近年來，風(fēng)電的發(fā)展極大地推動(dòng)了葉片的發(fā)展。不僅開發(fā)低風(fēng)速風(fēng)電使得葉片越來越長，而且如何將某一功率等級(jí)的葉片在基本保持原重量情況下提升應(yīng)用風(fēng)區(qū)等級(jí)以及研發(fā)更大功率葉片都成為研究的重點(diǎn)。如果仍然使用高模量玻纖做主梁，葉片就會(huì)變得越來越重，帶給機(jī)組的疲勞載荷越來越大，整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性也會(huì)大打折扣。一般來說，使用碳纖維材質(zhì)來做葉片主梁是解決以上問題的常規(guī)手段，但是碳纖維灌注織物或者預(yù)浸料都可能在主梁成型過程中出現(xiàn)嚴(yán)重問題，比如說碳纖維皺褶。為了解決這些問題，一些歐美公司率先開展了使用拉擠碳纖維板材來取代碳纖維織物和預(yù)浸料研究，并在一些型號(hào)上成功批量使用?；诶瓟D思路，拉擠玻璃纖維板材比拉擠碳纖維板材成本更低，近年來也受到越來越多的關(guān)注。

為了將拉擠板材應(yīng)用于風(fēng)電葉片，本文研究了拉擠板材疲勞測(cè)試方法，并根據(jù)GL2010規(guī)范的增加條款測(cè)得了疲勞m值；策劃并實(shí)施了拉擠板材在葉片模具上的鋪設(shè)、灌注工藝試驗(yàn)。兩方面的研究成果表明拉擠板材是否能成功應(yīng)用于風(fēng)電葉片，與葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制要素如剛度、疲勞及葉片外形密切相關(guān)，并且拉擠玻纖板材比拉擠碳纖板材呈現(xiàn)出稍好的工藝特性。此研究成果為拉擠板材在風(fēng)電葉片上批量應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

拉擠復(fù)合材料的基本特性

目前應(yīng)用于風(fēng)電葉片拉擠復(fù)合材料的原材料可以分為如下兩大類：

（1）增強(qiáng)材料：拉擠用無捻玻璃纖維、碳纖維；

（2）基體材料：環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、聚氨酯樹脂。

拉擠復(fù)合材料的0度方向的性能如此高的一個(gè)重要原因是其纖維波浪高寬比能夠低于1∶250，相比手糊、灌注工藝，拉擠工藝能夠較多地提高纖維直線度。此特點(diǎn)奠定了拉擠復(fù)合材料在風(fēng)電葉片上大量應(yīng)用的基礎(chǔ)。相反如果是碳纖維發(fā)生皺褶，很容易發(fā)生事故。據(jù)報(bào)道，國外一支1.8MW葉片因?yàn)樘祭w維皺褶而發(fā)生斷裂。

表1 NEPTCO公司的RodPack產(chǎn)品與普通、高模量纖維灌注產(chǎn)品性能對(duì)比

表2 不同工藝碳纖維制品性能對(duì)比

目前在國外，生產(chǎn)風(fēng)電葉片用拉擠復(fù)合材料的公司主要有：丹麥的Fiberline、法國的EPSILON COMPOSITE、美國的NEPTCO和ZOLTEK。

拉擠復(fù)合材料板材靜載及疲勞研究

對(duì)于風(fēng)電葉片，拉擠復(fù)合材料板材是全新材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)按照GL2010要求的項(xiàng)目測(cè)試其靜載機(jī)械性能。拉擠玻璃纖維板材及拉擠碳纖維板材的纖維體積含量都達(dá)到約69%，前者超出了GL2010標(biāo)準(zhǔn)中免疲勞測(cè)試范圍30%～55%；后者也超出了免疲勞測(cè)試范圍50%～60%，所以兩種新材料必須要經(jīng)過疲勞測(cè)試獲得實(shí)際的疲勞m值才能進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)認(rèn)證。

一、測(cè)試方法

拉擠復(fù)合材料板材的截面尺寸來自于拉擠模具，一旦模具定型，不像真空灌注工藝那樣容易控制測(cè)試樣條的厚度。如果直接用此拉擠板材來做靜載和疲勞測(cè)試，可能會(huì)超出對(duì)應(yīng)設(shè)備的載荷能力，所以必須進(jìn)行加工。但是一般的機(jī)械加工可能會(huì)導(dǎo)致尺寸、形狀不精確，測(cè)出的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。所以對(duì)于拉擠復(fù)合材料板材的靜載、疲勞測(cè)試需要特殊設(shè)計(jì)的樣條形狀，如雙曲線，另外還需要有精細(xì)、精確的加工才能進(jìn)行完美的測(cè)試（圖1）。

因?yàn)槔瓟D板材的強(qiáng)度和模量比灌注材料的高，在做疲勞測(cè)試時(shí)，斷裂失效點(diǎn)極有可能發(fā)生在夾頭處。如果發(fā)生這樣的情況，應(yīng)將此樣條剔除，否則所得數(shù)據(jù)不能真正反映拉擠板材的性能。

二、測(cè)試結(jié)果

在纖維足夠平直的情況下，碳纖維的測(cè)試疲勞m值（slope parameter in GL2010）能超過30，而GL2010標(biāo)準(zhǔn)要求使用的m值是14，有較多富余。對(duì)葉片的應(yīng)用范圍沒有限制。

而拉擠玻璃纖維卻顯得問題突出。經(jīng)過測(cè)試一型號(hào)玻璃纖維+聚氨酯拉擠板材，其m值只能達(dá)到8.4，遠(yuǎn)低于DNVGL所要求的普通玻璃纖維玻璃鋼m值10，也就是說這種材料的疲勞壽命衰減更厲害。當(dāng)然m值低并不代表此種拉擠板材不能使用，其最好的應(yīng)用場合是主梁疲勞富余量非常大、剛度要求非常高的葉片。

拉擠板材隨形性研究

拉擠板材是平板，而葉片模具是完全的曲面，理論上說平板和曲面之間是有縫隙的。本文中的隨形性是指拉擠板材與葉片模具貼合的程度。完全貼合，隨形性最好。本文分別研究了葉片長度和寬度的隨形性。

一、葉片長度方向隨形性

目前國內(nèi)大多數(shù)大型葉片帶有較大預(yù)彎。有的預(yù)彎只集中在葉片中部到尖部區(qū)域，這使得高剛度的碳纖維板材難以在葉片長度方向隨形。解決辦法是縮小拉擠碳纖維板的截面積，降低板材剛度，提高隨形性。

相比之下，玻璃纖維的模量大概只有碳纖維拉擠板材的1/3，因此，拉擠玻璃纖維板材表現(xiàn)更軟，具有更高的隨形性。圖2為拉擠玻璃纖維板材在一款葉片主模內(nèi)試鋪設(shè)情況：板材與模具表面貼合較好，板材之間的縫隙也較小。

如果在葉片設(shè)計(jì)之初選用拉擠板，葉片外形可趨向于小預(yù)彎，整個(gè)長度平滑預(yù)彎，使得拉擠板材更容易與葉片模具貼合。

二、葉片寬度方向的隨形性

目前國內(nèi)葉片在設(shè)計(jì)之初基本上都是以玻璃纖維來設(shè)計(jì)的。葉片中部到尖部段翼型橫向彎度大，拉擠板材橫向隨形性差。這可能引出另外兩個(gè)問題：

1.需要在板材的下方墊一些玻璃布，以減小間隙，最后導(dǎo)致增加額外重量和復(fù)雜的操作；

圖1 雙曲線拉擠玻璃纖維樣板

圖2 拉擠玻璃纖維板材在模具內(nèi)鋪設(shè)情況

2.另外增加了主梁灌注的難度及不確定性，而且這種灌注缺陷是難于檢測(cè)的。圖3是用拉擠玻璃纖維板材按照原設(shè)計(jì)主梁寬度做的主梁中部段的灌注實(shí)驗(yàn)，從剖面中看有較多的縫隙，且未充滿樹脂。

改善橫向隨形性主要有三種方法：

（1）改變?nèi)~片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將寬主梁改變成兩條窄主梁，且兩條窄主梁之間用芯材填充。

（2）根據(jù)葉片的幾何外形，重新定義拉擠板材的優(yōu)化寬度。

（3）如果在葉片設(shè)計(jì)之初選用拉擠板材，可在葉片的中部到尖部段使用一些相對(duì)厚度更薄的翼型，葉片寬度方向比較平坦，便于拉擠板材橫向隨形。

攝影：何海青

總結(jié)

圖3 玻璃纖維板材灌注主梁截面

通過研究，需要根據(jù)拉擠片材實(shí)際測(cè)定的疲勞m值來設(shè)計(jì)葉片。碳纖維拉擠板材的適應(yīng)性更廣，拉擠玻璃纖維板材因其疲勞m值稍小，其最好的應(yīng)用場合是主梁疲勞富余量非常大、剛度要求非常高的葉片。在具體應(yīng)用中，兩種拉擠片材都面臨不貼合葉片外形的困難，最好的方法是從葉片設(shè)計(jì)外形時(shí)就考慮，以獲得最好的隨形性。由于拉擠玻纖板材的剛度稍小，表現(xiàn)出稍好的工藝特性。

雖然兩種拉擠板材本身都是非常好的材料，但是在葉片上批量應(yīng)用仍面臨很多挑戰(zhàn)，還需要做更多灌注工藝試驗(yàn)、灌注穩(wěn)定性研究、灌注缺陷探測(cè)研究、灌注缺陷修復(fù)等相關(guān)研究。