大作业-风电叶片最终版

1、材料科学与工程学院论 文 题 目 大型风电叶片复合材料应用 院（系）名 称 材料科学与工程学院 学 生 姓 名 毕嘉宇（39011104） 牛艺蒙（39011105） 刘 艺（39011107） 指 导 教 师 张佐光 老 师 顾轶卓 老 师 李 敏 老 师 2012年 6月 10日大型风电叶片复合材料应用摘要本文针对大型风电叶片夹层结构外壳及主梁，介绍了现有复合材料风电叶片的结构特点、性能要求；阐述了复合材料在风电叶片上的应用及生产现状；分析了其材料体系、制造工艺，并针对目前大型风电叶片生产过程中遇到的一些问题提出解决方案，通过对比得出了较先进且应用广泛的成型工艺；并讨论了复合材料性能测试、

2、评价及影响因素。关键词：风电叶片；复合材料；制造工艺；性能测试AbstractThis essay focuses on sandwich structure shell for large-scale wind turbine blades and the main beam, introducing the structural characteristics and performance requirements of the existing composite wind turbine blades; describing the application and productio

3、n status of the composite wind turbine blades; analyzing the material system, manufacturing process. Also we propose solutions for some of the problems encountered in the production process of the large-scale wind turbine blades, obtained the more advanced and widely used molding process by comparis

4、on; and the performance testing of composite materials and influencing factors of such materials are also discussed.Key words：wind turbine blades; composite materials; manufacturing process; performance testI目录摘要IABSTRACTII1、风电叶片结构特点及国内外应用情况11.1风电叶片夹层结构的特点与性能要求11.2复合材料在风电叶片结构中的应用实例31.2.1使用可回收再利用热塑性塑

5、料的风涡轮叶片31.2.2 碳纳米管增强聚氨酯风电叶片的研制31.3 复合材料风电叶片待解决的问题及发展趋势42、复合材料原材料选择52.1风机叶片材料的发展52.2风机叶片的结构与材料选择原则62.3增强体材料的选择82.3.1强化材料82.3.2填充纤维材料92.4基体树脂材料的选择92.4.1树脂基体92.4.2基体材料填充剂103、复合材料制造工艺设计与评估103.1手糊工艺103.2树脂传递模塑（RTM）113.3拉挤工艺123.4缠绕工艺143.5高压真空浸渍树脂工艺153.6真空树脂灌注工艺（VIP）163.7预浸料工艺183.8SPRINT技术193.9制造工艺综述203.9.

6、1制造工艺的总结203.9.2两种先进工艺的评估213.9.3国内外制造工艺的对比214、复合材料关键性能测试及评价224.1.2叶片的静力设计234.1.3叶片应变分布测量244.1.4抗损伤性能测量254.1.5叶片挠度变形测量254.1.6叶片的耐环境性评定264.2测试方法264.2.1复合材料的测试方法264.3 影响性能的主要因素274.3.1设计因素对风电叶片影响274.3.2制造因素对风电叶片影响284.3.3检测因素对风电叶片影响29参考文献301、风电叶片结构特点及国内外应用情况随着世界能源危机的日益严重，以及公众对于改善生态环境要求的呼声日益高涨，风能作为一种清洁的可再生

7、能源日益受到各国政府的重视。目前，全世界约有50 个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规，对风电发展起到了至关重要的作用，风力发电产业正逐步发展成为初具规模的新兴产业。目前，各国正加快对风力发电机组的研究步伐，不断推出新的技术装备潘艺,周鹏展,王进. 风力发电机叶片技术发展概述J.湖南工业大学学报,2007,5(3).。1.1风电叶片夹层结构的特点与性能要求风力发电机组是由叶片、传动系统、发电机、储能设备、塔架及电器系统等组成的发电装置,如图1。要获得较大的风力发电功率，其关键在于要具有能轻快旋转的叶片。所以，风力发电机叶片技术是风力发电机组的核心技术。风力发电机的风轮叶片是接受风能的主

8、要部件。叶片的设计除了要求有高效的接受风能的翼型，合理的安装角，科学的升阻比、尖速比和叶片扭角外，叶片系列的参数见表1。由于叶片直接迎风获得风能，所以还要求叶片具有合理的结构、优质的材料和先进的工艺以使叶片可靠的承担风力、叶片自重、离心力等给予叶片的各种弯矩、拉力，而且还要要求叶片质量轻、结构强度高、抗疲劳强度高、运行安全可靠、易于安装、维修方便、制造容易、制造成本和使用成本低。另外叶片表面要光滑以减少叶片转动时与空气的摩擦阻力。因此叶片技术成为制约风力发电大力发展的瓶颈。纺织复合材料在比强度、比刚度方面具有金属材料无可比拟的优越性，加之他们耐疲劳、结构稳定、抗腐蚀、耐高温等优异性能。因此，复

9、合材料成为目前大型风力发电叶片的首选材料。风力发电叶片用的材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂，并局部采用玻纤或碳纤增强环氧树脂作为主承力结构。总体而言，对同风轮直径叶片采用玻璃纤维增强聚酯树脂作为叶片用复合材料比采用玻璃纤维增强环氧树脂作为叶片材料时，叶片要重不少。而同型号同材料叶片，因控制方式(失速控制与变桨控制)的不同，重量也不一样。图1 风力发电机组及其零部件Marloes Caduff,Mark A.J.Huijbregts,Hans-Joerg Althaus,Althaus,Annette Koehler. Win

10、d Power Electricity: The Bigger the Turbine, The Greener the Electricity?.Environmental Science & Technology,2012,46:4726.表1 叶片系列参数 1.2复合材料在风电叶片结构中的应用实例1.2.1使用可回收再利用热塑性塑料的风涡轮叶片世界上第一个大规模风力设施使用可回收再利用热塑性塑料的风涡轮叶片已经实行了。爱尔兰 Gaoth Tec Teo公司与日本长崎的三菱重工业和与英国Cyclics Corp签署了合作协议来发展风叶片，将透过Cyclics公司的CBT树脂和玻璃纤

11、维补强材料来研发出产品BRADAI GH CONCHUR OFirst recyclable wind blade to be developedlJ1Reinforced plastics，2004,48(10):8.。根据Cyclics公司的报道，已可生产出可再回收利用的风叶片，材料平均同收达19t，这是在产业界史无前例的数据。Cyclics公司认为这项新发展将强调对环保有效益、将持续获得可用的风能并且将改进工作场所的安全性。使用Cyclics公司树脂的涡轮叶片对于目前的制程方式有重大改善， 包括减低系统负荷、制程更快速和更安全、增加的叶片性能和可再回收利用；在初期阶段的项目中将利用Gao

12、th技术制造业设计制造一系列的12.6 m 风涡轮叶片马振基,林育锋. 复合材料在风力发电上的应用发展J.高科技纤维与应用,2005,8(4)：5-6.。这也体现了热塑性树脂的综合风涡轮叶片在全球风涡轮市场的潜力正迅速增长,对节省成本与环保有极大的效益。1.2.2 碳纳米管增强聚氨酯风电叶片的研制为了扩大风力发电规模，更有效地利用风电资源，美国科学家首次制造出了碳纳米管增强聚氨酯风电叶片。与传统材料如玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(GFEP)等相比，碳纳米管增强聚氨酯复合材料重量轻、强度大、耐久性好，可提高涡轮风机的效率，有望成为制造下一代风力发电机叶片的理想材料。测试表明，该碳纳米管增强聚氨酯

13、复合材料单位体积的重量轻于碳纤维增强复合材料和铝，而其抗张强度是碳纤维增强复合材料的5倍、铝的60倍。用其制造的风电叶片的寿命比用GFEP制造的风电叶片长8倍，断裂韧性也优于GFEP风电叶片。这种新型复合材料风电叶片将首先安装在1台400瓦的涡轮风机上进行测试。科学家还将对碳纳米管的分散性进行改进，以提高复合材料的性能。1.3 复合材料风电叶片待解决的问题及发展趋势风电技术发展的一个重要标志是单机容量的增加。在欧洲,尤其是德国、丹麦、西班牙,自1997年以来,风力机组的平均单机容量已经增加了一倍多。其次是减少风场对陆上景观的影响。为适应海上风电的需求,制造商已制造出单机容量为25MW的风力机组

14、,与其配套的复合材料叶片长4060m。在未来10 年,还有可能出现大于5MW机组用的更长的叶片。叶片长度增加势必增加叶片的重量。对1060m长度的叶片进行了统计研究,发现叶片重量按长度的三次方增加,如图 2所示。图2 叶片重量与叶片长度的关系叶片重量对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。由于叶片运行,重力产生交变荷载,使叶片本身及机组产生疲劳。叶片减重可相应减少轮毂、机舱、塔架等结构的重量。对于大型叶片,刚度成为主要问题。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架,叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的重量,又要满足强度与刚度要求,有效的办法是采用碳纤维增强。碳纤维复合材料的弹性模量是GRP的23倍。大型

15、叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。用真空灌注工艺生产碳纤维复合材料存在困难。碳纤维比玻纤更细,表面更大,更难有效浸渍,适用的树脂粘度更低陈宗来,陈余击. 大型风力机复合材料叶片技术及进展A.玻璃钢/复合材料,2005,5(3): 53-56.。今后大型风力机复合材料叶片对碳纤维的需求将是很大的。但推广应用碳纤维必须先解决技术和成本问题。大丝束碳纤维的应用技术研究、真空灌注工艺用树脂体系的配套研究和碳/玻混杂复合材料的研究还有待进一步深入。2、复合材料原材料选择复合材料风机叶片是风力发电系统的关键动部件，直接影响着整个系统的性能，并要具有长期在户外自然环境条件下使用的耐候性和合理的价

16、格。（如图3 为艾飞盛300w风力发电机叶片的实物）因此，叶片材料的选择，设计和制造质量水平十分重要，被视为风力发电系统的关键技术和技术水平代表。2.1风机叶片材料的发展风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。（图4为风电发电系统图）目前，风机叶片所用材料已由木质、帆布等发展为金属（铝合金）、玻璃纤维增强复合材料（玻璃钢）、碳纤维增强复合材料等，其中新型玻璃钢叶片材料因为其重量轻、比强度高、可设计性强、价格比较便宜等因素，开始成为大中型风机叶片材料的主流。然而，随着风机叶片朝着超大型化和轻量化的方向发展，玻璃钢复合材料也开始达到了其使用性能的极限，碳纤维复合材料（CFRP）逐

17、渐应用到超大型风机叶片中。具体而言，由于应用场合的不同，风机叶片材料的选择也会有所不同。一般较小型的叶片（如22 m以下）选用量大价廉的E-玻纤增强塑料（GFRP），树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯酯或环氧树脂；而较大型的叶片（如42 m以上）一般采用CFRP或CF与GF混杂的复合材料，树脂基体以环氧树脂为主。为满足风机叶片的使用要求，目前玻璃纤维也在发生技术革新。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。在相同的尺寸条件下，热塑性复合材料由于密度低，叶片的质量更轻，随之带来安装塔座和发电机质量的减小。但是，该类复合材料的制造工艺技术与传统

18、的热固性复合材料成型工艺差异较大，制造成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力发电叶片的关键问题之一。 图3艾飞盛300w风力发电机叶片 图4风力发电系统2.2风机叶片的结构与材料选择原则风机叶片的结构和材料风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构。结构上分3个部分：第一部分为根部：材质一般为金属。第二部分为外壳：一般为玻璃钢，通常是使用双多轴向织物为增强体与基体树脂复合而成。织物可以具有不同的结构，与不同的材料进行复合，再用树脂进行连结，模塑成半个外壳。一对半个外壳粘在一起形成一个承载外壳，图5所示为纤维增强转子叶片截面图。第三部分为龙骨，即加强筋或加强框，一般为玻璃纤维或碳纤维增强复合材

19、料(如图6)。在基布结构方面，单轴向经编织物、双轴向经编织物和多轴向经编织物作为增强复合材料的基布比经纬交织的机织物具有更明显的优势。这类轴向织物承受载荷的纱线系统按要求排列并绑缚在一起，因此能够处于最佳的承载状态。图7表示了机织物中纱线层与单轴向经编织物中纱线层的比较李祖华. 风力发电现状和复合材料在风机叶片上的应用(2)J.高科技纤维及应用,2008,6(3)：31-32.。除了上述经编轴向织物外，利用纬编绑缚系统开发出纬编多层双轴向织物和纬编多轴向织物，使织物具有较经编绑缚结构更好的可成型性。因此在叶片结构中具有极好的应用前景。风能的转化大小，除了与风速有关外，还与叶轮直径的平方成正比，

20、愈来愈大的叶片对叶片的材料要求愈来愈高，要求由特轻的碳纤维构成，在达到同样刚度、强度的前提下，要求增强基布尽可能轻。例如，一个46m直径的浆叶5年前的单片叶片质量为3 500 kg，而现在采用碳纤维材料，其质量仅为1 600 kg，而使用针织轴向织物的在减重方面比机织物更具有优越性。图5 纤维增强转子叶片截面图图6 典型叶片结构图7 机织物中纱线层与单轴向经编织物中纱线层的比较2.3增强体材料的选择对于同一种基体树脂来讲，采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能。但是，碳纤维的价格目前是玻璃纤维的10左右。由于价格的因素，目前的叶片制

21、造采用的增强材料主要以玻璃纤维为主。随着叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐出现性能方面的不足。为了保证叶片能够安全的承担风温度等外界载荷，风机叶片可以采用玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。2.3.1强化材料强化材料包括：(1)玻璃纤维强化塑料。(2)碳素纤维强化塑料。(3)聚酰亚胺纤维强化塑料。(4)整体性玻璃纤维强化塑料。对于叶片材料性能，除了物理性能以外，还

22、要从成型性能、大批量生产条件和价格等方面予以综合考虑。叶片各种材料性能综合对比见表2童文波. 大型风电设备转轮叶片的制造工艺A.发电设备,2010(4): 289-291.。表2 叶片各种材料性能综合对比项目机械性能成型性能量产条件价格综合评价碳素纤维强化塑料高差少贵好聚酰亚胺纤维强化塑料高差少贵良整体性玻璃纤维强化塑料低好多便宜优由表2可知，碳素纤维和聚酰亚胺纤维强化塑料的机械性能都比整体性玻璃纤维强化塑料优越，而且转轮叶片采用碳素纤维时，运行寿命较长；但是从成型性能和价格方面看，还是整体性玻璃纤维强化塑料优越。目前世界上新增风电机组，特别是大型风轮机组还是以整体性玻璃纤维强化塑料为主流。2

23、.3.2填充纤维材料早期的风轮叶片曾经采用木材、竹子、铝合金等，后来都改用人造材料。现代风轮机转轮叶片的填充纤维材料和机械性能对比见表3。表3 风轮机转轮叶片的填充纤维材料和机械性能对比项目单机容量/KW250300450600100020002400转轮直径/m<323245456060747490叶片长度/m12182026303645填充纤维含量W/%40526064727272填充纤维含量/%14284245545454抗张强度/MPa120200360750920920920杨氏弹性模量/MPa12202535454545由表3可见，当叶片长度达3045 m时，叶片的填充材料和

24、机械性能不再变化。如果容量超过2400 kW时，单机容量与转轮直径分别为：3 500 kW92 m,5 000 k W120m和7300 kW/122 m。2.4基体树脂材料的选择风电叶片中树脂基体的选择也十分重要。聚酯树脂价格低廉，成型工艺性好，但性能一般，环氧树脂则刚好相反，性能较优但价格较高且工艺操作性不好，所以目前成本和性能等介于二者之间的乙烯基树脂被一些叶片制造商大量采用。2.4.1树脂基体风电机组在工作过程中，风机叶片要承受强大的风载荷、气体冲刷、砂石粒子冲击、紫外线照射等外界的作用。为了提高复合材料叶片的承担载荷、耐腐蚀和耐冲刷等性能，必须对树脂基体系统进行精心设计和改进，采用性

25、能优异的环氧树脂代替不饱和聚酯树脂，改善玻璃纤维/树脂界面的粘结性能，提高叶片的承载能力，扩大玻璃纤维在大型叶片中的应用范围。同时，为了提高复合材料叶片在恶劣工作环境中长期使用性能，可以采用耐紫外线辐射的新型环氧树脂系统。2.4.2基体材料填充剂从经济性、作业性、生产性、实用性等多方面考虑，叶片内部填充树脂被广泛采用的主要是不饱和聚酯树脂。但随着风电设备的大型化，对抗压缩强度、抗疲劳强度的要求都很高，长度超过20 m的大型叶片已广泛采用延展性被改善了的不饱和聚酯树脂和延展性、黏结性都很优越的乙烯脂。3、复合材料制造工艺设计与评估随着风力发电机功率的不断提高，安装发电机的塔座和捕捉风能的复合材料

26、叶片做的越来越大。为了保证发电机运行平稳和塔座安全，不仅要求叶片的质量轻也要求叶片的质量分布必须均匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠，且兼顾生产成本。若要满足上述要求，需要相应的成型工艺来保证。现在的叶片成型工艺一般是先在各专用模具上分别成型叶片蒙皮、主梁及其他部件，然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起，合模加压固化后制成整体叶片。戴春晖,刘钧,曾竟成,边力平. 复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策A. 玻璃钢/复合材料, 2008,1：53-56.具体成型工艺又大致可分为八种 ：手糊工艺；树脂传递模塑（RTM）；拉挤工艺；缠绕工艺；高压真空浸渍树脂工艺；真空灌

27、注树脂工艺（VIP）；预浸料工艺模压。SPRINT技术。3.1手糊工艺传统复合材料风力发电机叶片多采用手糊工艺（图8为手糊工艺示意图）制造。手糊工艺的主要特点在于手工操作、开模成型、生产效率低以及树脂固化程度往往偏低，适合产品批量较小、质量均匀性要求较低复合材料制品的生产。图8 手糊工艺示意图手糊工艺生产风机叶片的主要缺点是产品质量对工人的操作熟练程度及环境条件依赖性较大，生产效率低和产品的而且产品质量均匀性波动较大，产品的动静平衡保证性差，废品率较高。特别是对高性能的复杂气动外型和夹芯结构叶片，还往往需要粘接等二次加工，粘接工艺需要粘接平台或型架以确保粘接面的贴合，生产工艺更加复杂和困难。手

28、糊工艺制造的风力发电机叶片在使用过程中出现问题往往是由于工艺过程中的含胶量不均匀、纤维/树脂浸润不良及固化不完全等引起的裂纹、断裂和叶片变形等。此外，手糊工艺往往还会伴有大量有害物质和溶剂的释放，有一定的环境污染问题。3.2树脂传递模塑（RTM）RTM 工艺主要原理（图9为RTM工艺示意图）为首先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体，采用注射设备将专用低粘度注射树脂体系注入闭合模腔，模具具有周边密封和紧固以及注射及排气系统以保证树脂流动顺畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，并且模具有加热系统可进行加热固化而成型复合材料构件。其主要特点有：闭模成型，产品尺寸和外型精度高，适

29、合成型高质量的复合材料整体构件（整个叶片一次成型）；初期投资小(与SMC 及RIM 相比)；制品表面光洁度高；成型效率高（与手糊工艺相比），适合成型年产20000 件左右的复合材料制品；环境污染小(有机挥发份小于50ppm，是唯一符合国际环保要求的复合材料成型工艺)。由此可看出，RTM 工艺属于半机械化的复合材料成型工艺，工人只需将设计好的干纤维预成型体放到模具中并合模，随后的工艺则完全靠模具和注射系统来完成和保证，没有任何树脂的暴露，并因而对工人的技术和环境的要求远远低于手糊工艺并可有效地控制产品质量。图9 RTM工艺示意图RTM 工艺采用闭模成型工艺，特别适宜一次成型整体的风力发电机叶片（

30、纤维、夹芯和接头等可一次模腔中共成型），而无需二次粘接。与手糊工艺相比，不但节约了粘接工艺的各种工装设备，而且节约了工作时间，提高了生产效率，降低了生产成本。同时由于采用了低粘度树脂浸润纤维以及采用加温固化工艺，大大提高了复合材料质量和生产效率。RTM 工艺生产较少的依赖工人的技术水平，工艺质量仅仅依赖确定好的工艺参数，产品质量易于保证，产品的废品率低于手糊工艺。另外，RTM 工艺的技术含量高于手糊工艺。无论是模具设计和制造、增强材料的设计和铺放、树脂类型的选择与改性、工艺参数（如注射压力、温度、树脂粘度等）的确定与实施，都需要在产品生产前通过计算机模拟分析和实验验证来确定，从而有效保证质量的

31、一致性。这对生产风力发电机叶片这样的动部件十分重要。赵秋晨. 浅谈风力发电机叶片的设计制造工艺J.装备制造,2010,4: 180.3.3拉挤工艺拉挤成型是将连续性的增强材料经树脂浸润后，通过具有截面形状的成型模具，在模腔内固化成型或在模腔内凝胶出模后加热固化，在牵引力机构拉力下，连续牵引拔出无限长的型材制品。拉挤过程成型原理如图10。主要特点为: 制品等截面结构、连续化生产、质量稳定性好、生产效率高。图10 拉挤过程成型原理图1纱架; 2排纱架; 3胶槽; 4预成型模; 5模具; 6牵引装置; 7切割装置; 8成品堆放在垂直轴风力发电机组（图11为其结构示意图，其主要构件包括主轴、支持翼、叶

32、片、发电机、刹车装置、塔架等SOO Yong Lee and GEORGE S Springer. Filament Winding CylindersJ.Journal of Composite Materials,1990,24( 12) : 1270 -1365）中，叶片为鱼骨型不变截面，且不需考虑转子动平衡问题，十分适合采用拉挤工艺生产。表4对手糊工艺与拉挤工艺应用于垂直轴风机叶片的优缺点进行了比较刘森川,王秋野,王海芳. 拉挤复合材料在H 型垂直轴风机叶片上的应用J.纤维复合材料,2011,3(1):35-37.。用拉挤成型工艺生产复合材料叶片可实现工业化连续生产，产品无需后期修整，

33、质量一致，无需检测动平衡，成品率95 %，用拉挤成型工艺方法生产复合材料叶片与其他成型工艺方法生产的复合材料叶片相比，成本可降低40%，销售价格降低50%。拉挤工艺对材料的配方和拉制工艺过程要求非常严格，国际上目前只能拉挤出600700mm宽的叶片，用于千瓦级风力发电机上。我国目前已研制成功用于兆瓦级垂直轴风力发电机的叶片，截面尺寸为1400 x 252mm，壁厚6mm，长度为80120m,属于薄壁中空超大型型材。图11 H 型垂直轴风机结构图1主轴; 2支持翼; 3叶片; 4刹车装置;5发电机; 6塔架表4 不同工艺叶片的比较手糊工艺拉挤工艺成本主要取决于人工成本大批量生产时成本较低效率研制

34、及少量生产时具有较高的效率大批量生产时具有较高的效率结构强度可以设计铺层，进行强度补强，但制品孔隙率较高横向结构强度弱，可以引入玻纤布织物进行加强密度约为1.7g/约为2.0g/风机叶片受力情况复杂，其中最危险的是最高转速下的运行工况和安全风速时的刹车工况10，两种情况都对叶片横向强度提出了一定要求，而拉挤产品最大的缺点就是横向强度低。拉挤工艺的主要解决办法是在制品中合理引入玻璃纤维布或毡，从而使制品在横向上也有纤维分布，增加制品的横向强度。另外，风机叶片是捕获风能的重要部件，要求轻质高强，因此，拉挤制品必须要求在保证力学性能的前提下重量尽可能的轻。设计生产薄壁拉挤产品是比较合理的选择，但这也

35、给拉挤工艺带来了一些问题。3.4缠绕工艺缠绕成型工艺，是将连续纤维或带浸胶之后，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后经过加温或常温固化，制成一定形状的制品。能够按制品的受力状况设计缠绕规律，以充分发挥纤维的强度，比强度高。一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比，重量可减轻40%60%，可靠性高。且纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产，工艺条件确定后，缠出来的产品质量稳定、精确，生产效率高。采用机械化或自动化生产，只需少数操作工人，缠绕速度快（240m/min），成本低。在同一产品上，可合理配选若干种材料（包括树脂、纤维和内衬），使其再复合以达到最佳的技术经济效果。但叶片的非回转体

36、复杂特征限制了纤维缠绕技术在叶片成型工艺中的应用韩振宇,孟庆鑫,富宏亚. 风力叶片的纤维缠绕设计A.玻璃钢/复合材料,2007,7: 38-41.。（引用文献：风力叶片的纤维缠绕设计）美国生产的WTS-4型风力机叶片即采用了这种方法，（图12为其成型过程Povl Brondsted, Hans Lilholt, and Aage Lystrup. Composite Materials Forwind Power Turbine BladesJ. Annu. Rev. Mater. Res. 2005. 35:50538）单片叶片长度达39m，重13t，其生产过程是完全自动化的。由计算机控制的

37、缠绕设备非常复杂，它有五种功能，即移动台架、转动芯轴、伸缩工作臂、升降杆臂以及变动缠绕角。国外大型风机叶片大多采用复合材料D型主梁或O型主梁与复合材料壳体组合的结构形式。该种结构的大型叶片一般采用分别缠绕成型D型或O型主梁、真空灌注成型壳体然后靠胶接组合成整体的工艺方法。图12 缠绕成型过程 3.5高压真空浸渍树脂工艺大型叶片可采用高压真空浸渍树脂的现代制造工艺。叶片外壳由三部分构成：能够承受高压真空负压作用的薄膜，能够吸入浸渍树脂的扩散层，成型后容易脱模的剥离层。大型叶片外壳可以分半制作，即两个半瓣的叶片分别在模具上成型固化。固化成型的叶片内部填充以作为基材的强化玻璃丝纤维编织物等材料。对于

38、长度为20 m的小型叶片，采用手工编织、浸渍方法，填充纤维质量含量为4050；长度为27 m的大型叶片时，采用真空浸渍法制作，填充纤维质量含量达到6575。高压真空浸渍树脂的具体过程如下：将放置在成型模具上的叶片(内部已填充基材)进行密封，只在两端留有小孔，叶片根部小孔作为注入浸渍树脂的入口叶片尖端小孔作为抽取真空用的出口。在高真空负压作用下，浸渍树脂由叶片根部小孔不断抽人，穿过内部填充的强化玻璃丝纤维编织物等积层材料，被抽到叶片尖端，包括叶片外壳内侧的浸渍树脂扩散层部分，使浸渍树脂与外壳内层也紧密黏结，成为没有任何气泡和空隙的密集实体。对放成型模具上的并经过真空浸渍的整根叶片进行烘烤，固化成

39、型，最后叶片表面涂以性能较高的防蚀涂料7。3.6真空树脂灌注工艺（VIP）真空树脂灌注工艺（Vacuum infusion process），简称VIP，在模具上铺“干”增强材料（玻璃纤维、碳纤维、夹心材料等），然后用真空袋进行密封，并将体系抽至真空状态，在模具型腔中形成一个负压，再利用真空产生的压力把树脂通过预铺的管路压入纤维层中，让树脂浸润增强材料最后充满整个模具。Correia NC,Robit aille F,Long A C. Analysis of the vacuum infusion molding process J.Analytical formulation Compos

40、ites,2005(3): 1645- 1656.纤维灌注的速度和距离取决于以下因素:树脂系统的黏度、增强纤维的渗透性、灌注树脂的压力梯度。风机叶片因为叶片壳体的几何形状中不存在复杂的结构,而非常适合采用灌注工艺制造。（真空灌注工艺过程示意图13如图所示）图13 真空灌注工艺过程示意图 采用真空灌注工艺制备风力发电转子叶片时，首先把增强材料铺覆在涂敷有脱膜剂的模具上，增强材料的外形和铺层数根据叶片设计确定，在先进的现代化工厂，采用专用的铺放机进行铺层，然后用真空辅助浸渗技术注入基体树脂，真空可以保证树脂能很好地充满到增强材料的每一层和模具的每一个角落。叶片（图14为灌注叶片结构示意图）主要结构

41、承力部件叶梁盖的铺层的大部分是由单向纤维贯穿排布的（从叶根位置扑向叶尖位置）。单向纤维的紧密排布增加了力学性能，但树脂的浸润能力却大幅降低。可以采用的解决方案包括在单向纤维层间铺放增加浸润速度的编织玻纤布或者采用分离式灌注单独制作叶梁、剪腹板，也可以采用分离制作的方法最后进行粘接组装。 一站式灌注方案（如同时灌注叶壳和剪腹板），可以减免二次粘接，但增加了结构的复杂度和灌注的危险性。分离叶壳灌注中叶梁盖、剪腹板的制造，采用平行生产的工艺更加稳定，所以分离制造的方案更适合工厂。图14 灌注叶片结构示意图 为提高夹层结构的灌注效果，可以对芯材稍加改动以增加灌注流动性。通过改变芯材与铺层间树脂的浸润速

42、度，是提高灌注效率的关键因素。可以通过多种方式实现此效果：芯材可以通过开槽、打孔、表面槽、双面切槽等加工方式改变灌注速度。通过选择不同形式的芯材，适应不同的灌注速度，尤其在使用慢速倒流网时也要同时注意选用慢速浸润的芯材配合达到灌注效果。另外，通过优化泡沫浸润结构可以明显提高灌注速度，同时减少了导流网的使用，铺放导流网中滞留的树脂损失也会降低。但同时，更多的开槽、打孔意味着留存更多的树脂，最终结构的整体总量会有所增加。真空灌注工艺相较于传统工艺具有更多优势：更少树脂损耗。用VIP 工艺，树脂的用量可以精确预算，对于手糊或喷射工艺来说，会因操作人员的多变性而难于控制。VIP 可以使得树脂的损耗达到

43、最少，更重要的是，这样可以节约成本。树脂分布均匀。对于一个制品来说，不同部分的真空产生的压力是一致的，因此树脂对玻纤的浸润速度和含量趋于一致。这个对于重量要求稳定的制件是很关键的。过程挥发更少。生产过程中没有刷子或辊子之类，不会造成树脂的泼洒或滴落现象发现，更不会有大量的气味出现。所以它能提供一个干净、安全和友好的工作环境，保护操作者的身心健康。使用单面模具。仅用一面模具就可以得到两面光滑平整的制品，可以较好的控制产品的厚度。更高质量制品。在真空环境下树脂浸润玻纤，与传统制造工艺相比，制品中的气泡极少。体系中不留有多余的树脂，玻纤含量很高，可达到70%，甚至更高。所得制品重量更轻，强度更高。郝

44、志勇. 真空导入工艺在风电叶片领域的应用与研究J. TIANJINSCIENCE& TECHNOLOGY, 2011(3): 28-30综上所述，真空灌注工艺适用于大型叶片的生产和大批量的生产，真空灌注工艺被认为效率高、成本低、质量好因此被广泛采用。3.7预浸料工艺预浸料指的是纤维束或纤维布经过树脂浸润后形成的均匀预固化材料,预固化材料可直接用于复合材料结构如风电叶片的制造。预浸料树脂通常粘度较高,在室温下呈固态,便于操作、切割和在模具中铺层,且不需要导入树脂,减小树脂污染。在模具中铺层完成后,预浸料即可在真空下高温固化,工业用预浸料固化温度通常为80120之间。（图15为预浸料加工的

45、示意图）图15 预浸料加工的示意图预浸料的制造（图16为制造过程）遵循和树脂灌注一样的基本原则:注意工艺温度下树脂体系的粘度、纤维网纱和纤维布的浸润性、压力控制。因此,要浸润纤维布和纤维网纱,必须先降低树脂粘度,再施加一定的压力,同时还要考虑纤维的浸润性。要提高生产线速度，树脂的粘度要低，一定的压力需要施加，纤维或纤维布的浸润性需要考虑。因为预浸料树脂在常温下的高粘度可能达到预浸效果，所以产生了两种截然不同的预浸料制造方式：溶剂稀释树脂；通过加温降低粘度，第二种方式是风能用预浸料的主要制作方法。图16 预浸料的制造过程为了大幅提高预浸料工业成品的产量和价值目标，产线速度须越快越好，这需要大幅提

46、高树脂温度的同时增加预浸压力，成品收卷前需要快速冷却产品。所以生产预浸料的机器需要配备大型加热和压实系统来尽可能提高生产速度。对生产线速度的精确控制对减小预浸料成品缺陷有重要作用。加热熔融的树脂在高温停留较长的时间会产生过量的反应，导致产品变硬、表面粘度降低、使用寿命减少。预浸料通常以卷状形式供应，与灌注和手糊工艺相比，预浸料树脂含量控制准确，树脂性能优异，单向纤维排布方向可控性好且自动化程度高。然而，由于使用高性能树脂，预浸料的储存和运输均需要低温环境；此外，额外的预浸工艺使预浸料比相同重量的树脂加纤维价格昂贵许多，预浸料对工艺温度提出的更高要求也增加了模具成本。但是预浸料工艺具有良好的稳定

47、性和可重复性，自动化程度高，力学性能好，以及良好的碳纤维适用性等优点（碳纤维的灌注难度相对较大）。3.8SPRINT技术SPRINT是预浸料的一个产品门类,是专门针对大尺寸结构部件进行研发设计的。SPRINT是综合了灌注工艺和预浸料工艺的技术优势的一个工艺。SPRINT在纤维和树脂的结合方式上不同于传统的预浸料。在传统的预浸料中,纤维被树脂完全浸润,而SPRINT则是尽量保持纤维层尤其是外层纤维尽量不被浸润。灌注工艺可以制备厚度大,质量高的玻璃钢部件。但是针对大尺寸部件,因为产品尺寸较长存在一定的困难。预浸料工艺采用高性能树脂体系,可以精确控制纤维的排布走向和树脂含量,但在制备较厚的部件时存在

48、难于排气的问题。SPRINT是SP树脂灌注技术的缩写,它采用了先进的预浸料树脂技术去灌注层合板结构5。因为树脂层已经被其他材料增强了,大型部件几乎可以在瞬间被灌注成功。在铺层上直接加以真空辅助可以加速灌注过程（图17为真空铺层结构）。真空可以将增强纤维层中的空气排除,并保证所有的SPRINT都已经完全结合,再通过升温过程使树脂溶化完成对纤维的浸润。图17 SPRINT真空铺层结构3.9制造工艺综述3.9.1制造工艺的总结上述工艺中，手糊工艺 、拉挤工艺、缠绕工艺、高压真空浸渍树脂工艺是开模成型工艺，而树脂传递模塑、真空树脂灌注工艺、预浸料工艺、SPRINT技术是闭模模塑工艺。传统的叶片生产一般

49、采用开模工艺，尤其是手糊方式较多，生产过程中会有大量苯乙烯等挥发性有毒气体产生，给操作者和环境带来危害；另一方面，随着叶片尺寸的增加，为保证发电机运行平稳和塔架安全，这就必须保证叶片轻且质量分布均匀。这就促使叶片生产工艺由开模向闭模发展。采用闭模工艺，如现在热门的真空树脂灌注法，不但可大幅度降低成型过程中苯乙烯的挥发，而且更容易精确控制树脂含量，从而保证复合材料叶片质量分布的均匀性，并可提高叶片的质量稳定性。8目前国外的高质量复合材料风机叶片往往采用RIM、RTM工艺、缠绕工艺及预浸料工艺制造。其中RIM 工艺投资较大，适宜中小尺寸风机叶片的大批量生产（>50,000 片/年）；RTM

50、工艺适宜中小尺寸风机叶片的中等批量生产（5,000-30,000 片/ 年）；缠绕及预浸料工艺适宜大型风机叶片批量生产。9真空树脂灌注工艺和预浸料工艺是其中比较先进且应用较广的工艺，而SPRINT 则是综合了灌注工艺和预浸料工艺的技术优势的一个工艺。3.9.2两种先进工艺的评估预浸料与真空树脂灌注工艺相比，被认为是高成本工艺，因为其材料价格、模具成本、更高的工艺温度、操作环境的要求和低温存储条件。但预浸料带来的是可靠的工艺可重复性，高的自动化生产，优良的力学性能以及更适合制造碳纤维增强材料（真空树脂灌注用于碳纤维材料更加困难）。高力学性能的预浸料容许制造更轻的叶片，更多的好处来自于对整机和叶片

51、的整体优化设计。当叶片尺寸的不断增大，叶片的重量就越来越成为重要考虑因素， 预浸料和真空树脂灌注工艺制造风电叶片已经得到广泛的运用，它们在工艺上各有利弊。3.9.3国内外制造工艺的对比我国叶片的制造厂家由于受市场、技术、材料及资金等方面的影响，大多采用湿法手糊工艺，常温固化。工艺相对简单，不需要加温加压装置。但对于大型的兆瓦级风力机叶片，由于叶片体形庞大，最宽处达300cm左右，最高处大于200cm，传统的手糊成型工艺已不适用。况且手糊成型具有生产效率低、劳动强度大、劳动卫生条件差、产品质量不易控制、性能稳定性不高、产品力学性能较低的缺点。真空树脂灌注技术是解决这一难题的一种新的成型工艺，为国

52、内的叶片成型工艺技术水平的提高和今后兆瓦级风力机叶片的产业化奠定了技术基础。早期国外的叶片成型工艺为手糊工艺，目前已开发出多种较先进的工艺，如预浸料工艺及真空树脂灌注工艺。多用于成型形状复杂的大型厚壁制品，在国外已用于成型大型的叶片。4、复合材料关键性能测试及评价4.1原材料及复合材料的测试项目为了从力学角度正确选择、使用风电叶片夹层结构，合理设计复合材料，需要掌握其力学性能的基本知识，掌握复合材料力学行为的基本规律及有效的试验方法。材料研究常用的力学性能有：拉压强度、模量（纵向考察纤维，横向考察树脂及界面），弯曲强度、模量（组合受力），短梁剪切强度（界面性能），冲击性能（韧性），层间断裂韧性

53、（抗损伤性能）。4.1.1叶片疲劳测试复合材料的铺层由性质完全不同的纤维和基体构成，是非均质的。叶片的疲劳试验用来测定叶片的疲劳特性，实际大小的叶片疲劳试验通常是认证程序的基本部分。疲劳试验时间要长达几个月，检验过程中，要定期的监督、检查以及检验设备的校准。在疲劳试验中有很多种叶片加载方法，载荷可以施加在单点上或多点上，弯曲载荷可施加在单轴、两轴或多轴上，载荷可以是等幅恒频的，也可以是变幅变频的。典型的应力应变-时间曲线如图18疲劳是指结构在低于静态极限强度载荷的重复载 荷作用下，出现断裂破坏的现象。导致疲劳破坏的主要因素如下：( 1 )载荷的循环次数；( 2 )每一个循环的应力幅；图18 典

54、型的应力-应变- 时间图 ( 3 )每一个循环的平均应力；( 4 )存在局部应力集中现象。每种加载方法都有其优缺点。加载方法的选用通常取决于所用的试验设备。主要包括等幅加载、分块加载、变幅加载、单轴加载、多轴加载、多载荷点加载、共振法加载16任国栋. 基于协同仿真的风力发电机叶片的疲劳研究.机床与液压,第38卷,第7期 2010年4月。材料的疲劳特性可用交变应力振幅与载荷作用的循环次数关系S-N曲线表示。如图19图 19 S-N曲线4.1.2叶片的静力设计静力试验用来测定叶片的结构特性，包括硬度数据和应力分布。叶片可用面载荷或集中载荷（单点/多点载荷）来进行加载。静力试验加载通常涉及一个递增加

55、载顺序的应用。对于一个给定的加载顺序，静力试验载荷通常按均匀的步幅施加，或以稳定的控制速率平稳地增加。必要时，可明确规定加载速率与最大载荷等级的数值。通常加载速率应足够慢，以避免载荷波动引起的动态影响，从而改变试验的结果。系统由控制机柜（伺服放大器、加载控制器、控制计算机）、施力塔架（减速机、伺服电机、钢丝绳、卸扣）、采集设备（力传感器、位移传感器）、控制软件组成17 张磊安. 兆瓦级风电叶片静力加载控制系统设计及试验. 中国机械工程 2011年18期。图 20风力发电叶片的简单测试框图许多组合和混合比率是可能的，一般来说,是由纤维、矩阵、建立和界面在这两个组件所以方式排列组合。这个重要的参数

56、是他们相对量,经常描述纤维体积分数和空间定位的纤维18 Composite materials for wind power turbine blades. Annu. Rev. Mater. 2005 35: 505 -38。Ec = · Vf · Ef +Vm · Em,基于纤维复合材料和聚合物基质中列出的属性Em = 3的绩点,m = 100帕,和m =1.2克/立方厘米。复合属性计算从简单的复合理论(法律的混合物);取向因子是1对齐的复合材料和1/3为随机复合材料。如图21图21纤维和复合材料的复合理论数据4.1.3叶片应变分布测量如果需要，可用由置于叶片测试区域上的应变计测量叶片应变水平分布，应变计的位置和方向必须记录。测量的次数取决于试验的叶片（例如叶片的大小、复杂程度、需要测量的区域等）。如果要求从零应力水平获取非线性，则必须使用一片未加载的叶片对应位置上的应变计来补偿其自重力影响。应在叶片表面临界区域