风力机叶片涂层冲蚀磨损实验装置的设计

万大千，陈松利，张勃，李丹岚，甄琦

(内蒙古农业大学能源与交通工程学院，内蒙古呼和浩特 010018)

0 前言

风能是一种洁净的可再生能源，并且蕴藏着巨大的能量，风能的研究与开发利用对人类的生产和可持续发展具有十分重要的意义。自然条件下的风达到一定风速就会携带多种粒径的土壤颗粒成为挟沙风，挟沙风比净风的破坏力更强，能使风蚀量倍增，加剧物体表面的磨损[1]。

挟沙风对风力机叶片的冲蚀磨损最易引起叶片表面涂层破坏，降低叶片的使用寿命，增加叶片的维护成本。

赵新学和金有海[2]对分离器壁的冲蚀状况进行研究，发现了磨损的主要形式、磨损发生的位置，总结出磨损规律。戴丽萍等[3]对玻璃钢进行冲蚀实验，发现叶片外侧最易受风沙的冲蚀，并通过建模计算方式，研究叶片冲蚀规律。李明等人[4]通过软件仿真实验，总结出叶片材料特性在不同风速下对叶片输出功率的影响差异。李德顺等[5]对叶片进行冲蚀实验，研究磨损的程度和磨损位置与沙粒的直径和浓度的关系。李阳等人[6]通过冲蚀实验机构，针对多种涂层的叶片，在改变冲蚀角度后观察冲蚀磨损规律，记录叶片磨损分布情况。郝贠洪等[7]利用气体与沙混合对钢材料进行冲蚀，研究叶片涂层冲蚀后的效果，总结出冲蚀经验表达式。张永等人[8]在匀速冲蚀叶片涂层的基础上，通过低角度变速的冲蚀实验，研究叶片磨损量与风沙速度的关系。SAREEN 等[9]通过对叶片涂层进行冲蚀，构建了冲蚀磨损率模型，根据叶片涂层材料磨损程度的不同，对叶片阻力系数的变化进行研究，对叶片涂层的选择提出建议。李仁年等[10]对叶片四围的绕流结构分析，总结出冲蚀规律，即沙粒对叶片磨损后使叶片形状发生了改变。张志阳等[11]通过现有商用风机叶片数据建立风轮模型，用流固耦合的方法推出风轮表面的风压分布，再对单叶片进行静力学分析，研究表明叶片中间区域的载荷变化大于叶片边缘的载荷变化，当加入离心力载荷时，载荷压力向叶片前缘集中。甄琦等人[12]通过有限元分析模拟受损叶片，研究得出增大冲蚀程度对叶片位移影响不大，叶片材料密度与位移量呈正比。

在风沙侵蚀研究中，冲蚀装置可以创造并模拟可控的自然风，是研究风沙侵蚀的重要工具。由风蚀设备的研究发展状况可知，利用模型对风蚀定量化研究，冲蚀装置是比较可靠和准确的研究手段。因此需要研制一种能够满足实验要求的风力机叶片冲蚀装置，为研究真实挟沙风环境下对风机叶片的冲蚀影响提供参考。

1 冲蚀装置整体设计及工作原理

1.1 冲蚀装置整体结构设计

风力机叶片冲蚀装置由集沙仪、冲蚀管支撑架、冲蚀管、进沙装置(沙箱、螺旋推进器、沙箱支架)、带角度调节器的冲蚀箱、实验台架、冲蚀管支撑座、步进电机和控制柜9个部分组成，风机叶片通过螺栓固定在冲蚀箱内。其中进入冲蚀箱之前的部件做成同等规格的3套，以同样的挟沙率和风速冲蚀风机叶片的3个不同位置。各组成部分均为独立的构件，机械部件通过螺纹紧固件连接在一起，控制柜通过电线连接到步进电机，步进电机控制螺旋推进器的正转与反转以及转动的速度，风道通过细PVC管连接空气压缩机和冲蚀管，沙箱中的沙子通过粗PVC管在螺旋推进器的作用下进入冲蚀管。

根据真实风场中的沙子采样收集分析后，此实验粒径范围为0.075～0.15 mm、0.15～0.212 mm、0.212～0.38 mm、0.38～0.83 mm，超出上述4个范围内的沙粒十分少见，故实验粒径在此范围内选择后进行筛取备用。实验沙箱总共设置3个，采用独立控制系统，3个沙箱可单独也可组合进行工作，从而实现多种工况的选择。

风力机叶片冲蚀装置的结构示意如图1所示，风力机叶片冲蚀装置实验设备如图2所示。

图1 风力机叶片冲蚀装置结构示意Fig.1 Schematic of wind turbine blade erosion device

图2 风力机叶片冲蚀装置实验设备

1.2 冲蚀装置工作原理

冲蚀装置的工作流程如图3所示，风力机叶片冲蚀装置以压缩空气为动力，空气压缩机产生的气源与混合加速管前冲蚀管连接，空气通过调压阀在圆形截面的玻璃管道中向前流动，在混合加速管产生冲蚀压力，使来自沙箱的沙料与空气充分接触混合后，再经过压缩空气的加速，形成高速运动的挟沙风，由冲蚀管喷嘴喷出，喷射到风力机叶片模型表面对它进行冲蚀磨损实验。该控制系统以PLC 作为核心控制器，结合多步进电机控制和人机界面设计，实现了3台步进电机的正反转控制以及转速调节控制。利用 PLC 输出脉冲信号控制步进电机转速，步进电机驱动螺旋推进器，通过建立含沙量与螺旋推进器转速关系，该装置能够将沙箱内的沙粒按照设定的速度均匀输送至冲蚀装置的混合加速管中，实现含沙量的准确控制。

图3 冲蚀装置工作流程Fig.3 Process of erosion equipment

2 冲蚀装置关键部件设计

2.1 螺旋推进器设计

螺旋推进器装置作为沙量调节器，是进沙装置的主要组成部分，由丝杠式螺杆、螺杆套和排沙管组成，位于沙箱的下方。实验时，沙量调节器按照实验所需的沙量要求导入不同大小的沙粒。沙量调节器采用丝杠式螺杆结构，与沙箱底部的矩形下沙管相接，丝杠式螺杆转动时带动陷入螺杆槽内的沙粒向前运动，经排沙管流入冲蚀管中。螺旋推进器装置如图4所示。

图4 螺旋推进器示意Fig.4 Schematic of propeller

丝杠式螺杆由步进电机带动旋转，步进电机的转速可以调整，进沙设置为步进电机正转，排沙量的多少与螺杆的转速有关。步进电机由PLC控制，可以实现螺杆多转速值调速，进而可以根据实验需要来调节排沙量的多少。实验时，若不需要排沙，则可通过PLC控制步进电机反转来排出螺旋推进器内的残余沙粒。

2.2 冲蚀室设计

冲蚀室由箱体、支撑板、角度调节器及其他零件组成。箱体位于冲蚀装置的尾部，其两侧与叶片支撑架连接，内部由叶片支撑架固定叶片模型，由冲蚀管喷嘴对叶片模型进行冲蚀。依据角度调节器,可通过调节叶片支撑架在0°～90°范围内调节冲蚀角度，以保障为叶片提供足够的迎风角度。冲蚀管喷嘴到叶片模型的距离根据冲蚀实验的经验设置为136 mm。图5所示为冲蚀室的结构示意。

图5 风力机叶片冲蚀室的结构示意Fig.5 Schematic of wind turbine blade erosion chamber

箱体设计为不完全封闭，与冲蚀管喷嘴正对的面没有冲蚀箱壁，可以有效避免高速运动的挟沙气流因被冲蚀箱壁反弹而对冲蚀效果造成的影响。箱体由挡板、进气管、上顶板、下底板、前后板、左侧板、右侧板、排气管、漏沙前后板、漏沙侧板、进气喷嘴组成，如图6所示。

图6 箱体示意Fig.6 Schematic of box

角度调节器用来调节叶片模型与冲蚀管喷嘴之间的角度，为研究不同冲蚀角度下风力机叶片受损程度与冲蚀角度的关系及其对叶片气动性能的影响提供依据。

角度调节控制板设计如图7所示，采用厚度为3 mm的Q235，半径为100 mm。它与角度控制调节器通过调节杆间隙配合，在90°内开18个直径为4 mm的孔，其间隔为5°，用来改变冲蚀角度。中心孔直径为25 mm与轴配合使用。

到2020年，湖南省水利项目市场总投入2045亿元，年均投资255亿元，接近“十二五”期间年均水利投资额度；近期建设的主要项目总投资480.38亿元，年均投资120亿元，还有大量的中小型项目要进行建设。

图7 角度调节板Fig.7 Angle adjusting plate

3 冲蚀装置测试

3.1 输沙量的测试

通过采用以PLC为核心控制器的步进电机调速系统的研究，实现了步进电机的调速控制，步进电机的转速可根据实验需求进行调节，进而调节冲蚀装置的含沙量。步进电机的启动转速为300脉冲/s，每按一次调速按钮，增加或者减少25脉冲/s。在冲蚀管内，步进电机与气泵相结合能够模拟挟沙风，随着步进电机脉冲数的增加，沙流量也增加。不同转速下的沙流速如表1所示。

表1 不同转速下的输沙率Tab.1 Sand transport rate at different speed

实验后发现输沙率比自然界中的挟沙风含沙量略大，后期实验可以根据需要继续降低脉冲数。现在测试脉冲数下输沙量可满足风机叶片的加速磨损，该冲蚀装置输沙率控制精确，满足要求。

3.2 冲蚀风速计算与测试

风力机叶片冲蚀装置在工作过程中由红五环活塞式空气压缩机提供气源。根据伯努利原理和流动连续性方程，空气在管道中的总压力基本恒定，故管道入口处的压力值决定了空气管中气体的总压力。而当压力不变时，气体在管道内的流速与管道入口的压力成正比，由于管道的横截面积不变，所以，如果想控制冲蚀管内气流的速度，只需控制冲蚀管入口处气流的压力即可。压缩空气在经过空气压缩机之后连接一个带油水分离器的调压阀，通过调压阀上的压力表控制阀门关闭的压力，进而在阀门开启时读取开启后的压力，在不同的开启压力下通过风速仪读取实验风速值。

冲蚀管中沙粒与压缩空气充分混合，所以将冲蚀管出口处的挟沙风速度作为叶片模型的冲蚀速度。根据气体连续性方程：

ρ1A1v1=ρ2A2v2

(1)

式中：ρ1为冲蚀管入口处气流密度；ρ2为冲蚀管出口处气流密度；A1为冲蚀管入口处横截面积；A2为冲蚀管出口处横截面积；v1为冲蚀管入口处的气流速度；v2为冲蚀管出口处的气流速度。

根据Q=Av简化公式可得：

(2)

式中：Q1为冲蚀管入口处的气体流量。

干空气密度的计算公式：

(3)

式中：ρ为在绝对压力p和热力学温度T时的干空气密度，kg/m3；ρ0为基准状态下的干空气密度， 1.293 kg/m3；T为空气热力学温度，T=273.16+t，K；t为空气温度，℃；p为绝对压力，MPa；p0为基准状态下干空气压力。

由于在冲蚀管中，温度基本恒定，故由式(3)可得：

(4)

(5)

式中：p1为冲蚀管入口处绝对压力；p2为冲蚀管出口处绝对压力。

将式(4)和式(5)代入式(2)得：

v2即为挟沙风叶片模型的冲蚀速度。

通过控制调压阀的阀门开启与关闭，得到相应压力值，根据公式计算冲蚀风速，并用风速仪测定沙箱出风口处接近风扇叶片处的多组风速值，取平均值作为实验风速。2种冲蚀速度对比如表2所示，实验后对比发现冲蚀风速与实验风速相差无几。

表2 冲蚀速度对比Tab.2 Comparison of erosion rate

3.3 叶片冲蚀效果测试

实验中选取步进电机转速200脉冲/s，沙子粒径选取较大的0.6 mm，冲蚀角度随机选取为15°，风机叶片材料为木芯材质，冲蚀风速控制在9～10 m/s，每天冲蚀4 h，冲蚀5天后，效果如图8所示。可见叶片涂层已完全磨损，叶片有明显的坑洞出现，对比实际自然风下长期冲蚀的叶片后，发现两者冲蚀效果差别不大。

图8 沙箱出风口及冲蚀后风机叶片Fig.8 Sand box air outlet and fan blade after erosion

4 结论

文中研制了一种风力机叶片涂层冲蚀磨损实验装置，该实验装置以压缩空气为动力，通过压缩空气气管接通气源，压缩空气在冲蚀管中建立工作压力，使沙箱内的沙料和压缩空气充分混合加压；然后再经过压缩空气的加速，形成高速运动的挟沙风；再利用PLC控制步进电动机转速，通过螺旋推进器进行输沙率控制，由冲蚀管喷嘴喷出，喷射到风力机叶片模型表面对其进行冲蚀磨损实验。该冲蚀装置可实现多种冲击风速、携沙量、冲击角度的多工况的磨损实验，为后续开展实验研究奠定基础。