風力機葉片涂層沖蝕磨損實驗裝置的設計

萬大千，陳松利，張勃，李丹嵐，甄琦

(內蒙古農業大學能源與交通工程學院，內蒙古呼和浩特 010018)

0 前言

風能是一種潔凈的可再生能源，并且蘊藏著巨大的能量，風能的研究與開發利用對人類的生產和可持續發展具有十分重要的意義。自然條件下的風達到一定風速就會攜帶多種粒徑的土壤顆粒成為挾沙風，挾沙風比凈風的破壞力更強，能使風蝕量倍增，加劇物體表面的磨損[1]。

挾沙風對風力機葉片的沖蝕磨損最易引起葉片表面涂層破壞，降低葉片的使用壽命，增加葉片的維護成本。

趙新學和金有海[2]對分離器壁的沖蝕狀況進行研究，發現了磨損的主要形式、磨損發生的位置，總結出磨損規律。戴麗萍等[3]對玻璃鋼進行沖蝕實驗，發現葉片外側最易受風沙的沖蝕，并通過建模計算方式，研究葉片沖蝕規律。李明等人[4]通過軟件仿真實驗，總結出葉片材料特性在不同風速下對葉片輸出功率的影響差異。李德順等[5]對葉片進行沖蝕實驗，研究磨損的程度和磨損位置與沙粒的直徑和濃度的關系。李陽等人[6]通過沖蝕實驗機構，針對多種涂層的葉片，在改變沖蝕角度后觀察沖蝕磨損規律，記錄葉片磨損分布情況。郝贠洪等[7]利用氣體與沙混合對鋼材料進行沖蝕，研究葉片涂層沖蝕后的效果，總結出沖蝕經驗表達式。張永等人[8]在勻速沖蝕葉片涂層的基礎上，通過低角度變速的沖蝕實驗，研究葉片磨損量與風沙速度的關系。SAREEN 等[9]通過對葉片涂層進行沖蝕，構建了沖蝕磨損率模型，根據葉片涂層材料磨損程度的不同，對葉片阻力系數的變化進行研究，對葉片涂層的選擇提出建議。李仁年等[10]對葉片四圍的繞流結構分析，總結出沖蝕規律，即沙粒對葉片磨損后使葉片形狀發生了改變。張志陽等[11]通過現有商用風機葉片數據建立風輪模型，用流固耦合的方法推出風輪表面的風壓分布，再對單葉片進行靜力學分析，研究表明葉片中間區域的載荷變化大于葉片邊緣的載荷變化，當加入離心力載荷時，載荷壓力向葉片前緣集中。甄琦等人[12]通過有限元分析模擬受損葉片，研究得出增大沖蝕程度對葉片位移影響不大，葉片材料密度與位移量呈正比。

在風沙侵蝕研究中，沖蝕裝置可以創造并模擬可控的自然風，是研究風沙侵蝕的重要工具。由風蝕設備的研究發展狀況可知，利用模型對風蝕定量化研究，沖蝕裝置是比較可靠和準確的研究手段。因此需要研制一種能夠滿足實驗要求的風力機葉片沖蝕裝置，為研究真實挾沙風環境下對風機葉片的沖蝕影響提供參考。

1 沖蝕裝置整體設計及工作原理

1.1 沖蝕裝置整體結構設計

風力機葉片沖蝕裝置由集沙儀、沖蝕管支撐架、沖蝕管、進沙裝置(沙箱、螺旋推進器、沙箱支架)、帶角度調節器的沖蝕箱、實驗臺架、沖蝕管支撐座、步進電機和控制柜9個部分組成，風機葉片通過螺栓固定在沖蝕箱內。其中進入沖蝕箱之前的部件做成同等規格的3套，以同樣的挾沙率和風速沖蝕風機葉片的3個不同位置。各組成部分均為獨立的構件，機械部件通過螺紋緊固件連接在一起，控制柜通過電線連接到步進電機，步進電機控制螺旋推進器的正轉與反轉以及轉動的速度，風道通過細PVC管連接空氣壓縮機和沖蝕管，沙箱中的沙子通過粗PVC管在螺旋推進器的作用下進入沖蝕管。

根據真實風場中的沙子采樣收集分析后，此實驗粒徑范圍為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個范圍內的沙粒十分少見，故實驗粒徑在此范圍內選擇后進行篩取備用。實驗沙箱總共設置3個，采用獨立控制系統，3個沙箱可單獨也可組合進行工作，從而實現多種工況的選擇。

風力機葉片沖蝕裝置的結構示意如圖1所示，風力機葉片沖蝕裝置實驗設備如圖2所示。

圖1 風力機葉片沖蝕裝置結構示意Fig.1 Schematic of wind turbine blade erosion device

圖2 風力機葉片沖蝕裝置實驗設備

1.2 沖蝕裝置工作原理

沖蝕裝置的工作流程如圖3所示，風力機葉片沖蝕裝置以壓縮空氣為動力，空氣壓縮機產生的氣源與混合加速管前沖蝕管連接，空氣通過調壓閥在圓形截面的玻璃管道中向前流動，在混合加速管產生沖蝕壓力，使來自沙箱的沙料與空氣充分接觸混合后，再經過壓縮空氣的加速，形成高速運動的挾沙風，由沖蝕管噴嘴噴出，噴射到風力機葉片模型表面對它進行沖蝕磨損實驗。該控制系統以PLC 作為核心控制器，結合多步進電機控制和人機界面設計，實現了3臺步進電機的正反轉控制以及轉速調節控制。利用 PLC 輸出脈沖信號控制步進電機轉速，步進電機驅動螺旋推進器，通過建立含沙量與螺旋推進器轉速關系，該裝置能夠將沙箱內的沙粒按照設定的速度均勻輸送至沖蝕裝置的混合加速管中，實現含沙量的準確控制。

圖3 沖蝕裝置工作流程Fig.3 Process of erosion equipment

2 沖蝕裝置關鍵部件設計

2.1 螺旋推進器設計

螺旋推進器裝置作為沙量調節器，是進沙裝置的主要組成部分，由絲杠式螺桿、螺桿套和排沙管組成，位于沙箱的下方。實驗時，沙量調節器按照實驗所需的沙量要求導入不同大小的沙粒。沙量調節器采用絲杠式螺桿結構，與沙箱底部的矩形下沙管相接，絲杠式螺桿轉動時帶動陷入螺桿槽內的沙粒向前運動，經排沙管流入沖蝕管中。螺旋推進器裝置如圖4所示。

圖4 螺旋推進器示意Fig.4 Schematic of propeller

絲杠式螺桿由步進電機帶動旋轉，步進電機的轉速可以調整，進沙設置為步進電機正轉，排沙量的多少與螺桿的轉速有關。步進電機由PLC控制，可以實現螺桿多轉速值調速，進而可以根據實驗需要來調節排沙量的多少。實驗時，若不需要排沙，則可通過PLC控制步進電機反轉來排出螺旋推進器內的殘余沙粒。

2.2 沖蝕室設計

沖蝕室由箱體、支撐板、角度調節器及其他零件組成。箱體位于沖蝕裝置的尾部，其兩側與葉片支撐架連接，內部由葉片支撐架固定葉片模型，由沖蝕管噴嘴對葉片模型進行沖蝕。依據角度調節器,可通過調節葉片支撐架在0°～90°范圍內調節沖蝕角度，以保障為葉片提供足夠的迎風角度。沖蝕管噴嘴到葉片模型的距離根據沖蝕實驗的經驗設置為136 mm。圖5所示為沖蝕室的結構示意。

圖5 風力機葉片沖蝕室的結構示意Fig.5 Schematic of wind turbine blade erosion chamber

箱體設計為不完全封閉，與沖蝕管噴嘴正對的面沒有沖蝕箱壁，可以有效避免高速運動的挾沙氣流因被沖蝕箱壁反彈而對沖蝕效果造成的影響。箱體由擋板、進氣管、上頂板、下底板、前后板、左側板、右側板、排氣管、漏沙前后板、漏沙側板、進氣噴嘴組成，如圖6所示。

圖6 箱體示意Fig.6 Schematic of box

角度調節器用來調節葉片模型與沖蝕管噴嘴之間的角度，為研究不同沖蝕角度下風力機葉片受損程度與沖蝕角度的關系及其對葉片氣動性能的影響提供依據。

角度調節控制板設計如圖7所示，采用厚度為3 mm的Q235，半徑為100 mm。它與角度控制調節器通過調節桿間隙配合，在90°內開18個直徑為4 mm的孔，其間隔為5°，用來改變沖蝕角度。中心孔直徑為25 mm與軸配合使用。

到2020年，湖南省水利項目市場總投入2045億元，年均投資255億元，接近“十二五”期間年均水利投資額度；近期建設的主要項目總投資480.38億元，年均投資120億元，還有大量的中小型項目要進行建設。

圖7 角度調節板Fig.7 Angle adjusting plate

3 沖蝕裝置測試

3.1 輸沙量的測試

通過采用以PLC為核心控制器的步進電機調速系統的研究，實現了步進電機的調速控制，步進電機的轉速可根據實驗需求進行調節，進而調節沖蝕裝置的含沙量。步進電機的啟動轉速為300脈沖/s，每按一次調速按鈕，增加或者減少25脈沖/s。在沖蝕管內，步進電機與氣泵相結合能夠模擬挾沙風，隨著步進電機脈沖數的增加，沙流量也增加。不同轉速下的沙流速如表1所示。

表1 不同轉速下的輸沙率Tab.1 Sand transport rate at different speed

實驗后發現輸沙率比自然界中的挾沙風含沙量略大，后期實驗可以根據需要繼續降低脈沖數。現在測試脈沖數下輸沙量可滿足風機葉片的加速磨損，該沖蝕裝置輸沙率控制精確，滿足要求。

3.2 沖蝕風速計算與測試

風力機葉片沖蝕裝置在工作過程中由紅五環活塞式空氣壓縮機提供氣源。根據伯努利原理和流動連續性方程，空氣在管道中的總壓力基本恒定，故管道入口處的壓力值決定了空氣管中氣體的總壓力。而當壓力不變時，氣體在管道內的流速與管道入口的壓力成正比，由于管道的橫截面積不變，所以，如果想控制沖蝕管內氣流的速度，只需控制沖蝕管入口處氣流的壓力即可。壓縮空氣在經過空氣壓縮機之后連接一個帶油水分離器的調壓閥，通過調壓閥上的壓力表控制閥門關閉的壓力，進而在閥門開啟時讀取開啟后的壓力，在不同的開啟壓力下通過風速儀讀取實驗風速值。

沖蝕管中沙粒與壓縮空氣充分混合，所以將沖蝕管出口處的挾沙風速度作為葉片模型的沖蝕速度。根據氣體連續性方程：

ρ1A1v1=ρ2A2v2

(1)

式中：ρ1為沖蝕管入口處氣流密度；ρ2為沖蝕管出口處氣流密度；A1為沖蝕管入口處橫截面積；A2為沖蝕管出口處橫截面積；v1為沖蝕管入口處的氣流速度；v2為沖蝕管出口處的氣流速度。

根據Q=Av簡化公式可得：

(2)

式中：Q1為沖蝕管入口處的氣體流量。

干空氣密度的計算公式：

(3)

式中：ρ為在絕對壓力p和熱力學溫度T時的干空氣密度，kg/m3；ρ0為基準狀態下的干空氣密度， 1.293 kg/m3；T為空氣熱力學溫度，T=273.16+t，K；t為空氣溫度，℃；p為絕對壓力，MPa；p0為基準狀態下干空氣壓力。

由于在沖蝕管中，溫度基本恒定，故由式(3)可得：

(4)

(5)

式中：p1為沖蝕管入口處絕對壓力；p2為沖蝕管出口處絕對壓力。

將式(4)和式(5)代入式(2)得：

v2即為挾沙風葉片模型的沖蝕速度。

通過控制調壓閥的閥門開啟與關閉，得到相應壓力值，根據公式計算沖蝕風速，并用風速儀測定沙箱出風口處接近風扇葉片處的多組風速值，取平均值作為實驗風速。2種沖蝕速度對比如表2所示，實驗后對比發現沖蝕風速與實驗風速相差無幾。

表2 沖蝕速度對比Tab.2 Comparison of erosion rate

3.3 葉片沖蝕效果測試

實驗中選取步進電機轉速200脈沖/s，沙子粒徑選取較大的0.6 mm，沖蝕角度隨機選取為15°，風機葉片材料為木芯材質，沖蝕風速控制在9～10 m/s，每天沖蝕4 h，沖蝕5天后，效果如圖8所示。可見葉片涂層已完全磨損，葉片有明顯的坑洞出現，對比實際自然風下長期沖蝕的葉片后，發現兩者沖蝕效果差別不大。

圖8 沙箱出風口及沖蝕后風機葉片Fig.8 Sand box air outlet and fan blade after erosion

4 結論

文中研制了一種風力機葉片涂層沖蝕磨損實驗裝置，該實驗裝置以壓縮空氣為動力，通過壓縮空氣氣管接通氣源，壓縮空氣在沖蝕管中建立工作壓力，使沙箱內的沙料和壓縮空氣充分混合加壓；然后再經過壓縮空氣的加速，形成高速運動的挾沙風；再利用PLC控制步進電動機轉速，通過螺旋推進器進行輸沙率控制，由沖蝕管噴嘴噴出，噴射到風力機葉片模型表面對其進行沖蝕磨損實驗。該沖蝕裝置可實現多種沖擊風速、攜沙量、沖擊角度的多工況的磨損實驗，為后續開展實驗研究奠定基礎。