渦輪葉片材料雨滴侵蝕研究

風力渦輪機葉片越來越長，L超過100米并產生12兆瓦的功率每個渦輪機。 產生的功率與掃描區域成比例，與L2成比例（圖1a）。在相反，體重增加與L3成正比（圖1b），結果這些較長的刀片發揮得更高對用于動力傳輸的齒輪施加壓力。因此，重量輕的*空心葉片用建議使用更高比強度的材料，如碳纖維復合材料。但是，它還要研究抗降雨或水滴的抗侵蝕性。（圖1c）。一般來說，侵蝕強度與L5成正比（圖1c），取決于速度可以高達150米/秒。

圖1.風力轉子的比例定律（a）功率生成比例為L2（b）體重增加量表為L3

c）前沿雨侵蝕鱗片為L5。

前緣的這種侵蝕性侵蝕條件是由雨滴的重復沖擊引起的并且損壞從孤立的凹坑進展到深的鑿孔并且分層導致變質空氣動力學特征。由此產生的阻力增加（50至400％）可降低AEP（年化能源產量）下降5 至 20％。此外，不受控制的侵蝕有可能發生破壞下面的皮膚導致不平衡和渦輪機故障。負責的機制描述了水滴的破壞力和可以模擬水滴的測試儀器或摩擦計現場條件（表1）突出顯示。

表1.風力渦輪機運行期間的典型現場條件

物理水滴沖擊和磨損相關的材料損失

由于沖擊力學（雙重壓力），雨滴可能比腐蝕性顆粒造成更大的損害點）和產生的應力波或瑞利波。這包括兩個階段（圖2a）：（a）水錘在*階段由液體產生的高速沖擊下降產生的壓力壓縮，導致P =wCV給出的壓力增加（圖2a）。沖擊壓力可高達500 MPa，持續時間<1μs，其特性曲線如圖所示圖2a。

圖2.（a）在階段I中，壓縮水滴內的沖擊波導致沖擊脈沖。 特征沖擊壓力曲線與固體顆粒侵蝕（接觸時的中心應力峰值）相比，顯示出水滴侵蝕（周邊應力峰值）。（b）水錘壓力從表面凹陷開始到加深和坑形成的損壞累積韌性材料。

液滴的反復沖擊導致初始凹陷和加深，導致凹坑/鑿孔形成在渦輪機前緣的早期使用壽命中看到。瑞利波（橫向噴射）散發出來第二階段，壓縮液滴從橫向向外擴散，形成瑞利和瑞利剪切波（圖3a）。高速剪切波撕裂由水引起的表面起伏錘擊壓力并去除表面起伏以擴大磨痕（圖3b）。剪波也在預先存在的缺陷處導致表面下的微裂紋，隨著時間的推移會聚結，導致分層在葉片前緣侵蝕的后期階段觀察到的失敗。

圖3.（a）在第二階段橫向噴射中，水滴向外擴散，速度比沖擊速度大10倍產生剪切波和瑞利波。 （b）瑞利波導致剪切損壞或微裂紋，隨后是水降低橫向擴散，消除表面粗糙。

高比強度的刀片材料應具有高彈性和斷裂韌性以吸收沖擊能量并抑制應力波以減輕侵蝕磨損。這種材料和涂層可以在Ducom水滴侵蝕測試儀中快速篩選，可以重現雨水侵蝕條件（表1）和損壞機制（圖2b和3b）。

Ducom水滴侵蝕（圖4）的工作原理是反復高速沖擊抗腐蝕材料上的液滴。 將高速水射流（高達250米/秒）切碎成水帶有兩個孔的旋轉圓盤的液滴。旋轉盤的速度用于控制沖擊水滴頻率（高達100赫茲）。在高處的同一位置進行多次沖擊測試速度提供材料的加速腐蝕測試，再現了多年的現場前沿損壞在實驗室的合理時間范圍內。

圖4. Ducom水滴侵蝕測試儀示意圖。

*功能包括：

•高速水滴沖擊速度高達250米/秒

•水滴直徑可達2 mm

•在同一位置可控制的跌落沖擊頻率

（100 Hz）

•可移動的X-Y-θ平臺，用于在不同

角度進行多次測試

•加壓空氣葉片去除殘留的水膜并消

除水緩沖效果

•高速攝像頭端口，用于成像液滴尺

寸和量化速度