風電葉片用國產化VAP膜的工藝性能研究

2024-03-04 08:49:02張洪銘賈宇婷劉鮮紅王偉偉

天津科技 2024年2期

張洪銘，賈宇婷，劉鮮紅，王偉偉

東方電氣（天津）風電葉片工程有限公司天津 300480

0 引言

在“雙碳”戰(zhàn)略目標下，風電行業(yè)發(fā)展迅速，風力發(fā)電機組功率越來越大，葉片作為風電機組的重要配套部件，其長度也越來越長，重量越來越大。為了保證在極端風載下葉尖不觸碰塔架，葉片必須有一定的剛度，因此，碳纖維、高模量玻纖等高強度的織物成為制造葉片重點部件的關鍵材料，以滿足大葉片的結構需求［1］。風電葉片成型主要采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝［2］，真空灌注成型技術是通過真空泵推出模具型腔纖維增強體中的空氣，使纖維增強體處于真空狀態(tài)，然后利用真空壓力將樹脂注入模具型腔，使樹脂在纖維增強體中流動和滲透，完成樹脂浸潤纖維增強體，固化得到玻璃鋼復合材料［3-4］。部分高模量玻纖織物在真空灌注成型時因織物直徑小、流道復雜等原因，導致樹脂流動緩慢、不易灌透。VAP 膜是一種可以阻擋樹脂并允許氣體通過的半透明膜和織物的復合產品，在真空灌注導流系統(tǒng)中不僅能將氣泡和揮發(fā)性成分在整個過程中連續(xù)去除，極大地提高產品性能，更重要的是VAP膜能起到擴充抽氣路徑的作用，從而增加導流系統(tǒng)中的抽氣點，解決部分位置不易灌透的問題。故大葉片成型工藝設計時，通過在真空導流系統(tǒng)中增加VAP膜來確保產品的質量。此前均應用進口VAP膜，但是由于成本壓力，開發(fā)國產VAP膜至關重要。本研究對國產VAP 膜與進口VAP 膜進行了透氣性和透膠性測試分析，并對國產VAP膜開發(fā)及性能提出了建議。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取4 種不同廠家的VAP膜進行對比測試，樣品A為進口VAP膜產品，樣品B、C、D均為國內廠家的VAP膜產品。根據風電葉片灌注工序對導流系統(tǒng)中VAP膜的性能要求，即重點對VAP膜的透膠性、透氣性等材料本體性能進行分析評價。材料基本信息如表1 所示。工藝試驗應用灌注樹脂為東樹260E、266H樹脂體系。

表1 4 款不同廠家的VAP膜信息Tab.1 Information of VAP membranes from four different manufacturers

1.2 儀器與設備

膜透氣性測試分析儀，濟南眾測機電設備有限公司；相控陣檢測儀，TOPAZ 32/128，ZETEC（美國）。

1.3 透氣性測試

定壓差法是指通過調節(jié)，使試樣兩側形成一個恒定的壓差，然后測定一定時間內垂直通過試樣給定面積的氣流流量，并計算透氣率。透氣率計算公式如式（1）所示：

1.4 透氣性測試方法

每種VAP膜使用圓盤取樣器分別制取5 個試樣，樣品直徑為12 mm≤D≤71 mm，確保試樣整潔光滑，沒有褶皺、折痕、污漬等。將試樣一面朝上攤平放置在下夾具上，然后將上夾具小心放在試樣上，使上、下夾具外邊緣對齊，使用氣動夾鉗將上、下夾具壓緊。設置試驗參數：VAP 膜正面朝上設定的壓差值為15 kPa，時間100 s，試樣面積20 cm2；VAP膜反面朝上設定的壓差值為20 kPa，時間100 s，試樣面積20 cm2。每組測試結束后，記錄數據，然后重復上述實驗步驟即可。

2 結果與討論

2.1 透膠性測試

風電葉片灌注成型過程中，主要應用VAP膜透氣不透膠的性能，可以擴充抽氣路徑、增加導流系統(tǒng)中的抽氣點，加快樹脂流動，以解決部分位置不易灌透的問題。灌注過程中，樹脂透過VAP膜的現象稱為透膠現象，一旦發(fā)生透膠現象，則其抽氣孔即被樹脂填滿再無抽氣作用，作為擴充抽氣路徑的作用隨之消失，故VAP膜在灌注過程中不發(fā)生透膠現象是其作為風電葉片用VAP膜的基本性能要求之一。本研究采用真空灌注工藝方法，對4 種不同廠家的VAP膜的透膠性進行驗證。具體測試結果如圖1 所示。

圖1 4 種不同廠家的VAP膜灌注后圖片Fig.1 Pictures of four VAP membranes from different manufacturers after perfusion

將4 個真空灌注后樣件進行解剖觀察，結果顯示，本次測試的4 家VAP膜均未發(fā)生透膠現象，均基本滿足風電葉片用VAP膜的基本要求。

2.2 透氣性測試

VAP膜在確保不透膠的基本性能后，在風電葉片導流系統(tǒng)中應用時還應關注其透氣性，即氣體透過VAP膜的效率。VAP膜的透氣性越好，表明在葉片灌注過程中VAP膜作為擴充抽氣路徑的作用越強，即可將氣泡、揮發(fā)性成分、氣體等有效去除，從而提高灌注速率，并確保產品質量。

采用定壓差法，對4 款VAP膜進行透氣性測試。VAP膜由脫模布和半透膜兩部分組成，本研究分別測試VAP膜的正反兩面，對比透氣率（本研究規(guī)定半透膜面為正面，脫模布面為反面）。根據國家標準《紡織品織物透氣性的測定》（GB/T 5453—1997）進行測試［5］，透氣率對比結果見表2。

表2 4 種不同VAP膜的透氣率對比結果Tab.2 Comparison results of air permeability of four different VAP membranes［L/（m2·s］

由表2 數據可知：半透膜面為正面的透氣率均優(yōu)于脫模布面的透氣率；國內3 種VAP膜的正反面透氣率均略小于進口VAP膜的正面透氣率。為了驗證能否滿足工藝要求，開展工藝試驗。

2.3 工藝性驗證

選取透氣性最差的D 國產化VAP 膜和A 進口VAP膜開展高模量玻纖織物灌注工藝試驗，以進一步驗證國產化VAP 膜的工藝性能。灌注結束后，撕除輔材檢查，兩組VAP膜表面均無透膠現象，并且均未發(fā)現灌注缺陷，可確定D 的VAP膜滿足風電葉片灌注需求。由表3 可知，兩組試驗灌注時間差距較小，進一步驗證了D 國產化VAP 膜與進口VAP 膜工藝性能差距較小。同理，可推斷B、C兩種透氣率高的VAP膜亦滿足風電葉片的灌注需求。