顏福裕，韋橋斌，史忠秋，韓燦鵬，韓心宇，歐陽敏南，劉 瑞，李錄平

（1.廣東粵電珠海海上風(fēng)電有限公司，廣東 陽江 529500；2.廣東德漢能源科技股份有限公司，廣東 廣州 510000；3.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410014）

風(fēng)力發(fā)電是近年來發(fā)展最快的可再生能源技術(shù)之一。在過去幾十年中，全球風(fēng)電裝機容量從1997 年的7.5 GW 增加到了2021 年的837 GW，其中海上風(fēng)電機組裝機容量為58 GW。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)預(yù)測，全球風(fēng)電在未來10 年（2022—2031 年）將新增919 GW 的裝機容量，到2031 年累計裝機容量將達(dá)到1 756 GW，其中海上風(fēng)電機組裝機容量為370 GW[1]。

風(fēng)電機組葉片在運行期間會受到復(fù)雜的環(huán)境和機械載荷的影響而產(chǎn)生表面損傷（裂紋、分層、樹脂缺陷等）或是結(jié)構(gòu)損傷（纖維斷裂、扭結(jié)等）。表面損傷可能是由沙粒、雨水、鹽霧、冰雹和污染物的侵蝕或是小物體撞擊造成，隨著葉片表面損傷的加劇會導(dǎo)致葉片結(jié)構(gòu)的損壞。2018 年HAN 等[2]對EDP 公司運行的67 臺風(fēng)電機組中的201 個葉片的檢查表明，侵蝕發(fā)生在174 個葉片前緣，約占檢查葉片的87%。2022 年BOOPATHI 等[3]針對不同地區(qū)風(fēng)電機組，根據(jù)風(fēng)電機組的服役年齡，調(diào)查了風(fēng)電機組葉片故障機制和發(fā)生頻率，結(jié)果表明，前緣侵蝕是葉片最常見的損壞機制，前緣侵蝕可能從風(fēng)電機組安裝后的第一年開始發(fā)生。前緣侵蝕導(dǎo)致葉片表面粗糙度增加，從而增加葉片運行時翼型上的氣流邊界層厚度。邊界層厚度的增加導(dǎo)致阻力系數(shù)的增加和升力系數(shù)的降低，從而降低了空氣動力性能。根據(jù)2014 年SAREEN 等[4]的研究表明，根據(jù)腐蝕程度的不同，阻力可以從6%增加到500%，阻力每增加80%將使風(fēng)電機組的年發(fā)電量減少5%；根據(jù)2022 年WANG 等[5]研究表明，葉片前緣出現(xiàn)點蝕或是分層等損傷，在10 m/s 的入流風(fēng)速下，可最大地導(dǎo)致扭矩系數(shù)降低42.54%，從而減少機組發(fā)電量。

隨著風(fēng)電機組單機容量越來越大，風(fēng)電機組的葉片也越來越長，目前風(fēng)電機組葉片的葉尖速度可達(dá)110 m/s，在這種速度下，葉片前緣的侵蝕會更加嚴(yán)重，受損的葉片導(dǎo)致葉片表面粗糙度增加，如圖1 所示，使得葉片氣動性能降低、維修成本增加和機組發(fā)電量降低等。

圖1 葉片前緣侵蝕示意圖

綜上所述，風(fēng)電機組葉片前緣侵蝕已經(jīng)成為威脅風(fēng)電安全穩(wěn)定運行的一個隱患，且隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，問題更加嚴(yán)峻。為了降低和優(yōu)化風(fēng)電機組運行維護(hù)成本，本文綜述了風(fēng)電機組葉片前緣侵蝕機理、前緣侵蝕對風(fēng)電機組性能的影響和機組葉片前緣防護(hù)技術(shù)進(jìn)展，并提出了未來機組前緣防護(hù)技術(shù)的展望。

1 葉片前緣侵蝕機理

學(xué)者們利用有限元分析方法或者試驗方法對前緣侵蝕機理進(jìn)行了許多研究。液滴/顆粒撞擊葉片表面產(chǎn)生的沖擊載荷和應(yīng)力波是引起葉片前緣侵蝕的主要原因。風(fēng)電機組葉片葉尖線速度很大，液滴在葉片前緣涂層表面上產(chǎn)生相對較高的沖擊載荷，造成葉片表面損傷。雨滴撞擊表面后，產(chǎn)生的應(yīng)力波在前緣保護(hù)層中傳播。這會導(dǎo)致?lián)p傷萌生、材料降解和疲勞，然后導(dǎo)致涂層開裂、脫粘、復(fù)合材料裂紋、表面粗糙化[6]。壓縮波、剪切波和瑞利波是在侵蝕過程中起關(guān)鍵作用的3 種應(yīng)力波，雨滴沖擊固體表面產(chǎn)生的3 種應(yīng)力波如圖2 所示[7]。壓縮波傳播速度最快，剪切波傳播速度最慢；壓縮波造成的損傷很小，瑞利波可以與表面裂紋相互作用，瑞利波分為垂直分量和水平分量。垂直分量可以穿透到表保護(hù)層，但它取決于雨滴的半徑和沖擊速度。瑞利波、剪切波和壓縮波分別占總沖擊能量的67.4%、25.8%和6.9%。應(yīng)力波會在涂層和基體結(jié)構(gòu)反復(fù)振蕩，直到它們衰減。由于葉片是多層材料構(gòu)成，材料的物理性質(zhì)不匹配，當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)具有不同物理性質(zhì)的固體之間的自由表面或界面時，應(yīng)力波會導(dǎo)致材料破壞，使涂層之間發(fā)生剝落和分層。

圖2 雨滴沖擊固體表面產(chǎn)生的3 種應(yīng)力波

水滴的沖擊速度對葉片前緣的侵蝕起決定性作用。FUJISAWA 等[7]通過水滴撞擊試驗，發(fā)現(xiàn)液滴侵蝕速率與液滴速度的7 次方成正比。OKA 等[8]發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)水滴的沖擊速度大于受損閾值才會對材料表面沖蝕，且增加水滴的沖擊頻率會增加損傷率并縮短損傷潛伏期。

除了沖擊載荷，當(dāng)水滴與表面的沖擊角小于90°時，水滴撞擊還會對葉片表面產(chǎn)生剪切作用。MENDOZA 等[9]研究了添加碳纖維和玻璃纖維增強聚合物涂層的抗水侵蝕性能。在SEM 顯微鏡中觀察到水滴對纖維具有切割作用，在水滴沖擊方向形成脊?fàn)?，從而?dǎo)致葉片表面粗糙度增加，并導(dǎo)致涂層脫落。PUGH 等[10]認(rèn)為在葉片處于較大的攻角時，由于液滴的變形沖擊，表面的損傷會更多，當(dāng)葉片處于較小的攻角時，由于液滴的剪切效應(yīng)，侵蝕會更大。

液滴撞擊還會在涂層間產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力，也是造成涂層脫落的主要原因。FRAISSE 等[11]用橡膠球代替雨滴沖擊涂層，橡膠球的每次沖擊會在涂層層壓板中產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力，反復(fù)沖擊后，這些應(yīng)力會促使葉片產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致涂層脫落和層壓板損壞。KUSANO 等[12]發(fā)現(xiàn)具有結(jié)構(gòu)化幾何形狀的層壓材料能夠緩解涂層壓板中的瞬態(tài)應(yīng)力，從而比平坦的層壓材料表現(xiàn)出更長的耐久性。

表面硬度高、彈性高、楊氏模量小的前緣保護(hù)材料具有更好保護(hù)性能[13]。GODFREY 等[14]發(fā)現(xiàn)寒冷情況下，PU 涂層的硬度和楊氏模量的比值降低，塑性指數(shù)增加，固體顆粒會使葉片前緣表面出現(xiàn)更多的點蝕和凹坑。FUJISAWA 等[7]發(fā)現(xiàn)侵蝕速率隨著材料硬度增加而降低。高彈性涂層和增加涂層厚度可以降低應(yīng)力幅度，從而延緩損壞。此外，涂層表面的液膜能夠降低液滴沖擊葉片表面時的峰值應(yīng)力，承載了部分雨滴的沖擊載荷，若固體材料上存在厚度為2.5 mm 的液膜，直徑為100 mm 的液滴撞擊在固體表面的最大壓力則降低10%。

表面粗糙、內(nèi)部不均勻、存在孔隙的涂層在液體沖擊下更容易萌生裂紋。FAESTER 等[15]利用X 射線顯微鏡和計算微觀力學(xué)模擬研究了雨滴對前緣侵蝕的微尺度機制，孔隙和空洞的附近在疲勞過程中會導(dǎo)致涂層產(chǎn)生裂紋。

PUGH 等[10]研究了陸上和海上環(huán)境下雨水對風(fēng)電機組葉片材料的影響，發(fā)現(xiàn)海水里的酸成分可以與涂層材料發(fā)生化學(xué)作用，海上的雨水環(huán)境相比陸上會給葉片造成更大的侵蝕。LAW 等[16]對采石場和沿海附近的風(fēng)電場進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)沙石與海鹽的腐蝕作用大大增加了雨水對葉片侵蝕的速度。

綜上所述，風(fēng)電機組葉片的前緣侵蝕是雨滴（或是冰雹、灰塵、沙石等）與紫外線和熱環(huán)境載荷相結(jié)合的多次重復(fù)液體沖擊的結(jié)果，而且與涂層的表面機械特性（硬度、彈性模量、粗糙度、耐磨性、斷裂韌性等）、雨滴參數(shù)（沖擊速度、沖擊角度、大小、厚度等）和環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、空氣質(zhì)量、降雨強度等）等密切相關(guān)。

2 前緣防護(hù)技術(shù)

近年來，本領(lǐng)域許多學(xué)者和工程技術(shù)專家對風(fēng)電機組葉片前緣防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，制定了多種防護(hù)技術(shù)方案?？傮w來說，這些防護(hù)方案分為保護(hù)（開發(fā)保護(hù)性高的涂層）、避免（降雨強度大時降低葉尖速度）和修復(fù)（用保護(hù)罩或者膠帶修復(fù)侵蝕區(qū)域）。目前，風(fēng)電機組葉片前緣防護(hù)技術(shù)的重要進(jìn)展體現(xiàn)在如下方面。

2.1 增強涂層

聚氨酯（PU）結(jié)構(gòu)中具有氨基甲酸酯基團(tuán)-NH-CO-O，是由異氰酸酯（R-（N=C=O）n）與多元醇反應(yīng)形成的，PU 涂層是高彈性且耐用的材料，在沖擊時可作為能量吸收器。由于高彈性而且具有形狀記憶，耐刨削和磨損[17]，因此，PU 涂層是前緣保護(hù)的良好候選者。并使用溶膠-凝膠技術(shù)在涂層中加入納米顆粒，通過納米顆粒的功能化來提高界面強度，以促進(jìn)與基質(zhì)的化學(xué)結(jié)合，從而增強涂層的機械、熱和沖擊性能，例如加入碳納米粒子（CNP）、碳納米管（CNT）、碳納米片（GNP）和石墨烯等[18]。

2000 年，PETROVI?等[19]制造了PU 納米復(fù)合材料，其中納米二氧化硅（SiO2）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0%～50%，納米SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時，涂層拉伸強度增加了300%；涂層斷裂伸長率隨著納米SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而不斷增加，在50%時增加了600%。

2005 年，XIA 等[20]研究了通過原位聚合制備的PU-CNT（單壁和多壁）復(fù)合材料，在單壁CNT 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，涂層的最高拉伸強度為9.11 MPa。

2008 年，GUO 等[21]使用多壁碳納米管（MWCNT）通過原位聚合和溶液澆鑄方法的結(jié)合來增強PU 涂層。在PU 基體中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的MWCNT 后，楊氏模量、斷裂應(yīng)力和斷裂伸長率分別提高了90%、500%和75%。

2010 年，LóPEZ 等[22]通過機械混合法向SiO2基質(zhì)中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的MWCNT 獲得陶瓷溶膠-凝膠涂層，其斷裂韌性比普通涂層增加了24%。

2011 年，LIANG 等[23]利用接枝多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）開發(fā)了多功能CNF 紙基納米復(fù)合涂層。與基線復(fù)合材料相比，納米復(fù)合材料的阻尼比增加了300%，顯著改善了涂層的振動阻尼性能。

2013 年，LI 等[24]利用石墨烯納米顆粒+CNT 的聚合物增強環(huán)氧樹脂涂層的性能，聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，與純環(huán)氧樹脂相比，涂層的拉伸模量提高了40%，拉伸強度提高了36%。

2015 年，VALAKER 等[25]開發(fā)了含有納米碳化硅（SiC）顆粒增強物的噴涂涂層，并進(jìn)行了雨水沖蝕試驗。研究結(jié)果表明，SiC 增強涂層的材料損失比工業(yè)涂層少6～10 倍，且隨著納米顆粒含量的增加，耐腐蝕性明顯增加。

2015 年，CHUNG 等[26]將粒徑小于20 μm 的改性石墨（MG）粉末共價連接到PU 主鏈。與未改性聚氨酯相比，極限拉伸應(yīng)力增加了436%，最大應(yīng)變增加了1 744%。

2017 年，MOGHIM 等[27]采用溶液澆鑄法，通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～5%的MWCNT 來增強PU 涂層的拉伸強度，結(jié)果表明，MWCNT 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，PU涂層的拉伸強度提高了122%。

2018 年，CHUNG 等[28]通過原硅酸四乙酯（TEOS）和接枝到PU 上的三乙氧基甲硅烷基（TESPI）之間的溶膠-凝膠反應(yīng)制備了混合PU-SiO2復(fù)合材料。含有12.5 mmol TEOS 和2.5 mmol TESPI 的PU 的極限拉伸強度可達(dá)59.6 MPa。

2019 年，TARASOV 等[29]分析了富勒烯、GO 及其混合物（15/85 比例）對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～0.1%的交聯(lián)PU 涂層的影響。富勒烯/GO 混合物的使用表現(xiàn)出明顯的正協(xié)同效應(yīng)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時，楊氏模量增加了20%，而在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時，楊氏模量增加了30%。

2020 年，JESPERSEN 等[30]將纖維（纖維漿）或圓盤顆粒嵌入涂層。隨著纖維體積百分比的增加，應(yīng)力波逐漸散射，阻尼增大。

2021 年，JOHANSEN 等[31]使用單點沖擊疲勞試驗測試了含有石墨烯和石墨烯-SiO2混合增強材料的抗侵蝕涂層，混合涂層的使用壽命比純PU 涂層高13 倍。

2022 年，DASHTKAR 等[32]分別用羥基官能化的石墨烯納米顆粒（f-GNP）和f-GNP 與疏水性硅基溶膠-凝膠（SG）改性來制備PU 涂層。與純PU 涂層相比，PU+GNP+SG 涂層的楊氏模量、拉伸強度、韌性模量和斷裂伸長率分別提高了95%、115%、124%和102%。

2.2 多層涂層

具有交替剛性層和韌性層的多層涂層在許多保護(hù)系統(tǒng)中都有應(yīng)用。2016 年，MOHAGHEGHIAN 等[33]研究了帶有薄聚乙烯涂層聚合物層壓板，研究結(jié)果表明，這種雙層結(jié)構(gòu)的耐磨性、耐腐蝕性和拉伸強度等性能都優(yōu)于原來的單層結(jié)構(gòu)。

2017 年，CORTéS 等[13]通過在旋轉(zhuǎn)臂雨蝕試驗裝置（WARER）中用水滴反復(fù)高速撞擊多層防侵蝕材料，證明了多層材料可以與基底之間有更好的黏附性能，極大地改善了由于分層引起的侵蝕失效。

2017 年，MAEZTU 等[34]使用石墨烯氧化物和氟化聚合物結(jié)合溶膠-凝膠法提出了一種多層納米涂層，通過原子力顯微鏡（AFM）、輪廓儀和掃描電子顯微鏡（SEM）分析表面和涂層形態(tài)，結(jié)果表明，熱處理在醇鹽之間提供了化學(xué)交聯(lián)，從而將混合涂層的硬度提高了300%，并發(fā)現(xiàn)涂層疏水性能與耐腐蝕性密切相關(guān)。

2.3 互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)

早在1994 年，SOPHIEA 等[35]通過研究發(fā)現(xiàn)，含PU 的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)與純PU 聚合物相比，互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN）的優(yōu)點包括強度更高、溫度范圍更寬、阻尼峰足夠高、具有很強的機械能量吸收特性。

在2012 年，MILLS 等[36]用質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%和10%的納米SiO2改性PU 涂層，發(fā)現(xiàn)納米SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，涂層中IPN、疏水性和耐磨性都會增強。KAUSAR[37]在2017 年通過引入環(huán)氧樹脂形成PU 和環(huán)氧樹脂的IPN，使PU 涂層的機械性能、耐熱性和阻尼特性得到了增強。

2.4 侵蝕安全模式控制

2018 年，BECH 等[38]提出了在大雨條件下降低葉尖速度，來減輕前緣侵蝕的“侵蝕安全模式控制”策略。

2020 年，BAK 等[39]發(fā)現(xiàn)前緣損壞導(dǎo)致的相對年發(fā)電量損失隨著平均風(fēng)速的增加而減少。對于低風(fēng)速風(fēng)場地，損失在1%～4%之間。對于高風(fēng)速場地，損失在0.5%～3%之間。并提出了通過提高最大葉尖速度增加年發(fā)電量和減少損失的方法。

2020 年，SKRZYPI?SKI 等[40]對IEA15WM 風(fēng)電機組進(jìn)行了侵蝕建模，發(fā)現(xiàn)根據(jù)降雨強度調(diào)整葉尖速度，可以節(jié)省88%的因前緣侵蝕而導(dǎo)致的整體利潤損失。

3 結(jié)束語

風(fēng)電機組葉片前緣侵蝕是一個復(fù)雜的多尺度和多物理過程，是由雨滴（或是冰雹、灰塵、沙石等）與紫外線和熱環(huán)境載荷相結(jié)合的多次液滴沖擊引起的結(jié)果，還受葉片制造缺陷、空洞、氣泡、顆粒和弱界面等因素影響。

目前，保護(hù)風(fēng)電機組葉片前緣的解決方案分為保護(hù)（開發(fā)保護(hù)性高的涂層）、避免（降雨強度大時降低葉尖速度）和修復(fù)（用保護(hù)罩或者膠帶修復(fù)侵蝕區(qū)域）。

開發(fā)保護(hù)性高的涂層是目前學(xué)者們研究的重點，開發(fā)的解決方案包括在涂層中加入納米顆粒（CNP、CNT、GNP 和石墨烯等）制作增強涂層、形成互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)和開發(fā)多層涂層。使涂層可以分散雨水沖擊所造成的應(yīng)力波，并增強涂層的其他各方面特性。

未來風(fēng)電機組葉片前緣保護(hù)涂層材料的開發(fā)應(yīng)進(jìn)一步彰顯如下方面的優(yōu)勢：①涂層的成本效益更高，耐用性更強；②涂敷在葉片上的涂層厚度更薄，對葉片的質(zhì)量和空氣動力性能的影響可以忽略；③涂層具有耐侵蝕、耐腐蝕、耐磨損和除冰等多種特性；④涂層在風(fēng)電機組運行過程中不會對環(huán)境產(chǎn)生污染；⑤涂層需要具有對葉片基材良好的附著力，化學(xué)性能穩(wěn)定。