叶片修复复合材料 - 副本

风机叶片修复材料浅谈

内容摘要

风力发电机组长期在恶劣的自然环境中暴露运行，不仅要承受强大的风载荷，还要经受气体冲刷、砂石粒子冲击，以及强烈的紫外线照射等外界侵蚀。为了提高损伤修复过程中所使用复合材料的载荷、耐腐蚀和耐冲刷等性能, 必须对所使用叶片修复材料中的树脂基体系统进行精心研究和筛选, 对传统叶片修复工艺进行创新。采用性能优异的环氧树脂, 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。研究结果表明叶片修复过程中合理使用的复合材料完全可以达到在恶劣工作环境中长期使用的性能要求。

关键词:风力机; 叶片; 环氧树脂;

引言

随着风力发电机单机功率的不断提高，叶片的质量和尺寸也越来越大，对叶片的要求也越来越高：要求叶片质量轻且分布均匀，外形尺寸精度控制准确；具有最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；叶片旋转时的振动频率特性曲线正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好；耐腐蚀、抗紫外线照射和抗雷击的性能好；发电成本较低，维护费用最低。叶片的材料越轻、强度和刚度越高，叶片抵御载荷的能力就越强，叶片就可以做得越大，它的捕风能力也就越强。因此，轻质高强、耐蚀性好、具有可设计性的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料是目前国内大型风机叶片生产及修复的首选材料。

本文主要探讨了风机叶片生产和修复过程中所用的主要材料玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，以及PVC材料。

一、叶片损伤原因

为了提高风机的发电效率，风机绝大多数处在地理、气候环境相对恶劣的地区，从而导致风机叶片容易遭受损伤。

其中对于风机叶片发生故障率最大的损伤原因是雷击，而且雷击往往会给风机叶片带来较严重的损伤甚至报废。

其次为风沙磨损、酸雨腐蚀，导致叶片表面出现麻点，影响风机使用寿命。

飞鸟撞击也是造成风机叶片损伤的一大杀手，由于风机所在地人眼稀少，所以飞鸟较多，飞鸟撞击往往会使风机叶片表面大面漆胶衣脱落。

另外由于风机叶片质量和体积较大，所以运输和吊装存在较大难度，不可避免的造成一定程度的损伤，发生率较小但若发生后果不堪设想，可能直接导致叶片报废，不可修复。

最后叶片材料老化也是导致风机叶片损伤的一大原因，但是由于材料质量在不断提高，所以发生概率会越来越小。

二、叶片损伤实例照片

雷击造成损伤Lightning

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5

3

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风沙磨损造成的损伤

飞鸟撞击造成的损伤

吊装运输是造成的损伤

材料老化自然开裂造成的损伤

三、叶片损伤部位及概率

以装机容量为5万kw的某风场33台某国产风机为例，巡检33台投运将近2年风机，其中5台风机的5支叶片存在不同程度的损伤，单台风机叶片出现故障率高达15%左右，而且发现其中3台风机为叶片损伤部位在叶尖，叶尖损伤概率达60%。

四、叶片修复的必要性

国内的风力发电场遍布大江南北，所处地理条件和气候环境各不相同。北方的低温、风沙、强辐射、雷雨天气集中，南方的高温、高湿、盐雾、飞鸟多等都存在各自不同的自然条件。再加上国内投运风机型号种类繁多导致所使用叶片的结构、材料更是五花八门，其综合性能差异较大，风机选址也经常性的为了提高发电量而将风机树立在最高点，而致使风机遭受雷击的几率较高，叶片材料也随着投运时间的增长导致其各种性能不断降低而出现不同程度的老化情况。而且风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24小时的处于工作状态，这就使材料易于受到损害，一旦某一部位受损，这个部位就成为整支叶片的薄弱所在，如果不停机及时维修不仅会影响风机发电量及发电效率，而且如果事故扩大就会造成叶片折断、报废甚至出现倒塔等一些列不可预测的严重后果。

五、叶片修复材料的重要性

高质量的叶片修复=50%的叶片修复材料质量+50%材料的正确使用叶片修复材料主要为环氧树脂材料，而环氧树脂的种类更是五花八门，所以正确的选择环氧树脂材料最为关键。材料的性能上有很大差异，如使用不慎不仅不能达到修复的效果而且还会使损伤范围加

大，造成不可修复的严重后果。

六、叶片修复材料性能要求

恶劣的环境和长期不停地运转,对叶片的要求有:比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能, 能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验;叶片的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常,传递给整个发电系统的负荷稳定性好;耐腐蚀、紫外线照射和雷击性能好。但是随着风机叶片运行时间的增长伴随着叶片老化出现损伤，叶片修复材料必须达到以致超过出厂时的各项性能要求要求，叶片的原材料主要由增强材料、环氧树脂、夹芯材料三部分组成。

叶片修复材料

6．1 增强材料

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其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倍左右,由于价格的因素,目前的叶片制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2MW 风机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地承担风能载荷, 风机叶片可以采用玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构。但是在叶片修复过程中由于所用的碳纤维量较少所以完全可以应用碳纤维增强环氧树脂复合材料对损伤叶片进行修复。

6．2 环氧树脂

环氧树脂应满足以下基本性能条件:

固化方便:选用各种不同的固化剂,环氧树脂体系几乎可以在0-180℃温度范围内固化;

粘附力强:环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在,使其对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低,产生的内应力小,这也有助于提高粘附强度;

收缩性低:环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的,没有水或其它挥发性副产物放出。它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比,在固化过程中显示出很低的收缩性(小于2% );力学性能: 固化后的环氧树脂体系具有优良的力学性能;

电性能: 固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料;

化学稳定性:通常,固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。像固化环氧体系的其它性能一样,化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂。适当地选用环氧树脂和固化剂, 可以使其具有特殊的化学稳定性能;

尺寸稳定性:上述的许多性能的综合,使环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性;

耐霉菌:固化的环氧树脂体系耐大多数霉菌,可以在苛刻的热带条件下使用。