风机叶片聚氨酯涂层的雨蚀研究

作     者：桂永强 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：倪爱清

授予年度：2019年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：风机叶片涂层 雨蚀 冲击应力 雨滴耦合 破坏机理 

摘      要：风电是一种区别于传统能源的新型能源,具有环境友好,方便清洁,经济高效等优点。随着人们对传统能源弊端的认识不断加深,越来越多的国家将风电作为未来发展的一个重点。在实际运行过程中,风机叶片的叶尖速度可达到100m/s以上。没有涂层保护的叶片长期暴露在自然环境中,会很快磨损、老化,甚至发生破坏。由此可见,涂层在叶片的工作过程中的作用很重要。本文对风机叶片涂层在雨蚀作用下的力学响应进行了理论分析,数值模拟和试验研究,探讨了雨蚀作用下涂层失效的机理,并在此基础上提出了涂层的材料选择、参数优化方法。首先,本文对风电叶片涂层的雨滴碰撞进行了分析研究,探讨了各项冲击参数对涂层应力及形变的影响,并进一步进行了涂层的参数优化。结果发现涂层应力与雨滴的冲击角度呈线性相关,而且,涂层应力会随着雨滴粒径的增大而快速增大。涂层厚度的增加,可以使得涂层表面压应力快速降低,最后趋于平稳。降低涂层模量能显著降低受冲击时涂层中的拉应力,在高模量和低模量两种涂层配合使用时,模量较低的涂层在表面时可以适量降低涂层所受的拉伸应力,较大的增加压缩应力。此外,本文还研究了雨滴耦合冲击的情况,考察了雨滴间距和高度差的变化对涂层应力应变的影响。同一平面内的双雨滴耦合时,拉伸应力受影响的范围较大,压缩应力受影响的范围较小。不同高度差下的双雨滴耦合中,随着Δh的增大,材料拉伸和压缩应力都呈现先增后减的趋势。四雨滴耦合时,随着雨滴距中心点间距的增大,拉伸压缩应力都有所降低,其中压缩应力对间距的变化更加敏感。研究还发现,涂层表面的水膜对雨滴冲击有缓冲作用,可使得涂层中的应力大幅降低,在叶片工作过程中起到保护涂层、延长叶片前缘涂层使用寿命的作用。随后,本文进一步探讨了风机叶片涂层的破坏机理。涂层材料的破坏通常分为涂层自身内聚破坏和涂层与基体界面脱粘两种模式。分析结果表明,涂层的失效是一个渐进的过程,初期是由雨滴反复冲击产生的拉应力疲劳,导致出现微裂纹。裂纹出现后会进一步引发液压渗透作用,高速液体可以渗入这些裂缝并在裂缝尖端产生高压,从而促进其生长,导致材料进一步破坏。表面小范围破坏后形成的凹面结构会进一步加大涂层受到的应力,加速涂层的失效过程。聚氨酯涂层固化反应会有微量二氧化碳残留在涂层内部,形成空腔。在雨滴撞击时,空腔容易形成应力集中,导致涂层从内部破坏。本文后续研究了聚氨酯涂层的界面性能,进行了聚氨酯涂层的附着力试验,结果发现聚氨酯涂层的附着力良好,满足行业要求。雨蚀试验测试结果表明,试样的裂纹在发展过程中倾向于从弧形树脂块的顶部往上下两端发展,呈现拉伸状的破坏,说明涂层表面较大的拉应力是涂层在破坏过程中的主要因素,与数值模拟得到的结果一致。