大功率風電機組葉片前緣侵蝕機理及其防護技術淺析＊

顏福裕，韋橋斌，史忠秋，韓燦鵬，韓心宇，歐陽敏南，劉 瑞，李錄平

（1.廣東粵電珠海海上風電有限公司，廣東 陽江 529500；2.廣東德漢能源科技股份有限公司，廣東 廣州 510000；3.長沙理工大學，湖南 長沙 410014）

風力發(fā)電是近年來發(fā)展最快的可再生能源技術之一。在過去幾十年中，全球風電裝機容量從1997 年的7.5 GW 增加到了2021 年的837 GW，其中海上風電機組裝機容量為58 GW。據(jù)有關文獻預測，全球風電在未來10 年（2022—2031 年）將新增919 GW 的裝機容量，到2031 年累計裝機容量將達到1 756 GW，其中海上風電機組裝機容量為370 GW[1]。

風電機組葉片在運行期間會受到復雜的環(huán)境和機械載荷的影響而產(chǎn)生表面損傷（裂紋、分層、樹脂缺陷等）或是結構損傷（纖維斷裂、扭結等）。表面損傷可能是由沙粒、雨水、鹽霧、冰雹和污染物的侵蝕或是小物體撞擊造成，隨著葉片表面損傷的加劇會導致葉片結構的損壞。2018 年HAN 等[2]對EDP 公司運行的67 臺風電機組中的201 個葉片的檢查表明，侵蝕發(fā)生在174 個葉片前緣，約占檢查葉片的87%。2022 年BOOPATHI 等[3]針對不同地區(qū)風電機組，根據(jù)風電機組的服役年齡，調(diào)查了風電機組葉片故障機制和發(fā)生頻率，結果表明，前緣侵蝕是葉片最常見的損壞機制，前緣侵蝕可能從風電機組安裝后的第一年開始發(fā)生。前緣侵蝕導致葉片表面粗糙度增加，從而增加葉片運行時翼型上的氣流邊界層厚度。邊界層厚度的增加導致阻力系數(shù)的增加和升力系數(shù)的降低，從而降低了空氣動力性能。根據(jù)2014 年SAREEN 等[4]的研究表明，根據(jù)腐蝕程度的不同，阻力可以從6%增加到500%，阻力每增加80%將使風電機組的年發(fā)電量減少5%；根據(jù)2022 年WANG 等[5]研究表明，葉片前緣出現(xiàn)點蝕或是分層等損傷，在10 m/s 的入流風速下，可最大地導致扭矩系數(shù)降低42.54%，從而減少機組發(fā)電量。

隨著風電機組單機容量越來越大，風電機組的葉片也越來越長，目前風電機組葉片的葉尖速度可達110 m/s，在這種速度下，葉片前緣的侵蝕會更加嚴重，受損的葉片導致葉片表面粗糙度增加，如圖1 所示，使得葉片氣動性能降低、維修成本增加和機組發(fā)電量降低等。

圖1 葉片前緣侵蝕示意圖

綜上所述，風電機組葉片前緣侵蝕已經(jīng)成為威脅風電安全穩(wěn)定運行的一個隱患，且隨著風電行業(yè)的發(fā)展，問題更加嚴峻。為了降低和優(yōu)化風電機組運行維護成本，本文綜述了風電機組葉片前緣侵蝕機理、前緣侵蝕對風電機組性能的影響和機組葉片前緣防護技術進展，并提出了未來機組前緣防護技術的展望。

1 葉片前緣侵蝕機理

學者們利用有限元分析方法或者試驗方法對前緣侵蝕機理進行了許多研究。液滴/顆粒撞擊葉片表面產(chǎn)生的沖擊載荷和應力波是引起葉片前緣侵蝕的主要原因。風電機組葉片葉尖線速度很大，液滴在葉片前緣涂層表面上產(chǎn)生相對較高的沖擊載荷，造成葉片表面損傷。雨滴撞擊表面后，產(chǎn)生的應力波在前緣保護層中傳播。這會導致?lián)p傷萌生、材料降解和疲勞，然后導致涂層開裂、脫粘、復合材料裂紋、表面粗糙化[6]。壓縮波、剪切波和瑞利波是在侵蝕過程中起關鍵作用的3 種應力波，雨滴沖擊固體表面產(chǎn)生的3 種應力波如圖2 所示[7]。壓縮波傳播速度最快，剪切波傳播速度最慢；壓縮波造成的損傷很小，瑞利波可以與表面裂紋相互作用，瑞利波分為垂直分量和水平分量。垂直分量可以穿透到表保護層，但它取決于雨滴的半徑和沖擊速度。瑞利波、剪切波和壓縮波分別占總沖擊能量的67.4%、25.8%和6.9%。應力波會在涂層和基體結構反復振蕩，直到它們衰減。由于葉片是多層材料構成，材料的物理性質(zhì)不匹配，當應力波到達具有不同物理性質(zhì)的固體之間的自由表面或界面時，應力波會導致材料破壞，使涂層之間發(fā)生剝落和分層。

圖2 雨滴沖擊固體表面產(chǎn)生的3 種應力波

水滴的沖擊速度對葉片前緣的侵蝕起決定性作用。FUJISAWA 等[7]通過水滴撞擊試驗，發(fā)現(xiàn)液滴侵蝕速率與液滴速度的7 次方成正比。OKA 等[8]發(fā)現(xiàn)只有當水滴的沖擊速度大于受損閾值才會對材料表面沖蝕，且增加水滴的沖擊頻率會增加損傷率并縮短損傷潛伏期。

除了沖擊載荷，當水滴與表面的沖擊角小于90°時，水滴撞擊還會對葉片表面產(chǎn)生剪切作用。MENDOZA 等[9]研究了添加碳纖維和玻璃纖維增強聚合物涂層的抗水侵蝕性能。在SEM 顯微鏡中觀察到水滴對纖維具有切割作用，在水滴沖擊方向形成脊狀，從而導致葉片表面粗糙度增加，并導致涂層脫落。PUGH 等[10]認為在葉片處于較大的攻角時，由于液滴的變形沖擊，表面的損傷會更多，當葉片處于較小的攻角時，由于液滴的剪切效應，侵蝕會更大。

液滴撞擊還會在涂層間產(chǎn)生瞬態(tài)應力，也是造成涂層脫落的主要原因。FRAISSE 等[11]用橡膠球代替雨滴沖擊涂層，橡膠球的每次沖擊會在涂層層壓板中產(chǎn)生瞬態(tài)應力，反復沖擊后，這些應力會促使葉片產(chǎn)生裂紋，導致涂層脫落和層壓板損壞。KUSANO 等[12]發(fā)現(xiàn)具有結構化幾何形狀的層壓材料能夠緩解涂層壓板中的瞬態(tài)應力，從而比平坦的層壓材料表現(xiàn)出更長的耐久性。

表面硬度高、彈性高、楊氏模量小的前緣保護材料具有更好保護性能[13]。GODFREY 等[14]發(fā)現(xiàn)寒冷情況下，PU 涂層的硬度和楊氏模量的比值降低，塑性指數(shù)增加，固體顆粒會使葉片前緣表面出現(xiàn)更多的點蝕和凹坑。FUJISAWA 等[7]發(fā)現(xiàn)侵蝕速率隨著材料硬度增加而降低。高彈性涂層和增加涂層厚度可以降低應力幅度，從而延緩損壞。此外，涂層表面的液膜能夠降低液滴沖擊葉片表面時的峰值應力，承載了部分雨滴的沖擊載荷，若固體材料上存在厚度為2.5 mm 的液膜，直徑為100 mm 的液滴撞擊在固體表面的最大壓力則降低10%。

表面粗糙、內(nèi)部不均勻、存在孔隙的涂層在液體沖擊下更容易萌生裂紋。FAESTER 等[15]利用X 射線顯微鏡和計算微觀力學模擬研究了雨滴對前緣侵蝕的微尺度機制，孔隙和空洞的附近在疲勞過程中會導致涂層產(chǎn)生裂紋。

PUGH 等[10]研究了陸上和海上環(huán)境下雨水對風電機組葉片材料的影響，發(fā)現(xiàn)海水里的酸成分可以與涂層材料發(fā)生化學作用，海上的雨水環(huán)境相比陸上會給葉片造成更大的侵蝕。LAW 等[16]對采石場和沿海附近的風電場進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)沙石與海鹽的腐蝕作用大大增加了雨水對葉片侵蝕的速度。

綜上所述，風電機組葉片的前緣侵蝕是雨滴（或是冰雹、灰塵、沙石等）與紫外線和熱環(huán)境載荷相結合的多次重復液體沖擊的結果，而且與涂層的表面機械特性（硬度、彈性模量、粗糙度、耐磨性、斷裂韌性等）、雨滴參數(shù)（沖擊速度、沖擊角度、大小、厚度等）和環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、空氣質(zhì)量、降雨強度等）等密切相關。

2 前緣防護技術

近年來，本領域許多學者和工程技術專家對風電機組葉片前緣防護技術進行了研究，制定了多種防護技術方案?？傮w來說，這些防護方案分為保護（開發(fā)保護性高的涂層）、避免（降雨強度大時降低葉尖速度）和修復（用保護罩或者膠帶修復侵蝕區(qū)域）。目前，風電機組葉片前緣防護技術的重要進展體現(xiàn)在如下方面。

2.1 增強涂層

聚氨酯（PU）結構中具有氨基甲酸酯基團-NH-CO-O，是由異氰酸酯（R-（N=C=O）n）與多元醇反應形成的，PU 涂層是高彈性且耐用的材料，在沖擊時可作為能量吸收器。由于高彈性而且具有形狀記憶，耐刨削和磨損[17]，因此，PU 涂層是前緣保護的良好候選者。并使用溶膠-凝膠技術在涂層中加入納米顆粒，通過納米顆粒的功能化來提高界面強度，以促進與基質(zhì)的化學結合，從而增強涂層的機械、熱和沖擊性能，例如加入碳納米粒子（CNP）、碳納米管（CNT）、碳納米片（GNP）和石墨烯等[18]。

2000 年，PETROVI?等[19]制造了PU 納米復合材料，其中納米二氧化硅（SiO2）的質(zhì)量分數(shù)范圍為0%～50%，納米SiO2質(zhì)量分數(shù)為40%時，涂層拉伸強度增加了300%；涂層斷裂伸長率隨著納米SiO2質(zhì)量分數(shù)的增加而不斷增加，在50%時增加了600%。

2005 年，XIA 等[20]研究了通過原位聚合制備的PU-CNT（單壁和多壁）復合材料，在單壁CNT 質(zhì)量分數(shù)為2%時，涂層的最高拉伸強度為9.11 MPa。

2008 年，GUO 等[21]使用多壁碳納米管（MWCNT）通過原位聚合和溶液澆鑄方法的結合來增強PU 涂層。在PU 基體中加入質(zhì)量分數(shù)為1.0%的MWCNT 后，楊氏模量、斷裂應力和斷裂伸長率分別提高了90%、500%和75%。

2010 年，LóPEZ 等[22]通過機械混合法向SiO2基質(zhì)中添加質(zhì)量分數(shù)為0.1%的MWCNT 獲得陶瓷溶膠-凝膠涂層，其斷裂韌性比普通涂層增加了24%。

2011 年，LIANG 等[23]利用接枝多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）開發(fā)了多功能CNF 紙基納米復合涂層。與基線復合材料相比，納米復合材料的阻尼比增加了300%，顯著改善了涂層的振動阻尼性能。

2013 年，LI 等[24]利用石墨烯納米顆粒+CNT 的聚合物增強環(huán)氧樹脂涂層的性能，聚合物的質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，與純環(huán)氧樹脂相比，涂層的拉伸模量提高了40%，拉伸強度提高了36%。

2015 年，VALAKER 等[25]開發(fā)了含有納米碳化硅（SiC）顆粒增強物的噴涂涂層，并進行了雨水沖蝕試驗。研究結果表明，SiC 增強涂層的材料損失比工業(yè)涂層少6～10 倍，且隨著納米顆粒含量的增加，耐腐蝕性明顯增加。

2015 年，CHUNG 等[26]將粒徑小于20 μm 的改性石墨（MG）粉末共價連接到PU 主鏈。與未改性聚氨酯相比，極限拉伸應力增加了436%，最大應變增加了1 744%。

2017 年，MOGHIM 等[27]采用溶液澆鑄法，通過質(zhì)量分數(shù)為0.05%～5%的MWCNT 來增強PU 涂層的拉伸強度，結果表明，MWCNT 質(zhì)量分數(shù)為1%時，PU涂層的拉伸強度提高了122%。

2018 年，CHUNG 等[28]通過原硅酸四乙酯（TEOS）和接枝到PU 上的三乙氧基甲硅烷基（TESPI）之間的溶膠-凝膠反應制備了混合PU-SiO2復合材料。含有12.5 mmol TEOS 和2.5 mmol TESPI 的PU 的極限拉伸強度可達59.6 MPa。

2019 年，TARASOV 等[29]分析了富勒烯、GO 及其混合物（15/85 比例）對質(zhì)量分數(shù)為0.01%～0.1%的交聯(lián)PU 涂層的影響。富勒烯/GO 混合物的使用表現(xiàn)出明顯的正協(xié)同效應，質(zhì)量分數(shù)為0.01%時，楊氏模量增加了20%，而在質(zhì)量分數(shù)為0.1%時，楊氏模量增加了30%。

2020 年，JESPERSEN 等[30]將纖維（纖維漿）或圓盤顆粒嵌入涂層。隨著纖維體積百分比的增加，應力波逐漸散射，阻尼增大。

2021 年，JOHANSEN 等[31]使用單點沖擊疲勞試驗測試了含有石墨烯和石墨烯-SiO2混合增強材料的抗侵蝕涂層，混合涂層的使用壽命比純PU 涂層高13 倍。

2022 年，DASHTKAR 等[32]分別用羥基官能化的石墨烯納米顆粒（f-GNP）和f-GNP 與疏水性硅基溶膠-凝膠（SG）改性來制備PU 涂層。與純PU 涂層相比，PU+GNP+SG 涂層的楊氏模量、拉伸強度、韌性模量和斷裂伸長率分別提高了95%、115%、124%和102%。

2.2 多層涂層

具有交替剛性層和韌性層的多層涂層在許多保護系統(tǒng)中都有應用。2016 年，MOHAGHEGHIAN 等[33]研究了帶有薄聚乙烯涂層聚合物層壓板，研究結果表明，這種雙層結構的耐磨性、耐腐蝕性和拉伸強度等性能都優(yōu)于原來的單層結構。

2017 年，CORTéS 等[13]通過在旋轉(zhuǎn)臂雨蝕試驗裝置（WARER）中用水滴反復高速撞擊多層防侵蝕材料，證明了多層材料可以與基底之間有更好的黏附性能，極大地改善了由于分層引起的侵蝕失效。

2017 年，MAEZTU 等[34]使用石墨烯氧化物和氟化聚合物結合溶膠-凝膠法提出了一種多層納米涂層，通過原子力顯微鏡（AFM）、輪廓儀和掃描電子顯微鏡（SEM）分析表面和涂層形態(tài)，結果表明，熱處理在醇鹽之間提供了化學交聯(lián)，從而將混合涂層的硬度提高了300%，并發(fā)現(xiàn)涂層疏水性能與耐腐蝕性密切相關。

2.3 互穿聚合物網(wǎng)絡

早在1994 年，SOPHIEA 等[35]通過研究發(fā)現(xiàn)，含PU 的互穿聚合物網(wǎng)絡與純PU 聚合物相比，互穿聚合物網(wǎng)絡（IPN）的優(yōu)點包括強度更高、溫度范圍更寬、阻尼峰足夠高、具有很強的機械能量吸收特性。

在2012 年，MILLS 等[36]用質(zhì)量分數(shù)分別為5%和10%的納米SiO2改性PU 涂層，發(fā)現(xiàn)納米SiO2質(zhì)量分數(shù)為5%時，涂層中IPN、疏水性和耐磨性都會增強。KAUSAR[37]在2017 年通過引入環(huán)氧樹脂形成PU 和環(huán)氧樹脂的IPN，使PU 涂層的機械性能、耐熱性和阻尼特性得到了增強。

2.4 侵蝕安全模式控制

2018 年，BECH 等[38]提出了在大雨條件下降低葉尖速度，來減輕前緣侵蝕的“侵蝕安全模式控制”策略。

2020 年，BAK 等[39]發(fā)現(xiàn)前緣損壞導致的相對年發(fā)電量損失隨著平均風速的增加而減少。對于低風速風場地，損失在1%～4%之間。對于高風速場地，損失在0.5%～3%之間。并提出了通過提高最大葉尖速度增加年發(fā)電量和減少損失的方法。

2020 年，SKRZYPI?SKI 等[40]對IEA15WM 風電機組進行了侵蝕建模，發(fā)現(xiàn)根據(jù)降雨強度調(diào)整葉尖速度，可以節(jié)省88%的因前緣侵蝕而導致的整體利潤損失。

3 結束語

風電機組葉片前緣侵蝕是一個復雜的多尺度和多物理過程，是由雨滴（或是冰雹、灰塵、沙石等）與紫外線和熱環(huán)境載荷相結合的多次液滴沖擊引起的結果，還受葉片制造缺陷、空洞、氣泡、顆粒和弱界面等因素影響。

目前，保護風電機組葉片前緣的解決方案分為保護（開發(fā)保護性高的涂層）、避免（降雨強度大時降低葉尖速度）和修復（用保護罩或者膠帶修復侵蝕區(qū)域）。

開發(fā)保護性高的涂層是目前學者們研究的重點，開發(fā)的解決方案包括在涂層中加入納米顆粒（CNP、CNT、GNP 和石墨烯等）制作增強涂層、形成互穿聚合物網(wǎng)絡和開發(fā)多層涂層。使涂層可以分散雨水沖擊所造成的應力波，并增強涂層的其他各方面特性。

未來風電機組葉片前緣保護涂層材料的開發(fā)應進一步彰顯如下方面的優(yōu)勢：①涂層的成本效益更高，耐用性更強；②涂敷在葉片上的涂層厚度更薄，對葉片的質(zhì)量和空氣動力性能的影響可以忽略；③涂層具有耐侵蝕、耐腐蝕、耐磨損和除冰等多種特性；④涂層在風電機組運行過程中不會對環(huán)境產(chǎn)生污染；⑤涂層需要具有對葉片基材良好的附著力，化學性能穩(wěn)定。