风力发电叶片腹板模具制造研究

陈祥发

摘要：叶片生产过程中，腹板是制备风力发电机组复合材料风轮叶片的主要部件。腹板是采用胶粘剂直接粘接于叶片壳体上，腹板粘接面由主粘面和辅粘面组成，主粘接面采用腹板模具法兰边制作，辅粘接面的制作有多种方法，目前多采用直接胶粘剂粘接于腹板上或采用挡板手糊制作，其粘接位置及粘接角度的准确性难以保证，且在环境的影响下，产品质量难以保证。

关键词：风力发电叶片、腹板、阳模腹板模具、阴模腹板模具、工字腹板模具

中国分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2018）06-0142-02

1研究背景

风能的开发和利用越来越得到人们的重视，已经成为能源领域最具商业推广前景的项目之一^[1]，目前在国内外发展迅速。风能的收集与利用主要是通过利用风能获取电力，即通过风力发电装置（风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成）中的叶片接收风能并通过机头转为电能。

叶片是风力发电机组部件中重要的组成部分。叶片壳体，主要作用是提供空气动力学外形，夹芯材结构由玻璃钢钢表层中间加泡沫或轻木构成，具备足够的刚性承担弯曲载荷，主梁主要为单向复合材料增强，是叶片的主要承载结构，腹部为夹芯结构，对主梁起到支撑作用，并在整个叶片起到抗剪切的作用。

随着风电机组不断朝大型化方向发展，风电叶片尺寸的逐渐增大，对腹板产品的尺寸及工艺要求越来越高，相应的腹板模具的结构强度、可操作性能、快速制作、方便组装拆卸特点正在承受考验。目前，腹板模具主要有阳模腹板模具、陰模具腹板模具、工字腹板模具。

2腹板结构形式

目前叶片生产过程中，腹板是制备风力发电机组复合材料风轮叶片的主要部件。腹板结构主要为夹芯材的三明治结构，即内外表面均为玻璃钢复合材料，中间包裹泡沫或者轻木。通过胶粘剂将腹板直接粘接于叶片壳体内腔上。腹板粘接主要依赖于腹板的粘贴角形成粘接面。粘接面的形式和质量对于腹板的粘接性能有着重大的影响。腹板粘接面由主粘面和辅粘面组成，主粘贴角采用腹板模具法兰边制作，辅粘贴角采用手糊预浸或者挡边制作。叶片腹板粘接角形状不同，造成腹板应力分布也不同，特别是对于薄弱部位还可能因为应力叠加引发叶片破坏。

3阳模腹板模具

阳模腹板作为最早制作腹板产品的模具，采用的均为玻璃钢层作为模具的表面层、钢结构作为支撑^[2]。阳模腹板模具的制作工艺过程较为复杂，先利用木方或者代木加工制作简易的母模，然后利用母模进行翻制模具。因此对玻璃钢层的灌注质量都有很高的要求，不能出现漏气、白斑等灌注质量缺陷。阳模腹板具有脱模方便，但对于粘贴角角度小于90°的腹板产品无法满足脱模。玻璃钢层的表面维护较为麻烦成本较高。使用过程中玻璃钢表面因使用不当，极易导致表层破坏，从而影响真空气密性影响产品质量，加上玻璃钢产品自身的材料特性决定了其制作的模具产品也会逐步老化而影响使用。目前已逐步淘汰。

4阴模腹板模具

阴模腹板模具主要有两种方式，一种为主体玻璃钢材质的，一种为铁质的。玻璃钢阴模具腹板模具因制作需要重新开发母模，成本较高，在行业使用率较低，铁质阴模腹板模具因采用普通的Q235钢材作为面板，原材料来源方便，施工方便，废物重复利用率高，目前得到了广泛的推广。阴模模具主要由三部分组成：（1）钢架平台：用于支撑整个腹板模具重量，通常采用支撑钢结构做成;（2）面板：面板底部用于模具加热系统及连接抽气管道，面板表面平整光滑，用于腹板产品的制作，对于面板的表面质量要求高;（3）挡边：用于腹板粘接角的制作，根据腹板的产品轮廓焊接在面板上，从而形成腹板粘贴角。腹板模具的面板与挡边制作加工主要采用线切割工艺切割完成，由数控机床完成对面板、挡边的精准切割，并在面板上刻画出腹板挡边尺寸线、米标线、标识线;将面板在水平面上对接完成后即开始焊接钢架，面板与面板直接的焊接质量尤为重要，不能产生漏焊、凸起，以免导致面板的气密性不合格、表面平面度不合格等一系列问题。后续完成加热铜管与保温层的铺设。钢架整体焊接结束后将模具翻身摆正，分段运输到车间后调平对接，焊接挡边，从而完成腹板模具的制造过程。

阴模腹板模具的使用，使得制作出的腹板产品精确度优于复合材料模具制造的产品。目前铁质阴模腹板模具已经成为风电叶片腹板制造的主流模具，相应的腹板模具也具备了以下基本特点：

1）表面光滑、平面度好：为满足腹板产品表面优良、光滑，腹板模具表面需无裂纹、孔洞、凸起等缺陷，平面度平整公差达到+2mm以内;

2）真空气密性良好：因腹板制作采用真空灌注成型工艺，对腹板模具的气密性要求较高，模具面板因采用普通的Q235钢材作为面板，气密性得到了极大的保障。合格的腹板模具空模状态下要求60min内真空压降小于20mbar;

3）结构稳定、尺寸精度高：钢材的热变形系数比玻璃钢要低很多，在加热过程中的热变形会很小，能有效的保证产品的尺寸。腹板模具尺寸可实现长度方向总偏差小于10mm;

4）表面加热均匀、导热快：铁质材料可实现温度传导较快、加热可靠的要求，同时可实现每平米温差小于3℃;

5）表面强度高、使用寿命长：铁质模具表面具有玻璃钢模具所不具备的高强度、耐磨损、不易变形的特点，可长时间使用。表面维护简单，寿命长。

6）安装方便、运输便利：腹板模具可切割分段运输，且在运输过程中可多段堆叠存放，接缝处焊接快速，气密性检查方便。

7）高度调节方便：腹板模具的焊接挡边可实现对腹板高度的快速、精准调节，满足叶片合模时对腹板间隙的高精度需求。

腹板模具制作过程中需要注意的几个问题

铁质腹板模具有高度调节方便、耐用周期长等优点的同时，在制作过程中还需要注意以下问题：

1）面板平面度调节。因面板通常是分段加工运输至现场后完成对接，在对接过程中就需要准确把握好段与段之间的整体平面度;通常做法是在地面上铺设水平导轨，将面板平放整齐后再次对面板平面度校准调节，焊接结束后对整体面板的平面度复核，对不满足平面度标准的地方进行调节。在源头处控制好平面度才可以在模具验收时实现平面度公差小于2mm的要求。

2）面板表面处理。铁质面板在模具投产前易出现表面生锈情况，因此要在面板表面进行打磨除锈处理，除去表面生锈层后使用封孔剂与脱模剂对表面进行防锈保护。

3）挡边焊接。铁挡边焊接过程中通常在内侧间隔半米一个焊点、外侧间隔20cm一个焊点，焊点需要打磨成扁平圆弧状，以免腹板产品表面出现凹坑等缺陷。

4）无法满足辅助粘贴角的一体灌注，目前依然采用的手糊制作。

5工字腹板模具

作为目前新型的腹板模具形式，相比于传统的阳模和阴模腹板模具，結合了两种形式的优点，将两者的结构形式有机的融合在一起。能有效的解决腹板粘接角的一体式灌注，从而使腹板粘接面（粘接角）平顺过度，利于腹板产品的固化、胶粘剂的均匀刮涂，从而减少由腹板间隙超差带来的腹板粘接缺陷，从而得到更高质量的腹板产品。

通过与传统的腹板模具制备的产品（C型腹板）和工字腹板（T型腹板）^[3]制备的产品进行有限元分析建模计算。

分别对两者进行应力加载，其中垂直于粘接面的轴向力定义为剥离力，垂直于腹板的应力定义为弯曲力。

计算结果如下：

垂直粘接面加载，C型腹板在拐角位置应力最大，新型T腹板应力相对较小。C型腹板的应力集中在腹板的拐角处，T型腹板的应力集中在腹板中间

弯曲力加载C型腹板在拐角位置应力最大，新型T腹板应力相对较小;C型腹板的应力集中在腹板的拐角处，T型腹板的应力集中在腹板中间;如果断裂发生在粘接面，因为T型筋板两侧都有粘接，断裂延伸较慢。

通过计算可得知：

由于剪腹板材料的弹性模量不同和不规则的几何形状，应力在粘接面中分布不均匀。在腹板边缘附近存在应力峰值。

C型腹板的应力集中存在于粘贴角边缘，而T型腹板粘贴角边缘处存在较小的应力集中。

从结构强度的方面来看，T型腹板是对称结构。在相同粘贴宽度的情况下，两种T型腹板比C型腹板有更好的性能。在T型腹板粘贴角的边缘处存在微小的应力。

对于垂直于粘接面方向上的最大轴向应力而言，C型腹板剥离应力是T型腹板的4.3倍，弯曲应力是6.9倍。

6结语

大力发展风电能源具有重大的战略意义，提高叶片的产品质量是一个循序渐进的过程。制备高质量的叶片腹板离不开高质量的腹板模具，目前通过工字腹板模具能得到质量更好的腹板产品，依然无法完全解决在生产过程中出现的小问题，诸如腹板模具高度的快速调整、腹板模具对接焊缝的快速处理。需要全体风电的技术人员不断的攻克技术难关。

参考文献

[1]吉平，周孝信，宋云亭，马世英，李伯青.区域可再生能源规划模型述评与展望[J].电网技术，2013，37 （8）：2071-2079.

[2]颜晨，李晓玲，李义全.大型复合材料风电叶片模具整体设计与制造技术[J].玻璃钢/复合材料，2014，5：69.

[3]赵娜，朱小芹，李成良.大型风力机叶片腹板根部形状研究[J].玻璃钢/复合材料，2015，2：43.