風(fēng)力機(jī)葉片涂層沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

萬大千，陳松利，張勃，李丹嵐，甄琦

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

0 前言

風(fēng)能是一種潔凈的可再生能源，并且蘊(yùn)藏著巨大的能量，風(fēng)能的研究與開發(fā)利用對(duì)人類的生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。自然條件下的風(fēng)達(dá)到一定風(fēng)速就會(huì)攜帶多種粒徑的土壤顆粒成為挾沙風(fēng)，挾沙風(fēng)比凈風(fēng)的破壞力更強(qiáng)，能使風(fēng)蝕量倍增，加劇物體表面的磨損[1]。

挾沙風(fēng)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的沖蝕磨損最易引起葉片表面涂層破壞，降低葉片的使用壽命，增加葉片的維護(hù)成本。

趙新學(xué)和金有海[2]對(duì)分離器壁的沖蝕狀況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了磨損的主要形式、磨損發(fā)生的位置，總結(jié)出磨損規(guī)律。戴麗萍等[3]對(duì)玻璃鋼進(jìn)行沖蝕實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)葉片外側(cè)最易受風(fēng)沙的沖蝕，并通過建模計(jì)算方式，研究葉片沖蝕規(guī)律。李明等人[4]通過軟件仿真實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出葉片材料特性在不同風(fēng)速下對(duì)葉片輸出功率的影響差異。李德順等[5]對(duì)葉片進(jìn)行沖蝕實(shí)驗(yàn)，研究磨損的程度和磨損位置與沙粒的直徑和濃度的關(guān)系。李陽等人[6]通過沖蝕實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)，針對(duì)多種涂層的葉片，在改變沖蝕角度后觀察沖蝕磨損規(guī)律，記錄葉片磨損分布情況。郝贠洪等[7]利用氣體與沙混合對(duì)鋼材料進(jìn)行沖蝕，研究葉片涂層沖蝕后的效果，總結(jié)出沖蝕經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式。張永等人[8]在勻速?zèng)_蝕葉片涂層的基礎(chǔ)上，通過低角度變速的沖蝕實(shí)驗(yàn)，研究葉片磨損量與風(fēng)沙速度的關(guān)系。SAREEN 等[9]通過對(duì)葉片涂層進(jìn)行沖蝕，構(gòu)建了沖蝕磨損率模型，根據(jù)葉片涂層材料磨損程度的不同，對(duì)葉片阻力系數(shù)的變化進(jìn)行研究，對(duì)葉片涂層的選擇提出建議。李仁年等[10]對(duì)葉片四圍的繞流結(jié)構(gòu)分析，總結(jié)出沖蝕規(guī)律，即沙粒對(duì)葉片磨損后使葉片形狀發(fā)生了改變。張志陽等[11]通過現(xiàn)有商用風(fēng)機(jī)葉片數(shù)據(jù)建立風(fēng)輪模型，用流固耦合的方法推出風(fēng)輪表面的風(fēng)壓分布，再對(duì)單葉片進(jìn)行靜力學(xué)分析，研究表明葉片中間區(qū)域的載荷變化大于葉片邊緣的載荷變化，當(dāng)加入離心力載荷時(shí)，載荷壓力向葉片前緣集中。甄琦等人[12]通過有限元分析模擬受損葉片，研究得出增大沖蝕程度對(duì)葉片位移影響不大，葉片材料密度與位移量呈正比。

在風(fēng)沙侵蝕研究中，沖蝕裝置可以創(chuàng)造并模擬可控的自然風(fēng)，是研究風(fēng)沙侵蝕的重要工具。由風(fēng)蝕設(shè)備的研究發(fā)展?fàn)顩r可知，利用模型對(duì)風(fēng)蝕定量化研究，沖蝕裝置是比較可靠和準(zhǔn)確的研究手段。因此需要研制一種能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求的風(fēng)力機(jī)葉片沖蝕裝置，為研究真實(shí)挾沙風(fēng)環(huán)境下對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的沖蝕影響提供參考。

1 沖蝕裝置整體設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 沖蝕裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)力機(jī)葉片沖蝕裝置由集沙儀、沖蝕管支撐架、沖蝕管、進(jìn)沙裝置(沙箱、螺旋推進(jìn)器、沙箱支架)、帶角度調(diào)節(jié)器的沖蝕箱、實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、沖蝕管支撐座、步進(jìn)電機(jī)和控制柜9個(gè)部分組成，風(fēng)機(jī)葉片通過螺栓固定在沖蝕箱內(nèi)。其中進(jìn)入沖蝕箱之前的部件做成同等規(guī)格的3套，以同樣的挾沙率和風(fēng)速?zèng)_蝕風(fēng)機(jī)葉片的3個(gè)不同位置。各組成部分均為獨(dú)立的構(gòu)件，機(jī)械部件通過螺紋緊固件連接在一起，控制柜通過電線連接到步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)控制螺旋推進(jìn)器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，風(fēng)道通過細(xì)PVC管連接空氣壓縮機(jī)和沖蝕管，沙箱中的沙子通過粗PVC管在螺旋推進(jìn)器的作用下進(jìn)入沖蝕管。

根據(jù)真實(shí)風(fēng)場中的沙子采樣收集分析后，此實(shí)驗(yàn)粒徑范圍為0.075～0.15 mm、0.15～0.212 mm、0.212～0.38 mm、0.38～0.83 mm，超出上述4個(gè)范圍內(nèi)的沙粒十分少見，故實(shí)驗(yàn)粒徑在此范圍內(nèi)選擇后進(jìn)行篩取備用。實(shí)驗(yàn)沙箱總共設(shè)置3個(gè)，采用獨(dú)立控制系統(tǒng)，3個(gè)沙箱可單獨(dú)也可組合進(jìn)行工作，從而實(shí)現(xiàn)多種工況的選擇。

風(fēng)力機(jī)葉片沖蝕裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，風(fēng)力機(jī)葉片沖蝕裝置實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

圖1 風(fēng)力機(jī)葉片沖蝕裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of wind turbine blade erosion device

圖2 風(fēng)力機(jī)葉片沖蝕裝置實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2 沖蝕裝置工作原理

沖蝕裝置的工作流程如圖3所示，風(fēng)力機(jī)葉片沖蝕裝置以壓縮空氣為動(dòng)力，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣源與混合加速管前沖蝕管連接，空氣通過調(diào)壓閥在圓形截面的玻璃管道中向前流動(dòng)，在混合加速管產(chǎn)生沖蝕壓力，使來自沙箱的沙料與空氣充分接觸混合后，再經(jīng)過壓縮空氣的加速，形成高速運(yùn)動(dòng)的挾沙風(fēng)，由沖蝕管噴嘴噴出，噴射到風(fēng)力機(jī)葉片模型表面對(duì)它進(jìn)行沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)。該控制系統(tǒng)以PLC 作為核心控制器，結(jié)合多步進(jìn)電機(jī)控制和人機(jī)界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制。利用 PLC 輸出脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋推進(jìn)器，通過建立含沙量與螺旋推進(jìn)器轉(zhuǎn)速關(guān)系，該裝置能夠?qū)⑸诚鋬?nèi)的沙粒按照設(shè)定的速度均勻輸送至沖蝕裝置的混合加速管中，實(shí)現(xiàn)含沙量的準(zhǔn)確控制。

圖3 沖蝕裝置工作流程Fig.3 Process of erosion equipment

2 沖蝕裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 螺旋推進(jìn)器設(shè)計(jì)

螺旋推進(jìn)器裝置作為沙量調(diào)節(jié)器，是進(jìn)沙裝置的主要組成部分，由絲杠式螺桿、螺桿套和排沙管組成，位于沙箱的下方。實(shí)驗(yàn)時(shí)，沙量調(diào)節(jié)器按照實(shí)驗(yàn)所需的沙量要求導(dǎo)入不同大小的沙粒。沙量調(diào)節(jié)器采用絲杠式螺桿結(jié)構(gòu)，與沙箱底部的矩形下沙管相接，絲杠式螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)陷入螺桿槽內(nèi)的沙粒向前運(yùn)動(dòng)，經(jīng)排沙管流入沖蝕管中。螺旋推進(jìn)器裝置如圖4所示。

圖4 螺旋推進(jìn)器示意Fig.4 Schematic of propeller

絲杠式螺桿由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以調(diào)整，進(jìn)沙設(shè)置為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，排沙量的多少與螺桿的轉(zhuǎn)速有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)由PLC控制，可以實(shí)現(xiàn)螺桿多轉(zhuǎn)速值調(diào)速，進(jìn)而可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要來調(diào)節(jié)排沙量的多少。實(shí)驗(yàn)時(shí)，若不需要排沙，則可通過PLC控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)來排出螺旋推進(jìn)器內(nèi)的殘余沙粒。

2.2 沖蝕室設(shè)計(jì)

沖蝕室由箱體、支撐板、角度調(diào)節(jié)器及其他零件組成。箱體位于沖蝕裝置的尾部，其兩側(cè)與葉片支撐架連接，內(nèi)部由葉片支撐架固定葉片模型，由沖蝕管噴嘴對(duì)葉片模型進(jìn)行沖蝕。依據(jù)角度調(diào)節(jié)器,可通過調(diào)節(jié)葉片支撐架在0°～90°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)沖蝕角度，以保障為葉片提供足夠的迎風(fēng)角度。沖蝕管噴嘴到葉片模型的距離根據(jù)沖蝕實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為136 mm。圖5所示為沖蝕室的結(jié)構(gòu)示意。

圖5 風(fēng)力機(jī)葉片沖蝕室的結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic of wind turbine blade erosion chamber

箱體設(shè)計(jì)為不完全封閉，與沖蝕管噴嘴正對(duì)的面沒有沖蝕箱壁，可以有效避免高速運(yùn)動(dòng)的挾沙氣流因被沖蝕箱壁反彈而對(duì)沖蝕效果造成的影響。箱體由擋板、進(jìn)氣管、上頂板、下底板、前后板、左側(cè)板、右側(cè)板、排氣管、漏沙前后板、漏沙側(cè)板、進(jìn)氣噴嘴組成，如圖6所示。

圖6 箱體示意Fig.6 Schematic of box

角度調(diào)節(jié)器用來調(diào)節(jié)葉片模型與沖蝕管噴嘴之間的角度，為研究不同沖蝕角度下風(fēng)力機(jī)葉片受損程度與沖蝕角度的關(guān)系及其對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響提供依據(jù)。

角度調(diào)節(jié)控制板設(shè)計(jì)如圖7所示，采用厚度為3 mm的Q235，半徑為100 mm。它與角度控制調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)桿間隙配合，在90°內(nèi)開18個(gè)直徑為4 mm的孔，其間隔為5°，用來改變沖蝕角度。中心孔直徑為25 mm與軸配合使用。

到2020年，湖南省水利項(xiàng)目市場總投入2045億元，年均投資255億元，接近“十二五”期間年均水利投資額度；近期建設(shè)的主要項(xiàng)目總投資480.38億元，年均投資120億元，還有大量的中小型項(xiàng)目要進(jìn)行建設(shè)。

圖7 角度調(diào)節(jié)板Fig.7 Angle adjusting plate

3 沖蝕裝置測試

3.1 輸沙量的測試

通過采用以PLC為核心控制器的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速控制，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)沖蝕裝置的含沙量。步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為300脈沖/s，每按一次調(diào)速按鈕，增加或者減少25脈沖/s。在沖蝕管內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)與氣泵相結(jié)合能夠模擬挾沙風(fēng)，隨著步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)的增加，沙流量也增加。不同轉(zhuǎn)速下的沙流速如表1所示。

表1 不同轉(zhuǎn)速下的輸沙率Tab.1 Sand transport rate at different speed

實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)輸沙率比自然界中的挾沙風(fēng)含沙量略大，后期實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)需要繼續(xù)降低脈沖數(shù)?，F(xiàn)在測試脈沖數(shù)下輸沙量可滿足風(fēng)機(jī)葉片的加速磨損，該沖蝕裝置輸沙率控制精確，滿足要求。

3.2 沖蝕風(fēng)速計(jì)算與測試

風(fēng)力機(jī)葉片沖蝕裝置在工作過程中由紅五環(huán)活塞式空氣壓縮機(jī)提供氣源。根據(jù)伯努利原理和流動(dòng)連續(xù)性方程，空氣在管道中的總壓力基本恒定，故管道入口處的壓力值決定了空氣管中氣體的總壓力。而當(dāng)壓力不變時(shí)，氣體在管道內(nèi)的流速與管道入口的壓力成正比，由于管道的橫截面積不變，所以，如果想控制沖蝕管內(nèi)氣流的速度，只需控制沖蝕管入口處氣流的壓力即可。壓縮空氣在經(jīng)過空氣壓縮機(jī)之后連接一個(gè)帶油水分離器的調(diào)壓閥，通過調(diào)壓閥上的壓力表控制閥門關(guān)閉的壓力，進(jìn)而在閥門開啟時(shí)讀取開啟后的壓力，在不同的開啟壓力下通過風(fēng)速儀讀取實(shí)驗(yàn)風(fēng)速值。

沖蝕管中沙粒與壓縮空氣充分混合，所以將沖蝕管出口處的挾沙風(fēng)速度作為葉片模型的沖蝕速度。根據(jù)氣體連續(xù)性方程：

ρ1A1v1=ρ2A2v2

(1)

式中：ρ1為沖蝕管入口處氣流密度；ρ2為沖蝕管出口處氣流密度；A1為沖蝕管入口處橫截面積；A2為沖蝕管出口處橫截面積；v1為沖蝕管入口處的氣流速度；v2為沖蝕管出口處的氣流速度。

根據(jù)Q=Av簡化公式可得：

(2)

式中：Q1為沖蝕管入口處的氣體流量。

干空氣密度的計(jì)算公式：

(3)

式中：ρ為在絕對(duì)壓力p和熱力學(xué)溫度T時(shí)的干空氣密度，kg/m3；ρ0為基準(zhǔn)狀態(tài)下的干空氣密度， 1.293 kg/m3；T為空氣熱力學(xué)溫度，T=273.16+t，K；t為空氣溫度，℃；p為絕對(duì)壓力，MPa；p0為基準(zhǔn)狀態(tài)下干空氣壓力。

由于在沖蝕管中，溫度基本恒定，故由式(3)可得：

(4)

(5)

式中：p1為沖蝕管入口處絕對(duì)壓力；p2為沖蝕管出口處絕對(duì)壓力。

將式(4)和式(5)代入式(2)得：

v2即為挾沙風(fēng)葉片模型的沖蝕速度。

通過控制調(diào)壓閥的閥門開啟與關(guān)閉，得到相應(yīng)壓力值，根據(jù)公式計(jì)算沖蝕風(fēng)速，并用風(fēng)速儀測定沙箱出風(fēng)口處接近風(fēng)扇葉片處的多組風(fēng)速值，取平均值作為實(shí)驗(yàn)風(fēng)速。2種沖蝕速度對(duì)比如表2所示，實(shí)驗(yàn)后對(duì)比發(fā)現(xiàn)沖蝕風(fēng)速與實(shí)驗(yàn)風(fēng)速相差無幾。

表2 沖蝕速度對(duì)比Tab.2 Comparison of erosion rate

3.3 葉片沖蝕效果測試

實(shí)驗(yàn)中選取步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速200脈沖/s，沙子粒徑選取較大的0.6 mm，沖蝕角度隨機(jī)選取為15°，風(fēng)機(jī)葉片材料為木芯材質(zhì)，沖蝕風(fēng)速控制在9～10 m/s，每天沖蝕4 h，沖蝕5天后，效果如圖8所示。可見葉片涂層已完全磨損，葉片有明顯的坑洞出現(xiàn)，對(duì)比實(shí)際自然風(fēng)下長期沖蝕的葉片后，發(fā)現(xiàn)兩者沖蝕效果差別不大。

圖8 沙箱出風(fēng)口及沖蝕后風(fēng)機(jī)葉片F(xiàn)ig.8 Sand box air outlet and fan blade after erosion

4 結(jié)論

文中研制了一種風(fēng)力機(jī)葉片涂層沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置以壓縮空氣為動(dòng)力，通過壓縮空氣氣管接通氣源，壓縮空氣在沖蝕管中建立工作壓力，使沙箱內(nèi)的沙料和壓縮空氣充分混合加壓；然后再經(jīng)過壓縮空氣的加速，形成高速運(yùn)動(dòng)的挾沙風(fēng)；再利用PLC控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過螺旋推進(jìn)器進(jìn)行輸沙率控制，由沖蝕管噴嘴噴出，噴射到風(fēng)力機(jī)葉片模型表面對(duì)其進(jìn)行沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)。該沖蝕裝置可實(shí)現(xiàn)多種沖擊風(fēng)速、攜沙量、沖擊角度的多工況的磨損實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)開展實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。