叶片真空灌注工艺样件尺寸与纤维孔隙的影响分析

叶片真空灌注工艺样件尺寸与纤维孔隙的影响分析
鲁学林;郑磊;李卓;张金峰
【摘要】采用真空灌注工艺，研究了灌注样件尺寸和纤维间隙变化对于树脂流动特性的影响。

结果表明：桥架作用容易造成树脂包络而出现纤维浸透不良，适当增加纤维间隙可以提高树脂的渗透速率。

%Using the vacuum infusion process, this paper investigated the effects of sample size and fiber hole changes on the flow characteristics of resin. The results showed that:the bridge function is easy to cause the fiber impregnated and bad for resin enveloped;The increase of the fiber space can improve the penetration rate of resin.
【期刊名称】《风能》
【年(卷),期】2013(000)004
【总页数】4页(P80-83)
【关键词】风轮叶片;真空灌注;管路布置;孔隙形成
【作者】鲁学林;郑磊;李卓;张金峰
【作者单位】北京鉴衡认证中心，北京100013;北京鉴衡认证中心，北京100013;北京鉴衡认证中心，北京100013;北京鉴衡认证中心，北京100013
【正文语种】中文
【中图分类】TM614
0 引言
随着能源危机日趋严重，风能作为一种清洁、可再生的能源日益受到重视。

作为风电机组关键部件之一的复合材料叶片，目前多数采用真空灌注工艺。

真空灌注工艺是将纤维等增强材料铺设到模具上，再铺上具有密封功能的真空辅助系列，在抽真空后的负压下导入树脂浸透增强材料并固化成型的工艺。

当前也有不少关于叶片的真空灌注成型工艺方面的研究。

董锋岩[1]简述了我国复
合材料风电机组叶片的发展现状，并对叶片材料体系、灌注成型工艺进行了较为详细的论述；李传胜、周利峰、张锦南[2]对真空灌注工艺的技术原理、工艺要求等
进行了探讨，提出了影响灌注工艺的几点重要因素；齐大伟、宁荣昌、凌辉[3]对
用于真空灌注工艺的树脂体系研究进展进行了综述；Scott M Rossell [4]通过真空灌注实验测定了3种增强材料在不同纤维体积含量下的渗透率，提出了混合增强
材料叠加渗透率的推算方法，并通过实际叶片灌注予以验证。

彭家顺、高建勋[5]
研究了真空灌注工艺管路布置以及孔隙的形成。

通常，研发新叶片时需要先做根端灌注试验，确认设计的最厚布层区可以被浸透后，才可以做全尺寸叶片的灌注试验。

本文着重讨论了叶片根端灌注中桥架与孔隙的影响。

1 真空灌注孔隙的形成与影响
树脂在纤维内的流动可分为树脂在纤维束之间的流动和在纤维束内部纤维单丝之间的流动，即宏观流动与微观流动[6-7]。

纤维束间的孔隙比较大，形成的孔隙称为
宏观孔隙；而纤维单丝之间的孔隙较小，形成的孔隙为微观孔隙；前后者的动力分别为动压力和毛细压力。

两种孔隙引起的流动速率的不同会导致纤维布层出现不同程度浸渍不良，从而形成白斑。

此外，还有表层纤维布与真空材料之间形成的间隙。

树脂在表层纤维布与真空材料
形成的间隙以及在纤维布层中流动的速率不同会产生虹吸现象导致纤维布层出现不同程度的“包络”现象，形成白斑。

2 灌注试验
2.1 材料体系
材料体系如表1所示。

2.2 根端灌注与全尺寸叶片灌注试验
参照Aerodyn某款设计叶片的工艺做实验，具体的试验条件与结果对比如表2所示。

2.3 纤维间隙变化的叶片灌注试验
参照Aerodyn某款设计叶片的工艺做实验，具体的试验条件与结果对比如表3所示。

3 结果与分析
3.1 根端灌注与全叶片试验
从试验结果中可以看出，根端样件与全叶片的根端出现了完全不同的灌注效果：样件出现了严重的包络现象，中间仅有31%的布层浸透；而全叶片根端仅在前后缘
的翻边陡峭处出现了小面积包络，易于通过调整真空辅材尺寸解决。

可见，根端试件的试验不完全等同于全叶片的根端灌注的胶液流动模式。

原因分析：开启注胶管后，胶液沿着导流网迅速向前流动，同时也向下面布层渗透。

对于根端试件，胶液很快就达到了纤维布的边缘，而四周被压紧的纤维布壁面与真空材料间形成“桥架”造成了虹吸现象，使得胶液在表层纤维布间加速前进，速度明显大于在布层间的下渗速度。

树脂到达注胶管最前端的布层后形成回流，导致中央布层中的空气难以排出，胶液下渗速度变缓，产生包络，最终树脂产生凝胶，出现大面积的多层干布。

而对于全叶片，由于重力作用胶液难以迅速上升到前后缘的翻边，同时叶片根端的胶液可以向叶尖无限延伸，出现不了包络现象，树脂得以迅
速下渗，浸透下层布层，而前后缘的小面积包络应该是导流体系的铺设尺寸不合理导致的，可以通过增加导流网到翻边的距离来解决。

表1 材料体系名称型号规格厂家灌注树脂 SWANCOR2511-1A 上纬灌注树脂固化剂 SWANCOR2511-1BS 上纬三轴向玻纤布 EKT1000(0/45/-45)E-1270 重庆
国际CPIC连续毡 U816 450g/m2 欧文斯科宁OCV脱模布 R90HA650宽上海
红音导流网 2000mm 上海红音Ω管φ28 上海红音带孔隔离膜 1000mm 上海沥
高注胶管φ28 上海红音密封胶条宽度12mm，厚度3mm 上海沥高真空袋膜1000mm 上海沥高螺旋管φ10 上海红音
3.2 纤维间隙变化的叶片灌注试验
从试验结果看出，增加纤维间隙，提高了布层间的孔隙率，使得灌注时间大大减少。

同时，由于纤维布只是改变了纤维束间隙而没有改变面密度，布层强度不会有变化，也可以保证叶片的强度不会有明显变化。

原因分析：纤维间隙的适当增加，使得胶液在纤维束间动压力增加，在布层间下渗的速度加快，同时纤维束间足量的胶液也使得纤维束间的毛细压力增加，综合结果是胶液下渗和浸透纤维的速度都增加了，布层浸渍良好，如表3所示。

但是过度
的增加纤维间隙，会使得纤维束间的动压力大于纤维束内的毛细压力而造成纤维丝的浸润不良。

从整体灌注时间上看，在叶片所有管路打开后，叶根与叶身的渗透速度都加快，最终提高了整体灌注时间。

4 结语
叶片灌注的质量问题多是由工艺因素造成的，这些因素会影响到胶液在纤维布层间的流动：宏观流动、微观流动和虹吸现象。

在生产过程中，通过灵活设计与匹配工艺因素，如纤维间隙、导流材料的尺寸等，可以提高生产效率和避免缺陷。

表2 根端灌注与全尺寸叶片灌注试验对比全尺寸叶片布层结构 142层CPIC三轴
向玻纤布，6层OCV连续毡（连续毡均布于等厚度的玻纤布中间）设备叶片模具、
真空泵环境环境温度15℃～20℃，湿度30%～45%加热条件灌注前模具预热30℃～35℃，灌注后65℃固化6h样件尺寸 1.27m(弦向)＊1.5m（轴向) 全尺寸
叶片项目根端灌注导流工艺1、1号导流管在纤维布外侧，距离布层边缘50mm；2和3号管在布层上方，距离纤维布边缘150mm和350mm；4号管备用。

开管顺序为从根端按照导流管序号依次打开。

2、脱模布覆盖整个纤维布层；隔离膜与导流网满铺，前者单层，后者双层，四周与纤维边缘平齐；导流管两端起始位置距离导流网边缘20mm；注胶管直径φ28。

1、1号导流管在纤维布外侧，距离布层边缘50mm；2和3号管在布层上方，距离纤维布边缘150mm和400mm；4
号管备用。

根端注胶方式与前者相同。

2、脱模布、导流网、注胶管的规格与铺放方式同前者。

灌注时间 8h 5h试验结果存在约1.0m*1.0m的干布区域，中央干布层数98层，浸透率31%在前后缘附近存在约0.15m*0.15m的干布区域5处，中央干布为10层，浸透率93%
表3 纤维间隙变化的全尺寸叶片灌注试验对比项目 CPIC原始纤维布 CPIC改进纤维布布层结构 142层三轴向玻纤布，6层OCV连续毡（连续毡均布于等厚度的玻纤布中间）设备叶片模具、真空泵环境环境温度15℃～20℃加热条件灌注前模
具预热30℃～35℃，灌注后65℃固化6h纤维束间隙（±45°纤维） 1mm～
2mm，5根 1mm～2mm，13根；2mm，3根导流工艺与2.2节的全尺寸叶片
灌注工艺相同灌注时间 5h试验结果3h
摄影：傅俊明
参考文献
[1]董锋岩.复合材料风机叶片发展现状及成型工艺进展[A].玻璃钢/复合材料增刊(第十七届玻璃钢/复合材料年会论文集)[C], 2008:343-345.
[2]李传胜,周利峰,张锦南.真空灌注成型工艺及其影响因素的探讨[J].玻璃
钢,2004(4):7-10.
[3]齐大伟,宁荣昌,凌辉.风机叶片真空吸塑成型(VARTM)工艺的研究[J].中国胶粘剂,2007,17(4):50-56.
[4]Scott M.Rossell,Fluid Flow Modeling of Resin Transfer Molding for Material Wind Turbine Blade Structures [D].2004.
[5]彭家顺,高建勋.叶片真空灌注工艺管路布置以及孔隙的形成[J].武汉理工大学学报, 2009（31）: 99-100.
[6]Micheal A A.Sapid Frederick R.Phelan Jr.Modeling Void Formation Dynamics in Fibrous Porous Media with the Lattic Bolzamann
Method[J].Composite, Part A,1998,29:749-755.
[7]杨俊英.树脂传递模塑工艺过程的树脂模拟[D].济南: 山东大学,2007.。