大功率风电机组叶片前缘侵蚀机理及其防护技术浅析＊

颜福裕，韦桥斌，史忠秋，韩灿鹏，韩心宇，欧阳敏南，刘 瑞，李录平

（1.广东粤电珠海海上风电有限公司，广东 阳江 529500；2.广东德汉能源科技股份有限公司，广东 广州 510000；3.长沙理工大学，湖南 长沙 410014）

风力发电是近年来发展最快的可再生能源技术之一。在过去几十年中，全球风电装机容量从1997 年的7.5 GW 增加到了2021 年的837 GW，其中海上风电机组装机容量为58 GW。据有关文献预测，全球风电在未来10 年（2022—2031 年）将新增919 GW 的装机容量，到2031 年累计装机容量将达到1 756 GW，其中海上风电机组装机容量为370 GW[1]。

风电机组叶片在运行期间会受到复杂的环境和机械载荷的影响而产生表面损伤（裂纹、分层、树脂缺陷等）或是结构损伤（纤维断裂、扭结等）。表面损伤可能是由沙粒、雨水、盐雾、冰雹和污染物的侵蚀或是小物体撞击造成，随着叶片表面损伤的加剧会导致叶片结构的损坏。2018 年HAN 等[2]对EDP 公司运行的67 台风电机组中的201 个叶片的检查表明，侵蚀发生在174 个叶片前缘，约占检查叶片的87%。2022 年BOOPATHI 等[3]针对不同地区风电机组，根据风电机组的服役年龄，调查了风电机组叶片故障机制和发生频率，结果表明，前缘侵蚀是叶片最常见的损坏机制，前缘侵蚀可能从风电机组安装后的第一年开始发生。前缘侵蚀导致叶片表面粗糙度增加，从而增加叶片运行时翼型上的气流边界层厚度。边界层厚度的增加导致阻力系数的增加和升力系数的降低，从而降低了空气动力性能。根据2014 年SAREEN 等[4]的研究表明，根据腐蚀程度的不同，阻力可以从6%增加到500%，阻力每增加80%将使风电机组的年发电量减少5%；根据2022 年WANG 等[5]研究表明，叶片前缘出现点蚀或是分层等损伤，在10 m/s 的入流风速下，可最大地导致扭矩系数降低42.54%，从而减少机组发电量。

随着风电机组单机容量越来越大，风电机组的叶片也越来越长，目前风电机组叶片的叶尖速度可达110 m/s，在这种速度下，叶片前缘的侵蚀会更加严重，受损的叶片导致叶片表面粗糙度增加，如图1 所示，使得叶片气动性能降低、维修成本增加和机组发电量降低等。

图1 叶片前缘侵蚀示意图

综上所述，风电机组叶片前缘侵蚀已经成为威胁风电安全稳定运行的一个隐患，且随着风电行业的发展，问题更加严峻。为了降低和优化风电机组运行维护成本，本文综述了风电机组叶片前缘侵蚀机理、前缘侵蚀对风电机组性能的影响和机组叶片前缘防护技术进展，并提出了未来机组前缘防护技术的展望。

1 叶片前缘侵蚀机理

学者们利用有限元分析方法或者试验方法对前缘侵蚀机理进行了许多研究。液滴/颗粒撞击叶片表面产生的冲击载荷和应力波是引起叶片前缘侵蚀的主要原因。风电机组叶片叶尖线速度很大，液滴在叶片前缘涂层表面上产生相对较高的冲击载荷，造成叶片表面损伤。雨滴撞击表面后，产生的应力波在前缘保护层中传播。这会导致损伤萌生、材料降解和疲劳，然后导致涂层开裂、脱粘、复合材料裂纹、表面粗糙化[6]。压缩波、剪切波和瑞利波是在侵蚀过程中起关键作用的3 种应力波，雨滴冲击固体表面产生的3 种应力波如图2 所示[7]。压缩波传播速度最快，剪切波传播速度最慢；压缩波造成的损伤很小，瑞利波可以与表面裂纹相互作用，瑞利波分为垂直分量和水平分量。垂直分量可以穿透到表保护层，但它取决于雨滴的半径和冲击速度。瑞利波、剪切波和压缩波分别占总冲击能量的67.4%、25.8%和6.9%。应力波会在涂层和基体结构反复振荡，直到它们衰减。由于叶片是多层材料构成，材料的物理性质不匹配，当应力波到达具有不同物理性质的固体之间的自由表面或界面时，应力波会导致材料破坏，使涂层之间发生剥落和分层。

图2 雨滴冲击固体表面产生的3 种应力波

水滴的冲击速度对叶片前缘的侵蚀起决定性作用。FUJISAWA 等[7]通过水滴撞击试验，发现液滴侵蚀速率与液滴速度的7 次方成正比。OKA 等[8]发现只有当水滴的冲击速度大于受损阈值才会对材料表面冲蚀，且增加水滴的冲击频率会增加损伤率并缩短损伤潜伏期。

除了冲击载荷，当水滴与表面的冲击角小于90°时，水滴撞击还会对叶片表面产生剪切作用。MENDOZA 等[9]研究了添加碳纤维和玻璃纤维增强聚合物涂层的抗水侵蚀性能。在SEM 显微镜中观察到水滴对纤维具有切割作用，在水滴冲击方向形成脊状，从而导致叶片表面粗糙度增加，并导致涂层脱落。PUGH 等[10]认为在叶片处于较大的攻角时，由于液滴的变形冲击，表面的损伤会更多，当叶片处于较小的攻角时，由于液滴的剪切效应，侵蚀会更大。

液滴撞击还会在涂层间产生瞬态应力，也是造成涂层脱落的主要原因。FRAISSE 等[11]用橡胶球代替雨滴冲击涂层，橡胶球的每次冲击会在涂层层压板中产生瞬态应力，反复冲击后，这些应力会促使叶片产生裂纹，导致涂层脱落和层压板损坏。KUSANO 等[12]发现具有结构化几何形状的层压材料能够缓解涂层压板中的瞬态应力，从而比平坦的层压材料表现出更长的耐久性。

表面硬度高、弹性高、杨氏模量小的前缘保护材料具有更好保护性能[13]。GODFREY 等[14]发现寒冷情况下，PU 涂层的硬度和杨氏模量的比值降低，塑性指数增加，固体颗粒会使叶片前缘表面出现更多的点蚀和凹坑。FUJISAWA 等[7]发现侵蚀速率随着材料硬度增加而降低。高弹性涂层和增加涂层厚度可以降低应力幅度，从而延缓损坏。此外，涂层表面的液膜能够降低液滴冲击叶片表面时的峰值应力，承载了部分雨滴的冲击载荷，若固体材料上存在厚度为2.5 mm 的液膜，直径为100 mm 的液滴撞击在固体表面的最大压力则降低10%。

表面粗糙、内部不均匀、存在孔隙的涂层在液体冲击下更容易萌生裂纹。FAESTER 等[15]利用X 射线显微镜和计算微观力学模拟研究了雨滴对前缘侵蚀的微尺度机制，孔隙和空洞的附近在疲劳过程中会导致涂层产生裂纹。

PUGH 等[10]研究了陆上和海上环境下雨水对风电机组叶片材料的影响，发现海水里的酸成分可以与涂层材料发生化学作用，海上的雨水环境相比陆上会给叶片造成更大的侵蚀。LAW 等[16]对采石场和沿海附近的风电场进行了调查，发现沙石与海盐的腐蚀作用大大增加了雨水对叶片侵蚀的速度。

综上所述，风电机组叶片的前缘侵蚀是雨滴（或是冰雹、灰尘、沙石等）与紫外线和热环境载荷相结合的多次重复液体冲击的结果，而且与涂层的表面机械特性（硬度、弹性模量、粗糙度、耐磨性、断裂韧性等）、雨滴参数（冲击速度、冲击角度、大小、厚度等）和环境参数（温度、湿度、空气质量、降雨强度等）等密切相关。

2 前缘防护技术

近年来，本领域许多学者和工程技术专家对风电机组叶片前缘防护技术进行了研究，制定了多种防护技术方案。总体来说，这些防护方案分为保护（开发保护性高的涂层）、避免（降雨强度大时降低叶尖速度）和修复（用保护罩或者胶带修复侵蚀区域）。目前，风电机组叶片前缘防护技术的重要进展体现在如下方面。

2.1 增强涂层

聚氨酯（PU）结构中具有氨基甲酸酯基团-NH-CO-O，是由异氰酸酯（R-（N=C=O）n）与多元醇反应形成的，PU 涂层是高弹性且耐用的材料，在冲击时可作为能量吸收器。由于高弹性而且具有形状记忆，耐刨削和磨损[17]，因此，PU 涂层是前缘保护的良好候选者。并使用溶胶-凝胶技术在涂层中加入纳米颗粒，通过纳米颗粒的功能化来提高界面强度，以促进与基质的化学结合，从而增强涂层的机械、热和冲击性能，例如加入碳纳米粒子（CNP）、碳纳米管（CNT）、碳纳米片（GNP）和石墨烯等[18]。

2000 年，PETROVIĆ等[19]制造了PU 纳米复合材料，其中纳米二氧化硅（SiO2）的质量分数范围为0%～50%，纳米SiO2质量分数为40%时，涂层拉伸强度增加了300%；涂层断裂伸长率随着纳米SiO2质量分数的增加而不断增加，在50%时增加了600%。

2005 年，XIA 等[20]研究了通过原位聚合制备的PU-CNT（单壁和多壁）复合材料，在单壁CNT 质量分数为2%时，涂层的最高拉伸强度为9.11 MPa。

2008 年，GUO 等[21]使用多壁碳纳米管（MWCNT）通过原位聚合和溶液浇铸方法的结合来增强PU 涂层。在PU 基体中加入质量分数为1.0%的MWCNT 后，杨氏模量、断裂应力和断裂伸长率分别提高了90%、500%和75%。

2010 年，LÓPEZ 等[22]通过机械混合法向SiO2基质中添加质量分数为0.1%的MWCNT 获得陶瓷溶胶-凝胶涂层，其断裂韧性比普通涂层增加了24%。

2011 年，LIANG 等[23]利用接枝多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）开发了多功能CNF 纸基纳米复合涂层。与基线复合材料相比，纳米复合材料的阻尼比增加了300%，显著改善了涂层的振动阻尼性能。

2013 年，LI 等[24]利用石墨烯纳米颗粒+CNT 的聚合物增强环氧树脂涂层的性能，聚合物的质量分数为0.5%时，与纯环氧树脂相比，涂层的拉伸模量提高了40%，拉伸强度提高了36%。

2015 年，VALAKER 等[25]开发了含有纳米碳化硅（SiC）颗粒增强物的喷涂涂层，并进行了雨水冲蚀试验。研究结果表明，SiC 增强涂层的材料损失比工业涂层少6～10 倍，且随着纳米颗粒含量的增加，耐腐蚀性明显增加。

2015 年，CHUNG 等[26]将粒径小于20 μm 的改性石墨（MG）粉末共价连接到PU 主链。与未改性聚氨酯相比，极限拉伸应力增加了436%，最大应变增加了1 744%。

2017 年，MOGHIM 等[27]采用溶液浇铸法，通过质量分数为0.05%～5%的MWCNT 来增强PU 涂层的拉伸强度，结果表明，MWCNT 质量分数为1%时，PU涂层的拉伸强度提高了122%。

2018 年，CHUNG 等[28]通过原硅酸四乙酯（TEOS）和接枝到PU 上的三乙氧基甲硅烷基（TESPI）之间的溶胶-凝胶反应制备了混合PU-SiO2复合材料。含有12.5 mmol TEOS 和2.5 mmol TESPI 的PU 的极限拉伸强度可达59.6 MPa。

2019 年，TARASOV 等[29]分析了富勒烯、GO 及其混合物（15/85 比例）对质量分数为0.01%～0.1%的交联PU 涂层的影响。富勒烯/GO 混合物的使用表现出明显的正协同效应，质量分数为0.01%时，杨氏模量增加了20%，而在质量分数为0.1%时，杨氏模量增加了30%。

2020 年，JESPERSEN 等[30]将纤维（纤维浆）或圆盘颗粒嵌入涂层。随着纤维体积百分比的增加，应力波逐渐散射，阻尼增大。

2021 年，JOHANSEN 等[31]使用单点冲击疲劳试验测试了含有石墨烯和石墨烯-SiO2混合增强材料的抗侵蚀涂层，混合涂层的使用寿命比纯PU 涂层高13 倍。

2022 年，DASHTKAR 等[32]分别用羟基官能化的石墨烯纳米颗粒（f-GNP）和f-GNP 与疏水性硅基溶胶-凝胶（SG）改性来制备PU 涂层。与纯PU 涂层相比，PU+GNP+SG 涂层的杨氏模量、拉伸强度、韧性模量和断裂伸长率分别提高了95%、115%、124%和102%。

2.2 多层涂层

具有交替刚性层和韧性层的多层涂层在许多保护系统中都有应用。2016 年，MOHAGHEGHIAN 等[33]研究了带有薄聚乙烯涂层聚合物层压板，研究结果表明，这种双层结构的耐磨性、耐腐蚀性和拉伸强度等性能都优于原来的单层结构。

2017 年，CORTÉS 等[13]通过在旋转臂雨蚀试验装置（WARER）中用水滴反复高速撞击多层防侵蚀材料，证明了多层材料可以与基底之间有更好的黏附性能，极大地改善了由于分层引起的侵蚀失效。

2017 年，MAEZTU 等[34]使用石墨烯氧化物和氟化聚合物结合溶胶-凝胶法提出了一种多层纳米涂层，通过原子力显微镜（AFM）、轮廓仪和扫描电子显微镜（SEM）分析表面和涂层形态，结果表明，热处理在醇盐之间提供了化学交联，从而将混合涂层的硬度提高了300%，并发现涂层疏水性能与耐腐蚀性密切相关。

2.3 互穿聚合物网络

早在1994 年，SOPHIEA 等[35]通过研究发现，含PU 的互穿聚合物网络与纯PU 聚合物相比，互穿聚合物网络（IPN）的优点包括强度更高、温度范围更宽、阻尼峰足够高、具有很强的机械能量吸收特性。

在2012 年，MILLS 等[36]用质量分数分别为5%和10%的纳米SiO2改性PU 涂层，发现纳米SiO2质量分数为5%时，涂层中IPN、疏水性和耐磨性都会增强。KAUSAR[37]在2017 年通过引入环氧树脂形成PU 和环氧树脂的IPN，使PU 涂层的机械性能、耐热性和阻尼特性得到了增强。

2.4 侵蚀安全模式控制

2018 年，BECH 等[38]提出了在大雨条件下降低叶尖速度，来减轻前缘侵蚀的“侵蚀安全模式控制”策略。

2020 年，BAK 等[39]发现前缘损坏导致的相对年发电量损失随着平均风速的增加而减少。对于低风速风场地，损失在1%～4%之间。对于高风速场地，损失在0.5%～3%之间。并提出了通过提高最大叶尖速度增加年发电量和减少损失的方法。

2020 年，SKRZYPIŃSKI 等[40]对IEA15WM 风电机组进行了侵蚀建模，发现根据降雨强度调整叶尖速度，可以节省88%的因前缘侵蚀而导致的整体利润损失。

3 结束语

风电机组叶片前缘侵蚀是一个复杂的多尺度和多物理过程，是由雨滴（或是冰雹、灰尘、沙石等）与紫外线和热环境载荷相结合的多次液滴冲击引起的结果，还受叶片制造缺陷、空洞、气泡、颗粒和弱界面等因素影响。

目前，保护风电机组叶片前缘的解决方案分为保护（开发保护性高的涂层）、避免（降雨强度大时降低叶尖速度）和修复（用保护罩或者胶带修复侵蚀区域）。

开发保护性高的涂层是目前学者们研究的重点，开发的解决方案包括在涂层中加入纳米颗粒（CNP、CNT、GNP 和石墨烯等）制作增强涂层、形成互穿聚合物网络和开发多层涂层。使涂层可以分散雨水冲击所造成的应力波，并增强涂层的其他各方面特性。

未来风电机组叶片前缘保护涂层材料的开发应进一步彰显如下方面的优势：①涂层的成本效益更高，耐用性更强；②涂敷在叶片上的涂层厚度更薄，对叶片的质量和空气动力性能的影响可以忽略；③涂层具有耐侵蚀、耐腐蚀、耐磨损和除冰等多种特性；④涂层在风电机组运行过程中不会对环境产生污染；⑤涂层需要具有对叶片基材良好的附着力，化学性能稳定。