大型风电叶片模具型面控制研究.pdf

２０１４年第２期玻璃钢／复合材料５３大型风电叶片模具型面控制研究李义全，逄增凯，孟占广，朱坤（北京玻钢院复合材料有限公司，北京１０２１０１）摘要：随着风电产业的发展，风电叶片已由原来的ｋＷ级发展到现在的６ＭＷ级，甚至更大。风电叶片模具一直采用玻璃钢复合材料，成型工艺采用真空灌注成型。模具长度由最初的ｌＯｍ发展到现在的６０ｍ，甚至更长，其型面精度变得愈加难以控制。风力发电的效率高低直接取决于叶片翼形的准确，这就需要叶片模具的型面尺寸与设计值具有较高的吻合度。因此，本文开展了大型风电叶片模具型面精度控制等相关研究。关键词：叶片模具；型面精度；补偿设计；增强加固；激光跟踪仪中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＫ８３———文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０２００５３０３ｌ引言国内风电产业蓬勃发展、市场巨大，复合材料风电叶片是风力发电机组中能量转化的关键部件，直接影响着整个系统的性能¨“”ｊ。十二五期间，我国风电发展出现两个趋势，一个是从集中式发展转向集中与分散相结合；另一个是从陆上风电转向陆上与海上相结合Ｊ。这不仅带来了技术发展上的新挑战，也更加明确了风电叶片进一步向大型化发展的新趋势Ｊ。而叶片模具是制造风电叶片的最主要设备，现在国内风电叶片产业的规模化和工艺技术水平与国际先进水平存在较大差距。尤其是大型、复杂和高精度模具制造技术的落后，导致国内市场大型叶片极为短缺的现状，并已成为制约风电产业快速发展的瓶颈之一＿８。世界上比较先进的叶片模具型面精度检测技术是激光跟踪仪检测技术，具有精度高、操作简便、可靠性高及携带方便等优势¨。同时可提供准确的动态和静态坐标以及角度测量，是尺寸测量、安装、定位、校正和逆向工程等方面功能强大的计量工具。适合空间大尺寸工件的形状和位置公差的测量、大型机床的检测、工装夹具的标定、动态的装配和机器人空间姿态的标定等¨。其最大测量范围（一次安装时测量半径）为４０ｍ；其探针测量精度为７ｍ之内０．１２５ｍｍ，１５ｍ之内０．１６５ｍｍ，１５ｍ以外０．０９＋５ｍ／ｍｏ本文开展大型风电叶片模具型面精度控制等相关研究，对大型构件复合材料模具型面精度控制设计研发提供指导性意见。叶片模具的型面精度变形存在一些共性，可通过在多套模具型面变形测验数据的基础上总结、改进，以尽可能减少其变形。实验证明，通过对叶片模型进行补偿设计、采用低粘度低收缩的树脂材料、对叶片模具进行局部增强加固以及安装调节装置等方式，能够较好的提高叶片模具型面精度。２叶片模具型面精度控制理论研究叶片模具的型面精度影响主要有叶根基圆的收缩、模具成型时树脂固化收缩以及模具前后缘分模面处的收缩。叶根基圆收缩：以１．５ＭＷ、４２．２ｍ叶片模具为例，其叶根基圆直径为１８９０ｒａｍ，在此基础上进行叶片模具成型，在脱模后进行检验基圆直径收缩为１８８３ｍｍ左右，直径基本上减小７ｒａｍ。模具型面精度：对模具整体进行激光跟踪仪型面精度检测，检测结果偏差±１ｍｍ，其合格率为８０％左右。模具前后缘收缩：对模具前后缘对应整米位置的弦长进行检验，其测验数据基本上比理论数据小２～６ｍｍ左右。—收稿日期：２ｏ１３￣５１７本文作者还有董家宝和张作朝。基金项目：叶片模具结构优化与收缩变形控制（１２ＺＬ￣４）作者简介：李义全（１９７６一），男，硕士在读，工程师，主要从事风力发电配套用叶片模具的研究。量啦施５４大型风电叶片模具型面控制研究２０１４年２月图ｌ模具激光跟踪仪检测结果Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｌａｓｅｒｔｒａｃｋｅｒｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｍｏｌｄ模具叶根基圆的收缩主要是由其形状特征所决定。叶根基圆位置处于模具的叶根端，其端面前后缘呈开放式状态，没有横向拉力约束，使得模具从模型上脱模后基本处于自由状态。另外模具端部截面圆尺寸较大从而易形成一个椭圆，那么就需要对模具基圆位置进行补偿性设计，有意识地对模型放大，以减少其收缩变形的影响。同时需要对模具基圆位进行单独的增强加固，以实现其刚性增强，抵抗横向收缩。根据叶根基圆为正圆的特性，对基圆处设置调节机构，通过对模具基圆位置上下方向施力以撑大其横向截面尺寸ｌＬ１¨。模具型面精度的变形主要归因于模具树脂固化过程中的放热收缩以及脱模后玻璃钢模具不同截面位置刚性不够所致。玻璃钢制品固化收缩是一个共性问题，环氧类树脂其体积收缩率基本上在万分之五左右，因此尽量选用低粘度与低放热峰的模具树脂。另一方面，需要对大型叶片模具的不同截面形状进行分析，实施不同截面的增强方案，避免叶片模具脱模后前后缘位置相对高而轴线位置低的特点。通过布置增强调节机构对模具轴线位置进行顶升调节实现模具整体型面精度的高合格率。对叶片模具的连接钢架进行合理的刚性与强度设计，对钢架与叶片模具玻璃钢本件有效地连接，避免模具加热后固化过程中不同的热膨胀所造成的形变。模具前后缘的收缩最直观的反映就是模具弦长的变化。一方面合理优化叶片模具前后缘处的玻璃钢铺层厚度与流道布置整体增强，另一方面采用刚性较高的金属件进行加固。３叶片模具型面精度控制实验以上述理论研究为基础，对１．５ＭＷ、４５．２ｍ叶薯ＲＣ｜２・｜片模具制作进行改进，两套模具参数如表１所示。表１两套叶片模具参数Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｗｏｂｌａｄｅｍｏｌｄｓ３．１测试条件及设备室温：２５ｃ【＝。湿度：６０％一６２％。测试仪器：ＡＰＩＴ３激光跟踪仪。３．２测试结果通过采用模型补偿设计、模具型面加固增强以及叶根基圆与前后缘调节装置的模具型面精度对比，模具型面数据见表２所示。表２两套叶片模具测量数据对比Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅｔｅｓｔｄａｔｅｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｗｏｂｌａｄｅｍｏｌｄｓ注：ＡＰＩ型面合格率以偏差±ｌｍｍ为基准拟合。不同树脂的体积收缩率和放热峰对模具型面精度的影响，如表３所示。表３三种不同环氧树脂模具型面测量数据对比Ｔａｂｌｅ３Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｔｅｓｔｄａｔｅｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｒｅｅｂｌａｄｅｍｏｕｌｄｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎｓ从表３可以看出，高放热峰的环氧树脂粘度相对较大、固化时间短，对真空灌注用的真空膜耐热性２０１４年第２期玻璃钢／复合材料５５能要求高，对生产工艺的流道布置及操作人员素质要求较高，并且其型面变化相对较大，对于大型叶片模具需采用低放热峰低收缩的环氧树脂。４结论（１）叶片模具型面偏差主要集中在叶根基圆与型面的轴线区域以及前后缘分模面处；（２）采用补偿性设计能有效减少叶根基圆的收缩变形；（３）选用低粘度与低放热峰的环氧树脂并对玻璃钢型面增强加固可以大幅提高叶片模具的整体型面精度。参考文献［１］苏晓，赵靓．未来五年中国风电持续稳步发展［Ｊ］．风能，２０１１，（２１）：２１－２５．［２］刘博，黄争鸣．复合材料风机叶片结构分析与铺层优化［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１２，（１）：３－７．［３］王耀东，何景武，夏盛来．复合材料叶片结构设计中的几个关键问题探讨［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１２，（１）：３４．３８．［４］王欣，薛亚鹏，王晶等．大型风机叶片新材料和新技术的发展［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１ｌ，（３）：５５－５９．『５１周俊旭．大型风力发电机复合材料叶片研制探索ｆＪ］．第十五届玻璃钢／复合材料学术年会论文集，２００３：Ｅ一２０．［６］戴春晖，刘钧，曾竟成等．复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００８，（１）：５３－５６．［７］卢敏．ＭＷ级风电叶片用环氧树脂基复合材料耐候性研究［Ｄ］．湖南：湖南工业大学，２０１２．［８］李军向，薛忠民，王继辉等．大型风轮叶片设计技术的现状与发展趋势［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００８，（１）：４８－５２．［９］陈宗来，陈余岳．大型风力机复合材料叶片技术及进展［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００５，（３）：５３－５６．［１０］ＧｒｉｆｆｉｎＤＡ．Ｃｏｓｔ＆ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｒａｄｅｏｆｆｓｆｏｒｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｍｉｎｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓ［Ｊ］．ＳＡＭＰＥＪｏｕｒｎａｌ，２００４，４０（４）：１５－ｌ９．［１１］陈炜，陈红辉，谢俊等．基于回弹补偿的模具型面设计研究方法［Ｊ］．锻压技术，２００８，３３（６）：８６－９０．［１２］王本日．模具型面精加工的误差分析［Ｊ］．上海电气技术，２０１２，５（３）：６－１３．［１３］胡美些，王宁，郭小东．ＲＴＭ用低粘度高性能环氧树脂基体的研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００７，（１）：３３－３５．［１４］袁淮州．ＲＴＭ玻璃钢模具尺寸与模腔厚度的控制方法［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００１，（１）：２２－２３．［１５］郑学森，朱姝，翟国芳．ＳＭＣ制件精度的影响因素［Ｊ］．纤维复合材料，２００６，２３（３）：２４－２６．［１６］孙小英，曹瑞军，范圣强．低体积收缩率光固化树脂的研究［Ｊ］．西安交通大学学报，２００２，３６（７）：７６５－７６７．［１７］黄家康．复合材料成型技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社．１９９９．’ＲＥＳＥＡＲＣＨｏＳＵＲＦＡＣＥＣｏＴＲｏＬ０ＬＡＲＧＥＷＩＤＴＵＲＢｌＮＥＢＬＡＤＥＭＵＬＤ—ＬＩＹｉｑｕａｎ，ＰＡＮＧＺｅｎｇ－ｋａｉ，ＭＥＮＧＺｈａｎ－ｇｕａｎｇ，ＺＨＵＫｕｎ（ＢｅｉｊｉｎｇＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗｉｎｄｐｏｗｅｒｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｈａｄｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｒｏｍｔｈｅｏｒｉｇｉ－ｎａｌｋＷｔｏｔｈｅｌａｔｅｓｔ６ＭＷｏｒｍｏｒｅ．Ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｍｏｌｄｗａｓｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｆｒｏｍｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｗｉｔｈｖａｃｕｕｍｉｎｆｕｓｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｍｏｌｄｌｅｎｇｔｈｗａｓｆｒｏｍｔｈｅｉｎｉｔｉａｌ１０ｍｔｏ６０ｍｏｒｌｏｎｇｅｒ，ａｎｄｔｈｅｓｕｒｆａｃｅａｃｃｕｒａｃｙｂｅ－ｃａｍｅｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｗｉｎｄｐｏｗｅｒｄｅｐｅｎｄｅｄｄｉｒｅｃｔｌｙｏｎｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｂｌａｄｅｗｉｎｇ．Ｓｏｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙｏｆｍｏｌｄｓｕｒｆａｃｅｗａｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｆｏｒｔｈｅｍｏｕｌｄｔｏｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｈｉｇｈｄｅｇｒｅｅｏｆｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅｆｏｒａｃｔｕａｌｓｉｚｅａｎｄｄｅｓｉｇｎｖａｌｕｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ．ｓｕｒｆａｃｅａｃｃｕｒａｃｙｃｏｎｔｒｏｌｏｆｌａｒｇｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｍｏｕｌｄｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｍｏｌｄ；ｓｕｒｆａｃｅａｃｃｕｒａｃｙ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｌａｓｅｒＴｒａｃｋｅｒ｜｜２一