风力发电叶片分段模具设计制作

保积佑

[摘    要]文章总结大型复合材料风电叶片模具设计制作方面的结构设计经验，阐述复合材料风电叶片分段模具的结构设计和制造技术，讨论风电叶片模具结构设计和制造过程中应该注意的一些问题。

[关键词]风电叶片;模具;分段设计;加热

[中图分类号]TM614 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）11–00–02

Design and Manufacture of Sectional Die for Wind Turbine Blade

Bao Ji-you

[Abstract]This paper summarizes the structural design experience in the design and manufacture of large composite wind turbine blade mold， expounds the structural design and manufacturing technology of composite wind turbine blade segment mold in detail， and discusses some problems that should be paid attention to in the structural design and manufacture of wind turbine blade mold.

[Keywords]wind turbine blade; mould; sectional design; heating

1 叶片分段模具设计内容

在某个截面型面保持不变，作为分段模具固定的模具部分，其他部分可以做多种型面设计，分段型面必须与固定模具截面型面保持一致，这个是分段模具制作的基础。在分段模具设计制作方面总共分为4个部分：①葉片模具分段位置钢架结构设计制作;②叶片模具阳模分段位置结构设计制作;③叶片模具分段位置结构设计制作;④叶片模具分段位置加热方式设计。

2 叶片模具分段位置钢架结构设计制作

由于模具为分段结构可相互可拆卸，所以模具的钢架也必然需要设计成可拆卸钢架。在分段位置钢架与钢架之间为了保证两段模具型面壳体拼接准确，需要在两部分钢架的端面焊接金属法兰，焊接时候相对位置要求准确，即金属法兰到钢架边缘距离、金属法兰到模具型面壳体法兰边距离、金属法兰自身的垂直度、配孔的位置等均需要一致。这样可以保证两段模具的相对位置，保证每个模具安装时的法兰孔准确以及分段处两段型面壳体吻合。压力面模具由于制作叶片时需要翻转，所以钢架上金属法兰连接采用多块法兰钢板或强度、厚度更高的法兰钢板，吸力面因为在制作叶片时相对位置固定，连接结构保证型面壳体的收缩变形即可，两段模具可直接采用金属法兰进行连接。每块金属法兰板配孔若干个，采用螺栓连接。连接法兰、螺栓规格、螺栓数量等根据叶片重量进行计算确定。

3 叶片模具阳模分段设计制作

阳模设计的变更分为2种情况：①制作首套模具，这种方法不需要叶尖拆卸，翻模即可使用;②分别制作可更换的叶尖部分模具或叶身部分的模具。无论是哪种情况，阳模均设计成分段阳模，且阳模主体结构不变。首片制作时，阳模的叶身和叶尖之间连接可以采用底面钢架焊接或者法兰螺栓连接的形式。后续分段制作叶尖、叶身模具时，可以不需要考虑叶身和叶尖模具一体脱模的问题，割开阳模底面钢架连接，分段制作即可。

3.1 阳模主体设计制作

阳模主体部分制作时，需要考虑到阴模拼缝处的密封问题、拼缝处的连接问题、拼缝处的加热问题等。型面过渡部分高度为6～7 mm，过渡长度约300 mm，作用为阴模脱模后，表面灌注拼缝增强布层且保持轴向错层。这样设计省去了传统方法阴模拼接后，需要打磨阴模表面胶衣、布层及错层，清理表面等工序。仅需要在做阴模时，过渡面不涂覆胶衣，待阴模脱模后，打磨清理表面，表面按照错层要求灌注加强层，固化后打磨表面，涂覆胶衣即可。节省打磨工序，拼缝处密封性能好。阴模密封加热槽口设计为阳模一个45°斜角的突台，高度约20 mm。这样设计阴模拼接完成后就会形成一个槽口，这个槽口可以进行拼缝处的密封、加热丝的布设等操作。为后续的改动、切割均留下了足够的空间。

制作首套时的阳模设计，由于叶尖模具无须拆卸，与叶身模具一体。所以不需要考虑模具拼接的问题。故，设计时考虑到叶身和叶尖阴模一体脱模，减少工序。设计在阳模主体拼接完成的前提下，在拼缝突台上黏接一块金属板作为特制法兰。此特制法兰作为叶身模具和叶尖模具的拼缝。特制法兰两侧平面则作为分段模具在拼缝处的法兰。突台平面宽度为8 mm，特制法兰为线切割，型面与拼缝处型面一致，厚度为4 mm，两侧边分别粘有2 mm的橡胶密封垫板，这样特制法兰与阳模突台可以吻合。法兰上开孔作为分段模具阴模壳体玻璃钢法兰处的连接。首片制作时，特制法兰和阳模突台之间采用腻子、结构胶等虚粘在一起，阳模突台表面需要涂覆脱模剂，避免粘膜。特制法兰粘接时候确保型面对齐，法兰垂直，灌注时保证气密性。制作阴模时，特制法兰两侧为叶身阴模、叶尖阴模的玻璃钢法兰的制作依托。在钢架法兰配孔连接完成后，通过特制法兰上的孔，使用螺栓，将叶尖阴模玻璃钢部分和叶身阴模玻璃钢部分连接在一起。该玻璃钢法兰的连接在起到提高强度的同时，还增加了玻璃钢拼缝处的密封效果。由于特制法兰为虚粘，阴模钢架连接完成后翻模。特制法兰便作为模具连接处的一部分随阴模一起脱模。省去了分段模具叶尖和叶身拼接的工序。后续处理为拼缝处凹槽结构胶密封、拼缝处布设加热丝视情况、模具表面灌注拼缝加强层、表面做胶衣、型面检测、水磨抛光等完成了阴模主体制作。

3.2 拼接部分设计制作

分段制作叶尖或叶身模具时，首套模具完成后，需要配套不同叶身或叶尖模具。因这些模具分开制作，所以不需要考虑阳模连接问题。之前提到的特制法兰的金属板和橡胶圈总厚度为8 mm，所以后续拆卸拼接时候，阴模壳体连接的玻璃钢法兰拼缝间隙就为8 mm。在制作主体阳模时候已经考虑到这一问题，即截面处的阳模主体突台，叶身阳模和叶尖阳模突台宽度均为4 mm。因此，在分段模具制作时，仅需要在阳模的突台上粘接4 mm后的金属法兰作为线切割，该法兰作为玻璃钢连接的间隙和阴模制作玻璃钢法兰的依托。金属法兰粘接时，需要粘接牢固，保证法兰的垂直度和法兰的气密性。在金属法兰黏接完成后，测试垂直度符合要求，然后将金属法兰通过焊接C形工装使之与阳模钢架连接。

4 叶片分段模具位置结构设计制作

4.1 分段模具型面壳体设计制作

制作模具表面时阳模在分段位置表面不需要滚涂胶衣，此胶衣层会在模具表面拼缝增强布操作完成后，再补做胶衣层，模具壳体灌注完成即可在壳体上放置模具钢架，然后在分段拼接缝处钢架上安装连接法兰。在钢架法兰连接完成后，进行玻璃钢法兰的螺栓连接，在模具壳体底面的钢架连接及玻璃钢位置的连接在型面壳体不脱模的情况下即可完成。这种做法分段模具型面配合更加准确且节约工序。分段型面玻璃钢螺栓连接，连接法兰表面的增加橡胶密封圈，保证分段位置能达到生产叶片的真空要求。

在玻璃钢法兰连接完成后需要在玻璃钢连接缝隙表面刮涂腻子，并使用硅胶密封。阴模脱模后打磨粗糙过渡表面，并在对接处制作20 mm深的凹槽，在对接时可以在凹槽位置刮涂一层结构胶起到拼缝密封作用。根据实际情况选择在凹槽胶粘剂中10 mm深度左右位置增加加热丝，如果拼缝处加热满足要求，可以不在凹槽位置布设加热丝。

等密封凹槽缝隙结构胶固化后打磨清理结构胶表面，然后在模具分段拼缝的过渡表面灌注5层模具四轴布，第一层布宽为100 mm，以后每层布宽度比上一层大100 mm，布层铺放以拼缝为中心。设计模具拼缝两侧过渡面长度各为300 mm，最后一块布层宽度600 mm，覆盖住过渡区即可进行灌注固化。增强布层固化完成后，打磨布层表面，清理干净后在过渡区域表面补做胶衣层，胶衣层厚度控制在0.5 mm左右。待胶衣层固化后，水磨胶衣层表面达到要求。使用激光跟踪仪扫描检测型面，对型面修整，在型面修整工作完成后，对分段拼缝区域进行模具保压测试和模具加热性能测试。这样就完成了模具连接部分的结构处理制作。

4.2 分段模具拆分组装方法

分段模具制作完成后，可拆卸原有模具和进行更换新模具。将原有的模具分段拼缝区域的钢架割开、拆卸掉钢架法兰的螺栓、拆卸玻璃钢法兰的螺栓。表面处理为：①找到模具拼缝、打磨掉模具胶衣、打磨掉拼缝增强层露出结构胶层;②沿结构胶中心切开模具约宽8 mm深20 mm凹槽。在切开胶粘剂层后，由于底面玻璃钢法兰螺栓已经拆卸，此时即可分开两段模具。

在分开两段模具后，需要打磨掉拼缝凹槽处的结构胶、过渡位置的玻璃钢增强层，清理干净表面。便于后续叶尖模具拼接时候的结构胶密封及拼缝增强布的操作。过渡位置处理完成后可以更换新的模具，在钢架法兰制作时根据拼缝为参照，保证在对接新的模具时可以直接进行钢架法兰螺栓连接，连接时可以采用定位销进行导向定位。

在模具钢架法兰连接完成后，确保壳体型面符合要求，然后进行阴模玻璃钢法兰的连接。模具玻璃钢法兰表面事先安装橡胶密封垫板，橡胶垫圈表面需要适当涂密封硅胶，以防止螺栓及法兰边缘漏气，处理完成后根据模具玻璃钢法兰上的螺栓孔对垫圈和对接模具玻璃钢法兰进行配孔。最后进行玻璃钢法兰的连接、对接法兰边缘缝隙刮涂腻子、涂密封硅胶等操作。

模具表面拼缝处理与之前提到的处理方式一致，涂结构胶密封、布设加热丝拼缝增强布层、打磨处理、制作胶衣层、水磨抛光、型面检测、密封及模具导热检查等。

5 模具分段位置加热方式设计

加热系统整体思路为进行两部分相对独立的加热系统，当需要组合时可以连接温控箱电源将两部分实现整体加热。由于模具为分段式，如果采用常规的从叶根开始往叶尖布置布线方式会有接缝处出现拉斜、余线等问题，并且最后一条线与接缝的距离不好把握。为了避免这种弊端，将布线方式改为以接缝处作为布线起点分别往叶根和叶尖布置，当叶尖作为独立部分进行布线，如果加热丝布置到尖部还有余线时，可剪掉多余的线，但是在调试时该区应增加调压器以调整输出功率。

经过试验测得，距离加热丝边缘，厚度为15～25 mm的结构胶层，其导热比正常的模具表面低2～3 ℃，这一偏差在合格要求范围之内，如在结构胶中适当添加铁粉或者铝粉，结构胶层的导热会接近常规模具表面的传热标准，有二氧化硅可以适当在结构胶中添加，以增加结构胶的强度。常规方案制作模具后，模具拐角处加热丝到拼缝处模具表面距离大概为30～35 mm。这种距离，如果按照模具制作完成后，加热丝布置到拐角，则拼缝处加热存在风险。所以有必要更改加热体系，保障拼缝截面加热。在阴模拼缝凹槽处布设加热丝，加热丝在结构胶内部，距离结构胶表面10 mm，即距离阴模壳体表面约15 mm，经试验验证，这个距离拼缝处加热不存在风险。在加热丝布设完成后，继续完成结构胶的刮涂、拼缝增强布层的灌注、模具表面胶衣制作等操作。

6 注意事项

制作时焊接钢架法兰要求法兰垂直，这个是后续分段模具拼接的基础;拼接缝表面处理时，需要确保表面打磨粗糙，清理干净，才能进行灌注布层、滚涂胶衣等操作;模具表面切割时，沿着拼接缝胶粘剂中心切割，以免伤害模具玻璃钢层，定期对拼缝处表面和底面模具的气密性、导热进行检验。

7 结论

根据叶片的分段要求進行了模具的钢架、模具结构、模具加热方式的设计和分析，表明了分段模具是行之有效的方法。节约模具制作成本和周期，节约制作多种不同叶形模具的成本和制作周期，节约模具的运输成本和周期，同时大大提升模具的适用性。为模具设计和生产工艺提供了可靠依据。

参考文献

[1] 李良君.风力发电叶片模具制造[J].产业与科技论坛，2013，12（18）：92-93.

[2] 许蕾，薛浩鹏，蒋成益.大功率风电叶片模具分段设计[J].天津科技，2014，41（6）：41-43.