降低风电叶片褶皱系列方法研究

李奎

（国电联合动力技术（连云港）有限公司，江苏 连云港222000）

叶片作为风机最前端的捕风机构，除了需具备优良的气动外形保证其捕风性能的发挥外，还需要完美的结构足够的强度，确保叶片在各种工况运行时能承受瞬息万变的风压和长达20 年的运行寿命。一旦叶片的结构存在缺陷或出现损坏，必然会对整个机组的运行产生影响，严重的甚至还会出现叶片折断、开裂、扫塔等结构失效的严重事故[1]，风场常见的叶片失效多由以下原因导致：极端风况时变浆故障、严重雷击、褶皱疲劳断裂、运输吊装磕碰暗伤、风机超负荷超风况使用以及结构设计缺陷导致，其中褶皱导致的叶片失效最为常见影响最广，而褶皱是在叶片设计和制作过程中因玻纤布弯曲产生，因此如何避免和减少设计及制造过程中褶皱的产生非常重要，本文将根据目前主流的风电叶片成型工艺，对可能和容易产生褶皱的工序逐一论述，并提出相应解决措施。

1 大梁的褶皱

大梁作为风电叶片的核心结构，是承载整个叶片强度的脊梁，因此无论普通玻纤、高模玻纤还是碳纤维大梁都是绝对不允许有一点褶皱，大梁常见的褶皱主要存在于长度方向和宽度方向。

褶皱的分布与大梁宽度方向平行即为宽度方向褶皱，这种褶皱必然会导致叶片后续运行时随着时间的推移从褶皱位置因应力集中疲劳断裂，因大梁的铺层均为单向布，其宽度方向褶皱的产生主要由以下几个方面导致，第一是铺设时没有将布层抚平，层层积累最终产生褶皱，这种褶皱的产生必须加强操作人员的技能，将每层布铺平同时加强质量控制即可解决，在大梁铺设时使用平整的夹板固定好每布层起止点确保其平整度，可避免拉布时褶皱产生。第二为模具加热不均，导致大梁在灌注固化过程中加热不均匀或者局部过热，出现应力带起布层隆起而产生的褶皱，出现这种褶皱的大梁不能使用且不具备维修价值应以予报废处理，避免这种褶皱的产生，可通过使用加热均匀可控的水加热系统加以解决，同时在大梁制作完成后通过触检、光照或无损检测设备进行检查[2]，避免有这种褶皱的大梁流入后续使用环节。第三种褶皱为所使用的玻纤布编制时经纱和纬纱张力不均匀，无法铺平在真空抽紧时产生褶皱，这种褶皱需要在铺设时及时发现过更换合格的材料，并及时调整和控制纤维材料编织时的张力加以纠正。

少数情况下还会出现与大梁长度平行的褶皱，这种褶皱一般较为轻微其对主梁强度的影响虽没有宽度方向褶皱那么大，但也不容忽视，这种褶皱多为导流辅材的压痕产生，可以通过控制某一侧导流辅材的厚度及真空辅材平整度加以控制，另一种为玻纤布编织集束不均匀导致出现层叠凹陷，可通过调整和控制玻纤布编织设备均匀度加以避免。

2 叶片壳体的褶皱

叶片壳体容易发生褶皱的部位主要集中在根部、芯材厚度过渡区域、模具曲率变化较大等区域，这些地方褶皱产生的原因是多方面的，需要从气动外形设计、叶片结构设计[3]、原材料、过程质量控制等方面加以控制系统解决。

2.1 叶根褶皱

叶根作为整个叶片厚度最大的部位，增强纤维层数最多，也是褶皱的高发地带，叶根褶皱多为玻纤布下滑导致的累积隆起性褶皱，其产生原因主要有以下几方面，一为玻纤布铺设时操作不规范，每层布铺设时没有做到抚平压实出现悬空并层层累积，最终在抽真空时玻纤布无规则下滑出现隆起性褶皱，二为部分叶根预铺件工艺的叶片，在预铺件铺设时没有将每层布压实抚平或预铺件预铺完毕后捆扎绑带过窄导致的勒痕，以及捆扎不牢预铺件安装时下滑产生的褶皱，解决方案为规范操作，每一层压实铺设并使用10 公分以上宽度的绑带捆扎牢靠加以避免，或者通过叶根预制瓦形式，将较厚的叶根玻璃钢层部分单独预置成型，减少同时铺设产生的累积性褶皱和一次灌注过厚固化不均匀导致的鼓包性褶皱。

2.2 芯材过渡区域褶皱

芯材作为叶片的结构填充材料，其铺设范围涵盖了叶片90%以上的区域，芯材的厚度随叶片的结构每个区域均不同，芯材的起止点、前后缘边界及不同厚度的过渡区域，极易在后续的玻纤铺设时产生过渡性褶皱，这些区域作为不同材料的过渡区也是风电叶片结构应变的过渡区，在风机运行时有较大的呼吸效应极易产生疲劳缺陷[4]，对褶皱极为敏感，因此需要在结构设计时最大限度控制这些区域芯材厚度的过渡倒角，一般应控制在1:20 以上，以确保这些区域芯材厚度平滑过渡，为玻纤布层的铺设提供较平缓的过渡基础，减少这些区域褶皱的产生。

2.3 后缘辅梁区域褶皱

后缘辅梁作为叶片后缘的单向结构起着重要的作用，其结构与主梁一样均为单向纤维布层叠构成，由于叶片的后缘多为弧形，因此辅梁在铺设时须与后缘弧形随型铺设，这也是后缘辅梁与主梁最大的不同，单向的纤维布在后缘随弧形型铺设时极易产生弦向褶皱，同时辅梁在铺设时需要与后缘芯材边界进行错层搭接铺设，该区域芯材倒角和尺寸如若加工处理不好，也极易在铺设后缘辅梁时使该区域的单向布产生错综复杂的褶皱，最终在灌注成型后形成鼓包或悬空富树脂褶皱，这些褶皱也是致命的，因此后缘辅梁的铺设平整度也至关重要。在操作层面需要注意做好每一层布的抚平随型、贴实压平，在设计层面可通过控制后缘叶型的弧度来降低铺设随型的难度，使用高模量玻纤减少后缘单向层数避免过厚层层累积产生的褶皱，在工艺层面可通过将后缘辅梁单独预置成型的方式，来避免铺设时芯材带来铺设干扰，以及随叶片整体固化时树脂受热不均匀带起玻纤布隆起变形产生的褶皱。

2.4 后缘最大弦长区域褶皱

叶片后缘最大弦长前后多为模具曲率变化较大的区域，该区域在玻纤铺设时因模面不平整不易捋平，加之现在流行的大叶型钝尾缘设计，使该区域成为叶片玻纤铺设褶皱的高发区，避免该区域产生褶皱，除了在操作层面上要将每一层布逐层压实抚平外，在设计层面也应尽量控制该区域叶型曲率变化过大做到平滑过渡，在工艺层面该区域应避免使用幅宽较大的玻纤布裁片，弧形模具上玻纤布幅宽越大越不容易铺平，可将该区域裁片幅宽控制在80CM以内，结合离缝搭接的方式控制褶皱的产生。

2.5 工装及其他辅料压痕褶皱

叶片在成型过程中需要使用大量的工装夹具和辅材，其中固定布层的夹具如若设计不合理接触面太小会对玻纤布层产生压痕，导流网脱模布等辅料在铺设固定时，其粘接固定物在抽真空后也会对其下玻纤布产生压痕，使用的导流管材如果没有大接触面的底板也会在玻纤布表面产生较深的棱角压痕，这些压痕从微观上看均为褶皱，积少成多也会对叶片的使用寿命产生一定的影响，因此需要严加控制。其中玻纤布的固定除采用接触面大的夹具外，可使用钩针穿缝编线牵引固定，或使用最新的双针便携式缝编机在线多层钉合固定防止下滑移位，次之可在控制用量的情况下少量使用纤维布粘贴专用喷胶加以辅助固定，但重要部位不建议使用喷胶以免降低复合材料的层间粘合强度[5]。辅材的固定方面可使用超薄双面胶带或液体胶水的方式固定，严禁使用硬质块状胶条。导流管材应选用带底板的防压痕导注管材，降低管材棱角对下方玻纤布的压力，可有效避免这些工序褶皱的产生。

2.6 其它产生褶皱的方面

现有技术下叶片的制造多为劳动密集型生产，在制造过程中需要大量的工人在模具上完成玻纤、芯材、辅件、辅材的铺设，作业人员的频繁踩踏势必也导致脚下的玻纤布层产生褶皱，应尽量减少和控制人员踩踏，特别是所有玻纤布铺设完毕后的踩踏、奔跑导致的玻纤布碾压褶皱和移位变形。在芯材铺设时要提高芯材一次拼接铺放的准确率，避免芯材铺放后二次调整对位时造成下方玻纤布移位产生褶皱，使用加工精确的整体芯材做到一次铺设到位。在预置大梁及辅梁的安放时尽量使用工装夹具做到一次放置到位，避免二次调整造成下方玻纤布移位变形。在辅材铺设时可使用集成了脱模布隔离膜导流网以及导流管路的复合型导注辅材，实现一次将所有辅材铺设到位，减少传统辅材分别铺设时人员多次踩踏带来的褶皱。在纤维材料的升级上，可采用大厚度的三维立体纤维材料或化零为整多层裁片整体缝边的高性能复合型纤维材料，减少铺放层数进而避免褶皱的产生。

结束语

近年来褶皱导致的风电叶片制造和运行产生的质量事的越来越多，愈发受到叶片制造企业和风电场运营单位的重视，相应的褶皱无损检测技术也得到了发展有了较成熟的应用，能在一定程度上将已经产生暗藏在叶片结构内的褶皱检测出来以便于及时维修处理，但维修后的叶片其整体性能将会打折，因此叶片的设计制造成型中褶皱应作为第一大质量问题加以控制和消除，在风电大力发展的今后，除了在设计优化上要结合生产实际，包容制造工艺存在的客观短板做到本质安全避免褶皱产生外，还应在材料上不断升级控制褶皱，同时在制造上更应积极践行“中国制造2025”积极部署机械化自动化和智能化，在制造加工环节引入诸如自动化铺丝、铺带等自动化装备最大限度减少人工铺设局限产生的褶皱[6]，在检测方面通过智能制造引入机器视觉技术[7]，实现铺设过程中褶皱的实时在线检测预警，扭转事后探伤检测的被动局面，通过自动化智能化优势实现叶片制造零褶皱的最终目标讲师各个叶片企业的必由之路。