風電葉片成型工藝

　　風能作為一種綠色環(huán)保型能源是可再生能源中最具開發(fā)潛力的一種。隨著風電技術的發(fā)展與日趨成熟，機型已達到5MW以上，葉片長度超過60米。葉片是風力發(fā)電機組關鍵部件之一，具有尺寸大，外形復雜，精度要求高，對強度、剛度、和表面光滑度要求高等特點。

　　復合材料在風機葉片的制造中具備很多優(yōu)勢。制造工藝主要有手糊成型、模壓成型、預浸料成型、拉擠成型、纖維纏繞、樹脂傳遞模塑以及真空灌注成型等工藝。

　　1、手糊工藝

　　手糊是生產(chǎn)復合材料風機轉(zhuǎn)子葉片的一種傳統(tǒng)工藝。在手糊工藝中，將纖維基材鋪放于單模內(nèi)，然后用滾子或毛刷涂敷玻璃布和樹脂，常溫固化后脫模。手糊方法可用于低成本制造大型、形狀復雜制品。因為它不必受加熱及壓力的影響。使用簡單的設備和模具即可，另外相對于其他可行性方案成本更低廉。

　　手糊工藝生產(chǎn)風機葉片的主要缺點是產(chǎn)品質(zhì)量對工人的操作熟練程度及環(huán)境條件依賴性較大，生產(chǎn)效率低和產(chǎn)品質(zhì)量均勻性波動較大，產(chǎn)品的動靜平衡保證性差，廢品率較高。特別是對高性能的復雜氣動外型和夾芯結(jié)構葉片，還需要粘接等二次加工，粘接工藝需要粘接平臺或型架以確保粘接面的貼合，生產(chǎn)工藝更加復雜和困難。

　　手糊工藝制造的風力發(fā)電機葉片在使用過程中出現(xiàn)問題往往是由于工藝過程中的含膠量不均勻、纖維/樹脂浸潤不良及固化不完全等引起的裂紋、斷裂和葉片變形等。

　　手糊工藝往往還會伴有大量有害物質(zhì)和溶劑的釋放，有一定的環(huán)境污染問題。手糊是一種已被證明的生產(chǎn)復合材料葉片工藝方法，但由于其產(chǎn)量低及部件的不連續(xù)性以及很難實現(xiàn)結(jié)構復雜，力學性能要求高的大型產(chǎn)品，促使人們將研究重點轉(zhuǎn)移至其他生產(chǎn)方法。

　　2、模壓成型

　　模壓成型工藝首先將增強材料和樹脂置于雙瓣模具中，然后閉合模具，加熱加壓，然后脫模，進行后固化。這項工藝的優(yōu)點在于纖維含量高和孔隙率低，并且生產(chǎn)周期短，精確的尺寸公差及良好的表面處理。

　　然而，模壓成型適用于生產(chǎn)簡單的復合材料制品如滑雪板，很難制造包括蒙皮、芯材和梁的葉片等復雜形狀部件。盡管可以改進模壓成型工藝設備，但要改進能承受20～40米跨度壓力的加熱模要求很大的資本投入。

　　模壓成型生產(chǎn)的部件具備高纖維含量和高強度/質(zhì)量比，但以低成本方式制造復雜幾何形狀的葉片有一定困難。

　　3、預浸料鋪放工藝

　　預浸料方法依其所使用的預浸增強材料而得名。在這種工藝中，部分固化樹脂和增強材料鋪放在單模中，加熱固化。為了避免富樹脂區(qū)的出現(xiàn)和排除存氣空隙，需要預浸料中的樹脂由足夠的溢出量，目前，市場上商業(yè)化的預浸料一般需要較高的固化溫度(90～110%)。使用預浸料的主要優(yōu)勢是在生產(chǎn)過程中纖維增強材料排列完好，因此可以制造低纖維缺陷以及性能優(yōu)異的部件。碳纖維預浸料廣泛應用于航空業(yè)中，因為他們可以用來制造復雜結(jié)構的部件。

　　選擇預浸料生產(chǎn)風機葉片的主要缺陷是成本高。這種材料通常比普通樹脂和增強材料貴5～10倍。另外，由于預浸料是以手工方式鋪放的，與手糊相比，同屬勞動密集型，產(chǎn)量低。

　　預浸料是生產(chǎn)復雜形狀結(jié)構件的理想工藝，預浸料在國外運用非常廣泛，其工藝及設備也發(fā)展到成熟階段。實際生產(chǎn)中，由于葉片的蒙皮、主梁、根部等各個部位的力學性能及工藝的要求各不相同，因而，在不影響性能的條件下，為了降低成本，不同部分使用不同的預浸料。

　　4、拉擠工藝

　　拉擠成型工藝一般用于生產(chǎn)具有一定斷面，連續(xù)成型制品的生產(chǎn)中。這種連續(xù)成型工藝中，增強材料通過樹脂浸膠槽，固化成型。拉擠制品的纖維含量高，質(zhì)量穩(wěn)定，由于是連續(xù)成型易于自動化，適合大批量生產(chǎn)。而且，產(chǎn)品無須后期休整，質(zhì)量一致，無須檢測動平衡，成品率95%。與其他工藝成本相比，可降低40%。

　　盡管拉擠工藝具備很多優(yōu)勢，但在風機葉片的制造中也存在缺陷。拉擠工藝曾經(jīng)成功制造立軸風機葉片以及一些小型水平軸風機葉片，卻不可能制造變截面的風機葉片，I型梁和其他實體截面對于拉擠工藝只是小挑戰(zhàn)，而中空部分包括梁和芯材才是難點。

　　由于拉擠工藝當前不能制造截面變化較大的復雜形狀部件，因此大型自動化設備的成本是拉擠工藝應用的另一個考慮因素。因此，拉擠成型工藝在小型風機葉片生產(chǎn)中有較大的應用潛力。

　　5、纖維纏繞

　　纖維纏繞主要用于制造容器和管道，工藝中連續(xù)纖維浸入浸膠槽后在機器控制的芯模上進行纏繞。纏繞工藝可控制纖維張力、生產(chǎn)速度及纏繞角度等變量。

　　纖維纏繞能夠制造不同尺寸及厚度的部件。纏繞工藝應用于葉片生產(chǎn)中的一個缺陷是在葉片縱向不能進行纏繞，長度方向纖維的缺乏使葉片在高拉伸和彎曲載荷下容易產(chǎn)生問題。另外，纖維纏繞產(chǎn)生的粗糙外表面可能會影響葉片的空氣動力學性能，所以必須進行表面處理。

　　最后，芯模及計算機控制成本很大。很明顯，纖維纏繞的特點適用于容器及管道，而在葉片生產(chǎn)中會產(chǎn)生額外的成本。

　　6、樹脂傳遞模塑(RTM)

　　樹脂傳遞模塑工藝屬于半機械化的復合材料成型工藝，工人只需將設計好的干纖維預成型體放到模具中并合模，隨后的工藝則完全靠模具和注射系統(tǒng)來完成和保證，沒有任何樹脂的暴露，并因而對工人的技術和環(huán)境的要求遠遠低于手糊工藝并可有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量。

　　RTM工藝采用閉模成型工藝，特別適宜一次成型整體的風力發(fā)電機葉片(纖維、夾芯和接頭等可一次模腔中共成型)，而無需二次粘接。與手糊工藝相比，不但節(jié)約了粘接工藝的各種工裝設備，而且節(jié)約了工作時間，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。同時由于采用了低粘度樹脂浸潤纖維以及采用加溫固化工藝，大大提高了復合材料質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

　　RTM工藝生產(chǎn)較少的依賴工人的技術水平，工藝質(zhì)量僅僅依賴確定好的工藝參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量易于保證，產(chǎn)品的廢品率低于手糊工藝。RTM在葉片生產(chǎn)中的限制因素首先是成本。RTM的模具設備非常昂貴。另外，由于RTM屬于閉模工藝，很難預測樹脂流動狀況，容易產(chǎn)生不合格產(chǎn)品。

　　7、真空灌注成型工藝

　　真空灌注成型工藝是將纖維增強材料直接鋪放在模具上，在纖維增強材料頂上鋪設一層剝離層，剝離層通常是一層很薄的低孔隙率、低滲透率的纖維織物，剝離層上鋪放高滲透介質(zhì)，然后用真空薄膜包覆及密封。真空泵抽氣至負壓狀態(tài)，樹脂通過進膠管進入整個體系，通過導游管引導樹脂流動的主方向。

　　導流布使樹脂分布到鋪層的每個角落，固化后剝離脫模布，從而得到密實、含膠量低的鋪層。真空灌注成型工藝是風機葉片制造商的理想選擇，與標準RTM相比，節(jié)約時間，機揮發(fā)物非常少，改善了勞動條件，減少操作者與有害物質(zhì)接觸，滿足人們對環(huán)保的要求，改善了工作環(huán)境，工藝操作簡單。同時，真空輔助可充分消除氣泡，降低產(chǎn)品孔隙率，有效控制產(chǎn)品含膠量。

　　產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高、重復性能好。制品表觀質(zhì)量好，相同鋪層而厚度薄，強度高，相對于手糊成型拉伸強度提高20%以上，該工藝對模具要求不高，模具制作簡單，與傳統(tǒng)RTM工藝相比，其模具成本可降低50～70%。

　　隨著風電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，復合材料風機葉片向復雜化，大型化的方向發(fā)展。各種工藝在風力機葉片制造中得到應用。根據(jù)不同的風力機葉片的特點，合理地采用適合的工藝以獲得低成本高質(zhì)量的風力機葉片。