兆瓦级风电叶片碳纤维大梁真空灌注方法

武赛娟

摘 要：兆瓦级风力发电机叶片碳纤维大梁的真空灌注方法，是风电行业新兴的生产工艺。相较于以往的玻璃纤维，因碳纤维比重较小，强度大的特点，所以碳纤维大梁较传统工艺不但减轻了叶片的重量，而且提高了风机叶片的强度，提升了生产效率。本文详细叙述了兆瓦级风电叶片碳纤维大梁真空灌注的方法。

关键词：风电叶片；真空灌注方法；碳纤维

中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）02-0087-01

风能是一种清洁的可再生能源。开发和利用风能资源，不仅可以寻找新型的替代能源，而且可以防止环境的人为破坏。风电的价格和风机功率成反比，风机率越大，单位发电成本越低。随着现代风电技术的发展与日趋成熟，风力发电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。

叶片是风力机的关键部件之一，风能开发中所用的叶片的设计和采用的材料决定风力发电装置的性能和功率，也决定风力发电机组的成本，而叶片的材质强度是风力发电机组性能优劣的关键。其涉及气动、复合材料结构、工艺等领域。叶片的长度和风机的功率成正比，风机功率越大，叶片越长。叶片也是风机中成本最高的部件，虽然它的重量仅仅占风机总重量的15%。风叶类似于航空叶片，要求提高提升比，并且其提升特性不易受叶片表面污染和粗糙度影响。从结构考虑要求叶片有较厚的叶型。叶片要经受20年应用，以受风力造成的疲劳次数达10（也有以500万次作标准）。随着风机功率的增加，风叶尺寸也相应增加。风电材料设备对于叶片的材质选择，随着叶片的大型化，由最初的木质品逐步升级为玻璃钢材质，而今采用碳纤维复合材料的超大型叶片的风电机组正在蓬勃兴起。玻璃钢风机叶片优点在于疲勞强度高、缺口敏感性低、耐蚀性好、容易成型，且可根据叶片的受力特点设计强度与刚度等，现如今广泛用作叶片材料。目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃钢复合材料。然而，随着风力发电机的单机功率的不断增长，叶片的长度也在不断增长。叶片长度的增加叶片的重量，叶片重量对风机运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。由于叶片运行，重力产生交变荷载，使叶片本身及机组产生疲劳，随着叶片长度的增加，对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足，叶片的一次性投入大，为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强，所以采用碳纤维材料生产叶片已经成了风电行业生产叶片的一种趋势。国外专家认为，由于现有材料性不能很好满足大功率风力发电装置的需求，玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限，因此，在发展更大功率风力发电装置和更长转于叶片时，采用性能更好的碳纤维复合材料是势在必行。

风电叶片碳纤维大梁的真空灌注方法，是为了解决现有碳纤维大梁真空灌注技术的不足，提供一种设计合理，操作方便，能够解决现有技术难题的工艺。

难点在于碳纤维材料本身颜色是黑色的，在灌注的时候无法看到胶液浸润情况，是否完全将纤维布浸透无法确定，如果不完全浸透，生产出的大梁会容易出现干斑、包死的现象，有可能严重影响碳纤维大梁的性能。所以为了避免此类情况发生，首先需要满铺导流网，且没有断开，只有这样在灌注的时候就会整体、均匀的浸胶，以确保碳纤维布可以完全浸润。这样就要求纤维布上表面具有良好的透气性，并且不能透胶，为了满足上述要求，就必须在纤维布上方使用VAP膜，并且同时在VAP膜上表面放上透气粘，这样就保证了空气可以良好的透出，确保可以完全上胶避免出现干斑及包死现象。

大梁模具的边缘采用了可活动的边缘块（如图1），相比较于传统的固定挡边，不仅在碳纤维布铺设时可以使其边缘整齐，同时还可以避免固定边带来的圆角。采用这种工艺方法就可以有效的避免碳纤维大梁的干斑和包死的现象，同时活动的边缘也避免了圆角的产生，从而可以确保碳纤维大梁的性能。首先将绿色导流网（8）铺在碳纤维材料的下方，以便于树脂通过树脂管（5），然后再经过导流管Ω管（7），通过导流网（8）将树脂注入碳纤维材料中，在树脂注入的同时有空气排出，为了便于空气的排出，而不形成以为碳纤维材料里有空气而形成的白斑和包死，需要在材料上方加透气性能好，而又不透胶的VAP膜（6）及透气性能很好的透气毡（15），很好的将空气排出。同时在模具（12）边缘放边缘块（10），可以避免纤维布铺设时产生的圆角，从而不会影响碳纤维大梁的使用性能。在产品上方铺上真空薄膜（3），用密封胶条（11）密封好，然后通过真空管（13）将空气抽走，压力表（4）用来测量产品环境中的负压。

今后的发展趋势是安全的利用洁净、高效的新能源时代，伴随着风电单机容量的增加，叶片的尺寸也越来越向大型化发展，全世界的风电行业都的迫切的探索先进复合材料及其制造工艺，今后风机叶片的生产材料必然向着抗疲劳特性优良、强度越来越大、质量越来越轻的方向发展，所以碳纤维复合玻璃钢材质叶片具有良好的市场优势和发展前景。理论设想阶段和使用中实际应用情况均证实了碳纤维应用到玻璃钢风机叶片中的可行性，同时我们还应该必须清楚的认识到碳纤维在玻璃钢风机叶片中推广过程中可能遇到的困难与阻力，然后从原材料的选择、叶片工艺的结构的优化，制造工艺技术及设备的改进、质量控制等方面进一步研究提升，不断开发和研制新的工艺技术及设备，以便碳纤维增强材料可以在风电叶片中进一步推广应用。