风电叶片阴模的设计与制作技术

陶生金　何明　林涛

摘 要：随着叶片向大兆瓦级以及海机的发展，对叶片的质量要求也越来越高，但是叶片的质量很大程度上依赖于模具的质量，模具质量的好坏以及模具型面精度直接影响叶片的质量，本文对大型风机叶片模具设计和制作工艺进行了经验介绍，对玻璃钢模具工程应用具有指导意义。

关键词：玻璃钢，模具，设计，制作

引言

随着风电市场的发展，对风机叶片的生产提出了更高的尺寸精度及质量要求，特别是海上风机叶片的发展。而风机叶片的质量很大程度上依赖于生产叶片所用的模具，这就对生产叶片的阴模模具提出了更高的质量要求，即要求表面气动外形尺寸准确、表面光洁度要求高、无潜藏气泡和针孔等弊病，保证良好的气密性。

1 叶片模具的结构形式

叶片模具主要有钢结构部分与复合材料两部分构成。

1.1 钢结构的设计

钢结构材料的选型，对于叶片模具来说，由于是不规则结构，设计时一般采用桁架结构，钢材选用一般考虑到强度，稳定性以及应变，首选无缝冷拔结构钢，一般采用60*60*3，80*80*4或者100*100*5的方管做整体的骨架，并在液压翻转的局部地方采用局部加强。按照叶片的形状，绘制出叶片的外轮廓框架，在从叶片翼型标定的L0m开始，沿叶片的长度方向，每隔2m做一个截面，并将钢架的中心定位线标记好，以便后续安装使用，钢架是型面复合材料层提供主要的受力件，运用软件绘制三维钢架模型图画以后，运用有限元分析软件（ANSYS）分析钢架在各种工况下的静强度以及模态，确定钢架的安全系数。在实体模型的基础上首先建立钢结构的有限元模型，划分有限元网格，将叶片的重量加上符合材料层的重量，在加上钢架整个的总重量，作为自重载荷作用在整个钢结构上，钢结构的翻转机构采用全约束形式，即采用限制六个自由度，进行求解。并评价计算结果，分析查看钢结构的稳定性。

钢结构应变云图

1.2 复合材料层的结构设计与制作

复合材料层主要有下面几个主要层构成：1）密封层，密封层可以分成内胶衣层，外胶衣层以及过渡层构成，外胶衣层的主要材料为环氧性、耐高温、耐磨胶衣构成，待胶衣不粘手时开始制作内胶衣层；内层胶衣主要有类同于外胶衣层性能，待胶衣不粘手时开始制作过渡层；过渡层包括依次铺设的表面毡层、斜纹编织布层和双轴布层，第2密封层的外胶衣层设在第1密封层的过渡层的上部。室温固化12h.2）密封边 为了防止在制作结构层是真空灌注时的保压，必须制作密封边，用合模胶沿模具周边全部刮一遍，固化后方可进行下一步工作。3）内结构层 结构层主要有四轴向纤维布按照给定的设计铺层铺层，结构层纤维布按照模具的大小可以铺设8—12层纤维布，为模具复合材料层的强度层，再采用真空灌注工艺形成，固化时间为室温24h，选用的真空灌注树脂为必须为环氧性，固化后的Tg值高于叶片本体的Tg值。4）法兰边增厚层，为了提高玻璃钢的强度，故在法兰边设计了增厚的铺层设计，提高法兰边的强度。5）加热层 为了使叶片能够在制定得工艺条件下的固化，故模具需要加热层，现用的玻璃钢叶片的树脂固化成型温度都低于100度，加热层主要有铜管组成加热管路，加热管路必须经过试水打压测试，检验管道的气密性，管路与管路之间用导热较好并且较轻的铝粉作为导热材料，为了给模具减重，可以适当的加入一些轻木。6）外结构层，外结构层一般、按照模具的大小可以铺设3—5层纤维布，手糊工艺制作外结构层。7）保温层 保温层主要选用聚氨酯发泡材料，制作厚度为5cm，主要为模具提供保温。整个模具复合材料层结构图见下图。

1.3 复合材料层各部分的功能与作用

密封层主要作用：提高了模具的质量，确保了叶片的气动外形尺寸，提高模具表面的光洁度，同时保障了模具的气密性和模具的其他使用性能。其保证了在生产过程中模具有更高的使用性能，确保了叶片的质量，减少了模具的维护和维修工作，延长模具的使用期限，降低消耗成本，更加满足了生产对模具的使用要求。

密封边的主要作用：保证法兰边的密封性，确保阴模制作的密封性能。

内结构的主要作用：主要是符合材料层的受力部分，为叶片的型面提供受力保障，保证叶片模具的受力变形；

加热层的主要作用：模具热源的供体，叶片产品的加热提供热能量，使模具完全固化。

外结构层的主要作用：与模具内结构一起对模具起到承载作用。

保温层的主要作用：保证热源提供的热能能够持续稳定的传导到模具里面，并对模具起到保持温度作用。

2 钢结构部分与复合材料层的连接

钢结构按照图纸焊接完毕之后，需要用液晶全自动振动时效装置将钢架的应力消除，复合材料层在阳模上制作完成，复合材料层与钢结构各自制作完成以后，用2台行车将钢架吊起，然后将钢架的中心线与复合材料层模具的中心线方重合，再用圆形钢管和随型板将钢架与复合材料层连接，并使用手糊树脂将其固定，并将内部加热层与外部加热系统连接，对复合材料层用模温机进行后固化。后固化完成后，将带有钢结構的PS面与SS面模具通过液压翻转机构连接起来（为保证叶片合模的前后缘的同步性以及叶片根部与尖部的同步升降，防止钢架以及模具的扭曲，翻转机构的翻转角度误差应该控制在2°以内）。在对模具的标高以及型面进行全面综合性能的检测。

3 结论

3.1 叶片模具设计要控制叶片模具钢架的强度，稳定性，为防止模具的形变，钢架的结构设计应该控制在一定是的范围之内，且变形越小越好。

3.2 叶片模具表面的光洁度应该在800目左右，以至于在生产叶片时容易脱模，减少生产过程中模具损伤，保证叶片表面状态。

3.3 模具复合材料层灌注树脂应该选用收缩率低于0.05%，且Tg值高于叶片本体，具有记号的力学性能的环氧树脂，以保证模具的形变；

3.4 模具翻转机构翻转同步角度误差应该控制在2°以内，以保证模具和钢架安全性。

参考文献

[1] 胡仁喜，刘昌丽编著. SolidWorks2010中文版模具设计从入门到精通[M]. 机械工业出版社 2010

[2] 邵蕰秋编著. ANSYS有限元分析示例导航[M]. 中国铁道出版社 2004

[3] 武思宇，罗伟施编著. ANSYS工程计算应用教程[M].中国铁道出版社 2004

[4] RIS? 国家实验室 罗威船级社著. 风力发电机组设计导则[M]. 机械工业出版社. 2011

[5] 杨惠凡，赵伟，马双彦，徐新峰.一种风电叶片用阳模及风电叶片用阴模.B29C 33/38；B29C 39/26；B29C 39/42.200920267468.2009

作者简介：

陶生金（1982-），男，江苏连云港人，本科，工程师。研究方向：主要从事风力发电机组叶片设计研发工作

何明（1977-），男，江苏连云港人，本科，工程师。研究方向：主要从事风力发电机组叶片设计研发工作

林涛（1984-），男，江苏连云港人，本科，工程师。研究方向：主要从事风力发电机组叶片设计研发工作