风电叶片的季节性灌注生产管理和工艺技术措施

李 斌

(东方电气(天津)风电叶片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

我国北方地区的春秋两季为风电叶片生产的黄金季节，在此季节不需要额外投入更多的能源成本。然而叶片的市场供应依赖于风电整机装机需求，每年入冬后至次年的 3、4月份，因整机装机较少导致叶片的需求量少，同时环境温湿度偏低也不适宜生产叶片。在每年的 5～10月伴随整机装机量的增多，叶片的需求量也增多，叶片生产进入高峰期，然而叶片生产所需的环境条件比较苛刻，由于环境温湿度越来越高，并不适宜生产叶片。在不投入更多外界辅助能源的情况下，本文将在节约能源成本的前提下，对如何在极限条件下组织叶片的灌注生产进行探讨，做到叶片生产的均衡。

1 树脂灌注技术

灌注的基本原理是将树脂在真空负压的作用下被“吸入”增强纤维或纤维布中。树脂灌注玻纤布的速率是由以下参数决定：树脂系统的粘度 η，玻纤布或增强纤维的浸润能力D，作用在灌注树脂的压强梯度ΔP。

灌注速率v与上述3个参数的相关性为：

可知灌注速率与纤维浸润能力(D)正相关，与灌注压强梯度(ΔP)正相关，与树脂粘度(η)负相关。

1.1 树脂粘度

在给定负压下，低粘度树脂保证了更快的流动性，树脂流过增强纤维层时受到的阻力也减小，好的流动性意味着可以减少树脂注入点，增大灌注构件同时减小灌注设计的复杂度，树脂粘度由微观分子结构决定。以环氧树脂为例，多数用于风电叶片灌注制造的树脂，以稀释剂降低标准环氧单体树脂的粘度值。另一种提高灌注速度的方法是提高树脂温度，因为树脂的粘度是随温度升高而降低的。

1.2 渗透性

干纤维布或铺层的渗透性取决于以下几个因素：纤维直径、纤维表面助剂、玻纤布的类型。

玻纤与碳纤维在渗透性上具有显著区别，碳纤维的灌注难度明显加大。这是由于碳纤维直径(5～10,μm)小于玻璃纤维的直径(16～24,μm)，以至碳纤维束更加紧密排布，妨碍了灌注树脂的浸润。一种化学表面助剂的添加保护了纤维在编织时不被损坏，并增加了纤维与树脂的粘合能力以提高层合板的整体性能。表面助剂的一个重要功效就是增加纤维与树脂浸润能力，这在灌注工艺中尤为重要，使得树脂能快速浸入并流过纤维层。玻纤布主要根据力学性能和纤维方向要求选择，在灌注工艺中需要考虑纤维布的浸润能力。

1.3 压力梯度

通过真空泵抽真空，外界大气压会使得封闭的真空袋内部产生负压，树脂即被吸入负压的真空袋继而浸润纤维铺层，浸润的前沿和后沿会产生牵引力，牵引力与纤维铺层的浸润性成正比，一旦纤维铺层确定，牵引力将等于产生的压力梯度。

2 风电叶片灌注工艺的主要影响因素

风电叶片真空辅助树脂灌注工艺是将纤维增强材料直接铺放在模具上，在纤维增强材料上铺设一层剥离层(脱膜布)，剥离层上铺放高渗透介质(隔离膜、导流网)，然后用真空袋膜包覆密封，模具用真空袋膜包覆密封，真空泵抽气至负压状态；树脂通过注胶管进入整个系统，通过导流管引导树脂流动的主方向，导流网使树脂分布到铺层的每个角落，加热固化后剥离脱模布，得到叶片壳体。

风电叶片几何构造相对简单，比较适合灌注工艺。但对现有灌注工艺进行核心开发和不断优化后，仍然无法克服一些潜在可改变的影响因素，如环境温度和真空压力。灌注工艺的速度和树脂的粘度以及与压力梯度是正相关的，而树脂的粘度对操作环境温度的变化非常敏感，所以需要操作环境温度的持续不变性以保证灌注工艺步骤不受影响。真空灌注最重要的工艺参数就是系统和模具的抽真空质量，即使极小的漏气也会导致空气被吸入铺层，铺层内的压力梯度能很快催生气泡并散布开来，最终造成成品的缺陷(如大量的气泡)和需要修补的区域。

本文默认灌注的其他影响因素是正常的，仅考虑季节性的温度对灌注生产的影响，探讨如何在高温及寒冷的条件下，在不投入过高的能源成本前提下，合理有效组织生产。

3 极限条件下风电叶片的灌注生产

8月份，属于中国北方高温季节，室外温度高达37,℃以上，经测量统计某风电叶片公司成型车间环境温度为 35,℃左右，树脂从静态混合器打出后出口温度为 30,℃左右，凝胶时间相对变短。粘度变化的规律是：温度每上升 10～15,℃，反应速度加倍，需要的固化时间将减半。在此条件下，在生产组织时可采取如下措施：叶片固化完成后，断开加热电源，提前将模具翻开，等满足脱模条件后，将叶片吊出模具，采用通风方式(鼓风机)使模具的表面温度降至室温，开始铺层；将叶片灌注用树脂提前 3,d存入打胶房(打胶房装有匹配的大功率空调，设置温度 18,℃)，确保长时间的存放能使树脂温度降低，进而促使打胶温度及脱泡后的温度降低，以便延长灌注时间；错峰生产，将叶片的灌注放在凌晨进行，并且整个灌注过程采用鼓风机进行通风。

1月份室外温度低至 0,℃，经测量统计某风电叶片公司成型车间环境温度为 10,℃左右(空调低温运行)，树脂从静态混合器打出后出口温度为 20,℃左右，树脂粘度较大，灌注时间较长。在此条件下，在生产组织时可采取如下措施：叶片后固化完成后，将模具翻开，等满足脱模条件后，将叶片吊出模具，直接铺层，同时将模具的加热温度调至保温温度 35,℃，一直至叶片灌注完成，整个过程模具的表面温度接近20,℃；将叶片灌注用树脂提前 3,d转入打胶房(打胶房装有匹配的大功率空调，设置温度 30,℃)，确保长时间的存放使树脂温度升高，进而促使打胶温度及脱泡后的温度升高，降低树脂粘度，加热的好处在于增加了树脂的流动性和浸润能力；错峰生产，将叶片的灌注生产放在中午，尽可能在车间内部实时提高空调运行温度。

4 总 结

风电叶片的灌注生产要求：灌注环境温度 15～32,℃；打胶出胶温度(25±3)℃，脱完泡温度≤32,℃，若树脂经过单组分脱泡，出胶温度≤32,℃即可，出胶后可直接灌注。实际生产中，在高温季节，如生产订单饱满的情况，在大型厂房中加装空调是可行的，单支叶片的平均能耗成本会较低，同时采取辅助设施会大幅降低生产成本。在寒冷季节，如生产量少，在大型厂房中加装空调是高成本、高耗能的，如交货量少甚至可以短暂停产，少量生产则可采取辅助设施，虽然生产周期会加长，但生产成本增幅不高。根据生产任务量可以采用的方法是加热模具表面至环境可达到的最高温度(如 25,℃)，这样既能保持灌注工艺的稳定性，也能通过降低树脂粘度提高灌注速度。高温季节灌注过程中，当树脂温度＞35,℃时，必须每 5,mim内检测一次树脂温度，一旦温度达到40,℃，必须更换树脂，同时 10,min内向管道补充新的树脂，防止先进入管道内的树脂固化。