泡沫芯材開槽打孔方式對風電葉片輕量化的影響

楊蕾 ，李天凱 ，譚伯楊 ，趙虎

( 明陽智慧能源集團股份公司，廣東 中山 528400)

隨著風電葉片向著10 MW 級以上發展，葉片的重量更大，所受載荷更多，其不僅對氣動、結構提出更高的剛度及強度等要求，而且對材料、工藝的技術要求愈發嚴格；葉片的發電量與葉片長度的平方成正比，而其長度與葉片重量成3 次方關系，因此提高發電量的同時，設法降低葉片重量及成本，成為設計、材料、工藝均需考慮的重要議題[1～2]。

目前，行業內對葉片輕量化的研究主要集中在材料迭代、新材料的引入及設計優化方面，如碳纖維由于密度小、強度大、模量高，在葉片中使用可充分發揮其高強輕質的優點，應用于葉片主梁、前緣梁及尾緣梁等處，可減輕葉片重量，提高葉片剛度及抗疲勞性能[3～5]。有研究表明，碳納米管的引入對葉片聚合物的增強效應更加明顯，其質量更輕，強度、韌性及耐久性比傳統材料制備的葉片高很多[6～7]；王子文等基于彎扭耦合葉片相比于非彎扭耦合葉片外部載荷、內應力更小的特點，通過減少鋪層厚度使葉片輕量化，并經過強度及模態校核發現，葉片安全可靠[8]；朱杰等基于拓撲與尺寸優化設計相結合的方法，調整梁帽、腹板等結構的位置及結構尺寸，將葉片質量減輕了12.4%，減重效果較好[9]。

影響葉片重量的因素很多，隨著百米級葉片的發展，當前材料的迭代與設計的優化已接近瓶頸，如目前廣泛使用的E- 玻璃纖維逐漸不能滿足高強度、高模量的要求，S- 玻璃纖維及碳纖維價格高昂，使用范圍有限，無法大面積推廣[10]；另一方面，隨著葉片大型化，對生產過程中工藝及材料的把控、優化變得至關重要，大葉片玻纖、芯材、粘接膠、樹脂等用量大幅增加，生產過程中很容易引入余量，導致葉片重量增加，現有研究較少涉及工藝材料方式變化對葉片輕量化的影響，這對大葉片的減重非常不利[11～15]。

本文著眼于腹板及殼體泡沫芯材的開槽打孔方式，設計不同的槽孔尺寸，聚焦灌注后芯材吸膠量及密度的變化，并對相關剪切性能進行檢測，分析不同的槽孔方式對剪切性能的影響，找出最優的開槽打孔方式，減少葉片樹脂用量，降低葉片重量，以期實現大葉片降本增效的目的，增強大葉片的可持續性發展。

1 試驗部分

1.1 材料及設備

（1）主材：恒石±45° 雙軸玻纖布，惠柏環氧樹脂，維賽PVC 泡沫芯材，試樣尺寸均為500 mm×600 mm×25 mm，具體槽孔設計如表1 所示：其中1#～3#試樣為葉片腹板所用平板泡沫，采用淺開槽及貫穿性打孔方式，孔徑、槽寬及槽深均為2 mm，4#～6#試樣為葉片殼體所用輪廓板泡沫，采用深開槽及貫穿性打孔的方式，孔徑2 mm，槽寬0.8～1.2 mm，留厚為1～2 mm，具體槽間距及開槽打孔方式如下表1 及圖1所示。

圖1 芯材槽孔設計

表1 芯材的孔槽間距及加工方式

（2）輔材：尼龍脫模布、易撕導流網、注膠管、真空袋膜、密封膠條等。

（3）設備：明陽水加熱腹板模具成型平臺，真空抽氣泵，萬能試驗機（CMT5105，100kN）、HS 系列恒定濕熱試驗箱，千分表等。

1.2 試驗方法

（1）試驗按照真空輔助成型工藝（VARI）技術執行，模具預熱40 ℃，鋪設玻纖布、有孔隔離膜及芯材，密封真空袋膜，真空保壓合格后進行灌注，灌注完成，待放熱峰過后升溫至70 ℃，保溫6 h 以完成固化，自然冷卻至室溫狀態，脫模后修邊，完成試樣塊的制作，試驗平臺如圖2 所示；

圖2 VARI 試驗及稱重

（2）吸膠量計算：m1為稱重試驗前芯材重量，單位kg，為別為L、W、H測量芯材灌注前的尺寸長度、寬度、厚度，單位mm ；m2，m3分別為灌注后測量玻璃鋼層合板的重量及芯材、樹脂、玻纖重量；R為計算芯材吸膠量：

（3）剪切樣品按照標準規定的尺寸進行激光線切割，長250mm× 寬50 mm× 厚25 mm，本文選擇G13 葉片軸向及G23 葉片弦向的取樣檢測方向，如圖3 所示，其中1 方向為葉片長度方向，2 方向為葉片弦長方向，3 方向為葉片厚度方向；

圖3 剪切測試取樣方向

（4）剪切測試：①在23±2 ℃，50±10% 的溫濕度環境下調節試樣16 h 以上；②利用激光切割的方式切割樣品，切好后進行表面打磨清潔處理，并與夾具粘接固定；③安裝千分表至夾具上，開始試驗，試驗速度為1 mm/min，當試樣的剪切強度下降至最大剪切強度的90% 時停止試驗，測試按照ISO 1992 標準執行。

2 結果與討論

2.1 芯材吸膠量及對減重的影響

對試驗前后PVC 泡沫芯材，樹脂用量進行稱重，計算單位體積樹脂含量，統計各試樣吸膠量及密度變化如圖4(a) 所示；可知芯材的開槽打孔方式對吸膠量的影響很大，1#～3#腹板平板泡沫中，1#（30×30 mm槽、孔間距，雙面十字淺槽）泡沫芯材吸膠量最多，芯材吸膠后密度最高，2#（20 mm×20 mm 槽、孔間距，雙面一字淺槽）泡沫芯材次之，3#（40 mm×40 mm 槽、孔間距，雙面十字淺槽）泡沫芯材吸膠量最少，吸膠后密度為118 kg/m3；殼體輪廓板4#～6#深開槽試樣中，4#（30 mm×30 mm 槽、孔間距，十字深槽）泡沫芯材吸膠量最多，吸膠后芯材密度最大，5#（30 mm×30 mm 一字深槽及孔間距）吸膠量最少，6#（40 mm×40 mm 十字深槽間距、20 mm×20 mm 孔間距）試樣吸膠量及吸膠后密度介于4#及5#之間。

圖4 不同槽孔方式下芯材吸膠量及減重量的變化

根據不同槽孔方式下泡沫芯材吸膠后密度的變化，以明陽某百米級葉片為例，計算不同開槽打孔方式下，泡沫芯材在腹板及殼體中的減重量如圖4(b) 所示，可知3#試樣在腹板中的減重最明顯，可達186 kg，1#及2#試樣減重效果同樣可觀；殼體泡沫中，減重量由大到小依次為5#、6#及4#試樣，5#試樣減重量高達460 kg，6#試樣減重185 kg ；由上可知，在現有開槽打孔的基礎上，增大孔槽間距或改為一字開槽的方式，可有效降低泡沫芯材樹脂含量及灌注后密度，減輕葉片重量。

2.2 不同槽孔方式下芯材的剪切性能

對不同槽孔方式下的泡沫芯材做剪切測試，如表2、表3 所示，可知泡沫芯材的剪切強度、模量及應變隨開槽打孔方式的不同而變化。在腹板平板泡沫試樣中，2#（20 mm×20 mm 雙面開一字淺槽、打孔）試樣剪切強度及模量最高，這主要與2#試樣打孔密度更高有關；孔中樹脂加熱固化后，分子間交聯形成網狀結構，剛度大、硬度高，類似一個個柱狀增強體，對芯材起到點陣增強的作用[16～17]，如圖5(a) 所示，因此，孔密度的增大提高了相關剪切性能；1#（30 mm×30 mm 雙面開十字淺槽、打孔）及3#（40 mm×40 mm雙面開十字淺槽、打孔）試樣的剪切強度及模量相對較低，兩者相差不多，但均大于設計指標；另外，可發現剪切應變的表現相反，2#試樣的剪切應變最小。

圖5 芯材中不同的增強方式

表2 平板泡沫G13 方向剪切性能對比

表3 輪廓板泡沫G13 方向剪切性能對比

殼體輪廓板試樣中，4#（30 mm×30 mm 開十字深槽、打孔）試樣的剪切模量最高，大于5#（30 mm×30 mm 開一字深槽、打孔）及6#（40 mm×40 mm 開十字深槽、20 mm×20 mm 十字打孔）試樣，但剪切強度表現相反，6#試樣的剪切強度最大，4#最小，這種剪切模量與強度的差異主要與芯材打孔及深開槽的交互作用有關；輪廓板試樣不僅受孔中樹脂的點陣增強作用，而且受深開槽帶來的影響，十字深開槽固化樹脂在芯材中形成了格柵結構，類似于加強筋板的作用[18]，對芯材的剪切性能起到增強的作用，如圖5(b) 所示，因此板格密度更高的4#試樣剪切模量更高；而對于剪切強度的變化，主要是孔中增強柱的影響所致，6#試樣增強柱更密，因此其剪切強度更大，應變更小，但均大于設計要求。

對2#及5#一字開槽試樣G23 方向進行取樣，并對該方向的剪切性能進行測試，如表4 所示，可知對于2#平板試樣，20 mm×20 mm 雙面開一字淺槽、打孔的方式對其G23 方向的剪切性能影響不大，剪切性能均滿足設計要求，且與G13 方向剪切性能相近；但對于30 mm×30 mm 開一字深槽、打孔的5#輪廓板試樣，其剪切強度及模量相比G13 方向下降厲害，且小于設計指標，這說明深開槽形成的板格結構對輪廓板的影響很大，相比于開十字深槽，開一字深槽的方式對輪廓板的增強作用較弱，5#試樣的槽孔方式不能作為減重的選項。

表4 一字開槽平板及輪廓板G23 方向剪切性能

3 結論

本文研究了風電葉片中腹板平板及殼體輪廓板用PVC 泡沫，不同開槽打孔方式下芯材吸膠量及密度的變化，并對其至關重要的剪切性能進行測試，以找出最優減重的槽孔方式，對大葉片輕量化的發展有一定的借鑒指導意義，具體研究結果如下：

（1）芯材的槽、孔間距變化會引起其樹脂用量及密度的變化，造成葉片重量的變化，腹板平板為淺開槽、貫穿孔的方式，主要受到孔間樹脂固化后點陣增強的作用，對葉片減重效果最大為40 mm×40 mm 雙面開十字淺槽、打孔（3#）的方式，且其剪切性能符合相關設計要求；

（2）殼體輪廓板為深開槽、貫穿孔的方式，受到深槽及貫穿孔樹脂固化后格柵增強及點陣增強的雙重影響，減重量最大為30 mm×30 mm 開一字深槽、打孔（5#）的方式，但其G23 方向剪切性能低于設計值，40 mm×40 mm 開十字深槽、20 mm×20 mm 打孔（6#）的方式減重量明顯，剪切性能良好，可作為葉片減重的選項。