大型复合材料风电叶片真空灌注缺陷研究与解决_张朋.pdf

玻璃纤维2023 年 第 2 期 18工艺研究中图法分类号：TB332 文献标识码：A大型复合材料风电叶片真空灌注缺陷 研究与解决张 朋（洛阳双瑞风电叶片有限公司，洛阳471039）摘 要：介绍了风电叶片成型过程中的真空灌注工艺特点和原理，并将非漏气灌注缺陷分为了包络型发白、浸润不良型发白、气泡型发白、过烧型发白4类。针对不同类型的缺陷，从缺陷产生的原因进行了分析，并给出了相应的解决措施。结果表明，影响灌注缺陷发生的因素较多，需要根据不同的缺陷及时全面分析并制定措施，才能保证灌注质量。关键词：大型复合材料；风电叶片；真空灌注工艺；灌注缺陷；原因分析；解决措施ResearchandSolutionforVacuumAssistedResinInfusionDefectsofLargeCompositeWindTurbineBladesZhangPeng(LuoyangShuangruiWindTurbineBladeCo.,Ltd.,Luoyang471039)Abstract:The characteristics and principle of vacuum assisted resin infusion for molding wind turbine blades are discussed,with focus on four types of infusion defects:envelope whitening,poor infiltration whitening,bubble whitening and over heating whitening.According to different types of defects,the causes of defects are analyzed,and the corresponding solutions are given.The results show that there are many factors causing the occurrence of infusion defects,and it is necessary to make timely and comprehensive analyses and take measures according to different defects so as to ensure the infusion quality.Key words:large composite;wind turbine blades;vacuum assisted resin infusion;defect of infusion;cause analysis;solutions0 前言随着传统能源的持续消耗以及环保压力的不断加大，清洁可再生能源的需求越来越紧迫，风能作为可再生的、无污染的自然能源，其在电力领域的应用已经崭露头角，风机作为将风能直接转化为电能的媒介，受到了世界各国的重视，而风电叶片作为风机组成的关键部件，它直接影响着整个系统的性能、可靠性和制造成本1。目前风电叶片采用的成型工艺主要是真空灌注成型，它有效避免了手糊工艺生产效率低、环境污染严重、劳动强度大、产品质量稳定性差等缺点，适用于大尺寸、形状不规则产品的制作，并能有效保证叶片成型的高效和质量收稿日期：2022-08-04修回日期：2022-12-15作者简介：张朋（1988），男，项目经理，工程师。主要从事风电叶片和复合材料工艺研究工作张朋：大型复合材料风电叶片真空灌注缺陷研究与解决DOI:10.13354/32-1129/tq.2023.02.006玻璃纤维2023 年 第 2 期 19工艺研究张朋：大型复合材料风电叶片真空灌注缺陷研究与解决的稳定2。但由于真空灌注成型工艺对环境要求较严苛，且灌注过程一旦出现异常，将会产生不可逆的缺陷，甚至导致产品的报废，因此我们应从复合材料的可设计性出发，对风电叶片真空灌注过程中可能发生的异常进行提前预防消除，并结合灌注效果对材料、工艺、结构进行相应的调整与优化，确保工艺的宽泛性和产品质量的稳定性3，4。1 真空灌注成型原理真空灌注成型工艺是一种在密闭的条件下，利用负压将增强材料内的气泡排出，同时将基体树脂注射到增强玻璃纤维内，并将其完全浸润的成型工艺，其工艺流程如图1：图1 真空灌注工艺流程基体树脂的灌注速度遵循达西定律5，6：v=Q =K p A s（1）式中：Q通过恒定截面积试样的体积流量，m3/s；K纤维预成型体的渗透率张量，m2；A试样横截面积（垂直于流动方向），m2；P相应于流动长度S的压力差，Pa；流体粘度，Pa s；S流动前沿的距离，m。由此可知，灌注速度与玻纤布的渗透率（K）成正比，与流动方向上的压力差（P）成正比，与树脂粘度（）成反比，与流动距离（S）成反比。因此灌注工艺设计时需充分考虑上述因素，有效规避风险。2 真空灌注常见的非漏气缺陷分析及解决措施根据缺陷类型真空灌注缺陷可分为包络型发白、浸润不良型发白、气泡型发白、过烧型发白四类，如图2所示，其产生缺陷的原因与灌注速度、玻纤布的渗透率、树脂气泡、灌注温度、环境条件等 相关。c.气泡型发白 d.过烧型发白图2 四种类型的非漏气性灌注发白 a.包络型发白 b.浸润不良型发白不同的缺陷产生的原因也不一样，即使是同样的缺陷其产生的原因也可能不一样，且过程中不可识别的因素也较多，因此遇到这些缺陷时，我们需要首先采用4M1E的方法，从人机料法环各个环节进行变化点的识别，如图3所示，排除相应的干扰项，减少问题解决过程中的无用功，帮助我们快速准确的找到问题产生的根本原因，进而制定有效的解决措施。玻璃纤维2023 年 第 2 期 20工艺研究图3 灌注缺陷分析2.1 包络型发白原因分析及解决措施真空灌注的动力来源于压力梯度，树脂的流动方向是从注胶侧向抽气侧流动，树脂流动宏观上可以看作是在导流介质及纤维纱束与纱束之间的孔隙内的流动，微观上是指在纤维纱束内部的流动，两者共同作用完成树脂在制品内的流动7。在灌注的过程中，若局部存在树脂流动不均匀，就会出现某些区域被树脂包围，压力降低，导致树脂失去浸润的动力，如果包围行为发生的时机较晚且被包围面积足够小，玻纤布通过自身的毛细效应会避免缺陷的产生或减轻缺陷的严重程度，但一旦两者超过一定的容差范围，势必会导致缺陷的产生即我们通常所说的包死泛白甚至干纱。包死缺陷通常发生在铺层较厚区域、翼型明显发生变化区域及制品边缘区域，比如根部外表面、模具拐角及最大弦长位置、大梁及UD。对于此问题我们解决的思路通常是保证树脂流动的均匀性，控制制品上下表面的树脂流动速度差，对此我们选择了几种典型的缺陷进行分析。2.1.1 大梁上下表面及边缘的包死大梁工序出现的包死，一方面是因为上下表面树脂流动速度与厚度方向的浸润速率不匹配，另一方面与拐角快速通道而产生的边缘效应有关，我们可以通过改变上下导流网的距边距离、下表面增加连续毡、调整注胶管路的弦向位置、调整注胶口及出气口的位置、控制注胶管的开关大小等的方式，平衡大梁上下表面的树脂流速，保证弦向方向的树脂流动与厚度方向的浸润保持在一定的均衡范围内，同时我们也需要对挡边侧尤其是抽气侧玻纤布的贴实情况进行改善，避免边缘效应导致的缺陷。2.1.2 壳体UD区域包死壳体UD区域包死按照包死位置可分为与芯材接触区域、厚度最大区域、后缘错层区域包死。UD区域容易出现包死问题与其结构相关，UD布为单轴向布，纤维方向为叶片0，而灌注方向为弦向90，树脂在UD上流动过程中，本身就极易出现流动不均匀的情况。加之此区域铺层结构相对较复杂，既存在UD预制件也涵盖有部分芯材倒角，会进一步加剧张朋：大型复合材料风电叶片真空灌注缺陷研究与解决玻璃纤维2023 年 第 2 期 21工艺研究张朋：大型复合材料风电叶片真空灌注缺陷研究与解决灌注不同步、不均匀的现象。我们在清晰此区域铺层结构的前提下，可以通过改变芯材的加工方式、芯材倒角折板处理、在UD前缘侧增加单独的UD注胶管、UD区域增加阻流胶带及隔断、隔断区域使用VAP抽气、局部区域增加连续毡导流的方式，以达到重置UD区域的灌注速度，保证树脂在到达及灌注UD区域过程中的均匀性；同时我们可通过导流网距边距离和隔断位置的调整，改善树脂在弦向和厚度方向的匹配性，避免UD内部的包死。此外UD区域的铺层质量必须严格把控，比如铺层前UD的渗透率合格（尤其是90方向）、带孔隔离膜及导流网禁止在UD区域搭接、拐角禁止悬空、错层无台阶等，灌注前需保证铺层上下温度的一致性等8。2.1.3 壳体根部大梁区域外表面的包死叶片根部铺层厚度普遍在100层以上，大梁区域的铺层通常都超过20层，目前根部区域主要的导流工艺见图4，此位置树脂弦向来源于主管路，径向来源根部环向管，两者在A区域交汇后，呈现如同图5所示的流动状态。加之隔断搭桥处的树脂流动较快，树脂会快速地从搭桥位置向A区域流动，若前缘管路开管较早，会进一步加剧此位置的包死现象，且此处为大梁预制件及芯材的起始位置，树脂在预制件及芯材上下的流动存在不稳定，此区域受多个树脂来源的影响，树脂流动的形态比较复杂9，所以此位置对应外表面极易产生包死缺陷。图4 根部导流示意图尖部根部0mTE21A3XmLE a.灌注开始约60 min b.灌注开始约90 min图5 树脂流动情况对于此问题的解决，我们通常采取的原则是对各个方向的树脂来源进行控制，减缓上表面树脂的包死现象，加快下表面的树脂流动与渗透，因此我们可以采取的措施有：（1）增大大梁边隔断尺寸、取消隔断搭桥或者双桥变单桥、在根部大梁下或者铺层中间增加连续毡导流，从而减缓弦向树脂从上表面快速通过，给予下表面更充分的浸润时间。（2）在前缘环向隔断处导流网边缘增加阻流胶带、管1与环向管2断开、环向隔断位置调整到无大梁区域，减缓径向树脂从根部向尖部的流动。（3）对芯材起始位置倒角末端打磨平滑、进行折板处理等，保证芯材上下树脂流动的一致性。（4）管3的位置向前缘侧移动（距离隔断位置超过300 mm最好）、开管时机距管1开管在90 min以上，避免管3开管前串胶或者开管时，下表面树脂浸润弦向尚未过管路而导致包死。2.2 浸润不良型发白原因分析及解决措施风电叶片的成型过程就是树脂在玻纤布内不断流动、玻纤布不断被浸润最终达到完全浸润固化的过程，若树脂整体达到固化交联状态，局部区域仍未完全浸润，就会导致缺陷的产生，其原理与包络型发白类似，但其涉及的因素更多的是材料、环境、灌注速度等，通常缺陷易发生在外表面，其产生的原因相对简单，往往是因为内表面有导流介质的存在灌注速度会比外表面要快，外表面玻纤布未充分浸润，对此我们只需要控制好内外表面的灌注速度差，此类问题就可以得到 玻璃纤维2023 年 第 2 期 22工艺研究有效解决。解决此问题，我们首先要确认温度，包含环境温度、铺层预热温度、铺层上下表面温度差、树脂温度。环境温度低于15 时，铺层预热温度需保持在3540，根据铺层进度至少在灌注前5 h开启，铺层结束后需对上表面进行保温。树脂需在恒温房保温，铺层及树脂温度在灌注前需满足2535，树脂与铺层的温度差保持在 5 以内最佳，其次玻纤布的渗透率及玻纤布与树脂的匹配性也需经过检测，保证在一定的灌注时间内，两者可以充分浸润，避免灌注时间过长，树脂反应固化导致缺陷产生。最后影响浸润不良的因素就是导流工艺，导流工艺直接关系树脂的流动状态，因此我们可以通过减少上表面管路数量、管路位置增加阻胶条、导流网增加隔断、控制开关时机及大小、下表面增加连续毡、芯材开槽的方式，一方面减缓上表面的树脂流速，另一方面加快下表面的流速，保证上下表面的速度差维持在一定的范围内，确保无导流介质的制品下表面 充分浸润。2.3 气泡型发白原因分析及解决措施气泡型发白顾名思义就是因气泡聚集而导致的发白，气泡的来源主要是玻纤布和树脂，解决气泡型发白需从排除制品内的气泡入手。玻纤布内的气泡通常在抽真空的过程中，绝大部分都已经排出制品，为了保证更有效地