風(fēng)力發(fā)電葉片葉根的預(yù)埋工裝研究

武衛(wèi)莉，李響

(齊齊哈爾大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006)

隨著煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)自然能源開(kāi)采速度日趨加快，伴隨著非可再生自然能源的耗盡，越來(lái)越多的人們更多地關(guān)注風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用，風(fēng)力發(fā)電已成為能源領(lǐng)域市場(chǎng)關(guān)注度最高，投資回報(bào)率適中的新興產(chǎn)業(yè)，因此國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速[1]。目前，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組裝容量世界第一[2]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2017 年新增及累計(jì)裝機(jī)容量分別為1.966×108kW和1.88×109kW[3]。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片通常使用“T 型螺栓”的連接方式[4]，并不能滿(mǎn)足大尺寸葉片對(duì)于疲勞強(qiáng)度的要求[5]，為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了一種新的葉根連接方式，即將真空輔助樹(shù)脂注射成型(VARI)技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電葉片葉根預(yù)埋成型工藝[6]。但這種方法在風(fēng)力發(fā)電葉片的生產(chǎn)中仍舊存在問(wèn)題[7]，如由葉根預(yù)埋件的樹(shù)脂黏度變化引起的滲透性的不均勻、預(yù)埋螺栓套表面處理及工裝等問(wèn)題[8]，這些都限制了風(fēng)電葉片的生產(chǎn)[9–13]。針對(duì)這些問(wèn)題，筆者在風(fēng)電葉片葉根預(yù)埋工藝中采用VARI工藝閉模成型，對(duì)樹(shù)脂在預(yù)埋中黏度變化、預(yù)埋螺栓套表面處理、預(yù)埋螺栓的密封方式、預(yù)埋螺栓周?chē)p隙填充方式和端面工裝與模具之間的密封條件進(jìn)行了研究，從而提出了優(yōu)化葉片預(yù)埋及工裝條件。

圖1 螺栓套間隙的三種填充方法

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

玻璃鋼楔子：5 mm×36 mm×150 mm，北京玻璃鋼研究院；

環(huán)氧樹(shù)脂：RIM035C／RIMH037，邁圖高新材料(中國(guó))有限公司；

單軸玻璃纖維縫編織物：E–H1200，泰玻新型復(fù)合材料有限公司；

預(yù)埋螺栓套搭配預(yù)埋螺栓：M36，上海申光高強(qiáng)度螺栓有限公司；

玻璃鋼三角條：6 mm×8 mm×10 mm，河北嘉普環(huán)保設(shè)備有限公司；

硅膠條：10 mm×10 mm，南通億碩新材料科技有限公司；

丁基橡膠密封帶：3 mm×15 mm，南通億碩新材料科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

葉片殼體模具：SINOMA59.5 型，浙江南光泵業(yè)有限公司；

端面工裝：SINOMA59.5 型，山東鑫亞工業(yè)股份有限公司；

噴砂機(jī)：JCK–9080D 型，東莞佰特研磨材料有限公司；

端面打磨機(jī)：SD–150 型，青島德瑞祥機(jī)械制造有限公司；

平面度測(cè)試儀：CN61M／CCD 型，北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司；

差示掃描量熱儀：HS–DSC–101 型，上海精密儀器儀表有限公司；

纏紗機(jī)：QBX–097 型，上海深藍(lán)包裝機(jī)械有限公司；

氣密性檢漏儀：AL–2000 型，沈陽(yáng)金科精密儀器設(shè)備有限公司。

1.3 試樣制備

首先需要在模具表面按葉片設(shè)計(jì)鋪設(shè)結(jié)構(gòu)玻璃纖維布層，再通過(guò)端面工裝將帶內(nèi)螺紋的螺栓套預(yù)先固定在葉片根端鋪層結(jié)構(gòu)中，其中螺栓套和楔型塊之間間隙的填充方式共有三種如圖1 所示。

其中，方法一是利用單向布或捆扎的UD 紗束填充螺栓套和楔形塊之間的縫隙；

方法二是利用玻璃鋼三角條和楔形塊填充其縫隙；

方法三是工形楔形條包裹預(yù)埋螺套。然后在真空的作用下將樹(shù)脂導(dǎo)入模腔，使預(yù)埋件與結(jié)構(gòu)纖維布層連接結(jié)在一起進(jìn)行固化，最后對(duì)端面進(jìn)行處理。所制備的葉片的葉根直徑為2 400 mm。

1.4 性能測(cè)試

螺栓套纏紗試驗(yàn)：用纏紗機(jī)分別測(cè)試1 股，3 股，6 股，9 股和12 股時(shí)螺栓套上紗線張力，以及所用時(shí)間。

黏度測(cè)試：在10～100 000 MPa·s 的測(cè)量范圍下，按照標(biāo)準(zhǔn)GB／T22314–2008 測(cè)試樹(shù)脂黏度。

樹(shù)脂放熱性能測(cè)試：按照標(biāo)準(zhǔn)GB／T13464–1992 進(jìn)行測(cè)試，在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下，將樣品以10 ℃／min 的升溫速率從25℃升到600℃，得到樣品的升溫曲線。

螺栓套噴砂試驗(yàn)：用噴砂機(jī)分別測(cè)試粒度10目(1 700μm)，12 目(1 400μm)，14 目(1 180μm)，16 目(1 000μm)，18 目(880μm)和20 目(830μm)對(duì)預(yù)埋螺栓套表面噴砂。

預(yù)埋螺栓周?chē)p隙填充氣密性測(cè)試：使用AL–2000 型氣密性檢漏儀觀察檢漏儀的數(shù)值確定氣密效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴砂、纏砂工藝對(duì)預(yù)埋螺栓套的質(zhì)量影響

圖2 為噴砂工藝對(duì)螺栓套表面粗糙度的影響。

圖2 不同噴砂工藝時(shí)螺栓套表面粗糙度

由圖2 可看到，噴砂后表面粗糙度隨著噴砂粒度的增加而逐漸降低，當(dāng)預(yù)埋螺栓套其外表面粗糙度達(dá)到6 μm 時(shí)，可達(dá)到葉根拉伸強(qiáng)度的要求[14]。而隨著材料粒度增加，要求螺栓套噴砂時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，所以噴砂時(shí)間為6～8 min，粒度控制在14～16目(1 000～1 180μm)之間為宜。這可能是噴砂粒度過(guò)小不起作用，而太大會(huì)使螺栓套表面粗糙、不易密封和緊密結(jié)合的緣故。為增加螺栓套強(qiáng)度，需要在螺栓套表面纏紗線，圖3 為纏紗股數(shù)對(duì)預(yù)埋葉根纏紗條件影響。由圖3 可知，隨著紗線股數(shù)增加，紗線張力逐漸變小，螺栓套纏紗時(shí)間逐漸減少，當(dāng)纏紗股數(shù)為3 和6 時(shí)缺陷較少，纏紗股數(shù)為6 時(shí)纏紗時(shí)間最短為3 min，紗線張力為6 N，所以確定紗線股數(shù)為6。

圖3 不同纏紗股數(shù)時(shí)預(yù)埋葉根纏紗條件及工藝

2.2 預(yù)埋螺栓套填充和密封方式對(duì)預(yù)埋葉根質(zhì)量影響

圖4 為填充方式對(duì)葉根質(zhì)量的影響。從預(yù)埋螺栓周?chē)p隙填充的三個(gè)方法可以看出，方法二的密封方式的螺栓密封數(shù)合格的均值是三種方法中最高的，說(shuō)明此種方法螺栓密封數(shù)的成品率最高。而方法三的空腔數(shù)(產(chǎn)品出現(xiàn)孔洞數(shù)量)均值只比方法二略低，比方法一低很多，但螺栓密封合格數(shù)均值明顯低于方法一和方法二；因此用方法二優(yōu)點(diǎn)更顯著。此外，研究中發(fā)現(xiàn)方法二中樹(shù)脂的分散性較方法一與方法三更好，說(shuō)明方法二的填充效果最佳，綜合以上方面因素考慮，方法二的預(yù)埋螺栓套周?chē)p隙填充方式最佳[15]。

圖4 填充方式對(duì)葉根質(zhì)量的影響

研究中發(fā)現(xiàn)，密封方式對(duì)葉根的質(zhì)量也有影響。表1 為密封方式對(duì)葉根質(zhì)量的影響。

表1 密封方式對(duì)葉根質(zhì)量的影響

從表1 中看出，當(dāng)硅膠條數(shù)量為1 及密封帶層數(shù)≥3 時(shí)，模具真空度達(dá)到最大值–89 kPa。隨著密封帶層數(shù)的增加，真空度變化不大，而葉根上的缺陷數(shù)(空隙和缺料部位)由11 減少為7，下降了4。當(dāng)密封膠帶為1 層時(shí)硅膠條根數(shù)大于等于3 時(shí)，模具真空度也能達(dá)到最大值–87 kPa。但隨著硅膠條根數(shù)的增加，真空度變化不明顯，且葉根上的缺陷數(shù)只由11 減少為9，下降了2，因此得出最優(yōu)氣密性保證方案為硅膠條1 條與3 層密封膠帶的工藝方式。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明單獨(dú)用硅膠條或密封帶對(duì)密封效果影響不大，只有兩者共同采用，才有效果，即在螺栓套上用硅膠條和密封帶共同纏結(jié)，才能達(dá)到最佳的密封效果。但過(guò)多(密封帶超過(guò)三層)就沒(méi)有意義了，造成浪費(fèi)。由此可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)整端面工裝與模具的填充和密封方式，可獲得最佳填充和密封效果。

2.3 環(huán)境溫度和混合時(shí)間對(duì)樹(shù)脂黏度及放熱影響

對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，注塑時(shí)黏度不易過(guò)大，以免影響注射成型。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)提高溫度來(lái)降低樹(shù)脂黏度。圖5 為環(huán)境溫度對(duì)樹(shù)脂的初始黏度的影響。由圖5 可知，隨著環(huán)境溫度的升高，樹(shù)脂的初始黏度逐漸降低，當(dāng)環(huán)境溫度低于25℃時(shí)，隨著溫度的升高使樹(shù)脂初始混合黏度快速降低；當(dāng)溫度高于25℃時(shí)，樹(shù)脂黏度隨著溫度的升高緩慢降低甚至趨于恒定。因此初步確定，環(huán)境溫度為25℃。

圖5 不同環(huán)境溫度時(shí)樹(shù)脂初始混合黏度

實(shí)驗(yàn)中除了研究樹(shù)脂的環(huán)境溫度外，也研究了混合時(shí)間的影響。圖6 為不同環(huán)境溫度下的100 g樹(shù)脂放熱溫度與混合時(shí)間關(guān)系曲線。由圖6 可知，隨著環(huán)境溫度升高，樹(shù)脂的反應(yīng)速度加快，同時(shí)反應(yīng)放熱加劇，當(dāng)環(huán)境溫度高于30℃時(shí)樹(shù)脂開(kāi)始發(fā)生劇烈放熱，而當(dāng)環(huán)境溫度在35～50℃之間，100 g 樹(shù)脂混合150 min 之內(nèi)，其最高放熱溫度均能夠超過(guò)150℃，這會(huì)使樹(shù)脂黏度劇增，嚴(yán)重影響樹(shù)脂填充玻璃纖維的滲透性，所以控制環(huán)境溫度和樹(shù)脂混合時(shí)間對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)性至關(guān)重要[16-17]。由圖5～圖6 可知，將環(huán)境溫度控制在25℃，樹(shù)脂混合時(shí)間為100 min以?xún)?nèi)，能有效減小樹(shù)脂放熱，改善樹(shù)脂滲透性，從而減少風(fēng)電葉片預(yù)埋件的缺陷[18]，有助于環(huán)氧樹(shù)脂在預(yù)埋工藝中起到良好填充作用。

圖6 不同環(huán)境溫度時(shí)樹(shù)脂放熱溫度與混合時(shí)間關(guān)系曲線

2.4 端面工裝傾角對(duì)預(yù)埋葉根打磨次數(shù)和平面度影響

葉根預(yù)埋密封后需要經(jīng)過(guò)工裝和打磨處理，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。圖7 和圖8 為上、下半模工裝傾角對(duì)平面度的影響。

圖7 不同上半模工裝傾角時(shí)打磨次數(shù)及平面度

圖8 不同下半模工裝傾角時(shí)打磨次數(shù)及平面度

由圖7 和圖8 可以看出，上、下工裝傾角增加到一定值時(shí)，會(huì)提高上、下端面打磨的平面度。當(dāng)上工裝傾角為3.4°～3.7°，下工裝傾角為3.2°～3.4°時(shí)，端面打磨次數(shù)最少(1 次)，平面度最低(0.45 mm)，打磨的合格率最高。說(shuō)明模具傾角在合適的情況下，更適合打磨，找到了打磨的最佳角度，進(jìn)而使打磨次數(shù)減少。

2.5 端面工裝安裝扭力對(duì)預(yù)埋葉根平面度及空腔數(shù)影響

圖9 是安裝扭力對(duì)平面度端面質(zhì)量和端面空腔數(shù)的影響。

圖9 不同安裝扭力時(shí)端面平面度和空腔數(shù)

圖9 顯示，葉根平面度和空腔數(shù)都隨著安裝扭力的增大而呈下降趨勢(shì)，當(dāng)安裝扭力在700 N·m時(shí)，預(yù)埋葉根的平面度達(dá)到0.45 mm、端面空腔數(shù)降低到7。繼續(xù)增大安裝扭力，葉根平面度和空腔數(shù)變化趨于平緩，其原因可以歸結(jié)當(dāng)端面扭力增大時(shí)，預(yù)埋葉根在外力作用下，樹(shù)脂和纖維及螺栓套之間被壓實(shí)，導(dǎo)致空腔數(shù)和平面度降低[19]，提高了葉根的生產(chǎn)質(zhì)量，而扭力過(guò)大時(shí)則不會(huì)對(duì)葉根平面度和空腔數(shù)產(chǎn)生較大影響。

3 結(jié)論

預(yù)埋螺栓套外表面粗糙度達(dá)到6 μm，噴砂的時(shí)間為6～8 min，粒度控制在14～16 目(1 000～1 180 μm)之間為最佳噴砂條件；纏紗股數(shù)為6 時(shí)纏紗時(shí)間最短為3 min，所用紗線張力為6 N，葉根缺陷數(shù)最少。預(yù)埋螺栓周?chē)p隙填充方式以用玻璃鋼三角條和楔形塊填充其縫隙為最佳；密封方式采用1 層硅膠條與3 層密封膠帶配合，模具真空度可達(dá)到最大值–89 kPa，葉根上的缺陷數(shù)由11 減少為7，下降了4。當(dāng)環(huán)境溫度為25℃和樹(shù)脂初始混合時(shí)間為100 min 時(shí)，樹(shù)脂的放熱性和滲透性最佳，樹(shù)脂的預(yù)埋效果最佳。當(dāng)上工裝傾角為3.4°～3.7°，下工裝傾角為3.2°～3.4°，端面打磨次數(shù)為1，安裝扭力為700 N·m 時(shí)，預(yù)埋葉根的平面度達(dá)到0.45 mm，端面空腔數(shù)降低到7，工裝效果最佳。