风电叶片前缘防护技术进展.pdf

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2015年第7期玻璃钢/复合材料91风电叶片前缘防护技术进展卢家骐,牟书香,李权舟(1.中材科技风电叶片股份有限公司,北京102101;2.特种纤维复合材料国家重点实验室,北京102101)摘要:风电叶片作为风电机组捕获风能的唯一构件,其安全可靠运行是风力发电机组获得较高风能利用系数和较大经济效益的基础。由于叶片在恶劣的环境中长周期运行,叶片前缘容易出现腐蚀现象。而叶尖前缘部位比较薄且叶尖运转的线速度最大,该部位的腐蚀是整个叶片中最为严重的。叶片前缘腐蚀对机组的发电量有很大影响,随着风电机组的大型化发展。叶片前缘腐蚀成为风电领域亟待解决的问题。本文综述了风电叶片前缘腐蚀对机组性能的影响、造成叶片前缘腐蚀的主要因素、风电叶片前缘防护的技术进展,提出了未来叶片前缘防护的关注重点。关键词:风电叶片;前缘腐蚀;前缘防护;雨蚀;防护涂层;年发电量——中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1003-0999(2015)07009105作为一种清洁能源,风能在近些年得到了快速的发展。据全球风能理事会统计,2014年,全球风电新增装机容量51.473GW,同比上升44%,累计装机容量达到369.597GW。其中,海上新增风电装机容量为1.725GW,海上累计装机容量达到8.771GW。据预测,未来几年风电装机量将保持稳步增长的趋势,且风电开发逐渐向海上扩张。在风电装机数量增长和海上风电蓬勃发展的同时,风电机组向大型化发展,大型风电机组对其构件的安全可靠运行提出了更高的要求。风电机组一般安装于偏远的地区,运行环境恶劣,叶片作为捕获风能的唯一构件,其前缘由于长期受到风力的摩擦以及沙粒、盐雾、雨水的冲击,是风电叶片上最容易出现腐蚀的部位¨。特别是叶片的叶尖前缘部位,由于比较薄而且叶尖运转的线速度很大,该部位的腐蚀是整个叶片中最为严重的。风电叶片前缘出现腐蚀之后,风电叶片的气动外形将受到影响,导致风电机组发电量降低;叶片前缘腐蚀问题如果不及时解决,随着时间的推移,叶片会发生更为严重的损伤,对风电机组的安全运行带来隐患。因此,前缘防护是大型叶片开发中面临的一项重要挑战。前些年,由于我国大型兆瓦级别风电机组以及叶片投入使用的时间不长,风电行业对叶片前缘腐蚀的严重性还没有充分认识。国内的风电设备以及风电叶片厂商只是在出口项目以及某些高海拔项目才做特殊的前缘防护。近几年,国内各大风场的机—组运行情况显示,在接近35年质保期时间段,50%左右的风机叶片普遍存在前缘损伤、保护涂层脱落、开裂等现象,这对机组的正常运行带来很大影响,导致发电效率普遍下降。在沿海和西北风沙较大的风场,叶片前缘的腐蚀速度更快。随着陆上低风速和海上风电的兴起,促使叶片向大型化发展,出于对运行可靠性和维修成本的考虑,大型叶片对前缘防护提出了更高的要求,国内对叶片前缘防护的重视程度逐渐提高。本文综述了风电叶片前缘腐蚀对风电机组及叶片性能的影响、造成风电叶片前缘腐蚀的主要因素和风电叶片前缘防护的技术进展,提出了未来风电叶片前缘防护的关注重点。1叶片前缘腐蚀对风电机组性能的影响图1列出了几种典型腐蚀程度的叶片前缘状态,轻微程度的前缘腐蚀见图1(a),前缘呈现砂眼状的点蚀;随着前缘腐蚀程度的进一步发展,出现零星分布的沟槽状缺陷,保护层受到严重破坏,见图1(b);随着腐蚀程度的加剧,前缘出现成片连续的沟槽状缺陷,前缘涂层完全剥落,同时叶片前缘基体出现破损、分层和剥离,见图1(12)。不同程度的前缘腐蚀可对叶片气动性能造成不同程度的影响,导致机组发电量不同程度的下降。Sareen等人研究了不同种类前缘腐蚀和腐蚀程度对DU96一W.180翼型的气动性能的影响,结果显示,前缘腐蚀可导致叶片翼——收稿日期:20150304基金项目:国家科技支撑计划资助课题(2012BAA01B02)作者简介:卢家骐(1981一),男,中级工程师,主要从事风电叶片制造工艺研究。通讯作者:牟书香(1981一),女,高级工程师,博士,主要从事复合材料风电叶片相关材料及工艺的研究,mushuxiang@126.eom。媾。2015年第7期玻璃钢/复合材料93外面或被损伤击穿。图3是高速雨滴冲击固体表面产生的反应原理示意图,可以看出,高速雨滴在撞击固体材料表面时,首先在固体中产生压缩波和剪切波,固体表面同时产生Rayleigh表面波,这些应力波在固体中产生很大的内应力。在撞击的同时,液滴中出现压缩液体波,经过一段时间后,这个向上的液体压缩波向液滴和固体表面接触的边缘和四周过渡,最后向基体表面扩展。雨滴在撞击固体表面时产生的水压很大,对于叶尖转速约为80m/s的叶片前缘,2mm中等直径的雨滴撞击的水压可以达到120MPa,冲击动能达到0.043J¨J。如果重复撞击的雨滴动能无法被叶片前缘材料吸收和消散,将造成叶片表层及内层材料中出现内应力,随着内应力的聚集,进而逐渐发展为宏观缺陷。相对于硬质材料,高弹性的前缘防护材料是对抗雨蚀效应的一种理想选择,这种材料可以利用其高弹性将雨滴的冲击动能吸收或分散在雨滴的周围,从而减轻雨蚀对材料的破坏作用。”图3液滴冲击固体表面产生的反应原理示意图—Fig.3Schematicdiagramofliquiddropletsolidsud_aceinteraction[。6]对于海上风电机组,从海面掀起的海浪冲击也是威胁叶片前缘的一个重要因素。海浪对叶片前缘的冲击与高速雨滴冲击叶片前缘的特性和模式类似,不同的是海浪对叶片前缘表面的冲击一般表现为高流量的间歇瞬时冲击,且海浪中一般含有3%~3.5%的NaC1盐粒,会造成风电机组金属件的腐蚀,而聚集在叶片前缘的盐粒,会降低叶片的气动性能。砂石、灰尘和其他粒子等因素对叶片前缘的腐蚀程度与风电机组的装机位置有很大的关系,在温暖且干旱的气候环境中,砂石和灰尘会对叶片前缘带来腐蚀问题,而在湿润且绿色植被较多的地方,这些问题将不会存在。同样的,在近海地区,砂蚀也是造成叶片前缘腐蚀的一个重要因素。很多研究通过有限元技术模拟了雨滴、冰雹、砂石和灰尘对固体的冲击过程J,这些模拟可以为叶片前缘结构的设计和分析选材提供参考。3风电叶片前缘防护技术进展传统的叶片涂层一般在运行一至两年后就在叶片前缘出现损伤,不能满足叶片防护的需求。目前,叶片的前缘防护普遍采用贴前缘保护膜方法,同时各大叶片及其原材料供应商也在积极开发高性能的前缘保护涂层。在叶片前缘保护材料开发的同时,防护材料的防护寿命评估手段也在不断建立和发展。3.1贴膜防护技术国内的叶片厂商大多采用在叶片前缘涂层的表面贴保护膜的方法。3M提供了一系列的叶片前缘保护膜产品¨’“J,标准的产品为W8607,它是一种背面涂覆了高耐候丙烯酸压敏胶的透明聚氨酯薄膜,具有500%的断裂伸长率。由于国内采用贴膜开始进行前缘防护的时间较晚,贴膜的防护效果还未得到验证。保护膜对施工工艺要求苛刻,贴膜前需要使用细砂纸对前缘贴膜区域的表面进行打磨,随后进行清洁,工作量比较大,贴膜过程不允许有微小的气泡;保护膜在运输和吊装过程中很容易损伤,叶片运行过程中经常出现起泡、边缘卷起、叶尖处保护膜风化移位等现象,保护膜运行四至五年后自然老化而失去防护功能,需要重新更换,维护成本较高。3.2前缘保护涂层防护技术鉴于贴膜的一些局限性,3M公司于2013年5月推出了一种前缘防护用的高性能双组分聚氨酯保护漆W4600,该前缘保护漆的防护性能优于3M前缘保护膜,工艺上可以采用常规油漆的喷涂、刷涂或滚涂的方式,但由于该产品可操作时间短和温湿度操作范围较窄,只适用于工厂的制造,不能应用于风场叶片的现场前缘防护维修。近期3M公司又推出了第二代叶片前缘保护漆W4601,该产品具有与W4600同等优异的防护性能,同时克服了第一代前缘保护漆的可操作时间段、温湿度施工范围窄以及只适用于工厂制造等方面的局限性,该产品已进入量产阶段。为了解决前缘侵蚀问题,LMWindPower推出——了一个新的保护涂层技术LMProBladeCollisionBarrier,该涂层体系包括底漆和无溶剂的双组分高弹性脂肪族聚氨酯面漆17]。LM公司声称,与现用的保护涂层相比,该涂层可以提高前缘抗侵蚀性能2O倍以上。LM通过叶片样机测试了该涂层的耐久性,结果显示其耐久性是前缘热塑性聚氨酯贴膜的2倍。一般的贴膜产生了气动阻力,对叶片的气动性能有影响,而采用LMProBladeCollisionBarrier,一一¨¨/c盯置Vo.7÷-%|0风电叶片前缘防护技术进展2015年7月可消除贴膜对气动性能的影响,可以使风电机组的平均年发电量提高2%。LM于2013第二季度已开始批量生产该涂料并应用于LM生产的叶片上。Arkema公司的KYNAR聚偏二氟乙烯(PVDF)一丙烯酸酯复合乳液涂料,已在大型商业建筑和公共建筑中作为建筑耐候油漆使用超过3O年了,而原来的溶剂型乳液需要在高达200 ̄C的温度下固化。最近,该公司推出了水性的热塑性和热固性KYNAR涂料,该涂料在室温下固化,可应用于各种复合材料。该公司与北达卡他州立大学的研究人员合作,将该水性热固性涂料应用于典型的玻璃纤维/环氧树脂层合板上,正在评估该涂料作为叶片前缘耐候性油漆的防护性能。公司已进行的研究表明该混合树脂涂层相比目前许多商用的聚氨酯涂料具有优异的耐长期侵蚀和防冰特性_l。英国的BladeDynamics公司提供了一种名为BladeSkyn@的高性能保护涂层专利技术,该技术采用基于热塑性纳米技术的含氟聚合物薄膜,其厚度为130 ̄m。这种材料具有很低的反射率,具有优异的防污性能,耐雨蚀、防冰、耐紫外、耐化学品和溶剂特性,防护性能远高于传统的油漆和胶衣¨。该薄膜可以很好地粘附在轻轻打磨过的玻璃/环氧树脂复合材料表面,施工便利,能承受的温度范围为-40~℃80。该项高性能防护涂层技术的目标是实现叶片前缘20年免维护。国内的上海麦加近期也开发了一款高弹性前缘保护漆WU500,其断裂延伸率达到500%以上,耐雨蚀时间达到18h,其他相关性能正处于测评阶段。此外,LM的一项专利提出了一种通过多层腐蚀保护层逐层剥离去除的叶片前缘防护方法,该专利提出风电叶片的前缘采用多个抗腐蚀材料层组合而成,整个抗腐蚀材料层与叶片前缘具有很好的粘接结合强度,而各个腐蚀层材料间的粘结抗拉强度相对较小,当抗腐蚀材料的最外层在叶片使用期间逐渐地磨损掉或腐蚀掉时,最外层的大部分可在风的作用下从腐蚀保护物的表面去除。通过多层腐蚀层的动态去除可降低由于前缘损伤导致的叶片空气动力学性能降低,减少维护频率和成本。该专利为叶片前缘防护提供了一种新思路。3.3防护材料耐久性评价对于风电叶片前缘防护材料的防护寿命即耐久性没有标准的评测方法和评估标准,行业内公认的是通过在实验室模拟高速雨水的冲刷破坏可以较为|聱|如l心o.了准确地评估材料的防护寿命。目前,实现这种模拟“测试的装置有两种,一种是高压水射流,一种是直”“”升机试验站J。Basf拥有雨蚀测试的直升机试验台,在这个测试装置中,通过雨滴冲击高速旋转的玻璃钢样品进行测试,涂漆的玻璃钢样品转速可高达500km/h,接受雨滴的冲击。相比之下,德国马格德堡的一个涂料机构(InstitutftirLackeundFarben,ILF)采用缓慢旋转的样品在高压水射流的冲击下进行测试。这两种方法据说都提供了对实际情况相当准确的模拟,对材料的耐久性测试可以快速得到结果。德国的弗劳恩霍夫风能和能源系统技术研究所—(FraunhoferInstituteforWindEnergyandEnergySystemTechnology,IWES)即将投入运行一台升级的雨“”“”蚀测试用的直升机试验站,该直升机试验站为雨蚀测试提供了一些新的更高级的选择,比如雨滴的大小可以选择,可以采用全空气空调系统调节温…度,甚至连雨水中的盐含量也可以调整。虽然美国和英国都有雨蚀测试的机构,但涂料制造商通常都到丹麦PolyTechA/S机构进行测试,丹麦专家提供了到前为止行业内认可的唯一的雨蚀测试标准J。据悉,在该机构测试的典型耐腐蚀防护涂层最长只耐2h雨蚀,而Basf、LM、3M以及麦加新开发的前缘高性能保护涂层的耐雨蚀时间均达到了18h。4结语关于叶片前缘腐蚀的频度、严重程度以及各种因素的具体影响还未完全弄清楚,而叶片长度的增加及其叶尖转速的提高对叶片前缘腐蚀的影响也需要进一步研究,叶片前缘腐蚀是一个需要不断关注的课题。传统的前缘防护材料在承诺的服务寿命期以前已经发生破坏,而新开发的前缘保护材料由于实际应用时间较短,其防护效果还未得到验证,未来需持续关注高性能前缘防护材料的开发。未来的前缘防护材料应至少能为叶片前缘尤其是叶尖前缘提供6~7年的防护。此外,目前各大叶片厂商都有针对叶片防护涂层体系的合格判定标准,但在前缘防护材料方面还缺乏相应的评判方法和选材依据,未来需逐步建立和完善风电叶片前缘防护材料的评判标准,这需要对叶片的前缘腐蚀机理、防护材料的防护机理以及材料防护性能与叶片前缘实际防护年限的关系进行充分研究。参考文献『1]KEEGANMH,NASHDH.STACKMM.Onerosionissuesassoci.2015年第7期玻璃钢/复合材料95atedwiththeleadingedgeofwindturbineblades[J].JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,2013,46(38).—[2]SAREENA,CHINMAYSA,SELIGMS.Effectsofleadingedgeerosiononwindturbinebladeperformance[J].WindEnergy,2014,—17(10):15311542.[3]朱平,王建国,史秋生.解决风电叶片前缘磨蚀的一种方案一风电叶片保护膜[C].中国武汉:防腐蚀涂料年会暨第28次全国涂料工业信息年会,2011.—[4]KarenWood.Leadingedgeerosion:materialssolutions[Z].http://———compositesworld.com/articles/leadingedge-erosionmaterialssolutions,2011.[5]KIDDERNA.Aerodynamicimpactofleadingedgesurfacetreatmentsonwindturbineblades[Z].http://hd1.handle.net/1811/68627,2015.[6]FIOREG,FUJIWARAGEC,SELIGMs.ADamageassessment—forwindturbinebladesfromheavyatmosphericparticles[C].Kissimmee,Florida:53rdAIAAAerospaceSciencesMeeting,2015.—[7]SLOTHM,GELINCKERM,RENTROPC,eta1.Leadingedgeeresionofcoatedwindturbineblades:Reviewofcoatinglifemodels[J].RenewableEnergy,2015,80:837・848.—[8]REMPELL.Rotorbladeleadingedgeerosionreallifeexperiences—[J].WindSystemsMagazine,2012,11:2224.[9]LIERSCHJ,MICHAELJ.Investigationoftheimpactofrainandparticleerosiononrotorbladeaerodynamicswithanerosiontestfa・cilitytoenhancingtherotorbladeperformanceanddurability[J].—JournalofPhysics:ConferenceSeries,2014,15.[10]HUANGCW,YANGK,LIUQ,eta1.Astudyonperfor—manceinfluencesofairfoilaerodynamicparametemandevaluationindicatorsfortheroughnesssensitivityonwindturbineblade[J].Science—ChinaTechnologicalSciences,2011,54:29932998.[11]CHINMAYSA.Turbinebladeerosionandtheuseofwindpr—otectiontape[D].MastersThesisofUniversityofIllinois,2012.[12]PowellS.3MwindbladeprotectioncoatingW4600[Z].IndustrialMarketingPresentation,2011.【13]SHOKREIHMM,BAYATA.Ef—fectsofultravioletradiationonmeehanicalpropertiesofglass/polyestercomposites[J].Journalof—CompositeMaterials,2007,41:24432455.[14]KUMARBG,SINGHBG,NAKAMURAT.Degradationofcarbonfiber-reinforcedepoxycompositesbyultravioletradiationandcon-densation[J].JournalofCompositeMaterials,2002,36:—27132733.—[15]DALILIN,EDRISYA,CARRIVEAUR.Areviewofsurfaceengineeringissuescriticaltowindturbineperformance[J].Renewable—SustainableEnergyReviews,2009,13:428438.[16]GOHARDANIO.Impactoferosiontestingaspectsoncurrentandfutureflightconditions[J].ProgressinAerospaceSciences,2011,47:280-303.[17]MICHAELLG.Windblades:Progressandchallenges[Z].http:—————//www.mmsonline.corn/articles/windbladesprogressandchallenges,2013.[18]Bladeskyn 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