Page 68 - 涂料工业2024年第02期电子刊

姚中强等：风电叶片前缘雨蚀测试及防护方法研究

机组大型化是“双碳”背景下风电行业的技术发
V V
展路线，海上风电向深远海、漂浮式发展的趋势明

显，前景广阔。深远海严苛的运行环境以及叶片线

速度的增加导致叶片前缘损伤风险不断增大。叶片

前缘损伤会破坏叶片的翼型，降低叶片气动功效，叶 （a）—液体压缩阶段 （b）—横向喷出
片前缘区域的点磨蚀以及沟槽类损伤可导致叶片阻 图1 液固冲击过程示意图 [9]
Fig. 1 Diagram of liquid-solid impact
力增加 200% 左右，使叶片升力下降 15% 左右，严重
的前缘损伤还会威胁到叶片的结构安全 。叶片前 缩流动模型，得出的边缘射流模型与计算预测结果
[1]
[9]
缘的损伤及防护越来越被业内各方重视，业主单位 相符。侯乃丹等 通过试验及理论计算表明速度为
不断细化对叶片前缘防护的要求，材料供应商也在 557 m/s、直径为 6. 3 mm 的液体水锤压力为 862 MPa，
[11]
持续推出高性能前缘防护材料，叶片厂也均有创新 已高于多数材料的屈服强度。张荻等 通过不同粒径、
性的叶片前缘防护方案应用。本文综述了风电叶片 速度下液滴与弹性体的撞击模拟，总结了撞击应力与
前缘损伤的因素，提出了前缘防护材料的评估方法 速度的变化规律。目前百米级叶片叶尖线速度已达到
探 以及前缘防护方案的设计思路。 100 m/s，较高相对速度下雨滴冲击产生的水锤压力被
标
准 认为是叶片前缘损伤的主要因素，DNVGL-RP-0573
索
及 1 前缘损伤的原因 文件里也按此机理进行了叶片前缘损伤解释。
开
检 风电叶片在长期运行中被发现在前缘区域发生 2 耐雨蚀的测试及评估
测 了严重的损伤，初期怀疑是灰尘颗粒、雨水、冰雹等
发
撞击使其发生了损坏 。随着研究的深入，风电行业 耐雨蚀测试按照使液体/固体产生相对冲击的测
[2]
试原理进行，分为高速的液体撞击固体和高速的固
权威认证机构挪威船级社在其 DNVGL-RP-0573
体撞击液滴2种形式，常用测试方法如下。
Evaluation of erosion and delamination for leading edge
protection systems of rotor blades-2020 中较为系统地 2. 1 单次射流冲击方法
提出了风电行业叶片前缘损伤的因素，将风电叶片 20世纪 60年代英国剑桥大学卡文迪许实验室研
面临的前缘损伤因素分为侵蚀、分层、边缘剥落或其 制了第一台单次射流冲击设备（single impact jet
他，并将降雨作为主要侵蚀因素。 apparatus，SIJA） ，利用高压氮气或者炸药爆破的压
[12]
降雨对材料的侵蚀现象最早在航空飞机的雷达 力使铅弹以较高速度撞击用橡皮垫密封在不锈钢喷
罩上被发现。经麻省理工学院辐射实验室进行降雨 嘴里的液体，使液体以高速射流的形式撞击测试件，
冲击模拟试验证明：天线罩的表面损伤是由于高速飞 并使用高速摄影机记录撞击现象。通过调整设备压
行时雨滴冲击导致的，并将此类现象称为“雨蚀”。 力产生的形式及大小，喷嘴的直径等参数，该装置可
[3]
随后航空航天领域学者按照液/固高速冲击课题对雨 产生速度为 200~600 m/s、直径 4~7 mm 的水射流，可
[13]
蚀现象进行了研究，认为液体应力波的传播行为及固 用于模拟超音速类航天器雨蚀的测试 。图 2 为
体内的应力状态是雨蚀破坏的主要影响因素。 SIJA测试装置的示意图。
液/固冲击过程中，液滴经历压缩和侧向喷射

2 个阶段，如图 1 所示，液滴与固体表面接触时，接触
面之上的液滴内部速度高于接触边界速度，液滴被
压缩形成瞬态高压，这一压力被称为“水锤压力”。
当液滴内部速度高于接触边界速度时，液滴会脱离

初期接触面的束缚，沿固体表面形成侧向射流，所产
生的剪切波在固体表面传播，导致固体材料表面发

生分层或剥落 [4-8] 。
Haller 等 利用 Euler 方程计算模拟超音速以及 图2 单次射流冲击设备示意图
[10]
小尺寸水滴冲击的流动行为，证实了冲击早期的压 Fig. 2 Diagram of single impact jet apparatus

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