风电分段叶片模具组装关键控制技术范文

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摘要:大型风电分段叶片模具成型技术是解决目前大型模具运输困难、降低成本的有效方式和大型模具制造的发展趋势。本文阐述了分段模具组装成型技术中的型面精度控制技术、预膨胀气密技术、温度均匀控制技术这三个关键技术，以某型号分段成型风电叶片模具拼装完成后的测试结果为例，其模具型面精度、气密性、温度均匀性均达到了制作叶片的要求，证明了大型模具分段成型技术的可行性。

关键词:分段成型;型面精度;气密性;温度均匀性

1引言

“三北”地区风电发展已超过并网能力，优质风场逐渐饱和，而南方及沿海城市是电力消耗的主要城市，因此，风力发电逐渐向南方低风速和沿海城市发展。根据风轮叶片空气动力学理论，风电叶片从空气中获取的功率与风轮直径的平方成正比［1］。市场对风轮直径加长的叶片有很大的需求，低兆瓦、大型化是目前风电叶片的发展方向。随着大型风电叶片及配套模具由于发展，叶片和叶片模具的超长、超重成为转运的难题。其的重量相对较低，叶片运输已有专业的旋转及垂直运输车，可降低叶片的直线长度。叶片模具重量是叶片重量的5倍左右，且叶片模具旋转困难，超长、超重不仅影响其运输，还增加了运输成本。叶片模具的分段成型制作，成为目前解决大型模具运输难题的有效方式。此外，风电市场的不确定性也要求叶片模具的生产具备灵活性，叶片模具分段设计及制造应运而生［2］。现在的叶片模具越来越长，从而使得单套模具的制造成本偏高，再加上叶片种类的不断细分，叶片模具的型号也越来越多，这样就需要在对叶片进行设计时不断利用不同型号间的配对组合形成新的叶型，将原来的整长模具分成几段来制作，然后组合成一体，这样便于根据叶型的气动外形将不同的叶片模具进行组合，做到叶片模具的模块化设计，从而实现部分模具的互换功能。分段模具是将模具钢架和玻璃钢蒙皮在制作时在指定位置断开，分段运输到指定地点后将模具钢架和玻璃钢蒙皮拼装后连成一体，使其具备整体成型模具的使用效果［3］。决定分段模具使用效果的主要是分段位置拼接后的性能，主要包括分段位置连接后的型面精度、气密性、加热温度均匀性，这些性能是分段成型技术的研究重点［4］。分段模具不仅是整体断开及拼装，而且关键是要让分段模具与整体成型模具使用效果相同，这就要求必须充分考虑分段位置连接后的型面精度、气密性、温度均匀性等问题。

2分段模具组装成型关键控制技术

分段模具成型主要分为前期分段模具制作和后期分段模具拼装，本文主要论述后期分段模具拼装阶段拼接缝处的型面精度控制技术、预膨胀气密技术和温度均匀控制技术。根据整体模具的性能要求，同时为满足叶片生产需求，对分段成型拼装后的模具提出如下要求:(1)型面精度:下模SS面型面整体偏差±5mm，上模PS面型面整体偏差±10mm;(2)气密性:玻璃钢蒙皮表面50℃以上，30min压降≤5mbar;(3)温度均匀性:表面加热到70℃条件下，温度均匀性为±5℃。

2.1型面精度控制技术

分段模具组装拼接缝处的型面精度控制是拼装过程的关键，是保证叶片翼型的基础。分段位置的型面精度主要由拼接处两端钢架和蒙皮的定位精度决定［5］。拼接处两端模具拼装定位主要分为钢架初定位、蒙皮初定位、蒙皮精定位三个阶段。钢架初定位通过分段处钢架上的连接定位块使钢架连成整体，蒙皮初定位通过定位模具在X、Y、Z三个方向的位置(如图1所示)来保证模具拼装后状态的准确性，蒙皮精定位通过三维激光跟踪仪测量并调节模具型面，使模具型面与理论三维数模相吻合。分段模具拼装后的型面精度控制主要通过以下方式来实现:(1)分段钢架拼装模具钢架通过分段位置处的定位块(如图2所示)进行连接，模具制作时钢架采用整体安装方式，脱模时进行拆分实现分段脱模，拼装时通过定位块的限位功能进行连接，实现钢架的连接和玻璃钢蒙皮的初步定位。(2)分段蒙皮初定位模具蒙皮型面初定位，要保证模具在X、Y、Z轴三个方向定位的准确。X轴方向通过轴线确定，调整不同段模具的位置使不同段模具的轴线在一条直线上;Y轴方向通过标高进行调节，测量并调节模具翻边的标高值与理论数值一致，保证不同段模具水平状态一致;Z轴方向通过拼接处间距及总长确定，测量拼接缝处标识间距及模具总长，保证模具总长在规定误差范围内。(3)分段蒙皮精定位模具蒙皮型面的精定位需要借助三维激光跟踪仪来完成，用三维激光跟踪仪测量模具型面，根据测量结果对型面超差区域进行调节，保证模具型面与理论三维数模一致。拼接缝两侧型面应过渡顺滑且无明显错茬。

2.2预膨胀气密技术

在叶片制作过程中，模具要经历由室温升到70℃或85℃，然后再降到室温的反复过程。模具在加热过程中由于受热膨胀，拼接缝处的铺层会受到挤压力。如果拼接缝两端挤压应力过大，长时间使用后会造成拼接缝位置的断裂漏气，影响叶片制造质量和模具的使用寿命。预膨胀技术(见图3)是将拼接缝复合材料层制备过程全程置于室温和固化高温之间的某一特定温度下，通过预先加热使拼接缝两端的玻璃钢蒙皮预先膨胀，这样可以降低叶片在高温固化时拼接缝处铺层受到的挤压力，适当增加冷却时拼接缝处铺层受到的拉伸力，使拼接位置在反复加热冷却过程中不会受到单一过大应力，从而确保拼接缝处复合材料层的挤压力和拉伸力均在可承受范围内，保证模具在反复加热冷却下的结构和气密稳定性。

2.3温度均匀控制技术

模具加热是叶片模具正常使用的重要功能，模具制作时通常在玻璃钢蒙皮结构层下安装加热管或加热丝，在叶片制作过程中通过向树脂提供热量使树脂固化［6］。叶片制作过程中，模具表面温度的均匀性不仅影响叶片的固化成型周期，还会影响叶片的成型质量。模具表面温度的均匀性受许多因素影响，包括环境温度、结构层和保温层厚度、加热水管或加热丝间距等。这些影响因素主要从热源供应和热传导两个方面影响模具的加热效果［7］。整体成型模具得益于内置连续的加热水管或加热丝、均匀的热源间距控制、均一的结构层厚度等使其具有均匀的模具表面温度。由于分段成型模具在分段位置断开，玻璃钢蒙皮也在此断开处断开，导致此处无内置的加热水管或加热丝，热源供应减少，同时拼接缝位置有立起的玻璃钢法兰，使热量向模具背面保温层传导增加，导致拼接缝位置产生低温区。分段模具拼接缝位置的温度均匀性要通过增加拼接缝处热源供应，增加拼接缝位置热量向内结构层传导而降低向保温层传导来实现。有研究表明［7］，减小加热水管或加热丝间距，使传热过程中横向热阻减小，总热阻亦减小，可使模具型腔面温度升高，且表面温度更均匀。在模具实际制造过程中，因考虑到成本、重量和模具的整体性能，间距并不能一味求小，而是要有合理的间距数值。拼接缝位置由于蒙皮的断开导致此处热源减少，为弥补热源减少造成的此处温度偏低的情况，需要通过减小拼接缝两侧加热水管或加热丝间距的方法增加拼接缝位置的热源供应。由于分段模具拼接缝位置预留了缝隙，拼装完成后需要将此处缝隙填实。填充拼接缝时要在拼接缝处填充铝粉和玻璃丝的混合物，铝粉的填充可降低传热的横向热阻［8］，使拼接缝两端的热量更易传到拼接缝处，同时背面覆盖保温层，减少热量向背面的传导，使热量更多地传导至模具内型腔面。

3分段成型模具性能测试

利用上述分段模具拼装技术在现场调试完成了某大型分段叶片模具，分别就型面精度、气密性、加热性能进行了测试，测试结果均达到了制作叶片的使用要求。

3.1型面精度测试

调试完成后用三维激光跟踪仪对型面进行测量，测量结果如下:下模SS面型面偏差为±2mm，合格率为94.85%，整体误差在±3mm以内，见图4，符合叶片制作要求;上模PS面型面偏差为±2mm，合格率为91.33%，整体误差在±5mm以内，见图5，符合叶片制作要求。

3.2拼接缝气密测试

利用预膨胀气密技术制备拼接缝，将模具加热到70℃，对拼接缝进行气密检验，测试结果如下:30min真空降压3mbar，符合叶片制作要求。

3.3分段位置加热测试

将模具加热器加热到75℃，模具表面覆盖保温毯，保温2h。用测温枪对分段位置(30m)及分段位置两侧附近表面温度进行检测，测试数据如表1所示。测试结果显示，拼接缝处温度从前缘到中轴再到后缘区域，均比两侧附近整米位置温度低1℃～5℃，拼接缝处平均温度比两侧附近其他区域低2.4℃～3.6℃，整体温度偏差在±5℃的合格范围内，符合叶片制作要求。

4研究意义及应用前景

通过对大型风电分段叶片模具组装成型关键控制技术的研究，实现了大型风电叶片模具的分段制作和拼接组装，不仅大大降低了模具运输难度及成本，促进了叶片大型化发展及应用，还可促进复合材料模具大型化制作的发展及工业化应用，如应用于大型船舶等模具。此外，模具分段成型技术的研究还为不同翼型模具相同部分的替换和改造提供了借鉴和技术储备，可以有效利用原有模具的相同翼型部分，对减少模具成本、节能降耗都有积极的意义。

参考文献

［1］MartinOLH．风力机空气动力学［M］．北京:中国电力出版社，2009．

［2］许蕾，薛浩鹏，蒋成益．大功率风电叶片模具分段设计［J］．天津科技，2014，41(6):39-40．

［3］黄钊．大型复合材料风叶模具成型技术研究［C］//第八届玻璃钢/复合材料学术年会论文集，2010:109-112．

［4］章令晖，李甲申，韩宇，等．复合材料成型模具研究进展［J］．航天制造技术，2013(1):13-17．

［5］李义全，逄增凯，孟占广．大型风电叶片模具型面控制研究［J］．玻璃钢/复合材料，2014(2):53-55．

［6］戴春晖．大型复合材料模具内置循环水加热系统设计研究［D］．长沙:国防科学技术大学，2007．

［7］韩超，刘晓宇．马永光．风电叶片成型模具多路温度控制系统的设计［J］．化工自动化及仪表，2011，38(9):1100-1103．

［8］刘晓宇，韩超，宋晓美．大型风机叶片模具温控系统的设计［J］．自动化应用，2015(8):95-96．

作者：李义全 武健丹 樊虎 刘晓彬 单位：北京玻钢院复合材料有限公司