风力发电机叶片在风沙环境中运行时会受到挟沙风的冲蚀,导致叶片表面涂层损毁并且降低叶片使用寿命,同时也增加叶片的维护成本。为了探究风力机叶片受挟沙风冲蚀磨损情况,研制一种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,在冲蚀管内完成沙料和压缩空气充分混合,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、冲击角度的多工况磨损实验,能够提供较为精确的实验数据。

为探究风沙环境下前缘受损风力发电机叶片的载荷变化,基于有限元法对受损叶片进行数值模拟,研究不同载荷、不同冲蚀程度以及不同材料对叶片的应力、位移、固有频率的影响。结果表明:当冲蚀程度在0 mm×0 mm至1 mm×1 mm之间,冲蚀的深度和厚度对叶片应力的影响较小;叶片材料密度增大,风轮的转速增高,对叶片的应力影响较大;提高风速虽然使叶片气动载荷增大,叶片整体应力增大,但是应力趋势变化不明显;冲蚀程度增大对叶片位移影响较小;提高风速或者提高风轮转速会使叶尖最大位移增大,同时材料密度大的叶片位移更大;在叶片的前3阶模态分析中,冲蚀程度对叶片影响极小,在第8阶模态中,随着冲蚀程度增大,叶片的固有频率逐渐减小。