挟沙风作用下风力机叶片涂层冲蚀磨损研究进展*

张 永，刘 召，黄 超，田 月，刘文斐

（内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特 010018）

挟沙风作用下风力机叶片涂层冲蚀磨损研究进展*

张 永†，刘 召，黄 超，田 月，刘文斐

（内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特 010018）

随着化石资源的逐渐枯竭，风力发电技术在近几年得到了大力的发展。内蒙古中西部拥有得天独厚的风力资源，但其周边环境恶劣，风中挟带着大量的沙粒对高速旋转下的风机叶片涂层冲蚀磨损严重，导致风电场对叶片的运营维护成本增加。本文对国内外有关涂层材料的冲蚀磨损研究进行了综述，讨论了涂层材料冲蚀磨损过程中各因素对磨损量、应力应变分布规律、磨损机理等的影响，为研究挟沙风对风机叶片涂层冲蚀磨损的过程提供一些思路和展望。

挟沙风；风力机；叶片涂层；冲蚀磨损

0 引 言

风能以其储量大、分布广、无污染等优点在我国得到迅速发展。据《2014年中国风电装机容量统计报告》显示，中国（不包括台湾地区）新增安装风电机组13 121台，新增装机容量 23 196 MW，同比增长44.2%；累计安装风电机组76 241台，累计装机容量114 609 MW，同比增长25.4% 。中国可再生能源学会风能专业委员会2014年发布的报告显示，2014年我国各大区域的风电新增装机容量与2013年相比，除东北地区有所下降外，其他区域的新增装机容量均呈上升态势[1]。2015年2月，国家能源局发布2014年风电产业监测数据显示，2014年中国风电新增核准容量为3 600万kW，同比增长600万kW。风电发展“十二五”第三批核准计划完成率为76%，第四批核准计划完成率为56%，完成率明显提高[2]。

内蒙古风能资源丰富，全区风能技术可开发容量超过1.5亿kW，占全国陆地风能资源储量的50%以上，是国家落实可再生能源发展规划目标、开发建设百万kW及千万kW级风电基地的重要地区，被国家确定为“风电三峡”基地。截至2014年底，内蒙古自治区累计装机容量达到22 312.31 MW，占2014年底全国累计装机容量的19.5%，依然居全国各省（区、市）第一位[3]。

叶片是风力发电机中最基础和关键的部件，其良好的表面涂层质量是保证机组正常稳定运行的决定因素。众所周知，现代化大型风力机叶片主要起源于中北欧波罗地海和北海附近的低地国家，那里深受北大西洋暖流影响，以温暖潮湿的温带海洋性季风气候为主，其风源特点是含水量高，含沙量和浮尘量都极低。该地区自然地将耐雨蚀作为叶片涂层的主要检测标准[4]。

内蒙古中西部特殊的地理环境导致引进的风机出现了“水土不服的现象”。以风资源相对丰富的乌兰察布市玫瑰营为例，根据当地气象资料显示，年浮尘及沙尘日数占约30% ~ 50%[5-6]。在风沙环境下，大型风力机叶片在高速运转过程中，由于风沙的抽磨，叶片的涂层出现麻面、纤维布漏出等磨损特征，叶片裂纹增宽、增长、加深，裂纹向深处扩展，导致风机运行时出现阻力、杂音、哨声，当裂纹影响风机的运行安全时，需要由专业队伍来进行维修，大大增加了风电成本。同时冲蚀坑在雨季容易积水，严重降低了防雷指数，可能导致叶片受雷击破裂或断裂等极端现象出现，直接影响着风电场的安全运行和经济效益[7]。图1所示为风电场拍摄到的风力机叶片涂层遭受风沙冲蚀磨损的情况。

图1 被风沙冲蚀磨损的风力机叶片Fig. 1 Wind turbine blades eroded by wind-borne sands

因此，根据内蒙古中西部地区的风沙环境特点，针对风机叶片表面聚氨酯涂层，研究风沙环境下风机叶片涂层应力应变分布及磨损规律，明确磨损机理，建立评价体系，为运行在风沙环境下的风力机叶片涂层的改进提供理论依据，对风能资源丰富的内蒙古中西部地区大力发展风电产业，具有重要的科学意义。

1 叶片涂层冲蚀磨损的相关研究

风力机技术得以广泛应用的时间本身有限，叶片磨损及维护还没有大规模地体现出来，有关风沙环境作用下风力机叶片涂层的研究还不多见，仅有的一些研究也主要是集中在涂层组分对涂层粘结力、硬度及延伸率等性能的影响上。贾艳华[8]采用微观结构分析与动态力学测试相结合的方法，获得了玻璃钢材料上聚氨酯涂层的耐磨性、延展性、抗划伤性及耐候性等力学性能。杨春燕等[9]综述了近年来风电叶片保护涂层的现状及应用，重点从涂层保护原理与涂料方案及工艺两个方面介绍了涂层对风电叶片表面保护的重要性。并指出具有良好的产品性能及简便的施工工艺、并能适应中国风电场运行环境的涂料，对风电产业的推动起着至关重要的积极作用。

虽然风力机叶片涂层冲蚀磨损相关的研究还不多，但其他领域中有关材料冲蚀磨损一直是受关注的热点。对已取得的冲蚀磨损成果进行综述，便于了解国内外有关冲蚀磨损研究的最新发展动态。

鲁嘉华等[10]在自行研制的风洞中先后对应用较广的 MCrAlY 叶片涂层和2Cr12Mo-5叶片合金、钢丸表面强化试件在不同气流速度、颗粒冲角、颗粒性状、颗粒粒度的条件下进行了气动冲蚀实验，获得了各种冲蚀参数下冲蚀机理及冲蚀量的变化规律。

郝贠洪等[11]利用气流挟沙喷射法对钢结构涂层进行冲蚀实验，研究了涂层在风沙环境下的冲蚀磨损特性、冲蚀行为和侵蚀机理。得出了如下结论：涂层磨损量随沙剂量和冲蚀速度的增加而增加；侵蚀机理为在低角度冲蚀下，涂层主要受微切削作用，而在高角度冲蚀下，主要受冲蚀挤压变形作用，由于涂层强度低而韧性较好，其在低角度冲蚀下的磨损更为严重。

BARKOULA等[12]采用实验研究的方法，就固体粒子对高分子复合材料的冲蚀进行研究，得出了磨损机理及影响磨损的主要参数。Harsha等[13]和Tewari等[14]详细讨论了聚芳醚酮基碳纤维及玻璃纤维材料在固体颗粒冲蚀下的磨损特性。采用实验研究的方法对影响磨损的因素及磨损机理进行了研究。

ARJULA等[15]研究了高分子在遭受不同形状的固体颗粒、变化的冲蚀速度及冲蚀角下材料冲蚀磨损率。将磨损率表达为材料硬度的函数，绘制了反映材料弹性及塑性变形过程的磨损图。

SURESH 等[16]采用实验的方法分别对树脂玻璃纤维复合材料在不同的冲蚀速度、冲蚀角度及不同的粒子形状下冲蚀过程进行研究，通过电镜扫描的方法研究了冲蚀机理，采用神经网络搭建预测模型，给出了不同冲蚀参数下冲蚀磨损率的预测模型。同样的研究方法在文献[17-19]中也得到了应用。

鲍崇高等[20]通过对泵用过流部件材料55# 碳钢和1Cr18Ni9Ti不锈钢在不同冲蚀速度、不同浆料含砂量及不同冲蚀角度条件下进行冲蚀磨损腐蚀实验，探索了材料的冲蚀失效规律及微观破坏机制。

高雪松等[21]以钛合金为基体，运用激光熔覆等离子体喷涂工艺制备陶瓷涂层。采用喷砂式冲蚀实验机进行冲蚀磨损实验，揭示了随着冲蚀角的增加，激光熔覆陶瓷涂层冲蚀量超过等离子体涂层的原因，提出了陶瓷涂层冲蚀涂层的经验表达式。

国内外在进行相关材料的冲蚀磨损实验过程中，采用的实验设备大多为自行研制的风洞、气流挟沙喷射器、泵、喷砂式冲蚀实验机等。一般研究材料冲蚀磨损的相关变量为沙剂量、冲蚀角度、冲蚀速度、颗粒形状等，但是相关的冲蚀磨损设备在实验过程中实现各参量的定量精确控制是十分困难的，比如冲蚀速度、含沙量等。因此，可以对相关的冲蚀磨损实验设备的不足之处进行改进。实现各研究参量的精确控制可以将设备自动控制化，对于冲蚀速度可以通过安装电磁比例阀，调节气压的大小来实现风速的精确控制；含沙量的大小可以通过步进电机控制下沙口的大小进行控制；沙粒粒径可以通过分级筛进行筛选。当然，冲蚀磨损实验设备与触摸屏可以结合使用，通过软件编辑界面程序，实现各参量接口的通讯、精确设定以及数据的实时监测。若冲蚀实验设备的这些改进工作能够实现，这将会使下一步的冲蚀磨损实验的结果更加准确，更接近真实的冲蚀磨损环境。

2 冲蚀过程的应力应变分布及磨损规律的细观分析

EDWARDS等[22]采用CFD软件，结合流场分析及颗粒轨迹方程，模拟获得了冲蚀过程中粒子的运动轨迹，由此给出了冲蚀磨损率的预测模型，并成功应用于不锈钢弯管冲蚀磨损的预测中[23]。

FERREIRA等[24]和PAPINI等[25]研究了两相流对材料的冲蚀磨损特性。为了明确冲蚀磨损机理，采用单粒子冲蚀材料的方法对磨损过程中的应力应变分布规律及损伤演变过程进行了详细的研究，揭示了冲蚀磨损过程中颗粒冲蚀材料的能量变化规律及反弹参数等，对发展冲蚀理论具有重要的意义。其他类似的研究可参阅相关文献[26-29]。

PATNAIK等[30-31]建立了预测多粒子冲蚀时冲蚀率的理论预测模型，假设冲蚀过程中粒子和冲蚀材料均处于同一温度且两者之间没有能量交换，基于粒子冲蚀过程中能量损失全部用来产生材料的变形，因此可通过测量冲蚀磨损的变形体积来衡量冲蚀磨损。

SOURAV[32]采用有限元模拟的方法，分析规则粒子与不规则粒子对涂层的冲蚀过程，分别在有限元模拟的基础上讨论了单个规则粒子及多个粒子冲蚀同一位置时应力应变的分布规律及磨损率，并讨论单个不规则粒子冲蚀材料的过程。

张义等[33]讨论了管道的低温电化学腐蚀和气固两相流动冲刷磨损的机理，采用FLUENT6.3进行数值模拟研究，模拟了冲蚀磨损量、切应力及其沿管道的分布情况，并对不同气相速度、固相速度、两相速度、颗粒直径、颗粒含量等流体力学因素条件下的模拟结果进行了比较分析。

赵新学等[34]针对旋风分离器壁面存在的严重磨损问题，采用理论分析和数值实验相结合的研究方法，借助先进的计算流体力学技术，深入研究了气固两相流对旋风分离器壁面的磨损情况，探讨了壁面磨损的机理。

梅丹等[35]利用数值模拟技术，基于雷诺应力湍流模型和Tabakoff and Grant的磨损模型，实现了叶轮磨损的可视化预测。揭示了不同粒径的颗粒对叶片不同的磨损方式以及叶轮各部分的磨损现象。

江茂强等[36]基于非结构化网格的计算流体力学方法、离散单元法与有限元方法结合，建立了CFD-DEM-FEM耦合方法，并在此基础上提出了一种基于颗粒与壁面碰撞的冲蚀磨损模型，对埋管流化床内的两相流体流动行为和埋管磨损特性进行了数值模拟和分析，证实了CFD-DEM-FEM耦合方法以及基于DEM-FEM的冲蚀磨损模型模拟复杂气固流动和预测埋管磨损特性的可行性和准确性。

郝贠洪等[37-39]利用接触力学理论和三维有限元分析了钢结构受到风沙粒子冲击后其涂层表面接触区应力、涂层内部应力、涂层与基体界面上应力的分布规律。分析结果表明：涂层表面径向应力在接触中心出现最大压应力，在接触区边缘出现最大拉应力，且在接触区边缘易发生环状撕裂破坏。

有关冲蚀磨损的实验研究较多，冲蚀粒子包括规则的圆形粒子、带尖角的不规则粒子；冲蚀对象有金属材料、陶瓷材料（涂层）、高分子材料（涂层）及以金属基或是高分子材料制成的复合涂层；冲蚀参数主要包括冲蚀角、冲蚀速度及固体粒子的含量等。在冲蚀实验研究过程中，可以看到有关树脂基玻璃纤维复合材料冲蚀的研究成果，但以树脂基玻璃纤维复合材料为基材、聚氨脂为涂层的风力机叶片的冲蚀研究不多。研究内容更多的是关注冲蚀磨损过程中不同参数下的磨损量大小、涂层表面的冲蚀机理、根据实验值给出磨损量预测模型或表达式。采用有限元软件或者FLUENT等流体软件分析冲蚀过程中的粒子运动轨迹、模拟粒子冲蚀时的应力应变分布规律及预测材料的磨损率。国内外对于材料冲蚀过程中应力应变的研究基本采用力学理论分析和软件模拟的方法，若是能够采用电阻应变仪等实验方式进行验证，所获取的实验数据将会更有参考价值，并且可以对软件模型参数进行优化。

3 结 论

通过分析总结国内外有关各材料冲蚀磨损的研究情况，未来相关的冲蚀磨损研究工作可以从以下几个方面进行改进和补充：

（1）对冲蚀磨损实验设备进行改进，实现各参量的自动化、精确控制，使实验设备更接近实际的冲蚀磨损运行工况；

（2）实验研究中的粒子大多是自然状态下的粒子，而软件模拟过程中粒子的单一性与实验过程中粒子的多样性不符，导致实验和模拟结果很难相对应，在后续软件建模模拟过程中可以采用规则粒子与不规则粒子共同冲蚀涂层；

（3）有关冲蚀磨损过程中应力应变的分布规律主要采用理论分析和软件模拟的研究方法，若能够采用实验验证的方式对软件模型参数进行优化，所获取的实验数据将更加准确；

（4）风蚀过程中涂层微观结构的动态变化，表面裂纹的形成以及扩展方面有可能成为下一步新的研究热点。

因此，挟沙风作用下风力机叶片涂层的冲蚀磨损研究可以采用更接近风力机叶片冲蚀磨损的实验设备模拟风力机的实际运行工况，以便更准确地把握冲蚀过程的应力应变分布规律及磨损演变过程，切实为风力机叶片涂层的优化改进提供理论依据，这对风能资源丰富的地区大力发展风电产业具有重要的科学意义。

[1] 中国可再生能源学会风能专业委员会. 2014年中国风电装机容量统计[J]. 风能, 2015(2): 36-49.

[2] 赵靓. 2014年中国风电开发主要数据汇总[J]. 风能, 2015(3): 34-36.

[3] 徐涛. 2014年中国风电装机容量统计[C]//中国农机工业协会风能设备分会. 《风能产业》, 2015(4): 14-18.

[4] DALILI N, EDRISY A, CARRINEAU R. Review of surface engineering issues critical to wind turbine performance[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13: 428-438.

[5] 陈利英, 李吉才. 乌兰察布地区主要气象灾害及其发生频率[J]. 内蒙古农业科技, 2013(5): 80-83.

[6] 丁凯, 刘吉平. 近50年中国北方沙尘暴空间分布格局的动态变化研究[J]. 干旱区资源与环境, 2011, 25(4): 116-120.

[7] 张彦峰. 风电场运行与检修维护管理[J]. 风电技术, 2013(1): 61-65.

[8] 贾艳华. 风机叶片涂层微观结构与动态力学性能研究[J]. 中国涂料, 2010, 25(7): 35-40.

[9] 杨春燕, 翟欢, 熊杰, 等. 风电叶片保护涂层的现状及应用[J]. 中国新技术新产品, 2011(17): 153.

[10] 鲁嘉华, 凌志光. 气固两相透平叶片冲蚀特性的气动试验研究[J]. 流体力学实验与测量, 2003, 17(2): 63-69.

[11] 郝贠洪, 邢永明, 杨诗婷. 风沙环境下钢结构表面涂层冲蚀行为与侵蚀机理研究[J]. 摩擦学学报, 2010, 30(1): 26-31.

[12] BARKOULA N M, KARGER-KOCSIS J. Processes and influencing parameters of the solid particle erosion of polymers and their composites: a review[J]. Journal of Materials Science, 2002, 37(18): 3807-3820.

[13] HARSHA A P, TEWARI U S, VENKATRAMAN B. Solid particle erosion behaviour of various polyaryletherketone composites[J]. Wear, 2003, 254: 693-712.

[14] TEWARI U S, HARSHA A P, HAGER A M, et al. Solid particle erosion of carbon fiber and glass fiber-epoxy composites[J]. Composites Science and Technology, 2003, 63: 549-557.

[15] ARJULA S, HARSHA A P. Study of erosion efficiency of polymers and polymer composites[J]. Polymer Testing, 2006, 25(2): 188-196.

[16] SURESH A, HARSHA A P, GHOSH M K. Solid particle erosion studies on polyphenylene sulfide composites and prediction on erosion data using artificial neural networks[J]. Wear, 2009, 266(1/2): 184-193.

[17] ZHANG Z, FRIEDRICH K, VELTEN K. Prediction on tribological properties of short fiber composites using artificial neural networks[J]. Wear, 2002, 252: 668-675.

[18] ZHANG Z, FRIEDRICH K. Artificial neural network applied to polymer composites: a review[J]. Composites of Science and Technology, 2003, 63: 2029-2044.

[19] ZHANG Z, BARKOULA N M, KARGER-KOCSIS J, et al. Prediction of erosive wear properties of polymers using artificial neural networks[J]. Wear, 2003, 255: 708-713.

[20] 鲍崇高, 付平安. 碳钢不锈钢材料抗冲蚀磨损性能研究[J]. 铸造技术, 2009, 30(1): 23-25.

[21] 高雪松, 黄因慧, 田宗军, 等. 钛合金表面激光熔覆等离子体喷涂Al2O3+13%TiO2涂层冲蚀磨损性能[J]. 中国激光, 2010, 37(3): 858-862.

[22] EDWARDS J K, MCLAURY B S, SHIRAZI S A. Evaluation of alternative pipe bend fi ttings in erosive service: Proceedings of 2000 ASME fl uids engineering summer meeting[C]. June 11-15, 2002, Boston, MA: Paper no. FEDSM2000-11245.

[23] AHLERT K R. Effects of particle impingement angle and surface wetting on solid particle erosion onANSI 1018 steel[D]. MSthesis, University of Tulsa, USA. 1994.

[24] FERREIRA C G, CIAMPINI D, PAPINI M. The effect of inter-particle collisions in erosive streams on the distribution of energy fl ux incident to a fl at surface[J]. Tribology International, 2004, 37: 791-807.

[25] PAPINI M, CIAMPINI D, KRAJAC T, et al. Computer modelling of interference effects in erosion testing: effect of plume shape[J]. Wear, 2003, 255(1/6): 85-97.

[26] WU C, LI L, THORNTON C. Rebound behaviour of spheres for plastic impacts[J]. International Journal of Impact Engineering, 2003, 28: 929-946.

[27] KARAZ A H, GORHAM D A. A study of the restitution coef fi cient in elastic-plastic impact[J]. Philosophical Magazine Letters, 2000, 80: 549-559.

[28] MOLINARI J F, ORTIZ M. A study of solid-particle erosion of metallic targets[J]. International Journal of Impact Engineering, 2002, 27: 347-358.

[29] KLEIS I, HUSSAINOVA I. Investigation of particle-wall impact process[J]. Wear, 1998, 233-235: 168-173.

[30] PATTAIK A, SATAPATHY A, MAHAPATRA S S, et al. A modelling approach for prediction of erosion behaviour of glass fi ber-polyester composites[J]. Journal of Polymer Research, 2003, 15(2): 147-160.

[31] PATNAIK A, SATAPATHY S S, MAHAPATRA R R. Dash, Tribo-performance of polyester hybrid composites: damage assessment and parameter optimization using Taguchi design[J]. Materials and Design, 2009, 30: 57-67.

[32] SOURAY B. Modeling And Simulation Of Solid Particle Erosion Of Protective Films[D]. Texas A&M University, 2010.

[33] 张义. 管道内气固两相流磨损与腐蚀特性研究[D]. 长沙: 中南大学, 2011.

[34] 赵新学. 气固两相流对旋风分离器壁面磨损机理的研究[D]. 山东 东营: 中国石油大学, 2010.

[35] 梅丹, 幸福堂. 气固两相流风机磨损率的数值预测研究[J]. 流体机械, 2007, 35(10): 25-28.

[36] 江茂强, 赵永志, 郑津洋. 流化床内埋管磨损特性的数值模拟研究[J]. 过程工程学报, 2009(S2): 891-894.

[37] 郝贠洪, 朱敏侠, 靳铁, 等. 风沙粒子冲击钢结构涂层力学行为的理论与有限元分析[J]. 应用力学学报, 2014(6): 830-835; 989.

[38] 郝贠洪, 邢永明, 杨诗婷, 等. 风沙环境下钢结构涂层的冲蚀磨损力学性能研究[J]. 应用力学学报, 2013, 30(3): 350-355; 473.

[39] 郝贠洪, 邢永明, 冯玉江, 等. 钢结构表面涂层材料抗风沙冲蚀力学性能研究[J]. 建筑材料学报, 2013, 16(6): 1092-1096.

Research Process on Erosion Wear of Wind Turbine Blade Coating by Wind-borne Sands

ZHANG Yong, LIU Zhao, HUANG Chao, TIAN Yue, LIU Wen-fei
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

As the declining of fossil resources, wind power technology was vigorously developed in recent years. There are huge wind resources in the mid-west of the Inner Mongolia Autonomous Region. But the poor surrounding environment, such as solid particles in the wind, badly eroded the high speed wind blades. The erosion of blade coating increased the costs of operation and maintenance. In this paper, the erosion wear researches of coating materials at home and abroad were reviewed. The influences of various factors to the abrasion loss, stress and strain distribution rule and wear mechanisms of coating materials were discussed. This review may provide some ideas and prospects for the research of erosion wear process of wind turbine blade coating.

wind-borne sands; wind turbine; blade coating; erosion wear

TK83

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.05.002

2095-560X（2015）05-0331-05

张 永（1970-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事风力机叶片涂层冲蚀磨损规律及磨损评价体系的研究。

2015-08-11

2015-09-16

国家自然科学基金（11262015）

† 通信作者：张 永，E-mail：Yongz@imau.edu.cn