风电叶片是风力发电机组的一个关键部件,叶片前缘是叶片的主要切风部位,叶片需要在不同的环境下工作,其性能直接关系到整个系统的发电效率。海上风电场处于严酷的自然环境中,风机叶片在运行过程中长期受到强烈的日光照射、处于高浓度的盐雾环境、高温高湿条件中,高速旋转条件下的雨水侵蚀会破坏叶片前缘表面,影响叶片的气动外形,导致发电量下降[1,2,3,4]。
叶片切风部位最主要的是前缘,雨滴撞击在表面时能产生很大的压力,长度约56 m叶片的正常转速可达到80 m/s,在这样的转速下,直径1~3 mm的雨滴撞击的压力可达到120 MPa,冲击动能达到0.043 J。在叶片的前缘区域需要有前缘保护材料吸收雨滴撞击产生的动能,否则容易造成内应力集中,出现宏观缺陷。因此,对叶片前缘需要进行重点保护[3,4]。
涂覆传统涂料的叶片在运行一段时间后,其前缘一般会出现损伤,无法实现对叶片前缘的可靠防护。国内的叶片厂商大多采用在叶片前缘表面贴敷聚氨酯膜的方法,用于吸收雨滴的动能,保护叶片表面免遭雨蚀侵蚀。在叶片前缘贴附聚氨酯膜对叶片表面平整度等施工要求较高,容易产生微小气泡; 聚氨酯膜在叶片运输、吊装等过程中容易损伤,在叶片运行时长期暴露户外过程中经常出现起泡、卷边、移位等缺陷,运行一段时间后聚氨酯膜自然老化失效,需要重新更换。鉴于贴膜的诸多不足,阿克苏、美凯维奇、3M等公司陆续推出用于叶片前缘的耐雨蚀叶片涂料。本文主要对比研究业内最新推出的几款典型耐雨蚀叶片涂料,通过测试分析来研究耐雨蚀涂料对叶片前缘防护的可行性。
1 实验部分
1.1 实验原料
聚氨酯前缘保护膜、3种聚氨酯前缘保护涂料:市售。
1.2 测试设备
耐雨蚀测试设备:美凯威奇实验室;色差仪(BYK-6801):德国毕克公司;电子万能试验机(C43):MTS Criterion信标公司;QUV紫外老化箱:美国Q-LAB公司;Q-FOG循环腐蚀盐雾箱:美国Q-LAB公司;高低温湿热试验箱(EW0220):广州爱斯佩克环境仪器有限公司;附着力测试仪(Positest AT-M Manual):美国Defelsko 公司。
1.3 性能测试
表1 常规性能测试项目Tab.1 General performance test |
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表2 功能性测试项目Tab.2 Functional performance test |
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注:(1)—雨量450 mm/h;尖部速度157 m/s。 |
实验选取了聚氨酯前缘保护膜与3种聚氨酯前缘保护涂料进行对比测试,验证材料的各项性能。
2 结果与讨论
表3表明,几种材料的耐酸性和耐碱性均能满足使用要求。聚氨酯膜、聚氨酯涂膜1#及3#在盐雾试验前后性能均能满足要求,聚氨酯涂膜2#由于粘弹性较大,导致破坏均发生在涂膜与胶粘剂之间。根据耐雨蚀设计原理的不同,材料的韧性和强度有一定的差异。
聚氨酯膜经过冷热循环后附着力下降,低于要求值(5 MPa),在日气温波动较大的区域长期使用存在风险。从图1可以看出,进行常规耐雨蚀测试时聚氨酯膜性能表现优异,但经过紫外老化后,贴膜表面出现变色,耐雨蚀性能严重下降,而老化前的雨蚀测试有些试样在膜尚未破坏时,封边胶已经破坏,保护膜出现大面积剥离现象。
聚氨酯涂膜2#和3#在老化前的耐雨蚀性能明显优于聚氨酯涂膜1#。1#涂料的主要成分为聚天门冬氨酸酯聚脲树脂,以多元醇类交联剂进行交联,形成一种高交联密度的涂膜,涂膜有很好的拉伸强度,但不能较好地吸收雨滴撞击产生的动能。2#和3#涂料的主要成分为IPDI、HDI低聚物、聚酯多元醇以及改性异佛尔酮二胺形成的涂膜结构,化学交联密度较低,涂膜强度较1#样品低,在受到雨滴冲击时,漆膜能较好地吸收和消散雨滴撞击产生的动能,减轻雨蚀对涂膜的破坏。
聚氨酯涂膜2#常规耐雨蚀性能测试表现优异,但在老化测试过程中,在高温高湿环境下涂膜熔融,无法进行附着力测试,该材料对气候的适应性较差。
聚氨酯涂膜1#及3#在经过紫外老化及冷热循环后,附着力均能满足使用要求。对比老化前后的耐雨蚀性能,2种样品性能均有不同程度的下降。
3 结 语
(1)常规的叶片聚氨酯膜在初始阶段具有良好的性能,随着叶片在自然环境中暴露时间的延长,贴膜的耐雨蚀性能逐渐下降,直至出现破坏,失去防护功能。
(2)根据叶片使用环境的不同,对叶片前缘防护的要求不同,在海上或沿海地区风机前缘的防护涂料不仅要考虑材料本身的耐雨蚀性能,还要考虑环境对材料性能的影响。
(3)聚氨酯膜防护应用存在不足,出现初始破坏后,贴膜在短时间内会在较大面积区域剥离。而涂膜在出现初始破坏后,破坏点会逐渐扩大,在短时间内不会失去防护性能。耐雨蚀涂料性能在使用的初期阶段及一定使用时间后,性能均能达到或超过聚氨酯膜的性能,是未来风机叶片耐雨蚀材料的重要发展方向。