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航空发动机气涡轮叶片表面涂层研究航空发动机气涡轮叶片是发动机中非常重要的一个组成部分，它负责转动涡轮并带动高压和低压压气机的转子，以输送压缩空气和燃料混合物并能从机翼产生推力。
因此，气涡轮叶片的耐久性、燃烧效率和功率直接影响到发动机的性能和安全。
随着技术的不断发展和需求的不断提升，更高的温度和压力已经成为了现代航空发动机的主要发展方向。
然而，这也给气涡轮叶片的表面材料提出了更高的挑战。
在气涡轮叶片内部，有高温的气流流经和高速的涡流旋涡，这些都会对叶片表面产生剧烈的磨损和热量极端影响。
因此，研究气涡轮叶片表面涂层已成为现代航空工业一个不可或缺的研究课题。
表面涂层的作用涂层技术通过在叶片表面形成一层薄膜来保护叶片表面不受气流和高温的侵蚀，同时也有助于降低摩擦和阻力。
表面涂层可以大大提高气涡轮叶片的使用寿命和可靠性，同时也可以提高发动机的热效率和功率。
涂层材料的选择气涡轮叶片表面涂层材料必须具备一定的耐高温、抗侵蚀、抗磨损以及良好的黏附性和力学性能。
通常情况下，涂层材料可以分为金属涂层和非金属涂层两大类。
金属涂层金属涂层可分为金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物、合金涂层及其复合涂层。
金属材料的涂层具有良好的高温抗氧化性和热稳定性，但是金属材料的结构密度一般较低，会对发动机产生额外负担。
非金属涂层非金属涂层在高温环境下具有良好的抗氧化性和导热性，通常有陶瓷涂层、聚甲基丙烯酸酯（PMMA）涂层和聚四氟乙烯（PTFE）涂层等。
陶瓷涂层是目前应用最为广泛的非金属涂层之一。
它不仅可以抗氧化、耐高温,而且具有良好的耐磨性和抗腐蚀性。
陶瓷涂层成分多采用Al2O3、ZrO2、SiO2和Cr2O3等材料，而不同的成分可以产生不同的性能。
PMMA涂层与PTFE涂层之间的不同在于前者可以在较高温度下保持其机械强度，而后者可以在较低的摩擦系数下提供出色的减摩性。
此外，这两种涂层都具有良好的润滑性和抗磨损性。
磨损机制气涡轮叶片表面磨损的机制复杂，可能涉及许多因素，最常见的因素有以下几个：1. 高温气流的冲击和流动引起的磨损，例如热膨胀吸引。
汽轮机低压末级叶片腐蚀原因分析及其表面防护处理摘要：随着电站汽轮机大容量化，叶片的安全可靠性和保持高效率显得尤其重要。
叶片是汽轮机的关键零件之一。
它在极苛刻的条件下承受高温、高压、巨大的离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。
因此很有必要及时调查研究、分析、总结叶片尤其是末级和调节级叶片发生的各种损伤原因及防止发生损伤的各种措施。
本文着重研究分析汽轮机低压末级叶片腐蚀原因及其表面防护处理。
关键词：末级叶片；腐蚀；表面防护Abstract:with the large-capacity turbine hydropower station, the safety and reliability of the blade and keep high efficiency are especially important. The blade is one of the key parts of the steam turbine. It very hard in under the condition of high temperature, high voltage, and huge bear the centrifugal force, steam force, steam-excited vibration, corrosion and vibration and the wet steam area of water erosion work together. So it is necessary to research, analysis, summarizes the last stage blade especially and adjust stage blade happen all kinds of injury reason and prevent the occurrence of injury of the various measures. This paper analysis the steam turbine low pressure the last stage blade causes of corrosion and itssurface protection processing.Key words:the last stage blade; Corrosion; Surface protection 前言汽轮机低压末级的输出功率约占机组总输出功率的10%左右，因此低压末级的性能稳定尤为重要。
汽轮机叶片水蚀损伤预测及防水蚀方法研究进展发布时间：2023-05-30T10:03:29.699Z 来源：《中国建设信息化》2023年6期作者：孙成亮[导读] 摘要：叶片是汽轮机的关键零部件，当蒸汽品质不佳时会导致叶片通流面积减小和叶片表面的损伤，对机组的热经济性及安全可靠性的影响不容忽视｡若未及时发现叶片腐蚀和水蚀损伤并采取针对性的处理措施，引起损伤加剧甚至叶片断裂，导致机组强烈的不平衡振动或整台汽轮发电机组损坏｡因此，研究汽轮机叶片的腐蚀和水蚀现象产生的原因和防范措施，对保证汽轮发电机组的安全经济运行､预防事故具有重大意义｡摘要：叶片是汽轮机的关键零部件，当蒸汽品质不佳时会导致叶片通流面积减小和叶片表面的损伤，对机组的热经济性及安全可靠性的影响不容忽视｡若未及时发现叶片腐蚀和水蚀损伤并采取针对性的处理措施，引起损伤加剧甚至叶片断裂，导致机组强烈的不平衡振动或整台汽轮发电机组损坏｡因此，研究汽轮机叶片的腐蚀和水蚀现象产生的原因和防范措施，对保证汽轮发电机组的安全经济运行､预防事故具有重大意义｡关键词：汽轮机；叶片；腐蚀；水蚀汽轮机是可以将热能有效转化为动能的机械设备，其已经广泛应用于发电厂的生产工作之中，并体现了较高的实用价值｡汽轮机组的叶片是可以保证汽轮机组工作效率并满足不同汽轮机功率要求的重要系统｡在长期使用过程中，汽轮机的叶片可能会出现各种问题与故障，这不仅会影响汽轮机组的正常使用，也会影响汽轮机的工作效益｡因此，要提高汽轮机叶片的故障处理水平，应用先进的故障处理技术，从而保证汽轮机组的安全运行｡1机组概况1.1汽轮机技术规范型号：N110-8.83型额定功率（THA工况）：110MW额定蒸汽参数：（1）主汽门前蒸汽压力：8.83MPa；（2）主汽门前蒸汽温度：535℃；（3）背压：8.2kPa主蒸汽流量：414.05t/h 给水温度（THA工况）：229.2℃额定转速：3000r/min；回热抽汽级数：共7级非调整抽汽，2级高加，1级除氧，4级低加｡1.2汽轮机结构形式高温､高压､双缸双排汽､单轴､凝汽式汽轮机｡通流级数共26级，其中高压缸1调节级+15压力级，低压缸2×5压力级｡2叶片损伤概况机组于2016年7月启动，2016年11月投产，2018年6月汽轮机揭大盖检修｡揭缸后，发现高压缸静叶､动叶腐蚀严重，低压转子正､反第五级动叶进汽边､出汽边存在严重的水蚀现象｡2高压叶片腐蚀原因分析2.1腐蚀产生的机理机组在正常运行时，流经高压缸通流部件的介质为过热干蒸汽，在高温条件下会在缸内各部套金属表面形成一层钝化保护膜，通常不会发生腐蚀现象｡但是在机组启停过程中和停机期间，热力系统未及时疏水或存在疏水死角，汽缸内各部套金属表面会形成一层水膜；正常运行过程中积累在动､静叶上的盐类物质，与残存在缸内的水分本身含有的活性离子和氧以及因汽缸各部套不严密而进入缸体内部的空气，在处于水环境中的金属表面发生电化学反应：阳极反应：Fe-2e→Fe2+阴极反应：2H2O+O2+4e→4OH-电化学反应的生成物之间也会发生反应：Fe2++OH-+O2→Fe2O3+H2O上述电化学反应就是腐蚀发生的过程｡2.2机组运行期间的汽水品质调查结合典型月份机组热力系统水､汽质量，可知，当给水溶解氧平均值达到320.44ppb，超过指标值≤7ppb约44倍时，不合格率100%；凝结水溶解氧平均值达到751.06ppb，超过指标值≤50ppb约14倍时不合格率100%；过热蒸汽氢电导率平均值14.8µS/cm，超过指标值≤0.3µS/cm约48倍时不合格率98.88%。
汽轮机末级叶片防水蚀技术研究进展摘要：汽轮机低压部分一般选择铸铁材料，在使用过程中经常会面临各种局部腐蚀的问题，严重影响了运行的稳定性与生产进度。
本文首先分析了汽轮机低压部分腐蚀的问题，其次对汽轮机低压腐蚀的原因进行了解析，并在最后提出了相应的优化解决方案。
关键词：汽轮机；末级叶片；防水蚀技术前言汽轮机运行过程中不但会受到自身内部元器件的摩擦磨损影响而降低效率，同时也会受到外部环境的影响而出现故障与生产隐患，其中最为常见的故障就是低压部分腐蚀问题。
1低压转子末级叶片水蚀原因分析水蚀现象本质上是运动的水滴撞击叶片表面的一种能量转换过程，高速运动的水滴撞击金属的表面形成很大的瞬时作用力，作用力的大小取决于水滴的质量、相对速度和撞击的角度，当瞬时作用力超过金属材料的屈服强度时，就会在其表面造成残余变形。
水滴的重复撞击在金属表面会逐渐发展成为微观的裂纹，并逐步扩大，导致金属颗粒的大量脱落，从而形成宏观上的水蚀现象。
1.1低压转子末级叶片进汽边水蚀产生机理汽轮机在启、停过程中及低负荷运行时，进汽量急剧减少，在低压部分，当蒸汽膨胀到湿度为3%左右时，出现微米级的小水滴。
这些小水滴在流经静叶栅时，有的聚集在静叶片出汽边，有的聚集在内弧的凹面，并逐渐连成水膜，当水膜发展到一定的面积和厚度，就会被汽流撕裂，形成数十甚至数百微米的大水滴，以不同的速度和方向撞击到动叶片进汽边。
在低压末级，水滴密集，且水滴尺寸大、水滴与汽流的相对速度也大，这些高能量的密集水滴从切线方向撞击到末级动叶进汽边背弧，在汽流的切向分力和转子回转运动产生的离心力作用下，造成动叶片外缘的侵蚀破坏。
因此，汽轮机在启、停过程中及低负荷运行时，从末级静叶栅出汽边因水膜撕裂形成的大直径水滴是造成末级动叶片进汽边水蚀的主要原因。
1.2低压转子末级叶片出汽边水蚀产生机理汽轮机低负荷运行时，工况变化最大的是低压转子末级叶片。
机组的功率越大，低压级子午流道扩张角越大，叶高越高，当机组偏离设计工况低负荷运行时，容积流量相对设计工况急剧减小，流场参数的变化也越大。
轴流压气机叶片液滴磨蚀研究报告近年来，随着航空工业的迅速发展，轴流压气机在飞机发动机中的应用越来越广泛。
然而，在轴流压气机运行过程中，液滴磨蚀现象已经成为制约其性能和寿命的一个重要因素。
因此，本研究旨在分析轴流压气机叶片液滴磨蚀现象，阐明其机理，为轴流压气机的设计与使用提供参考。
实验采用了直径为3毫米的液滴，采用高速摄像技术对轴流压气机叶片的液滴磨蚀过程进行了全程记录。
实验结果表明，液滴在轴流压气机内运动时，由于液滴与叶片表面之间的高速摩擦作用，会在叶片表面产生热量和压力，并将表面材料磨掉形成微细的颗粒，最终导致叶片表面的磨蚀。
为了更加深入地研究叶片表面的磨蚀机理，我们在实验中使用了扫描电镜（SEM）对叶片表面进行了观察。
发现叶片表面的微细颗粒主要来自于叶片表面材料的热化。
在液滴磨蚀过程中，由于液滴与叶片表面的高速摩擦作用，会导致局部热量聚集，当温度达到一定值时，叶片表面材料就会发生热化，热化后的表面材料会因受到高速涡流的冲击而剥落，并被带入涡流中运动，最终与叶片表面发生摩擦而形成磨蚀颗粒。
根据实验结果和分析，我们得出了轴流压气机叶片液滴磨蚀的几个特点：（1）磨蚀程度与液滴直径和速度有关；（2）叶片表面材料与液滴的摩擦系数也会影响磨蚀程度；（3）在叶片表面出现初期磨损后，叶片表面的光洁度会减弱，并进一步加剧磨蚀现象。
综上所述，本研究通过实验和观察，详细阐述了轴流压气机叶片液滴磨蚀的机理和特点。
研究结果可以为相关领域的专家和研究人员对轴流压气机的设计和应用提供重要参考，同时对于提高轴流压气机运行效率和寿命也具有重要意义。
在该研究中，液滴磨蚀现象的影响因素包括液滴直径、速度以及叶片表面材料和液滴的摩擦系数。
实验中通过记录叶片表面的磨损程度和使用SEM观察微细颗粒来分析这些因素的作用。
以下是液滴磨蚀实验中的相关数据及分析：1、液滴直径和速度研究表明，液滴直径和速度是影响液滴磨蚀程度的重要因素。
实验使用了直径为3毫米的液滴，记录了在不同速度下的磨蚀程度。
Ni3Al合金在水轮机叶片表面抗汽蚀的研究和应用研究了Ni3Al基合金的抗汽蚀及泥沙磨蚀性能，试验出Ni3Al基合金手工电弧焊工艺，并在广西恶滩水电厂ZZ560-LH-800水轮机叶片上进行了工业性试验。
经1年运行考核，证明Ni3Al基合金的抗汽蚀性能优于普通不锈钢材料。
1 引言水轮机是水电站的主机设备，其运行性能的好坏，直接影响到水电站乃至电力系统运行的技术经济水平。
根据对我国运行的水电站现场调查表明：通流部件，特别是转轮的汽蚀破坏，是当前水轮机运行中最为突出的问题。
对于汽蚀问题，迄今为止，选择抗汽蚀性能高的材料制做水轮机转轮，或在过流面采取防护措施仍是改善水轮机汽蚀性能的有效手段之一。
然而，对于水轮机汽蚀损伤的修复，国内尚无理想的材料，为消除或减少汽蚀破坏对水轮机运行的严重不良影响，研究部门一直对抗汽蚀稳定性高的材料进行摸索研究。
冶金部北京钢铁研究总院承担国家863高技术新材料研究，研制出Ni3Al高温合金。
该合金为长程有序晶体，具有很强的形变硬化特性。
根据汽蚀产生的原理，该合金理论上可做抗汽蚀的防护材料，为此，广西电力试验研究院、冶金部钢研院和广西恶滩水电厂三家合作，致力于Ni3Al合金在水轮机抗汽蚀方面的应用性能研究。
2 试验内容2.1 抗汽蚀性能试验用Ni3Al、0Cr13Ni5Mo、18-8钢3种材料做成相同的试样进行24 h汽蚀试验。
试样均匀地布置在Φ320 mm的旋转圆盘试验机圆围上，转速为 3 000 r/min，试样中心的线速度约为 45 m/s，试验介质为自来水，通过循环冷却水使试验介质保持室温，试样在试验前后均进行 1 h 的100 ℃ 烘干处理，自然冷却后称重。
2.2 抗泥沙磨损试验Al合金与18-8钢分别做成Φ12 mm×100 mm的圆棒，在回转该试验把Ni3式湿磨料磨损试验机上进行，线速度为10 m/s，试验介质为自来水和石英砂，试验时间为36 h。
2.3 浑水汽蚀试验2.1及2.2试验不足以表明NiAl合金具有优良的抗汽蚀和抗磨蚀性能，为3Al材料做了进一步的浑水汽蚀试验。
汽轮机动叶片水蚀防护技术研究及应用摘要：随着我国汽轮机向大容量、高参数方向发展，叶片的安全可靠性显得尤为重要。
叶片水蚀对汽轮机运行的经济性和安全可靠性有很大影响。
特别是在电力供需不平衡的情况下，汽轮机会长期处于低负荷运行状态或反复启停，也会由于设计、制造、安装等各种原因造成的叶片损坏和故障。
因此，有必要制定有针对性的预防措施，对指导汽轮发电机组安全经济运行，防止运行事故的发生具有重要意义。
关键词：汽轮机动；叶片；水蚀防护引言末级叶片的水蚀会使动、静叶栅的气动性能恶化，级效率降低，水蚀形成的锯齿状毛刺造成应力集中和叶型根部截面积减小，影响叶片的振动特性，削弱叶片的强度，增加末级叶片断裂的危险性，对汽轮机的安全运行造成威胁。
叶片发生水蚀后，若不及时采取措施进行处理，长期运行导致损伤扩大、叶片断裂，轻则机组振动加剧，强迫停机，更换转子叶片或对转子进行返厂处理；重则机组动、静部件摩擦，产生不平衡振动，导致事故扩大，甚至整台机组损坏，造成重大经济损失。
1汽轮机叶片喷涂防护超音速火焰喷涂是20世纪80年代出现并发展起来的一种先进的高速火焰喷涂法，它是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气与高压氧气在燃烧室或喷嘴中燃烧，经过拉阀尔喷嘴后产生高速、高温焰流。
将喷涂粉末送进高温高速焰流中，产生熔化或半熔化的粒子并高速撞击基体，在基体表面形成涂层。
采用超音速火焰喷涂和超音速电弧喷涂方法，制备不同的抗水蚀涂层，通过组织结构、力学性能、热震性能、磨粒磨损及冲蚀磨损性能对比分析试验，为汽轮机动叶片抗水蚀涂层材料及制备工艺选择提供理论依据。
在前期热喷涂试验基础上分析认为，与超音速电弧喷涂粉芯NiCr金属陶瓷相比，超音速火焰喷涂制备的NiCr金属陶瓷涂层结合强度高，硬度高，抗热疲劳性能良好，具有更加优异的耐磨及耐冲蚀性能。
1.1现场喷涂方法及材料采用超音速火焰喷涂技术，在汽轮机末级动叶片表面制备抗水蚀涂层，喷涂区域为叶顶入汽边，长度为300mm，宽度为35mm。
防止涡轮机叶片结冰，让液滴反弹的新方法诞生了！在许多情况下，工程师们希望尽量减少水滴或其他液体与它们落在表面的接触。
无论目的是防止飞机机翼或风力涡轮机叶片结冰，还是防止降雨过程中表面的热量损失，或防止暴露在海洋喷雾中的表面积聚盐分，让水滴尽可能快地弹回来，并尽可能减少与表面的接触量，都是保持系统正常运行的关键。
现在，麻省理工学院的一项研究表明，一种减少液滴和表面接触的新方法。
以前的尝试，包括同一团队的成员，都专注于将液滴与表面接触的时间最小化，而新方法则专注于接触的空间范围，试图将液滴在弹回之前的扩散距离最小化。
麻省理工学院研究生亨利·路易斯·吉拉尔、博士后丹·索托和机械工程教授克里帕·瓦拉纳西在《ACS Nano》上发表的一篇研究论文中描述了这些新发现。
这一过程的关键是在材料表面创造一系列凸起圆环形状，这将导致下落的液滴以碗状向上飞溅，而不是在表面平流。
这项研究是瓦拉纳西和团队之前的一个项目后续工作，在该项目中能够通过在表面创建凸的脊线来减少水滴在表面上的接触时间，从而破坏了撞击水滴的扩散模式。
但是新研究更进一步，实现了液滴接触时间和接触面积的更大减少。
例如，为了防止机翼结冰，有必要让撞击的水滴在比水结冰所需时间更短的时间内弹回地面。
早期脊状表面确实成功地缩短了接触时间，从那时起，发现这里还有另一个问题：那就是在反弹和弹回之前，水滴扩散了多远。
减少撞击液滴的接触面积也应该对相互作用的转移特性产生显著影响。
研究小组开展了一系列实验，结果表明，如果凸起的水圈大小刚好合适，覆盖在水面上，就会导致水从撞击的水滴向上方飞溅，形成碗状的飞溅，而向上飞溅的角度可以通过调节这些水圈的高度和轮廓来控制。
如果环的大小与液滴大小相比过大或过小，系统效率就会降低，或者根本不起作用，但如果环的大小合适，效果就会非常显著。
结果表明，仅仅减少接触时间不足以达到最大程度的减少接触；关键是接触时间和范围的结合。
汽轮机叶片防水蚀涂层的液滴冲蚀行为研究引言随着科技的不断发展，汽轮机的应用范围越来越广泛。
然而，汽轮机在运行过程中，叶片表面容易受到水蚀的损害，从而影响其性能和寿命。
为了解决这个问题，研究人员开始着手研究汽轮机叶片防水蚀涂层的液滴冲蚀行为，旨在寻找有效的防护措施。
本文将全面、详细、完整且深入地探讨汽轮机叶片防水蚀涂层的液滴冲蚀行为。
液滴冲蚀与叶片防水蚀涂层液滴冲蚀行为介绍液滴冲蚀是指液滴在高速流动环境中撞击在材料表面时所产生的冲击力造成的损伤。
在汽轮机叶片运行过程中，叶片表面常会遇到高速流动的水滴，这可能会导致叶片表面的腐蚀和剥落等问题。
叶片防水蚀涂层的意义为了延长汽轮机叶片的使用寿命，减少因水蚀而导致的性能下降，人们开始研究叶片防水蚀涂层。
叶片防水蚀涂层的主要目的是提高叶片表面的抗冲蚀能力，降低水滴对叶片表面的冲击损伤。
液滴冲蚀行为研究方法实验方法液滴冲蚀行为的研究通常需要进行实验。
实验中可以使用不同的装置和设备来模拟汽轮机叶片表面的液滴冲击情况。
通过观察实验现象和记录数据，研究人员可以对液滴冲蚀行为进行分析和研究。
数值模拟方法除了实验方法外，数值模拟方法也是研究液滴冲蚀行为的一种常用手段。
通过建立数学模型和计算流体力学方法，可以模拟液滴在叶片表面的冲击过程，并预测叶片表面的损伤情况。
数值模拟方法可以辅助实验研究，为叶片防水蚀涂层的设计提供重要的参考依据。
液滴行为影响因素液滴冲蚀行为受到多种因素的影响，下面将介绍几个主要的影响因素。
液滴速度液滴速度是影响液滴冲击能力的重要因素。
较高速度的液滴撞击会产生更大的冲击力，可能导致更严重的损伤。
液滴直径液滴直径也会对冲蚀行为产生影响。
通常情况下，直径较大的液滴具有更高的冲击能力。
叶片表面性质叶片表面的性质对液滴冲蚀行为起着重要作用。
表面光滑的叶片可能会减少液滴的冲击损伤，而粗糙的表面则会增加液滴的冲击力。
液滴动态行为液滴在撞击过程中的形变和分裂行为也会影响冲蚀行为。
汽轮机叶片水蚀损伤预测及防水蚀方法研究进展
谢永慧;施东波;黄庆华;张哲源;叶兴柱;张荻
【期刊名称】《热力透平》
【年(卷),期】2023(52)1
【摘要】长期以来,汽轮机叶片水蚀都是影响机组效率和安全性的重要问题。
汽轮机低负荷工况下,高速水滴撞击造成的叶片水蚀日益严重,掌握汽轮机叶片水蚀规律并减少损伤对汽轮机正常运行具有重要意义。
首先总结了汽轮机叶片水蚀疲劳寿命预测和叶片表面侵蚀方面的研究,尤其介绍了基于数据驱动的叶片水蚀寿命预测方法,然后总结了叶片的防水蚀措施,着重介绍了防水蚀新工艺的相关研究。
所做的综述可为汽轮机防水蚀提供思路及方法。
【总页数】8页(P10-17)
【作者】谢永慧;施东波;黄庆华;张哲源;叶兴柱;张荻
【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院;上海电气电站设备有限公司汽轮机厂
【正文语种】中文
【中图分类】TK263.3
【相关文献】
1.汽轮机叶片水蚀损伤的修复与强化
2.汽轮机末级叶片的水蚀及防止叶片水蚀的措施
3.汽轮机末级动叶片水蚀损伤修复与防护试验研究
4.汽轮机低压级动叶片的水蚀机理及水蚀准则
5.汽轮机末级叶片水蚀损伤修复技术
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Investigation of rain droplet erosion of turbine blade materials in the labWind turbine blades are getting longer with length, L, exceeding 100 m and generating 12 MW of power per turbine. The power generated scales with the swept area, proportional to L2(Figure 1a). On the contrary, weight increase is proportional to L3 (Figure 1b), as a result these longer blades exert higher stress on the gears used for power transmission. Therefore, light weight advanced hollow blades with higher specific strength materials such as carbon fiber composites are being recommended. However, its erosion resistance against rain fall or water droplet is to be investigated, yet. (Figure 1c). In general, the intensity of erosion is proportional to L5 (Figure 1c), dependent on the tip velocity which can be as high as 150 m/s.Figure 1. Scaling laws for wind rotors (a) power generated scales as L2 (b) weight increase scales as L3 (c) leading edgerain erosion scales as L5.Such aggressive erosion conditions at the leading edge are caused by repetitive impact of rain droplets and the damage progresses from isolated pits to deep gouges and delamination leading to deterioration of the aerodynamic profile. The resulting increase in drag force (50 to 400%) can reduce the AEP (annualized energy production) by 5 –20%. Furthermore, uncontrolled erosion has the potential to rupture the underlying skin leading to imbalance and turbine failure. The mechanisms responsible for the destructive power of water drops are described and test instruments or tribometers that can simulate the field conditions (Table 1) are highlighted.Rain droplet diameter 1.2 – 2 mmRainfall intensity 1 – 25 mm/h (drizzle to intense rain)Blade tip speed 80 – 120 m/sPhysics of water drop impact and wear related material lossRain droplets can cause more damage than erosive particles due to impact mechanics (double pressure points) and resulting stress waves or Rayleigh waves. This consists of two phases (Figure 2a):(a) Water Hammer Pressure generated by high speed impacting drop in phase I, where liquid is compressed, leading to a pressure increase given by P = w CV (Figure 2a).The impact pressure can be as high as 500 MPa lasting for < 1 µs with a characteristic profile shown in Figure 2a.Figure 2. (a) In Phase I, shock waves within compressed water drop result in impact pulse. Characteristic impact pressure profile for water droplet erosion (stress peaks at periphery) compared to solid particle erosion (central stress peak at contact) is shown.(b) Damage accumulation from water hammer pressure starting from surface depression to deepening and pit formation in case of ductile materials.Repeated impact of droplets leads to initial depression and deepening resulting in pit/gouge formation as seen in early operational life of leading edges of the turbines. Rayleigh waves (lateral jetting) emanate in phase II, where the compressed liquid drop spreads laterally outward with formation of Rayleigh and shear waves (Figure 3a). High velocity shear waves rip through surface undulations caused by water hammer pressure and remove surface undulations to widen the wear scar (Figure 3b). Shear waves also lead to subsurface microcracking at pre-existing flaws, which coalesce over time leading to delamination failure, as observed in the advanced stages of blade leading edge erosion.Figure 3. (a) In Phase II lateral jetting where water drop spreads outward with velocity 10 times greater than impact with generation of both shear and Rayleigh waves. (b) Rayleigh waves lead to shear damage or microcracking followed by water drop lateral spreading which removes surface asperities.High specific strength blade materials should offer high resilience and fracture toughness to absorb the impact energy and dampen stress waves to mitigate erosion wear. Such materials and coatings can be quickly screened in Ducom water droplet erosion tester which can reproduce the rain erosion conditions (Table 1) and damage mechanisms (Figure 2b and 3b).Ducom water droplet erosion (Figure 4) operates on the principle of repeated high velocity impact of droplets on an erosion resistant material. A high velocity water jet (up to 250 m/s) is chopped into water droplets by a rotating disk with two holes. The speed of rotating disk is used to control the impact frequency of water droplets (upto 100 Hz). Multiple impact testing at the same location under high velocity offers accelerated erosion testing of materials, reproducing years of field leading edge damage within reasonable time frames in the lab.Figure 4. Schematic of Ducom water droplet erosion tester.Unique features include:• High velocity water drop impact up to 250 m/s• Water drop diameters up to 2 mm• Controllable drop impact frequency (up to 100 Hz) at same location • Movable X-Y-θ stage for conducting multiple tests at different angles • Pressurized air blade to remove residual water films and eliminate ‘water cushioning’ effect•High speed camera port for imaging droplet size and quantifying velocityPlease contact us for a personalized technical presentation.Ducom water droplet erosion tester (WDE)。
