雨滴腐蝕試驗(yàn)機(jī)測(cè)定復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度

風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子已經(jīng)變得巨大，長(zhǎng)度L超過100米，每臺(tái)渦輪機(jī)可以產(chǎn)生15兆瓦的功率，即大約7個(gè)足球場(chǎng)的清掃區(qū)域。降雨會(huì)破壞前緣，強(qiáng)度與L≥5成正比，這是由水滴以高達(dá)150米/秒的速度撞擊轉(zhuǎn)子尖端的沖擊力學(xué)決定的(海上安裝)。這種前緣侵蝕增加了50 - 400%的阻力，并減少了5 - 20%的年能源產(chǎn)量。如果不加以控制，腐蝕磨損會(huì)破壞底層的層板，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失效。此外，維修和維護(hù)成本可能高達(dá)LCoE (Levelised cost of Electricity)的30%。新材料和維修過程，以及計(jì)劃維修的預(yù)測(cè)模型對(duì)風(fēng)能生產(chǎn)都是至關(guān)重要的。Ducom雨滴腐蝕試驗(yàn)機(jī)(WDE)能否通過使涂層減輕侵蝕來優(yōu)化能源生產(chǎn)?

圖1中的信息圖描述了沖擊力學(xué)(雙壓力點(diǎn))和由此產(chǎn)生的應(yīng)力波或瑞利波，應(yīng)力波或瑞利波會(huì)導(dǎo)致侵蝕破壞，并隨著連續(xù)的沖擊而開始和發(fā)展。

圖1所示。特征侵蝕曲線顯示潛伏階段和發(fā)展階段。在發(fā)展階段，沖擊壓力可高達(dá)500 MPa，多次沖擊后形成凹坑并加深。在進(jìn)展階段，瑞利波引起坑的橫向剪切損傷和擴(kuò)展。

一個(gè)重要指標(biāo)是顯示潛伏和進(jìn)展階段的特征侵蝕曲線(注-較長(zhǎng)的損傷潛伏期和緩慢的損傷進(jìn)展表明，具有優(yōu)異的涂層性能，可導(dǎo)致更高的容量因數(shù)）。一臺(tái)好的雨滴腐蝕試驗(yàn)機(jī)應(yīng)通過精確控制撞擊速度、撞擊次數(shù)（降雨強(qiáng)度）和攻角來建立該曲線。Ducom雨滴腐蝕試驗(yàn)機(jī)(WDE）允許控制撞擊速度（25至250 m/s）、重復(fù)撞擊次數(shù)（高達(dá)100 Hz）和X-Y-θ階段，以相對(duì)于高速下落平移和傾斜樣品。因此，與旋轉(zhuǎn)臂測(cè)試儀相比，它具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，盡管兩者都符合ASTM G73。這樣的設(shè)施如何為前沿侵蝕提供解決方案？

朱莉教授和她在荷蘭代爾夫特技術(shù)大學(xué)的研究小組利用Ducom雨滴腐蝕試驗(yàn)機(jī)建立了前緣涂層的損傷潛伏特性。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已用于開發(fā)和驗(yàn)證疲勞預(yù)測(cè)模型，如下所述。

1.沃勒斜率和極限抗拉強(qiáng)度是確定侵蝕強(qiáng)度的材料參數(shù)。按照DNVGL-RP-0171《測(cè)試或轉(zhuǎn)子葉片侵蝕保護(hù)系統(tǒng)》中提到的指南，以不同的速度進(jìn)行測(cè)試，以記錄損傷孵化的沖擊次數(shù)。根據(jù)沖擊壓力力學(xué)（圖1），損傷起始被確定為環(huán)形表面變形特征或樣品上的凹坑。繪圖的坡度或Wohler坡度（圖2）是一種特征材料特性，然后用于計(jì)算侵蝕強(qiáng)度S。

圖2.來自Ducom水滴侵蝕測(cè)試儀的關(guān)于損傷潛伏影響數(shù)量與水滴速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該測(cè)井曲線的斜率Wohler斜率m是一個(gè)重要的涂層特性，用于計(jì)算其侵蝕強(qiáng)度S。

2.  Springer的表面疲勞模型是一種公認(rèn)的評(píng)估短期侵蝕損傷的預(yù)測(cè)方法。前一節(jié)中描述的涂層的腐蝕強(qiáng)度S是一個(gè)關(guān)鍵的材料性能輸入。圖3。結(jié)果表明，Springer的表面疲勞模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。用準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)基于物理的模型進(jìn)行驗(yàn)證，是建立可靠的現(xiàn)場(chǎng)損傷預(yù)測(cè)隨機(jī)模型的重要步驟。 

圖3?；诰S勒坡和涂層侵蝕強(qiáng)度的施普林格前緣侵蝕表面疲勞模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

在Ducom WDE中測(cè)試的樣品的表面損傷和使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開發(fā)的損傷模型 的進(jìn)一步細(xì)節(jié)可以在已發(fā)表的文章中閱讀。