大風機葉片材料輕量化的探索

孫二平，蘇寶定，江海濤

（1.中國廣核新能源控股有限公司，北京 100071； 2.中廣核如東海上風力發電有限公司，南通 226400）

0 前言

我國的風能資源極為豐富，根據第四次風能資源調查結果，我國風能資源可以容納的裝機容量超過10億 kW［1］。風能環保、無污染、資源豐富，風力發電技術逐步發展成熟，并且在逐年提高其在發電領域的比例［2］。美國新能源研發計劃投資1 500億美元；日本追加投資至1 156億日元，在未來的經濟、能源、環保以及技術領域，一場新的能源革命悄然來臨［3］。

隨著風能的優勢顯著及科技水平的逐年提高，使得風力發電成為新能源領域最具競爭力的發電形式之一［4］，其中海上風電資源潛力較大，近海風電場水深5～50 m，深海風電場水深在50 m以上［5］，開發沿海用電城市將成為未來風電市場的發展趨勢，但高成本仍是阻礙其大規模開發的關鍵因素。綜合考慮之下，超大型化、輕量化將成為海上風電葉片發展的核心方向。國內風電葉片廠家紛紛推出百米級葉片，指明了風機的發展方向是超大型化、高發電量［6］。

百米級葉片的突破是具有里程碑意義的，但是葉片制造是項復雜的工藝。超大型化的葉片意味著更高的運行雷諾數、更大的重量、更大的陣風載荷及伴隨的振動和疲勞載荷。在風機運行的諸多影響因素中，材料本身要朝著高可靠性、低成本化、輕量化發展，從材料迭代、工藝改進的角度出發，探索復合材料的性能提升、降低生產成本的解決方案。國外Vestas 85 m葉片，西門子97m葉片，國內遠景79.8 m葉片，金風80 m葉片，上海電氣84 m葉片的梁帽均采用碳纖維材料制造。碳纖維材料在風能領域內的優點：1.提升葉片剛度，減輕質量；2.提高葉片的抗疲勞性能；3.使風機輸出更平穩均衡，提高效率；4.葉片可超大型化；5.具有振動阻尼特性［7-10］。企業需要分析當前的行業發展，以便適應經濟發展，隨著超大型葉片時代的來臨，最初的真空灌注玻璃纖維梁帽已經不能滿足發展需求，急需材料的更新迭代、工藝的改進創新，才可為大風機的輕量化、低成本，創造新的競爭優勢。

為應對下一代百米級風機的發展，解決風機超大型化帶來的輕量化，低成本問題，本文采取材料迭代、工藝改進的方法，以梁帽拉擠板為分析對象，通過實驗及數據統計分析對比，探索大風機葉片的輕量化、低成本的應對方法。

圖1 復合材料拉擠板生產工藝流程示意圖

1 復合材料成型工藝

1.1 真空灌注成型工藝

真空灌注成型工藝是風電葉片使用時間最長的相對的成熟工藝。成型原理是利用抽真空產生的負壓使樹脂通過預鋪的管路注入纖維層中，讓樹脂浸潤增強材料，最后充滿整個模具，在特定的樹脂固化條件下，樹脂與增強材料共固化，移去輔材后得到所需制品，真空灌注成型工藝具有操作簡單、設備投資少、生產成本低、產品孔隙率低等優點，特別適合大型和復雜結構制品的制備。［11］

1.2 拉擠板成型工藝

拉擠板是利用紗通過膠槽進行浸漬，然后通過預成型，穿入一定截面形狀的模具中，分區進行加熱固化，一般分為三區，不同區的溫度不同，在不同區進行預固化、固化，之后通過后固化爐進行后固化，再在一定的牽引力下以一定的拉擠速度進行拉擠，在收卷機上進行收卷，達到規定長度后進行裁切。一般玻板在生產時需要上下兩面鋪放脫模布，一并放入模具中進行拉擠。使得玻板上下表面在使用前保持干凈，撕去脫模布后有一定的粗糙度。不同層的玻板在后續灌注固化后有較強的層間結合力。

拉擠板的截面尺寸要根據梁帽尺寸來定，梁帽灌注時，拉擠板本身不能在纖維方向進行拼接，所以拉擠板長度不能低于梁帽長度，梁帽寬度應為拉擠板寬度整數倍，厚度方向不能太厚，過厚不利于拉擠板貼附模具型面。通過玻纖拉擠板的研發，研發新型玻纖拉擠主梁，引入葉片結構優化設計，葉片靜力和疲勞測試新技術，實現超大規模葉片輕量化，和傳統灌注主梁葉片相比減重15%，同時帶來工藝和制造上的優勢，杜絕大梁褶皺，提高葉片生產效率，攻克大型葉片輕量化的難題。

1.3 研究方法

本文采取了實驗測試對比的方法，直觀地評估拉擠板的關鍵性能比模量的優勢。比模量是材料的模量/密度，是材料承載能力的一個關鍵指標，比模量高說明材料質量輕，而剛度大，是風機設計參考的關鍵參數。同時聚合物基復合材料在承受壓應力載荷時，由于試樣厚度較小，容易出現失穩現象，同時拉-拉疲勞一般比壓-壓疲勞特性差很多，通常選擇拉-拉疲勞數據作為疲勞關鍵性能分析參數。

2 實驗部分

風機發展的趨勢是超大型化，超大型化葉片帶來了高發電量、低成本、輕量化的挑戰。輕量化的關鍵之一在于材料的創新突破，玻纖拉擠板是技術創新的選擇，更高性能的碳纖維拉擠板運用在百米級超大型化葉片上，能解決葉片剛度和輕量化問題，更是符合當下的新能源企業的產業戰略規劃。理論上由于玻纖的密度高于樹脂，拉擠工藝提高了纖維占比，提高了密度的同時，也提高了模量；這種情況下，航空航天通常引入比模量指標參數作為最終設計關鍵參數，參考航空航天，相比于玻纖灌注工藝，本文從比模量這個角度出發，研究了拉擠板在減重方面的優勢。

2.1 原料

玻纖拉擠板，振石集團華美新材料有限公司；

玻纖織物，振石集團恒石纖維基業有限公司；

碳纖維織物，振石集團恒石纖維基業有限公司；

碳纖維拉擠板，振石集團華智研究院（浙江）有限公司。

玻纖拉擠板應滿足表1-3驗收要求。

表1 玻纖拉擠板尺寸要求

表2 玻纖拉擠板外觀要求

表3 玻纖拉擠板生產要求

2.2 儀器設備

電子萬能試驗機：INSTRON 5985，英斯特朗；

疲勞試驗機：MTS Landmark 370.25，美特斯。

2.3 制樣方法

撕除玻纖拉擠板上下表面的脫模布，將板材左右兩側倒角部分裁切掉，并用雕樣機進行雕樣，試樣尺寸參照測試指定標準。

2.4 測試方法

測試方法引用標準如下：

ISO 1172：玻璃纖維增強塑料預浸料、模塑料和玻璃纖維層合板和礦物填料含量的測定煅燒方法；

ISO 527-5：塑料拉伸性能測定的第5部分-單向纖維增強復合材料拉伸性能的測試方法；

ISO 14126：纖維增強塑料復合材料面內壓縮性能的測試方法；

ISO 1183：塑料-非泡沫塑料密度的測試方法。

3 結果統計分析

3.1 玻纖拉擠板材測試結果

玻纖拉擠板相關性能測試結果見表4。其中0°拉伸強度、應變，0°壓縮強度、應變為特征值，計算方法依據GL2010版計算公式，其余參數為平 均值。

表4 玻纖拉擠板0°拉伸和0°壓縮測試結果

玻纖拉擠板疲勞性能測試結果見圖2。

圖2 拉-拉疲勞的S-N曲線

進行疲勞測試時，在外加疲勞載荷的作用下，裂紋沿裂尖方向延展，擴展到纖維時則受阻，纖維界面起到橋聯的作用，其界面特性在循環載荷以及滑移阻力的作用下，逐漸降低。不同形狀的測試樣條，在有限元分析中，其應力分布不一樣，在設計樣條尺寸時，應力集中位置最大面內剪切力越低越好，剪切力不能超過玻纖拉擠板的層間剪切強度，若超過，則首先發生樣條的剪切破壞。葉片形狀是曲面的，測試長條和啞鈴型是為了分別測試不同形態下疲勞特性。啞鈴型更符合葉片結構，所以通常結構設計取值選擇啞鈴型。

玻纖拉擠板的拉-拉疲勞（四面啞鈴型）測試結果見圖2。直線斜率是-0.1122，m值是8.91，N=1時對應的截距是是1 570.7 MPa。雖然m值低于灌注材料的m值，但是由于拉伸和壓縮極限強度提高，拉擠主梁依然滿足葉片疲勞設計要求，同時通過設計優化可以實現減重，提高生產效率等優點。

3.2 碳纖維拉擠板測試結果

碳纖維拉擠板相關性能測試結果見表5。其中0°拉伸強度、應變為特征值，計算方法依據GL2010版計算公式，其余參數為平均值。

如表5所示，碳纖維比玻纖性能高，密度小，同為拉擠工藝，碳纖維拉擠板的體積分數比玻纖拉擠板低10.4%，碳纖維拉擠板拉伸模量比玻纖拉擠板高144.8%，碳纖維拉擠板提升顯著，是比較理想的高性能輕量化材料。

表5 碳纖維拉擠板0°拉伸及相關性能測試結果

3.3 性能測試數據對比

另外測試了玻纖織物和碳纖維織物的真空灌注玻璃鋼性能，綜合數據如下，表6所示，其中0°拉伸強度、0°拉伸應變、0°壓縮強度、0°壓縮應變為特征值，其他性能為平均值。

表6 4種材料的關鍵力學性能對比

對比發現：

（1）同為玻纖，采用拉擠工藝的玻纖拉擠板 比 模 量 為28.9 Gpa/（g/cm3），高 于 真 空 灌 注成型工藝的比模量23.9 Gpa/（g/cm3）；同為碳纖維，采用拉擠工藝的碳纖維拉擠板比模量為 97.4 Gpa/（g/cm3），高于真空灌注成型工藝的比模量79.3 Gpa/（g/cm3）；從數據上看，拉擠工藝成型的拉擠板體積分數要高于真空灌注，而纖維體積分數是影響性能的關鍵影響因素。拉擠工藝能提高復材中纖維增強層的體積分數，提高性能。

（2）同為拉擠工藝，碳纖維拉擠板的比模量為97.4 Gpa/（g/cm3），高于玻纖拉擠板的比模量 28.9 Gpa/（g/cm3），碳纖維拉擠板性能更優，是葉片輕量化的首選材料。

4 結論

（1）同為玻纖或碳纖維，采用拉擠成型工藝的拉擠板性能要優于灌注工藝成型的織物灌注玻璃鋼性能。

（2）碳纖維拉擠板比模量最高，是超大型葉片的優選高性能拉擠板材料。

輕量化、高發電量、低成本是葉片超大型化的關鍵問題，最大程度解決輕量化問題，需要更為昂貴的材料，更優的技術工藝，碳纖維拉擠板的比模量是97.4 Gpa/（g/cm3），對輕量化具有非常高的意義。