Page 69 - 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

2. 2 火箭橇法 天研究中心（ONERA）曾使用其 S3MA 风洞在 282 m/s

航天飞行器领域还经常使用火箭撬法进行雨蚀 的空气流中进行过雨蚀测试的研究，但试样雨蚀程
[3]
测试，该方法是将安装了火箭发动机的测试件以极 度较轻 。使用风洞进行雨蚀测试目前仍属于一种
高速度沿着固定导轨通过人工降雨区，在此区域内 过于理想状态的测试方法。
承受雨蚀冲击（图 3）。美国霍洛曼空军基地是最早 2. 5 测试参数的设置
建设的火箭撬测试场所，其轨道总长 15 240 m，其中 不同测试方法的关键测试参数参照如下。
5 500 m 长的轨道上方装有模拟下雨的喷嘴，速度最 相对速度：单射流法速度在200~600 m/s之间，火
高可达 1 700 m/s [14-15] 。该设备可以较为真实地模拟 箭撬法相对速度可达 2 890 m/s，R&D Test system 雨
飞行器雨蚀环境，并且测试件尺寸不受限制，但设备 蚀设备平台速度为 63~173 m/s。
占地面积较大。 雨滴大小：根据贝斯特雨滴经验公式计算，自然
降雨中雨滴直径范围在 0. 5~6. 5 mm ，一般认为直
[17]
径>6 mm 的雨滴受到的空气动力会大于其内部张力，
[18]
使其破碎变小 。飞行器等设备一般参照MIL-STD-
探
标
810G Department of defense test method standard-
准
Enrvironmental engineering considerations and laboratory 索
tests-2008按照雨滴直径 0. 5~4. 5 mm进行测试，风电 及
图3 火箭撬法示意图 开
叶片防护材料一般参照 DNVGL-RP-0573 所要求的 检
Fig. 3 Diagram of rocket sled method
发
雨滴直径2 mm进行。 测
2. 3 旋转臂法 降雨强度：气象学上当降雨强度≥50 mm/h 时为
旋转臂法是通过电机设备的旋转及喷头的设置 “特大暴雨”，粤东区域观测到的最大降雨强度为
[19]
使臂顶端的试样高速与液滴发生撞击（图 4） 。该测 126 mm/h 。为了使雨蚀测试结果更有说服力，实验
[16]
试方法试验设备相对简单，所需场地相对较小，是最 室条件下测试时降雨强度应高于自然降雨。MIL-
为常用的雨蚀测试方法，但由于高速旋转产生的扰 STD-810G 标准中建议的降雨强度为 102 mm/h，当前
动气流和封闭室内壁、针头分布、载样台设计等因素 国内风电叶片前缘防护材料的雨蚀测试一般在上海
影响，使得不同装置的试验结果可比性较差 。目前 曦骅试验室进行，降雨强度为30 mm/h。
[14]
风电行业一般使用丹麦 R&D Test system 公司研制的 2. 6 耐雨蚀性能的评估
雨蚀设备平台，该平台包含了旋转臂设备、雨场模拟 当前对风电叶片前缘防护材料耐雨蚀性能的评
系统，以及数据记录、分析系统。其关键参数设置范 估主要使用 R&D Test system 旋转臂雨蚀设备平台进
围：雨滴直径 2. 0~3. 5 mm，降雨强度 29~53 mm/h，线 行测试，在相对速度、雨滴直径、降雨强度等参数设
速度63~173 m/s。 置一致的情况下，对比其相同测试时长下外观损伤
及质量变化。结合 2. 5所述，笔者认为当前国内风电
叶片前缘防护材料在雨蚀测试时降雨强度参数设置

偏低，应考虑实际气象条件进行调整，推荐按照 MIL-
STD-810G中102 mm/h进行测试。
基于叶片前缘雨蚀损伤是低载荷下多次冲击的
损伤原理，使用复合材料疲劳损伤测试方法进行前
图4 旋转臂雨蚀设备
缘材料耐雨蚀评估是值得借鉴的思路。笔者设想的
Fig. 4 Diagram of R&D rain erosion test
测试方法是：①使用单次射流冲击方法进行材料单
2. 4 风洞测试 次损伤条件的测试，类似于复合材料疲劳测试时静
风洞技术可以在雨蚀测试时同步设置紫外、温 强度的标定；②使用旋转臂法进行雨蚀测试，类似于
度等测试条件，多因素组合式的测试条件与实际环 不同应力幅值下的疲劳次数测定；③结合单射流法
境更接近。但其对风洞要求较高，法国国家航空航 损伤测定的速度、直径条件和旋转臂法测定的耐雨

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