引言
机组大型化是“双碳”背景下风电行业的技术发展路线，海上风电向深远海、漂浮式发展的趋势明显，前景广阔。深远海严苛的运行环境以及叶片线速度的增加导致叶片前缘损伤风险不断增大。叶片前缘损伤会破坏叶片的翼型，降低叶片气动功效，叶片前缘区域的点磨蚀以及沟槽类损伤可导致叶片阻力增加200%左右，使叶片升力下降15%左右，严重的前缘损伤还会威胁到叶片的结构安全。 叶片前缘的损伤及防护越来越被业内各方重视，业主单位不断细化对叶片前缘防护的要求，材料供应商也在持续推出高性能前缘防护材料，叶片厂也均有创新性的叶片前缘防护方案应用。 本文综述了风电叶片前缘损伤的因素，提出了前缘防护材料的评估方法以及前缘防护方案的设计思路。
1
前缘损伤的原因
风电叶片在长期运行中被发现在前缘区域发生了严重的损伤，初期怀疑是灰尘颗粒、雨水、冰雹等撞击使其发生了损坏。
随着研究的深入，风电行业权威认证机构挪威船级社在其DNVGL-RP-0573 evaluation of erosion and delamination for leading edge protection systems of rotor blades-2020中较为系统地提出了风电行业叶片前缘损伤的因素，将风电叶片面临的前缘损伤因素分为侵蚀、分层、边缘剥落或其他，并将降雨作为主要侵蚀因素。
降雨对材料的侵蚀现象最早在航空飞机的雷达罩上被发现。经麻省理工学院辐射实验室进行降雨冲击模拟试验证明：天线罩的表面损伤是由于高速飞行时雨滴冲击导致的，并将此类现象称为“雨蚀”。
随后航空航天领域学者按照液/固高速冲击课题对雨蚀现象进行了研究，认为液体应力波的传播行为及固体内的应力状态是雨蚀破坏的主要影响因素。
液/固冲击过程中，液滴经历压缩和侧向喷射2个阶段，如图1所示，液滴与固体表面接触时，接触面之上的液滴内部速度高于接触边界速度，液滴被压缩形成瞬态高压，这一压力被称为“水锤压力”。
图1. 液固冲击过程示意图
当液滴内部速度高于接触边界速度时，液滴会脱离初期接触面的束缚，沿固体表面形成侧向射流，所产生的剪切波在固体表面传播，导致固体材料表面发生分层或剥落。
目前百米级叶片叶尖线速度已达到100m/s，较高相对速度下雨滴冲击产生的水锤压力被认为是叶片前缘损伤的主要因素，DNVGL-RP-0573文件里也按此机理进行了叶片前缘损伤解释。
2
耐雨蚀的测试及评估
耐雨蚀测试按照使液体/固体产生相对冲击的测试原理进行，分为高速的液体撞击固体和高速的固体撞击液滴2种形式，常用测试方法如下。
2.1
单次射流冲击方法
20世纪60年代英国剑桥大学卡文迪许实验室研制了第一台单次射流冲击设备（single impact jet apparatus，SIJA），利用高压氮气或者炸药爆破的压力使铅弹以较高速度撞击用橡皮垫密封在不锈钢喷嘴里的液体，使液体以高速射流的形式撞击测试件，并使用高速摄影机记录撞击现象。通过调整设备压力产生的形式及大小，喷嘴的直径等参数，该装置可产生速度为200~600m/s、直径4~7mm的水射流，可用于模拟超音速类航天器雨蚀的测试。图2为SIJA测试装置的示意图。
图2. 单次射流冲击设备示意图
2.2
火箭橇法
航天飞行器领域还经常使用火箭撬法进行雨蚀测试，该方法是将安装了火箭发动机的测试件以极高速度沿着固定导轨通过人工降雨区，在此区域内承受雨蚀冲击（图3）。美国霍洛曼空军基地是最早建设的火箭撬测试场所，其轨道总长15240m，其中5500m长的轨道上方装有模拟下雨的喷嘴，速度最高可达1700m/s。该设备可以较为真实地模拟飞行器雨蚀环境，并且测试件尺寸不受限制，但设备占地面积较大。
图3. 火箭撬法示意图
2.3
旋转臂法
旋转臂法是通过电机设备的旋转及喷头的设置使臂顶端的试样高速与液滴发生撞击（图4）。该测试方法试验设备相对简单，所需场地相对较小，是最为常用的雨蚀测试方法，但由于高速旋转产生的扰动气流和封闭室内壁、针头分布、载样台设计等因素影响，使得不同装置的试验结果可比性较差。
图4. 旋转臂雨蚀设备
目前风电行业一般使用丹麦R&D Test system公司研制的雨蚀设备平台，该平台包含了旋转臂设备、雨场模拟系统，以及数据记录、分析系统。其关键参数设置范围：雨滴直径2.0~3.5mm，降雨强度29~53mm/h，线速度63~173m/s。
2.4
风洞测试
风洞技术可以在雨蚀测试时同步设置紫外、温度等测试条件，多因素组合式的测试条件与实际环境更接近。
但其对风洞要求较高，法国国家航空航天研究中心（ONERA）曾使用其S3MA风洞在282m/s的空气流中进行过雨蚀测试的研究，但试样雨蚀程度较轻。使用风洞进行雨蚀测试目前仍属于一种过于理想状态的测试方法。
2.5
测试参数的设置
不同测试方法的关键测试参数参照如下。
相对速度：单射流法速度在200~600m/s之间，火箭撬法相对速度可达2890m/s，R&D Test system雨蚀设备平台速度为63~173m/s。
雨滴大小：根据贝斯特雨滴经验公式计算，自然降雨中雨滴直径范围在0.5~6.5mm，一般认为直径>6mm的雨滴受到的空气动力会大于其内部张力，使其破碎变小。飞行器等设备一般参照MIL-STD-810G Department of defense test method standard-Enrvironmental engineering considerations and laboratory tests-2008按照雨滴直径0.5~4.5mm进行测试，风电叶片防护材料一般参照DNVGL-RP-0573所要求的雨滴直径2mm进行。
降雨强度：气象学上当降雨强度≥50mm/h时为“特大暴雨”，粤东区域观测到的最大降雨强度为126mm/h。为了使雨蚀测试结果更有说服力，实验室条件下测试时降雨强度应高于自然降雨。MIL-STD-810G标准中建议的降雨强度为102mm/h，当前国内风电叶片前缘防护材料的雨蚀测试一般在上海曦骅试验室进行，降雨强度为30mm/h。
2.6
耐雨蚀性能的评估
当前对风电叶片前缘防护材料耐雨蚀性能的评估主要使用R&D Test system旋转臂雨蚀设备平台进行测试，在相对速度、雨滴直径、降雨强度等参数设置一致的情况下，对比其相同测试时长下外观损伤及质量变化。
结合2.5所述，笔者认为当前国内风电叶片前缘防护材料在雨蚀测试时降雨强度参数设置偏低，应考虑实际气象条件进行调整，推荐按照MIL-STD-810G中102mm/h进行测试。
基于叶片前缘雨蚀损伤是低载荷下多次冲击的损伤原理，使用复合材料疲劳损伤测试方法进行前缘材料耐雨蚀评估是值得借鉴的思路。笔者设想的测试方法是：
①使用单次射流冲击方法进行材料单次损伤条件的测试，类似于复合材料疲劳测试时静强度的标定；
②使用旋转臂法进行雨蚀测试，类似于不同应力幅值下的疲劳次数测定；
③结合单射流法损伤测定的速度、直径条件和旋转臂法测定的耐雨蚀时长做材料耐雨蚀性能的评估。
3
风电叶片用耐雨蚀材料
3.1
聚氨酯类保护膜
聚氨酯类保护膜的典型代表是Polytech保护软壳和3M保护膜。
Polytech保护软壳根据叶片前缘翼型定制，长度1m每段，宽度方向中间区域厚3mm并逐渐向两侧过渡至0.5mm，其拉伸强≥30 MPa，断裂伸长率≥500%。
3M保护膜厚度为0.3mm，拉伸强度≥12MPa，断裂伸长率≥500%。
施工方面两者都使用压敏胶与叶片进行黏结，施工前均需使用细砂纸打磨粘贴面以保证黏结强度。
气泡及褶皱是贴膜常见的缺陷，3M保护膜透明色的设计使气泡缺陷更易被识别，较薄的膜厚使其能与叶片较好的随型贴附。Polytech保护软壳厚度渐变、随翼型定制以及1米每段的较短长度等多项措施也有助于其随型贴附。两种材料耐雨蚀性能测试结果如表1所示，由于测试关键参数设置不同，没有确定的耐雨蚀优劣性结论。
表1. 聚氨酯类保护膜耐雨蚀测试信息
3.2
超高相对分子质量聚乙烯类保护膜
除聚氨酯类保护材料外，超高相对分子质量聚乙烯类薄膜因其较高的强度、高耐候性及自润滑性也在叶片前缘防护中得到较多应用，典型如KRAIBURG前缘保护膜。
该保护膜由外层超高相对分子质量聚乙烯纤维层及内层橡胶层组成，厚度各0.5mm，其拉伸强度≥16MPa，断裂伸长≥700%，可使用环氧类胶黏剂与叶片进行黏结，具有较高的界面黏结强度。使用真空袋压的黏结方式有助于控制其黏结厚度及与叶片的随型贴附。其耐雨蚀性能方面测试结果如表2所示。
表2. KRAIBURG保护膜耐雨蚀测试信息
3.3
前缘保护漆类
前缘保护漆目前仍是风电叶片应用最多的耐雨蚀防护材料，具有施工工艺成熟，施工区域、防护厚度可设计等优点，目前PPG、佐敦、麦加等风电涂料供应商均推出了具备较好防护性能的前缘保护漆，涂层厚度多为300μm。
对于涂料类材料，“三分材料，七分施工”，涂层质量状态受施工影响较大，粉尘、杂质、气泡等均会对涂层力学性能及界面性能有影响。在笔者参与的前缘漆雨蚀对比测试中，A、B两型号前缘漆供应商提供的在相同测试结构测得的报告显示耐雨蚀时长结果为：A型号材料20h无损伤，B型号材料6h无损伤。然而在叶片工厂涂装车间，在同一测试样条两侧分别使用 A、B前缘漆做等厚度施工，在自制雨蚀设备上测试时，A型号前缘漆在1h后即出现了较大面积的损伤，侵蚀及界面分层为其主要失效形式，如图5所示。因此，笔者认为前缘保护漆类材料耐雨蚀性能的测试应基于工厂环境下制样，并且应以涂层材料受到侵蚀为测试终点。
图5. 前缘漆耐雨蚀测试对比
4
前缘防护方案的设计
受限于在雨蚀测试方面的研究相对不足以及叶片运行环境的复杂性，目前叶片前缘防护方案设计时主要从材料性能的对比选择及风场运行反馈两方面进行评估，设计思路整体如下。
4.1
选择相对好的耐雨蚀材料
如前文所述，材料耐雨蚀性能的优劣性评估需基于同样的测试参数，前缘保护漆类材料的耐雨蚀测试需基于工厂环境下制样，并且膜厚要保持一致。海上叶片用防护材料还需要满足ISO 12944-9：2018规范所要求的涂层耐老化性能。
当材料雨蚀测试结论不可靠时，基于风电机组运行叶片的挂机验证也是材料选型的一种方法。需要注意的是，除了需关注运行机组叶片前缘防护材料的外观、结构变化外，叶片线速度、风场降雨情况、机组运行时长等信息也要被重视。基于材料测试及风场防护效果2项信息的综合确认，在材料优劣性及适用性方面形成初步意见。
4.2
考虑降雨情况
我国疆域辽阔，海岸线漫长，不同区域气候、降雨情况差异巨大。华南沿海区域年降雨量最大在2500mm以上，而西北区域年降雨量多年在300mm以下，此种情况下即便是同型号陆上叶型，考虑服役区域的差异，叶片前缘防护方案仍需进行差异化设计，以便获得较高的经济性。
4.3
考虑叶片线速度
相较于叶片长度，叶片的线速度更应该是前缘防护方案设计时需被考虑的因素，一个符合预期的前缘防护方案是其不同线速度范围内的防护方案可满足其对应的防护需求，不同线速度下材料选型的差异化或前缘漆厚度梯度差异化均有助于获得较高的经济性。
4.4
其他
除上述提到材料选型、项目降雨量和叶片线速度外，其他如前缘表面剐蹭、脏污等对防护材料耐雨蚀性能的影响，防护材料与基材的界面强度等对防护效果可能存在的影响也需被关注。
结语
高耐久性、低成本的叶片前缘防护方案是当前风电行业的紧迫需求。在此背景下，固液冲击时水锤压力的损伤以及缓冲防护的原理需被业内各方了解并持续深入研究。当前旋转臂雨蚀测试方法中30mm/h的降雨强度设置偏低，建议提升至102mm/h，以便覆盖实际的极端降雨场景。推荐增加单次射流冲击法测定防护材料的静态耐雨蚀性能，结合旋转臂法做材料耐雨蚀性能的综合评估。对于前缘防护漆类材料，施工对其性能的影响不容忽视。在叶片前缘防护方案的设计上，基于线速度分区差异化选材是一种可行的提质降本的方案。
来源：《涂料工业》（作者：姚中强，顾育慧）
