CN111042997B - 一种风力机叶片主梁重大结构性损伤补强性修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力机叶片主梁补强性修复方法，针对叶片主梁单向布破损层数超过10层的重大结构性损伤，采用的双搭接挖补补强性修复：即根据损伤部位，采用双搭接挖补修复方法。打磨漆面、蒙皮层和若干层主梁单向布铺层后，回填对应层预浸料搭接段单向布，若干层预浸料补强单向布和外蒙皮层。其中回填的搭接段单向布和补强单向布采用预浸料材料，这种补强性修复工艺为真空袋压成型方法。本发明恢复了随时可能折断的叶片的持续安全运行能力，突破叶片主梁修复的技术难题，为风力机叶片维护维修提供了一种新的方法。
Description
技术领域
本发明涉及风力机叶片技术领域，尤其涉及一种风力机叶片主梁重大结构性损伤补强性修复方法。
背景技术
风力机经常运行于海边或偏僻的山顶野外，环境严酷。在我国某些地区运行的风力发电机组要承受更恶劣的环境条件，如东南沿海地区经常发生台风，中国北方冬季的低温等等。目前运行的风力机不能完全适应于我国的气候条件，以至于风电设备损坏和故障时有发生。叶片是风力发电机组中的关键部件之一，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。因此，风力机叶片的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里程碑型部件。主梁是叶片结构的主要承力构件，其良好的强度和刚度特性是叶片结构设计的主要技术指标。
随着叶片长度的不断增长，同时带来叶片重量的增加，风电叶片虽然在设计时，赋予它足够的强度和刚度，但是在其20年的使用寿命中，也会像其他复合材料部件一样，出现各种各样的问题。叶片生产厂家一般对生产出的叶片给出3年到5年的质保期，但是，综合叶片生产厂家，主机生产厂家和风电场等各方面的信息，由于国内前期叶片技术的不成熟，对叶片没有完善的维护体系，导致现有大量的叶片在出了质保期后，在风压和旋转持续疲劳载荷的作用下，隐藏在叶片内部的缺陷逐渐显现出来，发生折断。风电场现在大量发生折断问题的叶片均为国内早期产品，市面上已经鲜有叶片生产厂家继续生产，重新定制一整台机组叶片（共3支）成本较高，而且周期较长。叶片修复的维修难点在于主梁损伤的维修，而目前，国内外还没有一种主梁重大结构性损伤的成熟修复方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力机叶片主梁重大结构性损伤补强性修复方法，解决现有技术空白，突破风力机叶片主梁维修的技术难题。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种风力机叶片主梁重大结构性损伤补强性修复方法，其中：包括以下步骤：
步骤一、找到风力机叶片主梁重大结构性损伤位置，以该位置为中心沿叶片展长方向上打磨叶片主梁漆面层和原始外蒙皮层，直至打磨到漏出主梁单向布；
步骤二、将风力机叶片主梁损伤部位的若干层主梁单向布采用沿叶片展长方向的双向错层搭接的方式移除，使风力机叶片主梁损伤部位形成阶梯状坑位；
步骤三、回填相同层数的预浸料搭接段单向布，每层预浸料搭接段单向布尺寸正好与相应层的、移除的主梁单向布尺寸相同，预浸料搭接段单向布将风力机叶片主梁损伤部位形成阶梯状坑位填平；
步骤四、在预浸料搭接段单向布外铺放若干层完全覆盖预浸料搭接段单向布的预浸料补强单向布，这若干层预浸料补强单向布的长度由下至上沿叶片展长方向或者沿叶片展长方向以及叶片弦长方向逐渐增加，使得上层的预浸料补强单向布完全覆盖下层的预浸料补强单向布；
步骤五、在步骤三、步骤四中，对风力机叶片主梁重大结构性损伤位置持续抽真空，使得回填预浸料搭接段单向布以及铺放预浸料补强单向布的过程在真空环境下进行；
步骤六、在预浸料补强单向布外铺放蒙皮层，蒙皮层完全覆盖预浸料补强单向布；在蒙皮层外涂覆漆面，待预浸料搭接段单向布和预浸料补强单向布固化后，风力机叶片主梁重大结构性损伤补强性修复完成。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
步骤二中，风力机叶片主梁损伤部位的四层主梁单向布采用沿叶片展长方向的双向错层搭接的方式移除，相应的，步骤三中，回填四层预浸料搭接段单向布，步骤四中，在预浸料搭接段单向布外铺放八层预浸料补强单向布。
蒙皮层包括由下至上叠放的两层双轴向纤维布和一层三轴向纤维布，这三层纤维布依次完全覆盖下一层纤维布。
在预浸料补强单向布外铺放蒙皮层和涂覆漆面时，对风力机叶片主梁重大结构性损伤位置持续抽真空，使得铺放蒙皮层和涂覆漆面的过程在真空环境下进行。
所有纤维布固化完成后根据损伤部位纤维布打磨后的尺寸，按照100:33的比例混合一定质量的腻子，并均匀刮涂在纤维布表面，利用加热毯辅助腻子固化，保证初固化50℃，4个小时，二次固化50℃，8个小时。
预浸料搭接段单向布以及预浸料补强单向布采用增韧改性环氧树脂为基体树脂，树脂含量32%±3.0，无碱 E玻璃纤维，玻璃纤维单位面积质量为 1600g 的单向玻璃纤维预浸料。
风力机叶片主梁重大结构性损伤为叶片主梁单向布破损层数超过10层。
本发明的本发明针对叶片主梁单向布破损层数超过10层的重大结构性损伤，采用“4+8+3”的双搭接挖补补强性修复方法：即根据损伤部位，打磨漆面、蒙皮层和4层主梁单向布铺层后，回填4层预浸料搭接段单向布，8层预浸料补强单向布和3层外蒙皮层：2层双轴向纤维布和1层三轴向纤维布。
本发明的双搭接挖补补强性修复方法，能有效提高叶片主梁重大结构性损伤处的强度和刚度，使叶片主梁可以恢复正常使用。
本发明的双搭接挖补修复方法，是根据损伤位置采用双向错层搭接的方式移除损伤区域。具体的搭接尺寸基于不同的铺层形式而变，一般沿叶片长度方向的搭接尺寸控制在50-100mm，沿叶片弦向的搭接尺寸为0-15mm。采用双向错层搭接能有效提高相邻层之间的连接强度，提高预浸料搭接段单向布和预浸料补强单向布的连接牢固度。
在铺设预浸料搭接段单向布和预浸料补强单向布时，需要对工作环境抽真空，本发明铺设预浸料搭接段单向布和预浸料补强单向布采用真空袋压成型方法，保证各层预浸料单向布之间没有空气混入，各层单向布之间连接牢靠。
预浸料搭接段单向布和预浸料补强单向布采用增韧改性环氧树脂为基体树脂，树脂含量32%±3.0，无碱 E玻璃纤维，玻璃纤维单位面积质量为 1600g 的单向玻璃纤维预浸料，具有良好的浸润性和力学性能。
附图说明
图1为风力机叶片主梁和损伤位置示意图；
图2为双搭接挖补修复模型示意图；
图3为主梁损伤打磨区域示意图；
图4为损伤区域沿叶片展向和弦向不同铺层的搭接错层尺寸示意图；
图5为主梁损伤区域打磨后铺层修复顺序示意图。
图中标记名称：1-叶片主梁、2-主梁损伤区域、3-原始未损伤区域、4-修复补片、5-搭接尺寸、6-主梁损伤打磨第一层单向布、7-主梁损伤打磨第二层单向布、8-主梁损伤打磨第三层单向布、9-主梁损伤打磨第四层单向布、10-打磨漆面区域、11-沿展长方向铺层搭接错层尺寸、12-沿弦长方向铺层搭接错层尺寸、13-回填第一层单向布、14-回填第二层单向布、15-回填第三层单向布、16-回填第四层单向布、17-第一层补强单向布、18-第二层补强单向布、19-第三层补强单向布、20-第四层补强单向布、21-第五层补强单向布、22-第六层补强单向布、23-第七层补强单向布、24-第八层补强单向布、25-第一层外蒙皮层、26-第二层外蒙皮层、27-第三层外蒙皮层、28-腻子和面漆表面修复。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本实施例的参照图1, 主梁是风力机叶片非常重要的承载结构件1，针对叶片主梁单向布破损层数超过10层的重大结构性损伤2，本发明提供了一种主梁损伤的补强性修复方法。
参照图2，这种主梁补强性采用为双搭接挖补修复方法，按照损伤位置采用双向错层搭接的方式移除损伤区域。尽可能不要破坏原始未损伤区域3，移除损伤采用的沿叶片长度方向的双向挖补搭接尺寸5为100mm，移除损伤区域后采用的修复铺层统称为修复补片4。
参照图3，上述的双搭接挖补修复方法主要针对叶片主梁单向布铺层，沿叶片展长方向上移除的4层单向布的打磨错层为100mm/层，沿叶片弦长方向上单向布打磨宽度与主梁损伤宽度一致；主梁损伤打磨第一层单向布6的长度为200mm，沿着损伤区域对称打磨；主梁损伤打磨第二层单向布7的长度为400mm，在第一层打磨后沿着长度方向两边各自打磨100mm；主梁损伤打磨第三层单向布8的长度为600mm，在第二层打磨后沿着长度方向两边各自打磨100mm；主梁损伤打磨第四层单向布9的长度为800mm，在第三层打磨后沿着长度方向两边各自打磨100mm；同时，要打磨叶片漆面10和蒙皮层，漆面和蒙皮层可以采用逐层逐渐打磨的方法进行。
参照图4，叶片主梁补强性修复方法，回填的4层预浸料搭接段单向布和8层预浸料补强单向布。其采用增韧改性环氧树脂为基体树脂，树脂含量32%±3.0，无碱E玻璃纤维，玻璃纤维单位面积质量为1600g的单向玻璃纤维预浸料，具有良好的浸润性和力学性能。回填的4层单向布铺层沿叶片展长方向11搭接100mm，补强的8层单向布和3层外蒙皮层铺层沿叶片展长方向11搭接50mm；回填的4层单向布铺层沿叶片弦长方向12搭接0mm，补强的8层单向布和3层外蒙皮层铺层沿叶片弦长方向12搭接15mm。
参照图5，移除叶片主梁损伤区域的4层单向布后，开始修复叶片主梁损伤。逐层修复的顺序为：4层回填单向布、8层补强单向布、3层外蒙皮层和面漆表面。其中：
1)4层回填单向布：回填第一层单向布13的长度为200mm，无弦长方向搭接；回填第二层单向布14的长度为400mm，无弦长方向搭接；回填第三层单向布15的长度为600mm，无弦长方向搭接；回填第四层单向布的长度为800mm，无弦长方向搭接；
2)8层补强单向布:第一层补强单向布17的长度为900mm，弦长方向双向搭接15mm；第二层补强单向布18的长度为1000mm，弦长方向双向搭接15mm；第三层补强单向布19的长度为1100mm，弦长方向双向搭接15mm；第四层补强单向布20的长度为1200mm，弦长方向双向搭接15mm；第五层补强单向布21的长度为1300mm，弦长方向双向搭接15mm；第六层补强单向布22的长度为1400mm，弦长方向双向搭接15mm；第七层补强单向布23的长度为1500mm，弦长方向双向搭接15mm；第八层补强单向布24的长度为1600mm，弦长方向双向搭接15mm；
3)3层外蒙皮层：第一层外蒙皮层25为双轴向纤维布，铺设长度为1700mm，弦长方向双向搭接15mm；第二层外蒙皮层26为双轴向纤维布，铺设长度为1800mm，弦长方向双向搭接15mm；第一层外蒙皮层27为三轴向纤维布，铺设长度为1900mm，弦长方向双向搭接15mm；
4)面漆表面：所有铺层固化完成后，需要做腻子和面漆表面28处理。按照100:33的比例混合一定质量的腻子，并均匀刮涂在纤维布表面，利用加热毯辅助固化，保证初固化50℃，4个小时，二次固化50℃，8个小时。
主梁修复的所有铺层固化成型方法为真空袋压，在布层之上，满铺放脱模布和多孔膜，再按照相应的导流网和真空管布置要求，布置真空抽气系统。按照真空袋压维修工艺要求，开启真空泵，将真空度抽至40mbar以下并持续保压。保持真空泵一直处于抽气状态。这种真空袋压在操作时有以下原则：
（1）真空胶带铺设尽量远离最外侧纤维布层100mm以上。
（2）吸胶毡作为导气通道，围绕铺设在维修区域一周，不与布层接触，连接到抽气口上。布层与吸胶毡通道通过吸胶毡搭条连接，吸胶毡搭条间距约在0.5-1m，且分布均匀。
（3）脱模布覆盖整个维修区域，若为了不影响邻近区域的表面干净卫生，尽量在有胶液达到的区域，均覆盖上脱模布。
（4）为保证维修区域手糊含胶量，尽量不要铺设导流网，可选择在脱模布上铺设一层废旧真空膜，然后在废旧真空膜上放一条“Z”字形吸胶毡导气。
（5）布置真空抽气系统，抽气口原则上要均匀布置，且数量不少于2 个。可根据维修长度适当增加抽气口。若维修发生在距离模具边缘位置，也可以选择使用模具真空系统抽气。抽气管道连接到真空泵上，为减少抽气管道进胶返到真空泵内，几个抽气管道可以使用三通连接起来，形成单根抽气管道连接到真空泵上。
（6）使用电加热毯将维修区域进行覆盖固定，将电加热毯调至50℃，3h进行初固化，80℃以上3h然后进行二次固化。固化过程中要时刻查看固化情况，并记录固化温度填写在固化记录表格中，作为维修记录的一部分。
（7）维修固化完成后，由质检人员按照主梁相关检验标准判定确认，使用邵氏硬度计测量硬度在70HD以上，确认维修固化符合要求，最终利用差示扫描量热法（Tg）进行材料固化程度确认。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种风力机叶片主梁重大结构性损伤补强性修复方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤一、找到风力机叶片主梁重大结构性损伤位置，以该位置为中心沿叶片展长方向上打磨叶片主梁漆面层和原始外蒙皮层，直至打磨到漏出主梁单向布；
步骤二、将风力机叶片主梁损伤部位的若干层主梁单向布采用沿叶片展长方向的双向错层搭接的方式移除，使风力机叶片主梁损伤部位形成阶梯状坑位；
步骤三、回填相同层数的预浸料搭接段单向布，每层预浸料搭接段单向布尺寸正好与相应层的、移除的主梁单向布尺寸相同，预浸料搭接段单向布将风力机叶片主梁损伤部位形成阶梯状坑位填平；
步骤四、在预浸料搭接段单向布外铺放若干层完全覆盖预浸料搭接段单向布的预浸料补强单向布，这若干层预浸料补强单向布的长度由下至上沿叶片展长方向或者沿叶片展长方向以及叶片弦长方向逐渐增加，使得上层的预浸料补强单向布完全覆盖下层的预浸料补强单向布；
步骤五、在步骤三、步骤四中，对风力机叶片主梁重大结构性损伤位置持续抽真空，使得回填预浸料搭接段单向布以及铺放预浸料补强单向布的过程在真空环境下进行；
步骤六、在预浸料补强单向布外铺放蒙皮层，蒙皮层完全覆盖预浸料补强单向布；在蒙皮层外涂覆漆面，待预浸料搭接段单向布和预浸料补强单向布固化后，风力机叶片主梁重大结构性损伤补强性修复完成。
2.根据权利要求1所述的一种风力机叶片主梁重大结构性损伤补强性修复方法，其特征是：步骤二中，风力机叶片主梁损伤部位的四层主梁单向布采用沿叶片展长方向的双向错层搭接的方式移除，相应的，步骤三中，回填四层预浸料搭接段单向布，步骤四中，在预浸料搭接段单向布外铺放八层预浸料补强单向布。
3.根据权利要求2所述的一种风力机叶片主梁重大结构性损伤补强性修复方法，其特征是：所述的蒙皮层包括由下至上叠放的两层双轴向纤维布和一层三轴向纤维布，这三层纤维布依次完全覆盖下一层纤维布。
4.根据权利要求3所述的一种风力机叶片主梁重大结构性损伤补强性修复方法，其特征是：在预浸料补强单向布外铺放蒙皮层和涂覆漆面时，对风力机叶片主梁重大结构性损伤位置持续抽真空，使得铺放蒙皮层和涂覆漆面的过程在真空环境下进行。
5.根据权利要求4所述的一种风力机叶片主梁重大结构性损伤补强性修复方法，其特征是：步骤四结束，步骤五开始前，待所有纤维布固化完成后根据损伤部位纤维布打磨后的尺寸，按照100:33的比例混合一定质量的腻子，并均匀刮涂在纤维布表面，利用加热毯辅助腻子固化，保证初固化50℃，4个小时，二次固化50℃，8个小时。
6.根据权利要求5所述的一种风力机叶片主梁重大结构性损伤补强性修复方法，其特征是：预浸料搭接段单向布以及预浸料补强单向布采用增韧改性环氧树脂为基体树脂，树脂含量32%±3.0，无碱 E玻璃纤维，玻璃纤维单位面积质量为 1600g 的单向玻璃纤维预浸料。
7.根据权利要求6所述的一种风力机叶片主梁重大结构性损伤补强性修复方法，其特征是：风力机叶片主梁重大结构性损伤为叶片主梁单向布破损层数超过10层。
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Application publication date: 20200421 Assignee: LIANYUNGANG ZHONGFU LIANZHONG COMPOSITES GROUP Co.,Ltd. Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics|WUXI WIND POWER INSTITUTE Co.,Ltd. Contract record no.: X2022320000093 Denomination of invention: A reinforcing repair method for major structural damage of wind turbine blade girder Granted publication date: 20210126 License type: Common License Record date: 20220609 |