葉片修復(fù)復(fù)合材料

1、風(fēng)機(jī)葉片修復(fù)材料淺談李國利（中國大唐集團(tuán)新能源股份有限公司北京檢修分公司，試驗研究所，赤峰。024000）摘要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長期在惡劣的自然環(huán)境中暴露運(yùn)行，不僅要承受強(qiáng)大的風(fēng)載荷，還要經(jīng) 受氣體沖刷、砂石粒子沖擊，以及強(qiáng)烈的紫外線照射等外界侵蝕。為了提高損傷修復(fù)過程中 所使用復(fù)合材料的載荷、耐腐蝕和耐沖刷等性能，必須對所使用葉片修復(fù)材料中的樹脂基體 系統(tǒng)進(jìn)行精心研究和篩選，對傳統(tǒng)葉片修復(fù)工藝進(jìn)行創(chuàng)新。采用性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂，改善 玻璃纖維/樹脂界面的粘結(jié)性能，提高葉片的承載能力，擴(kuò)大玻璃纖維在大型葉片中的應(yīng)用 范圍；研究結(jié)果表明葉片修復(fù)過程中合理使用的復(fù)合材料完全可以達(dá)到在惡劣工作環(huán)境中長期使

2、用的性能要求。關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電機(jī);葉片；環(huán)氧樹脂引言隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)功率的不斷提高，葉片的質(zhì) 量和尺寸也越來越大，對葉片的要求也越來越高：要 求葉片質(zhì)量輕且分布均勻，外形尺寸精度控制準(zhǔn)確； 具有最佳的疲勞強(qiáng)度和機(jī)械性能，能經(jīng)受暴風(fēng)等極端 惡劣條件和隨機(jī)負(fù)荷的考驗；葉片旋轉(zhuǎn)時的振動頻率 特性曲線正常，傳遞給整個發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷穩(wěn)定性 好；耐腐蝕、抗紫外線照射和抗雷擊的性能好；發(fā)電 成本較低，維護(hù)費(fèi)用最低。葉片的材料越輕、強(qiáng)度和 剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強(qiáng)，葉片就可以 做得越大，它的捕風(fēng)能力也就越強(qiáng)。因此，輕質(zhì)高強(qiáng)、 耐蝕性好、具有可設(shè)計性的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù) 合材料是目前國內(nèi)大型風(fēng)機(jī)

3、葉片生產(chǎn)及修復(fù)的首選 材料本文主要探討了風(fēng)機(jī)葉片生產(chǎn)和修復(fù)過程中所 用的主要材料玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，以及 PVC材料。1片損傷原因為了提高風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率，風(fēng)機(jī)絕大多數(shù)處在地 理、氣候環(huán)境相對惡劣的地區(qū)，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片容 易遭受損傷。其中對于風(fēng)機(jī)葉片發(fā)生故障率最大的損傷原因 是雷擊，而且雷擊往往會給風(fēng)機(jī)葉片帶來較嚴(yán)重的損 傷甚至報廢。其次為風(fēng)沙磨損、酸雨腐蝕，導(dǎo)致葉片表面出現(xiàn) 麻點(diǎn)，影響風(fēng)機(jī)使用壽命。飛鳥撞擊也是造成風(fēng)機(jī)葉片損傷的一大殺手，由 于風(fēng)機(jī)所在地人眼稀少，所以飛鳥較多，飛鳥撞擊往 往會使風(fēng)機(jī)葉片表面大面漆膠衣脫落。另外由于風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量和體積較大，所以運(yùn)輸和 吊裝存在較大難度

4、，不可避免的造成一定程度的損 傷，發(fā)生率較小但若發(fā)生后果不堪設(shè)想，可能直接導(dǎo) 致葉片報廢，不可修復(fù)。最后葉片材料老化也是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片損傷的一 大原因，但是由于材料質(zhì)量在不斷提高，所以發(fā)生概 率會越來越小。2.葉片損傷實例照片圖1風(fēng)沙磨損造成的損傷圖3飛鳥撞擊造成的損傷圖2風(fēng)沙磨損造成的損傷圖4吊裝運(yùn)輸是造成的損傷圖5材料老化自然開裂造成的損傷3葉片損傷部位及概率以裝機(jī)容量為5萬kw的某風(fēng)場33臺某國產(chǎn)風(fēng)機(jī) 為例，巡檢33臺投運(yùn)將近2年風(fēng)機(jī)，其中5臺風(fēng)機(jī) 的5支葉片存在不同程度的損傷，單臺風(fēng)機(jī)葉片出現(xiàn) 故障率高達(dá)15%左右，而且發(fā)現(xiàn)其中3臺風(fēng)機(jī)為葉片 損傷部位在葉尖，葉尖損傷占總?cè)~片損傷概率的6

5、0%。 4葉片修復(fù)的必要性國內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電場遍布大江南北，所處地理條件 和氣候環(huán)境各不相同。北方的低溫、風(fēng)沙、強(qiáng)輻射、 雷雨天氣集中，南方的高溫、高濕、鹽霧、飛鳥多等 都存在各自不同的自然條件。再加上國內(nèi)投運(yùn)風(fēng)機(jī)型 號種類繁多導(dǎo)致所使用葉片的結(jié)構(gòu)、材料更是五花八 門，其綜合性能差異較大，風(fēng)機(jī)選址也經(jīng)常性的為了 提高發(fā)電量而將風(fēng)機(jī)樹立在最高點(diǎn)，而致使風(fēng)機(jī)遭受 雷擊的幾率較高，葉片材料也隨著投運(yùn)時間的增長導(dǎo) 致其各種性能不斷降低而出現(xiàn)不同程度的老化情況。 而且風(fēng)機(jī)總是處在條件惡劣的環(huán)境中，并且24小時的 處于工作狀態(tài)，這就使材料易于受到損害，一旦某一 部位受損，這個部位就成為整支葉片的薄弱所在，如

6、果不停機(jī)及時維修不僅會影響風(fēng)機(jī)發(fā)電量及發(fā)電效 率，而且如果事故擴(kuò)大就會造成葉片折斷、報廢甚至 出現(xiàn)倒塔等一些列不可預(yù)測的嚴(yán)重后果。5葉片修復(fù)材料的重要性高質(zhì)量的葉片修復(fù)=50%的葉片修復(fù)材料質(zhì)量+50% 材料的正確；使用葉片修復(fù)材料主要為環(huán)氧樹脂材 料，而環(huán)氧樹脂的種類更是五花八門，所以正確的選 擇環(huán)氧樹脂材料最為關(guān)鍵。材料的性能上有很大差 異，如使用不慎不僅不能達(dá)到修復(fù)的效果而且還會使 損傷范圍加大，造成不可修復(fù)的嚴(yán)重后果。6葉片修復(fù)材料性能要求惡劣的環(huán)境和長期不停地運(yùn)轉(zhuǎn),對葉片的要求有: 比重輕且具有最佳的疲勞強(qiáng)度和機(jī)械性能，能經(jīng)受 暴風(fēng)等極端惡劣條件和隨機(jī)負(fù)荷的考驗;葉片的玻璃 纖維增強(qiáng)

7、環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彈性、旋轉(zhuǎn)時的慣性及其 振動頻率特性曲線都正常，傳遞給整個發(fā)電系統(tǒng)的負(fù) 荷穩(wěn)定性好;耐腐蝕、紫外線照射和雷擊性能好。但 是隨著風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行時間的增長伴隨著葉片老化出 現(xiàn)損傷，葉片修復(fù)材料必須達(dá)到以致超過出廠時的各 項性能要求要求，葉片的原材料主要由增強(qiáng)材料、環(huán) 氧樹脂、夾芯材料三部分組成。葉片修復(fù)材料6. 1增強(qiáng)材料對于同一種基體樹脂來講，采用玻璃纖維增強(qiáng)的 復(fù)合材料制造的葉片其強(qiáng)度和剛度的性能要差于采 用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的性能。但是， 碳纖維的價格目前是玻璃纖維的10倍左右，由于價格的因素，目前的葉片制造采用的增強(qiáng)材料主要以玻璃 纖維為主。隨著葉片長度不斷增加，

8、葉片對增強(qiáng)材料 的強(qiáng)度和剛性等性能也提出了新的要求，玻璃纖維 在2MW風(fēng)機(jī)復(fù)合材料葉片制造中逐漸出現(xiàn)性能方面 的不足。為了保證葉片能夠安全地承擔(dān)風(fēng)能載荷，風(fēng) 機(jī)葉片可以采用玻璃纖維/碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié) 構(gòu)。但是在葉片修復(fù)過程中由于所用的碳纖維量較少 所以完全可以應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料對 損傷葉片進(jìn)行修復(fù)。6. 2環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂應(yīng)滿足以下基本性能條件：固化方便：選用各種不同的固化劑，環(huán)氧樹脂體系幾 乎可以在0-180C溫度范圍內(nèi)固化。粘附力強(qiáng):環(huán)氧樹脂分子鏈中固有的極性羥基和 醚鍵的存在,使其對各種物質(zhì)具有很高的粘附力。環(huán) 氧樹脂固化時的收縮性低，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小，這也有 助于提高粘附

9、強(qiáng)度；收縮性低:環(huán)氧樹脂和所用的固化劑的反應(yīng)是通 過直接加成反應(yīng)或樹脂分子中環(huán)氧基的開環(huán)聚合反 應(yīng)來進(jìn)行的，沒有水或其它揮發(fā)性副產(chǎn)物放出。它們 和不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂相比，在固化過程中顯 示出很低的收縮性（小于2% ）;力學(xué)性能：固化后的 環(huán)氧樹脂體系具有優(yōu)良的力學(xué)性能。電性能：固化后的環(huán)氧樹脂體系是一種具有高 介電性能、耐表面漏電、耐電弧的優(yōu)良絕緣材料?；瘜W(xué)穩(wěn)定性:通常,固化后的環(huán)氧樹脂體系具有 優(yōu)良的耐堿性、耐酸性和耐溶劑性。像固化環(huán)氧體系 的其它性能一樣,化學(xué)穩(wěn)定性也取決于所選用的樹脂 和固化劑。適當(dāng)?shù)剡x用環(huán)氧樹脂和固化劑，可以使其 具有特殊的化學(xué)穩(wěn)定性能。尺寸穩(wěn)定性:上述的許多性能

10、的綜合，使環(huán)氧樹 脂體系具有突出的尺寸穩(wěn)定性和耐久性。耐霉菌:固化的環(huán)氧樹脂體系耐大多數(shù)霉菌，可 以在苛刻的熱帶條件下使用。6. 3夾芯材料為了提高葉片的剛度同時又能減輕葉片的重量， 在葉片中添加了夾芯材料，常用的夾芯材料有兩種， 一種是輕木，另一種是PVC泡沫。但是不管是哪種夾 芯材料都應(yīng)滿足以下的特點(diǎn)：（1）比重??；（2）有 極高的強(qiáng)度和硬度；（3）比熱小，受氣溫變化影響小; （4）有良好的抗化學(xué)腐蝕性能；（5）有良好的防火 性能；（6）與樹脂有良好的結(jié)合性。7滿足性能要求的材料種類及特點(diǎn)7.1增強(qiáng)材料玻璃纖維增強(qiáng)葉片的受力特點(diǎn)是在玻璃纖維方 向能承受很高的拉應(yīng)力，而其它方向承受的力相對較

11、 小。葉片結(jié)構(gòu)是由蒙皮和腹板組成，蒙皮采用夾芯結(jié) 構(gòu)，中間層是輕木，上下面層為玻璃纖維增強(qiáng)材料。 面層由單向?qū)雍停?5。層組成。單向?qū)涌蛇x用單向 織物或單向玻璃纖維鋪設(shè),一般用7： 1或4： 1玻璃纖 維布，以承受由離心力和氣動彎矩產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。 為簡化成型工藝，可不用45玻璃纖維布層，而采 用1： 1玻璃纖維布，均沿軸向鋪設(shè),以承受主要由扭矩 產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，一般鋪放在單向?qū)油鈧?cè)。腹板的結(jié) 構(gòu)形式也是夾芯結(jié)構(gòu)。但是，在蒙皮與腹板的結(jié)合部 位，即梁帽處必須是實心玻璃纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。這是因為此部分腹板與蒙皮相互作用，應(yīng)力較大，必須保證 蒙皮的強(qiáng)度和剛度。經(jīng)過對長度為10-60m的葉片進(jìn)行 的統(tǒng)計

12、表明，葉片質(zhì)量按長度的三次方增加。葉片輕 量化對運(yùn)行、疲勞壽命、能量輸出有重要的影響。同 時為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具 有足夠的剛度。既要減輕葉片的質(zhì)量,又要滿足強(qiáng)度 與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強(qiáng)材料。碳 纖維增強(qiáng)材料的拉伸彈性模量是玻璃纖維增強(qiáng)材料 的2-3倍。2MW葉片采用碳纖維增強(qiáng)可充分發(fā)揮其高彈 輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過分析，采用碳纖維/玻璃纖維混雜增 強(qiáng)的方案，葉片可減重20%-40%。因此采用碳纖維/玻 璃纖維混雜增強(qiáng)對抑制質(zhì)量的增大是必要的，同時降 低了風(fēng)能成本，葉片也可具有足夠剛性和長度。尤其 是在翼緣等對材料強(qiáng)度和剛度要求較高的部位,使用 碳纖維作為增強(qiáng)材

13、料，這樣不僅可以提高葉片的承載 能力，由于碳纖維具有導(dǎo)電性，及可以有效地避免雷 擊對葉片造成損傷27.2環(huán)氧樹脂根據(jù)分子結(jié)構(gòu)，環(huán)氧樹脂大體上可分為五大類： 縮水甘油醚類環(huán)氧樹脂、縮水甘油酯類環(huán)氧樹 脂、縮水甘油胺類環(huán)氧樹脂、線型脂肪族類環(huán)氧樹脂 和脂環(huán)族類環(huán)氧樹脂。復(fù)合材料工業(yè)上使用量最大的環(huán)氧樹脂品種是 縮水甘油醚類環(huán)氧樹脂，而其中又以二酚基丙烷型 環(huán)氧樹脂(簡稱雙酚入型環(huán)氧樹脂)為主。二酚基丙烷 型環(huán)氧樹脂實際上是含不同聚合度的分子的混合物。 其中大多數(shù)的分子是含有兩個環(huán)氧基端的線型結(jié)構(gòu)。 少數(shù)分子可能支化，極少數(shù)分子終止的基團(tuán)是氯醇 基團(tuán)而不是環(huán)氧基。因此環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基含量、氯 含量等

14、對樹脂的固化及固化物的性能有很大的影響。環(huán)氧樹脂的控制指標(biāo)如下：環(huán)氧值：環(huán)氧值是鑒別環(huán)氧樹脂性質(zhì)的最主要 的指標(biāo)，環(huán)氧樹脂型號就是按環(huán)氧值不同來區(qū)分的。 環(huán)氧值是指每100g樹脂中所含環(huán)氧基的物質(zhì)的量 數(shù)。環(huán)氧值的倒數(shù)乘以100就稱之為環(huán)氧當(dāng)量。環(huán)氧 當(dāng)量的含義為含有1mol環(huán)氧基的環(huán)氧樹脂的克數(shù)； 無機(jī)氯含量：樹脂中的氯離子能與胺類固化劑 起絡(luò)合作用而影響樹脂的固化，同時也影響固化樹脂 的電性能，因此氯含量是環(huán)氧樹脂的一項重要指標(biāo)； 有機(jī)氯含量：樹脂中的有機(jī)氯含量標(biāo)志著分子 中未起閉環(huán)反應(yīng)的那部分氯醇基團(tuán)的含量,其含量應(yīng) 盡可能地降低，否則也會影響樹脂的固化及固化物的 性能;與其粘度或軟化點(diǎn)

15、。應(yīng)用于2MW風(fēng)機(jī)復(fù)合材料葉片的環(huán)氧樹脂，最好 選用高環(huán)氧值(0. 40)的樹脂，如618、6101,其滲透 性好，強(qiáng)度較好。環(huán)氧樹脂一般和添加物同時使用， 以獲得應(yīng)用價值。添加物可按不同用途加以選擇，常 用添加物有以下幾類：固化劑、改性劑、填料、稀釋 劑等。固化劑是必不可少的添加物,選用加溫固化的 固化劑，一般用酸酐、芳香類固化劑;改性劑的作用是 為了改善環(huán)氧樹脂的柔性、抗剪、抗彎、抗沖、提高 絕緣性能等。常用改性劑有：聚硫橡膠、聚乙烯醇叔 丁醛、丁腈橡膠類、酚醛樹脂類、聚酯樹脂、尿醛三 聚氰胺樹脂等。7.3夾芯材料輕木，又稱南美輕木、巴爾沙木，它是由緊密排列的細(xì)胞結(jié)構(gòu)組成的，經(jīng)過烘焙，殺菌

16、處理，具有 輕質(zhì)高強(qiáng)等特點(diǎn)。是目前葉片夾芯材料中最優(yōu)的選 擇。另外考慮材料價格PVC與PE材料也是不錯的選擇， 它具有以下幾項共同優(yōu)點(diǎn)：（1）極高的強(qiáng)度-重量比； （2）突出的抗壓縮性能；（3）良好的面板粘接性能； （4）操作簡單，工藝性好；（5）良好的絕熱、隔音 性能；（6）高抗沖擊性和抗疲勞性；（7）良好的阻燃、 低煙密度和煙毒性；（8）優(yōu)良的耐水性能；（9）操作 溫度范圍達(dá)到-212C-163C。結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計是使夾芯結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳性能的 關(guān)鍵。綜合考慮夾心層厚度、玻璃纖維類型、玻璃纖 維厚度和輔層技術(shù)等方面，并配合計算機(jī)輔助設(shè)計， 設(shè)計出最佳的、科學(xué)的方案。先根據(jù)設(shè)計鋪層將輕木 預(yù)先裁剪

17、為各種輪廓板。為了便于鋪層的粘接，在鋪 放輪廓板之前可以用樹脂對輪廓板進(jìn)行預(yù)浸,并將這 部分預(yù)浸樹脂的重量計算到玻璃纖維和樹脂的重量 比中。為了獲得高質(zhì)量產(chǎn)品，最重要的是要保持鋪層 厚度的平衡，否則三明治結(jié)構(gòu)不可能達(dá)到最佳的結(jié) 構(gòu)性能。8未來所使用的修復(fù)材料優(yōu)勢碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片修補(bǔ)中應(yīng)用的優(yōu)勢：（1）提高葉片受損處剛度，減輕葉片增重。碳 纖維的密度比玻璃纖維小約30%,強(qiáng)度大40%,碳纖 維復(fù)合材料葉片剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的兩 倍。使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡，提高風(fēng)能利用 效率。（2）提高葉片抗疲勞性能。風(fēng)機(jī)總是處在條件 惡劣的環(huán)境中，并且24小時的處于工作狀態(tài)。這就使 材料易于受到損害。一旦某一部位受損，這個部位就 成為整支葉片的薄弱所在。實驗表明，在原有玻纖材 料葉片受損后采用碳纖維替代修復(fù)，抗疲勞特性更 好，當(dāng)與樹脂材料混合后，則成為了該支葉片最堅固 部位所在。（3）具有振動阻尼特性。碳纖維的振動阻尼特 性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發(fā)生任何共 振的可能性。使得葉片受損處減少因震動而造成的開 裂。9結(jié)論綜上所述，為了高質(zhì)量的修復(fù)復(fù)合材料葉片以達(dá) 到出廠時的各項標(biāo)準(zhǔn)，需選用合適的原材料、鋪層方 案、制造工藝，才可達(dá)到修復(fù)后的葉片