈曲失稳。也就是说，芯材在叶片腹板中主要承受弯曲载荷作用下的压缩应力和壳体扭转时的剪切应力，壳体位置上主要承受气动扭转时的剪切应力以及吸收表面顺时压力的压缩载荷。[3]这点也可以从不同设计公司对叶片芯材(PVC和 Basla)的性能要求中看出(见表 4)，它们主要考虑的是压缩和剪切性能，这对材料选型及评价提供了很大的帮助。

芯材的采购目前主要还依靠进口，使用在叶片中为 PVC和 Basla木，同时目前市场也存在 SAN、PMI、PS以及 PET材料的性能指标。市场上材料厂家性能汇总分析见表 5。其中，SAN 泡沫、T系列均有个别厂家使用，部分叶片设计制作大梁也采用 PS系列，其剪切性能较低。在这些材料中，除 Balsa属于木质纤维，属于各向异性外，其他均属于各向同性材料。从目前了解的市场信息分析，均有可能作为下步叶片材料降低成本的一个方向。

表4 设计公司对芯材数据对比表Tab.4 Correlation table of general properties of core materials from the designer

表5 芯材数据对比表Tab.5 Correlation table of general properties of core materials

2.2 采购和生产质量风险

由于国内的代理点大多是芯材的机械加工厂，并且由于PVC的密度受发泡技术及和Basla木受生长环境的客观影响，密度均一性较大，一般都在±10%。根据近几年制造过程芯材出现的问题以及考虑芯材在叶片中的承载作用，认为主要监控点有以下3个方面：①材料进料，Basla使用时的含水率、芯材密度及剪切强度的稳定性；②研究芯材的开槽打孔方式对灌注工艺过程的影响；③芯材在生产制造过程中，注意芯材拼缝大小，芯材拼缝对叶片运行质量影响较大，如果拼缝较大，叶片运行过程中引起应力集中。

3 树脂

3.1 材料设计参数

树脂材料在复合材料中起着载荷传递的关键作用，其优异的拉压强度、较高的断裂应变及疲劳特性一直是树脂技术攻坚的方向。树脂在复合材料破坏过程中的作用过程为：当复合材料受到载荷时，纱线首先要伸直，因此不同轴向之间的纱线就会产生不同程度的拉伸，处于纱线之间的树脂就会受到剪切作用，在织物交织点处相互摩擦，损伤玻璃纤维(玻璃纤维对摩擦是很敏感的)，这就大大损失了玻璃纤维的强力。因为树脂的断裂延伸略低，在拉伸过程中，随着拉伸的进一步破坏，玻璃纤维和树脂之间的连接就会破坏。为充分发挥玻璃纤维的承载力，树脂的断裂应变亦是非常关键的指标。目前在叶片材料设计中，起初仅对其拉伸强度和模量作了要求，68,MPa和3.0,GPa，通过近几年风电叶片的发展，目前逐步添加动态载荷评估。[4]

3.2 采购和生产质量风险

树脂类材料由于是双组分材料，根据其工艺特性在生产中尤其需关注以下问题：

① 环境对产品工艺标准实施所引起的变化：树脂类材料对温湿度极其敏感，特别是温度，温度不仅会引起树脂粘度的变化，而且会影响凝胶时间的变化，甚至会影响到后固化环境的控制。因此具备一个稳定的操作使用环境，才会使树脂材料的工艺特性发挥稳定，产品质量才会有稳定的保障。

② 混合程度对材料性能发挥所引起的变化：环氧树脂的混合比例和均匀程度直接决定着树脂和固化剂的反应程度，严重影响最终的机械和耐温等性能，如果出现混合比例不对的情况，会导致各种性能急剧下降，直接影响使用寿命。这也是目前叶片生产商严格控制混胶设备的输出状况、手工配胶的原因所在。

③后固化的环境：环氧树脂体系显得尤为重要，这是由环氧树脂分子间交联的反应机制所决定的，后固化温度和保温时间会增加体系内交联点密度、减少自由链段活动，进而表现在性能上是机械性能及耐温(Tg)的升高。

4 粘结剂

4.1 材料设计参数

粘接质量在叶片设计中尤为关键。结构粘结剂性能评价和判断的 4大关键指标为：剪切强度、剥离强度、冲击韧性、疲劳性能。设计公司在叶片设计的粘结剂剪切方面考虑3.0的安全因子后，对粘结剂剪切强度提出设计值大于7,MPa。而目前市场粘结剂的剪切强度≥20,MPa，这就是说材料的关键性能远远大于设计值。然而生产中除了考虑起初的设计值之外，还需考虑更多的材料工艺评价以及其他方面的疲劳、耐水等本体性能，同时叶片在粘接过程中也会带来较大的材料缺陷。因此做好合模粘接工序，对于叶片制作行业来说至关重要。

4.2 生产使用风险

材料的安全因子再高，生产实际使用不当也会大大降低安全因子。结合粘结剂材料的特性，其在使用方面重点有：①材料的比例和混合均匀程度，直接决定着材料使用最终剪切性能。②界面处理方式，对粘结质量的影响是致命的。③粘接的时间，混合后就开始交联反应。④粘接宽度，直接影响叶片粘接面积。⑤粘接厚度，高触变性的材料，厚度越大，使用过程中越易引入气泡。⑥后固化环境。

5 结 论

通过对叶片4大结构主材的设计参数、生产使用以及近几年出现的问题进行分析，发现大部分问题是由于使用过程中的不当操作而引起。因此实际中更应从叶片的生产使用过程把好材料的使用关，关注材料使用细节及每种材料的关键控制点。

［1］ 刘万琨，张志英. 风能与风力发电技术[M]. 北京：化学工业出版社，2010.

［2］ 马振基，林育锋. 复合材料在风力发电上的应用发展[J]. 高科技纤维与应用，2005，30(4)：5-8，14.

［3］ 高会焕. 纤维增强材料风机叶片发展概述[J]. 玻璃钢/复合材料，2009(4)：104-108.

［4］ 董锋岩. 复合材料风机叶片发展现状及成型工艺进展[C]. 第十七届玻璃钢/复合材料学术年会论文集，2008.

Quality Risk Analysis on Blade Materials for Wind Turbine Blade Manufacturing

WU Honghuan，LIU Xianhong，JIANG Yihang
(TianJin DongQi Wind Turbine Blade Engineering Co.，LTD.，Tianjin 300480，China)

Key design parameters and material performances of the four key materials of a wind turbine blade，including fiber，resin，adhesive and core material were analyzed. A risk assessment on the materials in the blade manufacturing and their utilization was made and key quality control points were presented.

wind blade；glass fiber；epoxy resin；adhesive；core material

TK83

A

1006-8945(2014)06-0055-04

2014-05-09