拉擠復(fù)合材料板材在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用研究*

近年來(lái)，風(fēng)電的發(fā)展極大地推動(dòng)了葉片的發(fā)展。不僅開(kāi)發(fā)低風(fēng)速風(fēng)電使得葉片越來(lái)越長(zhǎng)，而且如何將某一功率等級(jí)的葉片在基本保持原重量情況下提升應(yīng)用風(fēng)區(qū)等級(jí)以及研發(fā)更大功率葉片都成為研究的重點(diǎn)。如果仍然使用高模量玻纖做主梁，葉片就會(huì)變得越來(lái)越重，帶給機(jī)組的疲勞載荷越來(lái)越大，整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性也會(huì)大打折扣。一般來(lái)說(shuō)，使用碳纖維材質(zhì)來(lái)做葉片主梁是解決以上問(wèn)題的常規(guī)手段，但是碳纖維灌注織物或者預(yù)浸料都可能在主梁成型過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，比如說(shuō)碳纖維皺褶。為了解決這些問(wèn)題，一些歐美公司率先開(kāi)展了使用拉擠碳纖維板材來(lái)取代碳纖維織物和預(yù)浸料研究，并在一些型號(hào)上成功批量使用?；诶瓟D思路，拉擠玻璃纖維板材比拉擠碳纖維板材成本更低，近年來(lái)也受到越來(lái)越多的關(guān)注。

為了將拉擠板材應(yīng)用于風(fēng)電葉片，本文研究了拉擠板材疲勞測(cè)試方法，并根據(jù)GL2010規(guī)范的增加條款測(cè)得了疲勞m值；策劃并實(shí)施了拉擠板材在葉片模具上的鋪設(shè)、灌注工藝試驗(yàn)。兩方面的研究成果表明拉擠板材是否能成功應(yīng)用于風(fēng)電葉片，與葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制要素如剛度、疲勞及葉片外形密切相關(guān)，并且拉擠玻纖板材比拉擠碳纖板材呈現(xiàn)出稍好的工藝特性。此研究成果為拉擠板材在風(fēng)電葉片上批量應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

拉擠復(fù)合材料的基本特性

目前應(yīng)用于風(fēng)電葉片拉擠復(fù)合材料的原材料可以分為如下兩大類(lèi)：

（1）增強(qiáng)材料：拉擠用無(wú)捻玻璃纖維、碳纖維；

（2）基體材料：環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂。

拉擠復(fù)合材料的0度方向的性能如此高的一個(gè)重要原因是其纖維波浪高寬比能夠低于1∶250，相比手糊、灌注工藝，拉擠工藝能夠較多地提高纖維直線(xiàn)度。此特點(diǎn)奠定了拉擠復(fù)合材料在風(fēng)電葉片上大量應(yīng)用的基礎(chǔ)。相反如果是碳纖維發(fā)生皺褶，很容易發(fā)生事故。據(jù)報(bào)道，國(guó)外一支1.8MW葉片因?yàn)樘祭w維皺褶而發(fā)生斷裂。

表1 NEPTCO公司的RodPack產(chǎn)品與普通、高模量纖維灌注產(chǎn)品性能對(duì)比

表2 不同工藝碳纖維制品性能對(duì)比

目前在國(guó)外，生產(chǎn)風(fēng)電葉片用拉擠復(fù)合材料的公司主要有：丹麥的Fiberline、法國(guó)的EPSILON COMPOSITE、美國(guó)的NEPTCO和ZOLTEK。

拉擠復(fù)合材料板材靜載及疲勞研究

對(duì)于風(fēng)電葉片，拉擠復(fù)合材料板材是全新材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)按照GL2010要求的項(xiàng)目測(cè)試其靜載機(jī)械性能。拉擠玻璃纖維板材及拉擠碳纖維板材的纖維體積含量都達(dá)到約69%，前者超出了GL2010標(biāo)準(zhǔn)中免疲勞測(cè)試范圍30%～55%；后者也超出了免疲勞測(cè)試范圍50%～60%，所以?xún)煞N新材料必須要經(jīng)過(guò)疲勞測(cè)試獲得實(shí)際的疲勞m值才能進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)認(rèn)證。

一、測(cè)試方法

拉擠復(fù)合材料板材的截面尺寸來(lái)自于拉擠模具，一旦模具定型，不像真空灌注工藝那樣容易控制測(cè)試樣條的厚度。如果直接用此拉擠板材來(lái)做靜載和疲勞測(cè)試，可能會(huì)超出對(duì)應(yīng)設(shè)備的載荷能力，所以必須進(jìn)行加工。但是一般的機(jī)械加工可能會(huì)導(dǎo)致尺寸、形狀不精確，測(cè)出的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。所以對(duì)于拉擠復(fù)合材料板材的靜載、疲勞測(cè)試需要特殊設(shè)計(jì)的樣條形狀，如雙曲線(xiàn)，另外還需要有精細(xì)、精確的加工才能進(jìn)行完美的測(cè)試（圖1）。

因?yàn)槔瓟D板材的強(qiáng)度和模量比灌注材料的高，在做疲勞測(cè)試時(shí)，斷裂失效點(diǎn)極有可能發(fā)生在夾頭處。如果發(fā)生這樣的情況，應(yīng)將此樣條剔除，否則所得數(shù)據(jù)不能真正反映拉擠板材的性能。

二、測(cè)試結(jié)果

在纖維足夠平直的情況下，碳纖維的測(cè)試疲勞m值（slope parameter in GL2010）能超過(guò)30，而GL2010標(biāo)準(zhǔn)要求使用的m值是14，有較多富余。對(duì)葉片的應(yīng)用范圍沒(méi)有限制。

而拉擠玻璃纖維卻顯得問(wèn)題突出。經(jīng)過(guò)測(cè)試一型號(hào)玻璃纖維+聚氨酯拉擠板材，其m值只能達(dá)到8.4，遠(yuǎn)低于DNVGL所要求的普通玻璃纖維玻璃鋼m值10，也就是說(shuō)這種材料的疲勞壽命衰減更厲害。當(dāng)然m值低并不代表此種拉擠板材不能使用，其最好的應(yīng)用場(chǎng)合是主梁疲勞富余量非常大、剛度要求非常高的葉片。

拉擠板材隨形性研究

拉擠板材是平板，而葉片模具是完全的曲面，理論上說(shuō)平板和曲面之間是有縫隙的。本文中的隨形性是指拉擠板材與葉片模具貼合的程度。完全貼合，隨形性最好。本文分別研究了葉片長(zhǎng)度和寬度的隨形性。

一、葉片長(zhǎng)度方向隨形性

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)大型葉片帶有較大預(yù)彎。有的預(yù)彎只集中在葉片中部到尖部區(qū)域，這使得高剛度的碳纖維板材難以在葉片長(zhǎng)度方向隨形。解決辦法是縮小拉擠碳纖維板的截面積，降低板材剛度，提高隨形性。

相比之下，玻璃纖維的模量大概只有碳纖維拉擠板材的1/3，因此，拉擠玻璃纖維板材表現(xiàn)更軟，具有更高的隨形性。圖2為拉擠玻璃纖維板材在一款葉片主模內(nèi)試鋪設(shè)情況：板材與模具表面貼合較好，板材之間的縫隙也較小。

如果在葉片設(shè)計(jì)之初選用拉擠板，葉片外形可趨向于小預(yù)彎，整個(gè)長(zhǎng)度平滑預(yù)彎，使得拉擠板材更容易與葉片模具貼合。

二、葉片寬度方向的隨形性

目前國(guó)內(nèi)葉片在設(shè)計(jì)之初基本上都是以玻璃纖維來(lái)設(shè)計(jì)的。葉片中部到尖部段翼型橫向彎度大，拉擠板材橫向隨形性差。這可能引出另外兩個(gè)問(wèn)題：

1.需要在板材的下方墊一些玻璃布，以減小間隙，最后導(dǎo)致增加額外重量和復(fù)雜的操作；

圖1 雙曲線(xiàn)拉擠玻璃纖維樣板

圖2 拉擠玻璃纖維板材在模具內(nèi)鋪設(shè)情況

2.另外增加了主梁灌注的難度及不確定性，而且這種灌注缺陷是難于檢測(cè)的。圖3是用拉擠玻璃纖維板材按照原設(shè)計(jì)主梁寬度做的主梁中部段的灌注實(shí)驗(yàn)，從剖面中看有較多的縫隙，且未充滿(mǎn)樹(shù)脂。

改善橫向隨形性主要有三種方法：

（1）改變?nèi)~片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將寬主梁改變成兩條窄主梁，且兩條窄主梁之間用芯材填充。

（2）根據(jù)葉片的幾何外形，重新定義拉擠板材的優(yōu)化寬度。

（3）如果在葉片設(shè)計(jì)之初選用拉擠板材，可在葉片的中部到尖部段使用一些相對(duì)厚度更薄的翼型，葉片寬度方向比較平坦，便于拉擠板材橫向隨形。

攝影：何海青

總結(jié)

圖3 玻璃纖維板材灌注主梁截面

通過(guò)研究，需要根據(jù)拉擠片材實(shí)際測(cè)定的疲勞m值來(lái)設(shè)計(jì)葉片。碳纖維拉擠板材的適應(yīng)性更廣，拉擠玻璃纖維板材因其疲勞m值稍小，其最好的應(yīng)用場(chǎng)合是主梁疲勞富余量非常大、剛度要求非常高的葉片。在具體應(yīng)用中，兩種拉擠片材都面臨不貼合葉片外形的困難，最好的方法是從葉片設(shè)計(jì)外形時(shí)就考慮，以獲得最好的隨形性。由于拉擠玻纖板材的剛度稍小，表現(xiàn)出稍好的工藝特性。

雖然兩種拉擠板材本身都是非常好的材料，但是在葉片上批量應(yīng)用仍面臨很多挑戰(zhàn)，還需要做更多灌注工藝試驗(yàn)、灌注穩(wěn)定性研究、灌注缺陷探測(cè)研究、灌注缺陷修復(fù)等相關(guān)研究。