风电叶片前缘防护材料对比研究

张立新

（中科国风科技有限公司天津市300000）

摘要：风电叶片前缘腐蚀及防护方法目前是风电行业备受关注的问题。而市场上现存的技术方案及防护产品均无法满足风电叶片全寿命周期的质量需求。如何对叶片前缘进行更好的防护并寻求更合适的技术方案是业内一重大课题。本文通过实验对比的手段，比较了各种防护产品的性能，同时对于防护膜产品指明了优化方向，并介绍了一种新式的防护产品。

关键词：风电叶片；前缘防护；雨蚀；老化；力学性能

一、引言

风电叶片在运行过程中，叶片的前缘位置长期受到风力的摩擦，雨水，光老化，以及沙粒的冲击，是最容易出现腐蚀的部位。而因此导致的气动外形的改变对于发电效率有较大的影响[1]。研究表明，轻微的前缘腐蚀可造成年发电量的损失为5%，严重的前缘腐蚀可造成年发电量的损失达25%之多。

卢家琪等人[2]阐述了不同的叶片前缘防护方法及进展，并提出了采用雨蚀实验的方式作为防护系统的评价方法。

张立新等人[3]从微观角度提出了上建立了风电叶片雨蚀的模型，指出叶片的前缘雨蚀来源于叶片面漆的边界缺陷，并从工艺施工的角度以及叶片前缘施工的特性以及面漆液滴如何在叶片表面沉积的微观模型方面提出了边界缺陷的形成是必然的。建立了风电叶片前缘雨蚀的微观模型，指出雨蚀是雨滴作用于面漆缺陷产生的拉-剪疲劳破坏，并指出了当前的雨蚀实验无法真实反映风场叶片实际运行前缘缺陷。

目前，为了有效降低前缘的腐蚀，商业化的产品主要采用以下几种方式进行防护：1.贴膜防护技术；2.前缘保护涂层防护技术。3.先进行前缘防护涂层，再进行贴膜防护。据报道，LMcomposite自行开发一种名为”pro-blade”前缘防护技术，而具体采用何种方式进行前缘保护仍然处于商业机密当中。

采用上述多种措施且对于叶片产品出厂前进行防护，仍是基于当前的技术手段在外场的实际应用中存在诸多缺陷，无法在叶片的全寿命状态下进行可靠的防护而为之。对于采用贴膜防护的产品，以某公司产品为例：使用其产品进行前缘保护后，2到3年的运行期间即发生薄膜脱落，破损，老化开裂。而采用防护涂层，在不同风场中表现的寿命也不一样。经过外场一定时间的应用后，产生的缺陷如图一所示。从图中可以看到，防护薄膜发生的缺陷主要为薄膜脱胶开裂及薄膜老化。而面漆的缺陷主要为面漆开裂。

图一当前前缘防护系统在外场运行几年后的缺陷图片

本文采用实验的方式对比不同前缘防护产品的力学性能，并主要针对防护膜进行老化试验。其中老化实验分别采用自然老化及应力老化方式对产品进行性能评估。

最后，本文对于叶片采用薄膜的方式进行防护下，对某国内自主型开发的薄膜以及市场上商业化的薄膜进行对比分析，并提出防护膜产品的开发方向。

二、实验方法

2.1实验原料

某厂家前缘防护漆P，防护膜A，B及国内自主型GF防护膜。

2.2实验设备及测试方法

使用万能拉力机（10KN），对几种防护材料进行拉伸试验，对比其拉伸强度及断裂伸长率。实验标准采用GB13022-1991，样条采用Ⅲ型试样，拉伸速度为20mm/min。

将三种防护膜在玻璃钢喷涂面漆表面粘贴，其中防护膜A，B胶粘剂使用厂家配置的压敏胶进行自粘，而GF防护膜选配胶粘剂进进行粘贴。采用万能试验机测试三种膜产品同玻璃钢喷漆表面的180°剥离强度，剥离强度的测试使用标准ASTMD3330，方式A。

将三种薄膜放置到紫外老化箱内，紫外老化箱辐波段采用UVB313，60℃8小时；之后喷水，温度为50℃，4h交替运行。老化实验500小时后测试力学性能。该性能作为材料500h的自然老化性能。

采用应变工装对三种薄膜标定应变，根据前期测定薄膜的应力-应变曲线，固定应力为6N，将三种薄膜放置到紫外老化箱内，其中紫外老化箱设置同2.3。老化实验500h后测试力学性能。该性能作为材料500h的应力老化性能。

三、结果与讨论

3.1不同前缘防护材料力学性能对比

表一为不同前缘防护材料的力学性能对比数据，从表一看到，防护膜的力学性能要远高于防护漆的性能。从样品A，B，GF性能对比显示，GF防护膜力学性能略有优势。

表一不同前缘防护材料力学性能对比

3.2不同前缘防护膜在玻璃钢喷涂面漆表面的剥离强度对比

表二为不同前缘防护膜产品在玻璃钢喷涂面漆表面的180°剥离强度对比数据。对于薄膜同叶片粘接性能作为产品的可靠性的衡量标准之一也是出于外场应用的缺陷而提出的。从表二中看到，前缘防护膜产品选配的胶粘剂不同，剥离强度差异较大。从数据看出，GF防护膜选配的胶粘剂剥离强度远高于市场上商业化产品选配的压敏型胶粘剂。

表二不同前缘防护膜粘接剥离强度对比

3.3前缘防护膜老化性能研究

由于风电叶片前缘防护膜在户外应用，材料的耐久性受户外影响较大，主要为光，湿热，盐雾影响。我们跟踪外场防护膜的应用情况，紫外老化是材料失效的一个主要方式。而材料的老化行为包括材料自然老化及应力老化行为。而后者对老化行为产生加速作用[4]。我们观察产品A，B在施工过程中，为了保证薄膜在铺敷过程中更适应叶片前缘的曲面，采用将薄膜拉伸的办法实现其铺敷。实验采用预应力工装，固定应力为6N，将样品A，B，GF三种材料放置到老化箱内，之后采用拉伸试验评估老化后的性能变化。

图二为三种防护膜在预应力为6N下老化500h的拉伸曲线。从图中看出，GF防护膜在老化后，较厂家A，B均有较高的拉伸性能，主要体现为老化后材料仍有较高的断裂伸长率，说明材料有较高的耐老化能力。而材料老化后的拉伸强度，同厂家B相当。而厂家A，材料在应力老化后性能最低，承受最大拉力不及其他两种薄膜的1/2。

图二、三种前缘防护膜应力老化500h拉伸性能对比

图三、厂家A与GF前缘防护膜前缘应力老化及

自然老化500h拉伸性能对比

图三为厂家A与GF防护膜分别进行应力老化及自然老化500h的拉伸曲线图。从图中可以看出，对于两种材料的断裂伸长率，在材料进行应力老化的作用下，下降均约1/4。而从材料的模量看薄膜经过应力作用下，分子有一定的取向，导致模量有一定的升高。而GF防护膜的应力老化后的性能仍远高于厂家A的性能。

3.4前缘防护膜产品开发前景

本文采用某国内自主开发的GF防护膜同市场上防护膜产品A，B进行性能对比，其GF防护膜主要优点在于有更高的粘接力以及更高的耐老化性能。我们从表观上发现，该产品的特征为非透明设计，具有遮光效果，另外添加有色抗紫外线吸收剂因此更高的耐老化性能；而市场上商业化的材料均为透明设计，且在选择紫外线吸收剂的种类上收到局限，降低了薄膜整体的耐老化性能。在铺敷工艺上，为了降低铺放缺陷，对薄膜进行拉伸，产生了应力老化。另外，市场化的薄膜采用压敏型自粘胶，其剥离性能远低于上述产品自主选择的胶粘剂；上述原可能为商业化产品在外场应用中产生缺陷的主要原因。

另外，采用胶粘剂进行自主粘贴在施工的可靠性上也有不利之处，而确保胶粘剂施胶的均匀度及避免粘接缺陷是其提升的一个重点。

综上所述，为了提升风电叶片前缘防护膜的耐老化性能，除了在配方上添加紫外线吸收剂以外，将薄膜更改为非透光性也较为重要。另外，在施工过程中应当避免对薄膜的拉伸，防止应力老化行为。而选择更合适的胶粘剂及粘接工艺对于防护膜的粘接耐久性尤为重要。因此，上述提升应当是防护膜改进的方向。

四、结论

（1）对前缘防护漆，防护膜产品本体材料性能进行力学试验表明防护膜的力学性能要远高于防护漆的力学性能。GF防护膜力学性能略有优势。

（2）比较几种防护膜选配胶粘剂同玻璃钢喷漆表面的180°剥离强度实验表明，GF防护膜选配的胶粘剂剥离强度远高于市场上商业化产品选配的压敏型胶粘剂。

（3）将几种防护膜进行自然老化及应力老化的后的力学试验对比表明，GF防护膜在老化后，较厂家A，B均有较高的拉伸性能，主要体现为老化后材料仍有较高的断裂伸长率，说明材料有较高的耐老化能力。对比厂家A与GF防护膜的应力老化及自然老化后的力学性能：应力老化后，材料的模量有所增加，但断裂伸长率均有所降低；GF防护膜的老化性能均远高于厂家A的性能。

（4）0对于防护膜产品的开发前景而言，提升薄膜的老化性能主要包括产品的非透光设计，铺贴工艺中避免产生应力等方式；而提高薄膜同叶片的粘接性能主要包括胶粘剂的选择及施工工艺的开发。

参考文献：

[1]陈雷等.叶片前缘形状对涡轮气动性能的影响[J].航空动力学报，2013.04，921-929.

[2]卢家骐等.风电叶片前缘防护技术进展[J].玻璃钢/复合材料，2015.7，91-95.

[3]张立新等.风电叶片雨蚀微观机理及防护特性的研究[J].第四届中国风电后市场专题研讨会论文集，2017，73-79.

[4]朱志鹏等.应力作用下高分子材料的老化行为的研究[J].聚氯乙烯，2008.2，2-9.