岳彦山，何 明，陶生金，袁维瀚

（国电联合动力技术（连云港）有限公司，江苏连云港222002）

0 引言

随着风电产业的不断发展，为了在有限空间中获取更多的风能，降低发电成本，风电机组的单机容量也从十几千瓦发展到现在的兆瓦级，甚至向十兆瓦级、几十兆瓦级发展［1］。叶片作为风电机组捕获风能的关键部件，叶片尺寸与兆瓦级有着密切的关系，随着容量的增大，叶片尺寸也随之大型化，对质量的要求也更加苛刻。本文将理论与生产实际相结合，梳理材料对大尺寸风机叶片真空灌注质量的影响因素。

真空灌注工艺是生产大尺寸风电叶片的主要技术，其工艺是在单向刚性模具上预制纤维、增强型材料，包覆柔性真空膜后采用真空负压注入聚合树脂，利用树脂的浸润、流动能力实现树脂对纤维、增强材料的浸润，结合成为具有高强度、低空隙率的复合材料。风机叶片由玻璃纤维布、树脂和增强材料组成，材料的性能不仅决定叶片的力学性能和使用年限，同样也影响着真空灌注的质量。大尺寸叶片相比小尺寸叶片弧度落差和角度、纤维厚度和芯材的厚度都更大，因此对材料性能的影响也更高，必须综合考虑材料的兼容性和材料对工艺的影响。

1 玻璃纤维对真空灌注的影响

玻璃纤维布是叶片的主要承力材料，其刚性、柔性的强度直接决定叶片质量和寿命，下面分别讨论玻纤布的浸润剂、含水率、缝编和裁剪工艺对真空灌注质量的影响。

1.1 玻纤布的浸润剂对真空灌注影响

玻纤布表面浸润剂直接影响真空灌注质量，表面的浸润剂实现树脂与玻纤的界面结合，同时对树脂的微观流动也起到促进作用，因此要想得到质量更高的产品，要求选择玻璃纤维表面浸润剂与树脂相匹配。大型叶片制作必然会使用大量的玻纤布，纤维布的铺设通常会经历相对较长的时间，由于浸润剂的吸水特性，纤维布难免会吸潮导致浸润剂失效。而表面浸润剂失效的玻纤表面，由于玻纤表面浸润性差而界面粘接不佳，进而影响叶片的灌注质量，玻璃钢本体产生大量白斑缺陷（见图1），因此针对大型叶片制作应当选择出厂时间较短的玻纤布。制作过程要减少暴露时间，减少玻纤布吸收空气中的水分，可以拥有较好的树脂流速，包抄率小，有利于保证微观质量和含胶量。

图1 过期纤维布的灌注效果

1.2 玻纤布的编制对真空灌注影响

玻纤布使用纤维束和缝编线编织而成，树脂在纤维布内的流动可分为树脂在纤维束之间的流动和在纤维内部纤维单丝之间的流动，缝编线编织紧密会导致纤维束之间的缝隙加大，纤维单丝之间的缝隙变小。两种空隙率引起的流动速率不同会导致纤维布层出现不同程度的浸润不良，在叶片表面形成白斑。大型叶片玻纤布的裁剪设计是容易忽视的方面。由于大型叶片型面在根部向叶身过渡区域有更加大扭转角度，在铺设过程中纤维的延展能力有限，无法完全与模具随型，易产生局部褶皱（见图2），而树脂在纤维束和纤维褶皱中拥有更快的流速，局部流速的加快是产生包抄的主要原因。玻璃纤维布的平整程度不仅影响叶片的结构质量，同时也易产生包抄，影响叶片的灌注质量，因此扭转角度比较大的区域应当着重设计纤维布的裁剪方式，减少或避免褶皱的出现。目前比较便捷的方式为在扭转角度大的区域将玻纤布裁剪为多块，并进行搭接铺设。

图2 叶根过渡区出现的褶皱

2 灌注树脂对真空灌注的影响

灌注树脂在玻璃钢材料中起着粘接、支持、保护增强材料和传递应力的作用，能够对纤维复合材料充分浸润［2-6］。下面分别讨论灌注树脂的黏度、可操作时间、真空度和重力对真空灌注质量的影响。

2.1 灌注树脂的黏度对真空灌注的影响

随着风力发电的迅猛发展，叶片的长度也不断增长，要求树脂具备较高的力学性能和物理性能，大兆瓦叶片对黏度、可操作时间和凝胶时间有更严格的要求，保障能够对玻璃玻纤充分浸润和流动充模。大兆瓦叶片有更大的长度和厚度，要求树脂拥有较低的黏度。有研究表明随着树脂黏度的减小，树脂在玻璃纤维中的流动距离增加，流动速度更快，不论在长度方向还是厚度方向都有更好的浸润能力，充分保障大兆瓦树脂在可操作时间内能够充分浸润玻璃纤维，得到更好的质量。甚至可以说树脂的黏度直接影响叶片的真空灌注质量，黏度上升到极值，树脂固化，真空灌注结束。

2.2 灌注树脂的可操作时间对真空灌注的影响

树脂的混合黏度是随时间递增而增加的，树脂是否适用于真空灌注，通常采用可操作时间和凝胶时间进行衡量，因此可操作时间和凝胶时间为树脂固化时间的重要考量指标。随着黏度的不断升高，灌注树脂开始凝胶，凝胶现象的出现宣布着真空灌注的结束，过短的凝胶时间导致灌注时间不足，过长的凝胶时间导致树脂浪费。目前大兆瓦叶片的灌注时间通常在120 min以上，综合考虑温度的影响，可操作时间大于100 min，凝胶时间大于240 min的树脂更便于大兆瓦叶片工艺的设计。避免边缘区域树脂无法抵达，充分保障叶片整体灌注成型。

环氧树脂固化反应是放热反应，随着黏度的增加，固化反应产生的热量不能及时消除，就会积累导致固化中的灌注树脂温度急剧上升，这样伴随着凝胶时间的到来，就会出现一个峰值温度。实践中通常利用这个温度进行凝胶时间的判定，但峰值温度在实验室和现场的表现具有较大差距，需要进行实践矫正。

2.3 真空度对真空灌注的影响

真空度是真空灌注的主动力，决定着树脂流速和距离，较低的真空度伴随着较多的空气残留，容易导致树脂中溶入过多的空气，固化后空气留在玻璃钢中，形成白点、干斑，影响叶片的灌注质量，更严重的会导致树脂无法浸润边缘玻纤布。叶片受力情况下，白斑、干斑玻璃钢由于有别于周围材料，容易形成应力集中，所以真空度对树脂的流动和浸润具有十分重要的意义。在实际生产中对真空度和气密性都有较高的要求，通常控制真空度在0.1 MPa，气密性小于0.01 mPa/min。

随着叶片根部直径和预弯的增大，叶片根部高点与低点和根部与叶尖的高度差也越来越大，重力也成为影响树脂流动的因素。一般情况下重力对树脂的影响包含阻力和拉力两个方面。树脂向上流动时，表现为阻力，可以导致叶片高点树脂无法到达或浸润；向下流动时，表现为拉力，可以导致叶片低点富树脂或淤积。在实际生产中通过抬高树脂桶的方法，减小树脂液面与浸润玻纤液面的高度差；在低位前增加阻挡或树脂排出的方式，避免富树脂或淤积。

3 芯材对真空灌注的影响

叶片芯材具有质量轻、高比刚性和良好的抗冲击性等特点，目前主要应用于壳体和腹板两个位置，在叶片结构中起到重要的作用。目前流行使用的芯材材质上主要有天然材料Balsa和有机高分子材料PVC、PMI等［7］。为了保证性能和成本，两种材料在叶片中共同使用，通常Balsa主要应用在叶片根部区域，PVC为代表的有机高分子材料应用在叶片尖部区域。为了得到更好的灌注效果，通常会在芯材表面开槽或者开通孔，为了与叶片模具能够随型铺设，通常开槽深度会较大，深度基本与芯材厚度相等。叶片模具在部分区域弧面过渡较大，这时厚度较大的芯材会在下表面或上表面出现较大的轴向的三角形缝隙（见图3），较严重区域甚至达到10 mm以上。实践发现，存在芯材槽孔的区域树脂导流速度明显快于无槽孔的区域，证明槽孔的存在使芯材具有明显的导流能力，会导致局部区域的白斑缺陷。同时，过大的空隙由于重力和真空负压的影响，会导致树脂的流失，形成没有树脂的缝隙（见图4），这种缺陷十分隐蔽，运行的叶片会因为芯材的抗剪切和抗压缩能力降低，甚至完全失效，形成事故。

图3 芯材切缝变大

图4 芯材切缝空心

在考虑芯材性能的过程中，经常被忽略的是芯材优异的保温特性。大型叶片使用的芯材厚度较大，保温特性更加明显，而目前采用的有机高分子芯材（例如PVC芯材）耐高温能力通常较低［8］，当树脂放热峰来临时有机高分子芯材很容易被烧焦，甚至碳化（见图5）成为粉末，芯材完全失去作用。

图5 芯材烧焦

4 结语

通过对以上叶片主要原材料的选材原则进行了初步探索和总结，为提高叶片真空灌注质量的选材提供了参考。大型叶片的开发对材料性能要求越来越高，其相应的技术指标也相应提高，要不断研究和完善各种材料的检验要求。充分了解各种材料的性能参数，寻求综合性能优异的材料，更好地把材料的性能发挥到最大程度，满足风力机复合材料叶片低成本、轻量化、质量稳定性的需求。