风力发电叶片主梁褶皱问题及预防措施

谢理国，刘宏亮，杨瑞志

(东方电气(天津)风电叶片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

近年来，我国风电行业快速发展，国内最长叶片的长度已达到甚至超过90m，并且长度在65m以上的叶片已经成为市场主流需求。主梁作为叶片主承力结构部件，其质量尤为关键。主梁在生产过程中，如果出现质量问题，将直接影响叶片的整体结构安全，其中，主梁褶皱问题更是对叶片结构产生严重影响的一种质量问题。一般情况下，一旦发现主梁出现褶皱，主梁就会被报废处理。若主梁褶皱未被及时发现，将带有褶皱问题的主梁使用到叶片产品上，就可能造成叶片报废或风场运行的叶片断裂等更加严重的事故。本文基于叶片主梁采用真空灌注的制造方法，针对叶片主梁在制造过程中出现褶皱问题的原因及解决方法进行了分析和研究。

1 主梁的低温褶皱和高温褶皱

主梁作为叶片的主要部件之一通常是单独进行预制。常见的预制方法为采用真空灌注方式在主梁模具上成型，有些时候由于条件限制，也会在叶片壳体模具上进行主梁的生产。

无论在主梁模具上生产，还是在壳体模具上生产，主梁产品在脱模后，有时会出现沿主梁宽度方向的褶皱，如图 1所示，通过长期对主梁生产过程的跟踪和褶皱数据分析，结合褶皱出现的时机，本文将褶皱定义为低温褶皱和高温褶皱。

图1 主梁宽度方向褶皱示意图Fig.1 Width direction wrinkle of spar caps

1.1 低温褶皱

低温褶皱是指在灌注前期，纤维层表面温度在30℃左右时，在纤维层表面出现了铺层鼓起，纤维层弯曲，产生褶皱。

通过对低温情况下出现褶皱的情况进行调查和试验，发现产生低温褶皱的原因主要有2点。

1.1.1 操作原因

主梁在铺层时，由于纤维布没有铺平或纤维布层间没有贴实存在间隙。当抽真空时，在真空压力下，未铺平的纤维布或纤维布间的间隙被挤压，导致纤维布出现弯曲，产生褶皱。

1.1.2 模具膨胀收缩原因

主梁模具材质通常为玻璃钢，并采用钢架进行固定，且一般模具长度都超过 40m，模具本身存在热胀冷缩情况。

主梁制造时，从开始铺层到准备灌注，一般会持续 4～6h，若在这期间模具温度出现较大的温差，模具就会出现热胀冷缩，且整个模具不是均匀的热胀冷缩，导致模具在某个截面位置被挤压产生向上突起的变形，而此时纤维层已经铺放在了模具表面，且在真空压力下与模具型面贴实，截面位置的凸起变形就会导致纤维层向上凸起，引起纤维弯曲，导致产生褶皱。

通常，上述褶皱问题比较隐蔽，加上真空辅材的遮挡，在灌注前难以被发现。当灌注开始后，树脂填充了未铺平的纤维层间间隙，使褶皱能被更清晰地看到，但此时基本已无法处理。

1.2 高温褶皱

高温褶皱是指在灌注完成后，在树脂进行化学反应的放热期内，纤维层表面局部温度超高，通常超温区域与相邻四周区域温差大于 15℃，此时，在纤维层表面出现了纤维层鼓起，引起纤维层弯曲，导致产生褶皱。

高温褶皱一般是由于纤维层局部温度过高，局部纤维层与四周纤维层温差较大，温度超高区域热量无法及时散出，导致局部膨胀鼓起，使纤维层弯曲，产生褶皱。

2 主梁褶皱的预防措施

叶片主梁出现褶皱，对叶片的结构安全性影响很大，同时褶皱的修复难度也很大。因此，对主梁褶皱问题的预防就十分有必要。

通过对褶皱问题的研究可以发现，褶皱主要因为铺层时纤维层未铺放到位或模具产生了伸缩变形导致，所以对于主梁褶皱的预防可以采取以下措施：

①主梁在制造过程中，所有纤维层必须逐层铺平、压实，使纤维层层间紧密贴合，且与模具型面紧密贴合。

②主梁制造过程中，从开始铺层前，到灌注树脂开始放热前，需要保证模具整体区域温差小于 5℃(温差具体值与模具材质有关)，保证在此过程中，模具不会出现较大的热胀冷缩现象。

③主梁在制造过程中，当灌注树脂开始放热后，要对整个纤维层表面温度进行监控，若发现局部温度突然升高，与四周纤维层温差超过 15℃时，要及时对超温区域纤维层采取降温措施，以防温差过大引起褶皱。

3 结 论

风电叶片主梁褶皱主要发生在主梁灌注树脂开始固化之前，因此，对于褶皱的预防，应该从控制铺层质量、控制模具使用期间温度、控制树脂放热期间的铺层温度3个方面进行，简述如下：

① 树脂开始固化前，减少模具各区域温差，尽量保证模具处于恒温状态，这是最关键的因素。

② 对树脂放热期间的纤维层表面温度超高区域实施降温措施。

③ 保证铺层过程中，纤维布层间紧密贴合。

通过上述措施，能有效解决叶片主梁在制造过程出现的褶皱问题，提高产品质量。