風電葉片輕木芯材加工工藝試驗研究

常軍委，別春華，楊 忠，劉鮮紅，謝理國

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

在提高風電發電效率和降低度電成本的需求下，風機大型化已成為大勢所趨，這就要求風機葉片的長度更長、掃風面積更大[1]。同時為了減輕葉片自身重量、增加葉片結構剛度和提高整個葉片的抗載荷能力，在風電葉片殼體、剪切腹板等重要部件一般采用夾心結構來增加結構剛度，將葉片所受剪切力通過這個結構從表層向內部傳遞，以防止局部失穩，進而提高葉片的承載能力[2]。

葉片常用芯材為 BALSA、PVC和 PET泡沫，BALSA原產于南美洲熱帶地區，材質特輕。由于BALSA夾芯材料的密度介于100～150g/m3之間，其強度和剛度遠超各類泡沫的剛度和強度，成型溫度寬泛(-212～163℃)，是一種非常理想的天然夾芯材料[3]，芯材 BALSA 逐漸成為葉片上不可或缺的材料，前期為了保證葉片的運行安全，往往用大量的Balsa芯材替代 PVC和 PET泡沫。隨著風電市場的日趨成熟，葉片向大型化方向發展，其對葉片的重量、質量、成本及材料的一致性提出了新的要求，要求具有合理的結構、先進的材料和科學的工藝滿足葉片在運行過程中所承受的各種載荷，以保證其優良特性[4]。

BALSA具有獨特的細胞結構和輕質、高強的特點，這些特點使其成為結構夾芯的理想材料。BALSA夾芯材料是由巴薩木橫斷面制作的結構夾芯材料，產品經過干燥、殺菌、拼接、切片和表面處理等工序，輕木是目前葉片夾芯材料中最優的選擇，它具有以下特點：①極高的強度和重量；②優良的抗壓縮性能；③良好的面板粘接性能；④操作簡單，工藝性好；⑤良好的絕熱、隔音性能；⑥高抗沖擊性和抗疲勞性能；⑦良好的阻燃、低煙密度和煙毒性；⑧優良的耐水性能；⑨操作溫度范圍廣；⑩天然的可再生資源[3]。

對于夾芯材料來說，為了使玻璃鋼層間粘接性能提高，通常在夾芯板上開孔或開槽來作為樹脂流動的通路。夾芯材料放在模具的表面上，樹脂從預成型體的下表面向上表面滲透。開孔和制槽的夾芯材料最終是產品的一部分[5]。本文對不同厚度和加工方式的BALSA芯材在同一工藝條件下的吸收樹脂量進行了對比研究，該數據為葉片設計時芯材的選擇和評估提供了參考依據。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

樹脂，環氧樹脂；芯材，輕木 BALSA，表觀密度為 150kg/m3，本文研究的輕木 BALSA 具體尺寸見表 1。

表1 不同厚度的BALSA芯材Tab.1 Balsa core material with different thicknesses

因葉片制造需要不同厚度的芯材，且需要對芯材進行后加工，為了使其工藝性能更好，表面會有開槽和打孔設計，這都會對芯材吸樹脂量產生影響。需要合理處理芯材表面，在滿足工藝性能的同時減少樹脂的吸收量，從而減輕葉片的重量和降低成本，發揮芯材材料的特性。本文選擇不同厚度的BALSA芯材的加工方式進行了對比試驗。

芯材加工方式一：刀切間距 25mm×50mm，刀切深度留 1mm；打通孔尺寸 25mm×25mm，孔徑2mm。如圖1所示。

圖1 芯材BALSA加工方式一示意圖Fig.1 Schematic diagram of BALSA processing 1

芯材加工方式二：上、下表面開淺槽，十字交叉，間距 25mm×25mm，深度 2mm，在開槽位置打通孔，孔間距 25mm×25mm，孔徑 2mm。如圖 2所示。

圖2 芯材BALSA加工方式二示意圖Fig.2 Schematic diagram of BALSA processing 2

1.2 試樣制備

采用真空灌注成型工藝制備芯材吸樹脂板。裁切好 500mm×500mm的輕木板，測試厚度及重量。然后從下到上按照“脫模布+芯材+脫模布+導流網+隔離膜+真空袋膜”的順序進行鋪貼，經過真空保壓，合格后灌注樹脂，灌注完畢后，在 70℃下進行固化6h。圖3為試驗試樣制備過程。

圖3 試樣制備過程Fig.3 Sample preparation process

2 試驗結果與討論

2.1 芯材吸樹脂率

2.1.1 芯材加工方式一

風力機葉片結構是典型的夾層復合結構，最終部件的重量除受纖維和夾芯材料自身的影響外，也取決于夾芯材料吸收的樹脂重量[4]。芯材吸樹脂率主要是用來測定芯材能否減輕夾層板重量和減少樹脂用量。

芯材平板吸膠固化后，稱取板子的重量，測量芯材吸樹脂后的尺寸，比較芯材BALSA板灌注前后的重量差值，計算各自的單位面積的吸樹脂量，試驗結果見表2和圖4。

表2 不同厚度BALSA芯材吸樹脂量結果Tab.2 Results of resin uptake of balsa core material with different thicknesses

圖4 BALSA單位面積吸樹脂量和密度曲線Fig.4 Resin uptake and density curve of balsaper unit area

由表2和圖4的試驗結果可以看出，BALSA芯材單位面積吸樹脂量隨著厚度的增加逐漸增多，板材吸樹脂后密度隨著厚度的增加逐漸降低，這主要與芯材表面的開槽和打孔的深度、數量有關，真空灌注時樹脂會注入芯材的開槽及開孔位置。如果一支葉片用 BALSA芯材體積 2m3的話，厚度 12.7mm比50.8mm的 BALSA芯材灌注后重量多 272kg，這直接增加了葉片重量和成本，所以進行葉片設計時要考慮在芯材滿足應用性能的前提下合理選擇芯材厚度。

2.1.2 芯材加工方式二

芯材灌注固化后計算了輕木單位面積的樹脂吸收量和密度變化，試驗結果見表3和圖5。

由表3和圖5所示的試驗結果可以看出，單位面積吸樹脂量和板材吸樹脂后密度隨芯材厚度變化的關系。

表3 不同厚度BALSA芯材吸樹脂量結果Tab.3 Results of resin uptake of balsa core material with different thicknesses

圖5 BALSA單位面積吸樹脂量和密度曲線Fig.5 Resin uptake and density curve of balsaper unit area

2.1.3 不同加工方式芯材樹脂吸收率對比

圖6為對比2種加工方式的芯材樹脂吸收量。從圖 6可知，相同厚度的芯材表面加工方式不同，芯材的樹脂吸收量也不同，所以需要合理處理芯材表面，在滿足工藝性能的同時減少樹脂吸收量，從而減輕葉片重量和降低成本，以及發揮夾芯材料的特性。

圖6 芯材吸收樹脂量對比Fig.6 Comparison of resin uptake of core material

2.2 力學性能對比

對2種加工方式下的芯材進行力學性能測試，具體性能測試結果見表4。

表4 芯材性能對比Tab.4 Performance comparison of core material

通過上述數據對比可知，切割留 0.2mm的BALSA芯材的各項性能均優于開淺槽的芯材，但2種加工方式芯材的性能均能滿足葉片設計要求。

在葉片制造過程中需重點關注 2種芯材方式的葉片的重量，葉片的重量直接影響葉片的成本，同時還需考慮芯材與葉片模具的隨形性問題。

3 結 論

通過上述試驗可知，芯材表面的處理方式對葉片設計和制造的影響存在一定的差異：芯材的吸膠量隨著厚度的增加而增多，芯材吸膠后的密度隨著板材厚度的增加而降低；刀切的芯材優于開槽芯材灌注后的板材性能。綜合來看葉片芯材的處理方式首選第一種加工方式，但需要合理選取芯材厚度，這對于風電葉片的設計和制造具有指導意義。