1、技术|Technology68 风能 Wind Energy 板材的方法,以使主梁稳定性好,成型产品质量佳。马腾等10对拉挤玻板层间夹层织物进行了分析研究。众多研究皆从不同单一角度对拉挤梁的灌注质量进行改善,但未考虑工艺难度和经济成本,且都未给出其方法具体的改善效果。风电叶片拉挤梁的灌注质量依然是工艺设计中亟待解决的问题。本文考虑工艺可操作性和实际生产成本,主要从流道设计、拉挤板外形、夹层织物选择三个方面对拉挤梁灌注质量进行较为全面的分析,提出了一种优化拉挤梁灌注质量的方法,并对该方法在百米级叶片上的应用进行了验证。拉挤梁灌注工艺优化一、流道设计风电叶片企业一般采用 VARTM 工艺制造风电叶
2、片。对于该工艺,流道设计是否合理决定着叶片成型质量。在对拉挤梁区域流道进行设计前,需要了解拉挤梁整体的结构特点,从而有针对性地布局流道。根据当前的叶片设计,无论是弦向方向,还是展向方向,叶片表面都有一定的曲率,而拉挤板的刚度较大,随形性差。为了解决此问题,通常会缩小拉挤板的截面积,提高其随形性2。因此,拉挤梁一般是由多块截面宽度为100200mm 的拉挤板在弦向方向拼接,并按照设计的大当前,随着风电平价时代的到来,风电叶片开发设计制造朝“大、轻、低”,即叶片长度大、重量轻、制造成本低三个方向快速发展1。由于叶片长度的增加会伴随重量变大及成本增高,为了解决此悖论,性价比高、重量轻、强度高的拉挤板
3、材逐渐在风电叶片主梁上得以应用2。相对单向织物复合材料而言,拉挤板不仅成型工艺简单、材料利用率高,且具有更高的纤维含量、比强度和比模量。如果用玻纤拉挤板替换传统由单轴布真空灌注而成的预制主梁,则主梁可减重 21%,叶片整体可减重 5%7%,优势十分明显3。拉挤板主梁在叶片上的大量使用效果表明,在将拉挤梁与壳体一体灌注成型时,灌注质量不理想,灌注成型后拉挤板层间经常会出现浸润不良等一系列缺陷（后续将拉挤板间的缺陷统称为层间缺陷）。由于拉挤板层间缺陷难以修复,因此,只能在灌注阶段进行优化,提高成型质量。张雷等4提出了一种风电叶片灌注的流道设计,可防止大梁灌注时包流,提升大梁灌注质量。文欢等5设计了
4、一种截面为平行四边形的拉挤板材,除能防止树脂反包,还可增强主梁的抗弯及抗剪切能力。张舒等6提出在板材的侧边设置流通槽的方法,从而降低层间缺胶的风险,提高树脂的灌注均匀性。王国军等7提出在板材的宽度方向开槽的方法,以实现板材间的灌注树脂平衡。罗成云等8提出一种在板材侧边长度方向开一种带箭头状槽的方法,以提高灌注速率,避免灌注缺陷。褚景春等9提出由织物粘接风电叶片拉挤梁灌注工艺优化研究文|蒋华，龙世奇，崔志刚，尹鹏，龚俊，邓三明1:李成良,杨超,倪爱清,等.复合材料在大型风电叶片上的应用与发展 J.复合材料学报,2022,40：1 11.2:黄辉秀,于永峰,刘焕旭,等.拉挤复合材料板材在风电叶片上
5、的应用研究 J.风能,2018,7：86 88.3:王伟伟,杨忠,刘鲜红,等.风电叶片玻纤拉挤板性能影响因素的研究 J.天津科技,2022,49（7）：84 87.4:张雷,梁自禄,何碧波,等.一种风电叶片一体灌注成型系统、方法及风电叶片 P.中国：CN114953503A,2022-08-30.5:文欢,王国军,齐志攀,等.用于风电叶片的拉挤件、风电叶片的灌注方法及风电叶片 P.中国：CN109732806B,2021-06-04.6:张舒,张晨.一种利于树脂流动的风电叶片拉挤增强板材 P.中国：CN210283315U,2020-04-10.7 王国军,张振国,许移庆,等.一种风电叶片用拉
6、挤板材及其制造设备和制造方法 P.中国：CN111873479A,2020-11-03.8:罗成云,张乾仁,张明杰,等.复合材料拉挤板材及风电叶片大梁材料结构 P.中国：CN115059589A,2022-09-16.9:褚景春,袁凌,董健,等.板材制品制备方法、板材制品及风电叶片构件制备方法 P.中国：CN113580607A,2021-11-02.10:马腾,贾宇婷,吴海亮,等.风电叶片拉挤玻板层间夹层织物性能研究 J.天津科技,2022,49（7）：30 33.Technology|技术2023年第02期 69 梁要求在厚度方向层层堆叠而成的。各层拉挤板间有织物,用来导流树脂,其在铺设时
7、的截面情况如图 1 所示。拉挤主梁通常由十层以上的拉挤板堆叠而成,厚度较大。对于大厚件与壳体的一体成型,可采用下导流为主,上导流为辅的灌注方式,一般通过在构件下方铺设连续毡,在构件上表面放置抽气袋实现上、下导流。根据过往经验及实验设计,流道设计应遵循均衡性原则,即应实现产品表面及厚度方向浸润均衡,实现不同流道间浸润速率趋于均衡,从而防止包流。由于在铺设时夹芯倒角与拉挤梁间的缝隙明显大于拉挤板之间的拼接缝隙,因此,将主流道布置在夹芯与拉挤梁缝隙附近更利于树脂渗透到叶片深处,此时树脂的部分流动路径如图 1 所示。由图可知,当树脂从主流道欧姆管进入梁边芯材与拉挤梁的夹缝处 A 点时,会沿着 B 部分
8、铺层的玻纤布,从路径向 B 点流动,同时沿路径渗入下表面。在往下渗透的过程中,由于导流织物的存在,部分树脂会沿导流织物在层间向右流动,如路径所示。当树脂接触到连续毡时,会快速沿连续毡向右流动并部分渗透到 A 部分铺层的玻纤布,且在到达底层拉挤板第一个拼接缝 C 点后,在抽气袋的作用下,沿路径向上堆积。树脂在到达 D 点后,向左右两侧沿路径流动,且继续沿路径向上堆积,到达 B 点。为了遵循树脂流动均衡性的原则,需要控制树脂在外表面沿路径与沿路径到达 B 点的时间相同或者前者比后者晚。这是因为,若树脂沿路径比沿路径先到达 B 点,树脂在 B 点拉挤板拼接缝处向下浸润,B 点附近真空压力值不足,导致
9、本应在抽气袋作用下持续沿路径向上堆积的树脂没有足够的“动力”,在层间造成浸润不良,形成层间缺陷。若将主流道布置在处,欧姆管距离 B 点相对较近,且当 B 部分铺层较薄时,在主流道树脂冲击力下,路径的树脂流动速率快,率先到达 B 点。为避免这种情况,选择将欧姆管放置在夹芯倒角处,在欧姆管下方放置的导流网仅和夹芯与拉挤梁间的缝隙有搭接。此种设计不仅能延长树脂沿路径流动到 B 点的时间,确保 B 点缝隙真空压力值足够,还可以保证树脂不断向 A 点缝隙流动,使得树脂自下而上完全浸润。需要说明的是,虽然此设计尽量避免了缺陷的产生,但是由于树脂在上表面的流动速率本身较慢,其在一定程度上会延长 B 部分铺层
10、较厚区域的灌注时间。二、拉挤板外形从外形上看,当前拉挤板材截面是圆角矩形,且在板材上下表面有一层脱模布,撕除脱模布后通过增加板材的粗糙度来提高界面结合性能。由于脱模布覆盖有“盲区”,撕除脱模布后,在板材边缘部分会形成如图2所示的光亮面,其主梁板材拼接状态如图 3 所示。部分板材拼接缝由于光滑面的存在会紧密靠在一起,导致如图1所示的树脂通道被封堵,树脂流动时遇到阻碍,浸润效果不佳,因此,有必要保证玻板厚度方向的树脂流动通道通畅。为了尽可能降低成本,提高工艺可操作性及不改变玻板本身性能,本文提出一种简单有效的方法：在拉挤板放图1 树脂在拉挤主梁中流动路径示意图2 拉挤板侧边光亮面技术|Techno
11、logy70 风能 Wind Energy 表1 工艺设计实验方案工艺设计方案 1方案 2流道设计流道方案 1流道方案 2拉挤板双侧边未打磨双侧边打磨织物600g/m2（45）双轴玻纤布600g/m2（45）双轴玻纤布11:杨忠,江一杭,刘鲜红,等.不同介质对碳纤维拉挤板材层间剪切性能的影响 J.天津科技,2021,48（7）：90 92.卷时,对玻板两侧进行打磨（其粗糙程度决定了树脂流动通道的大小）,扩大树脂流动通道。其打磨方法如图 4 所示,打磨效果如图 5 所示。三、织物选择织物选择的基本原则是不影响层间界面结合性能且导流效果好。目前,风电叶片拉挤梁层间织物一般是纤维及毡类。杨忠等11分
12、别对拉挤板层间无介质、层间连续毡、层间双向布（45）、层间方格布（0/90）进行了层间抗剪切强度测试,发现层间连续毡抗剪切强度最高；其他三种织物相对于层间无介质抗剪强度有高有低,但整体来看区别不大,皆在层间无介质抗剪强度附近波动。从导流效果来看,连续毡导流效果要明显好于纤维编织布,但若层间采用连续毡导流,层间弦向树脂流动速率过快,违背了流道设计树脂流动“平衡性”原则。对于单轴布而言,纤维束方向的树脂流动速率要明显大于其他方向,在层间灌注时容易形成包流。若将双轴布作为层间织物,树脂能够相对均匀地向四周扩散,灌注速率虽然下降,但可以提高灌注质量。因此,选择双轴布作为层间织物较佳。为便于接应树脂,层
13、间织物的宽度应分别超出拉挤梁两侧35mm（图 6）。拉挤梁灌注实验一、方案设计为验证上述工艺改进方法的效果,设计如表 1 所示的实验。实验以 PS 面作为对照组,对 00 号叶片 SS 面进行工艺改进。图3 拉挤主梁拼接如图 7（a）所示,对 00 号叶片 PS 面按照方案 1 进行设计,即拉挤板放卷后不进行侧边打磨,层间织物用600g/m2双轴布,宽度方向延伸出梁边 35mm。大梁图4 拉挤板侧边打磨示意图6 拉挤梁层间织物延伸图5 拉挤板侧边打磨效果放卷设备侧边打磨装置放卷方向Technology|技术2023年第02期 71 （a）流道方案1（b）流道方案2图7 流道设计的实验方案示意T
14、E 侧的欧姆管放置在梁边夹芯的缝隙上,LE 边的欧姆管放置在夹芯倒角上。TE 边导流网与大梁搭接 50mm,大梁上方抽气袋在 TE 边与导流网搭接,LE 边导流网与大梁边对齐。如图 7（b）所示,对 00 号叶片 SS 面按照方案 2 进行设计,与方案 1 相比,在板材放卷的同时对拉挤板侧边进行打磨后堆叠；大梁两侧的欧姆管均放置在梁边的夹芯倒角上,其中,TE 边欧姆管距离大梁边 3050mm,若倒角斜边长度小于 30mm,则平放置于远离大梁侧的壳体上。TE 边欧姆管下导流网延伸至夹芯倒角与拉挤梁的缝隙处,与大梁搭接 10mm,抽气袋与主流道欧姆管下的导流网搭接,并适当向 PET 倒角斜边延伸。
15、图 8 主要展示了方案 2 的现场流道铺设情况,此时欧姆管放置在梁边的夹芯倒角上。而方案 1 的欧姆管相对方案 2 的欧姆管位置更加靠近大梁,基本放置在大梁上,即将图 8 中的欧姆管向黄色虚线框选区域移动。灌注方法及灌注条件如表 2 所示。二、结果分析SS 面大梁上表面树脂流动过程如图 9 所示。由图可知,树脂向大梁上下表面流动,由于大梁底部有连续毡,下表面树脂先到达一、二块板材的对接缝处,再在抽气袋的作图8 现场流道铺设用下,从下表面继续向上流动。而由于靠近叶根处的大梁区域 B 部分递减层较厚,且欧姆管距离大梁 TE 边较远,上表面的树脂推动很慢。率先到达一、二块板材间的拼接缝,并从拼接缝渗
16、出的树脂与上表面的树脂相向流动,最后完全浸润拼接缝与树脂推动界面之间的白色区域。以此类推,最后可完全浸透主梁,符合前期流道设计的树脂流动趋势。由于方案 1 的欧姆管在拉挤梁与梁边芯材倒角的拼接缝上,方案 2 的欧姆管在梁边芯材倒角上,方案 1 的注胶位置距离一、二块板材拼接缝相较方案 2 更近。由图 10（a）抽气袋观察口欧姆管导流网技术|Technology72 风能 Wind Energy 和（b）可知,当灌注时长为 T1 时,方案 1 上表面树脂推动界线相对于方案 2 的上表面树脂推动界线更接近一、二块板材拼接缝。由图 10（c）可知,当灌注时长由 T1 延长为 T2 时,方案 1 的上表面树脂直接覆盖一、二块板材拼接缝,此时板材缝隙间的树脂尚未渗出,导致一、二块板材拼接缝处负压不足,本应在抽气袋作用下持续沿一、二块板材拼接缝（如图 1 路径所示）向上堆积的树脂没有足够的“动力”,从而浸润不良,形成层间缺陷。而方案 2 树（a）一、二块板材间树脂流动界面（c）方案1：T2时刻上表面树脂流动界面 图9 灌注时SS面外表面树脂流动过程图10 PS面（方案1）和SS面（方案2）拉挤梁外
