Może to wydawać się zaskakujące, ale rozległe wyrwy i głębokie uszkodzenia powierzchni łopaty wirnika turbiny wiatrowej powstają w wyniku uderzenia niewielkich obiektów, cząstek wielkości kropli wody. Kropelka deszczu o średniej średnicy ok. 2 mm podczas zderzenia z krawędzią natarcia łopaty działa niczym „młot wodny”.
Energia uderzenia wynika ze znacznych prędkości łopaty, której końcówka (np. przy długości łopaty ok. 60m) przy pracy z mocą znamionową osiąga wartość ok. 80 m/s (czyli ok. 285 km/h). Jest to ¼ prędkości dźwięku w powietrzu. Ponadto, po uwzględnieniu masy łopaty (przy średnicy wirnika 120m złożonego z 3 łopat ciężar wirnika to ok. 50 ton), to zderzenie się jej nawet z najmniejszą cząstką (na przykład kroplą deszczu, bryłką gradu czy nawet drobnymi ilościami piasku), wywołuje wysokie naprężenie na jej powierzchni, szczególnie w obrębie krawędzi natarcia. Szacunkowa wartość ciśnienia lokalnego pochodząca od uderzenia np. kropli wody może w skrajnym przypadku osiągnąć nawet poziom 120 MPa. Takie ciśnienie może wywołać lokalnie naprężenie, które może mieć fatalne skutki dla materiałów laminatowych z których wykonywane są łopaty, a nawet doprowadzić do ich uszkodzeń. Ponadto, jeśli weźmiemy pod uwagę, że uderzenia powtarzają się cyklicznie, np. na przestrzeni jednego miesiąca czy roku, to inicjują proces wzmożonego zmęczenia materiału warstwy wierzchniej łopaty a nawet mogą spowodować uszkodzenia powierzchni.
Pomimo tego, że wspomniana powyżej warstwa wierzchnia łopaty wykonana jest z relatywnie podatnych materiałów, (a więc i powinna być lepiej odporna na uderzenia) to właśnie cykliczność uderzeń o wysokiej energii skraca jej wytrzymałość zmęczeniową. W pierwszej kolejności skraca się tzw. okres inkubacji w którym nie są jeszcze widoczne żadne niepokojące efekty procesu erozji powierzchni. Normalnie, powinien on być jak najdłuższy (wedle założenia projektowego powinien trwać np. kilka lat) aż do momentu regularnego i gwałtownego rozwoju pogłębiania się uszkodzenia przy takich samych warunkach uderzenia. Skutki tzw. erozji kroplowej czy „gradowej” mogą być bardzo dotkliwe. Przede wszystkim znacząco wpływają na obniżenie efektywności pracy wirnika i całej turbiny wiatrowej. Powstałe w wyniku erozji wżery i uszkodzenia powierzchni łopaty pogarszają jej właściwości aerodynamiczne, a zwłaszcza przyczyniają się do znacznego wzrostu oporu aerodynamicznego. Istnieją badania, które wskazują na istotne obniżenie sprawności turbiny wiatrowej w wyniku pogorszenia się aerodynamiki wirnika. Roczna produkcja energii z uszkodzonego wiatraka może obniżyć się nawet do 20% w stosunku do produkcji nominalnej.
Według różnych obserwacji pierwsze skutki procesów erozyjnych na łopatach pojawiają się już po 2-3 latach od momentu włączenia turbiny do eksploatacji. Moc zawarta w strumieniu powietrza rośnie z trzecią potęgą prędkości wiatru i dlatego lokowanie turbin odbywa się w miejscach i na wysokościach, gdzie te prędkości są największe. Dodatkowo, co bardzo istotne, brana pod uwagę jest jeszcze niestabilność wiatru jako źródła energii tj. zmienność jego kierunku oraz siły, czyli tzw. podmuchy. Układy mechaniczne i regulacji turbiny zareagują na chwilowe skoki prędkości, ale zanim to nastąpi pierwsze uderzenie przyjmuje na siebie powierzchnia krawędzi natarcia łopaty. Podmuchy są nieistotne z punktu widzenia wytwarzania energii przez turbinę wiatrową, ale mają duży wpływ na chwilowe naprężenia w warstwie wierzchniej łopaty. Mniej więcej na 1/3 długości - licząc od końcówki łopaty- mamy do czynienia ze strefą szczególnego narażenia na erozję mechaniczną powierzchni krawędzi natarcia. Właśnie ta część ma do czynienia w zasadzie ze wszystkimi zagrożeniami, w tym głównie właśnie erozji wynikającej z prędkości liniowej znacznych wartości i niestabilnej ze względu na podmuchy.
Staje przed nami kluczowe pytanie – w jaki sposób uchronić się przed skutkami erozji krawędzi natarcia lub całej powierzchni łopaty wirnika? Trwałość warstwy wierzchniej w fabrycznie nowej łopacie nie jest, jak pokazują doświadczenia eksploatacyjne, wystarczająca. Niestety, także stosowane do tej pory metody naprawy uszkodzeń powierzchni nie przynosiły zadawalających rezultatów. Kłopoty z przyczepnością warstwy naprawczej do powierzchni naprawianej, delaminacja nakładki, często restrykcyjne warunki prowadzenia naprawy, wydłużony na skutek używania warstw gruntujących oraz systemów wielowarstwowych czas naprawy, to tylko niektóre z problemów które pojawiają się podczas przeprowadzenia napraw. Mimo, że wytrzymałość mechaniczna całej łopaty jest bardzo wysoka – za sprawą włókien szklanych lub rzadziej węglowych wykorzystywanych do produkcji – to odporność erozyjna zwłaszcza krawędzi natarcia nie jest już tak dobra. Bardzo wytrzymałe włókna znajdują się w osnowie z żywic (poliestrowych lub epoksydowych), które tworzą rodzaj otuliny z włókien i z tego też powodu stanowią podstawowy składnik warstwy wierzchniej krawędzi natarcia tj. warstwy, która pierwsza przyjmuje energię uderzeń atmosferycznych.
Jak uchronić się przed skutkami erozji krawędzi natarcia lub całej powierzchni łopaty wirnika?
Osnowa, która ulega erozji odsłania włókna, które są mniej odporne odporne na uderzenia poprzeczne. W efekcie, dochodzi do ich uszkodzenia. Podstawowym zabiegiem staje się więc wzmocnienie samej otuliny, a mówiąc bardziej precyzyjnie - wykonanie warstwy wierzchniej, bardziej wytrzymałej na uderzenia, która jednocześnie zapewni wystarczającą przyczepność do powierzchni laminatowej łopaty.
Doskonałym rozwiązaniem do przeprowadzenia tego typu naprawy jest Belzona® 5721 – polimerowa osnowa kompozytowa, opracowana specjalnie pod kątem ochrony krawędzi natarcia osiąga bardzo wysoką przyczepność do powierzchni laminatowych np. typu GRP. Wartość przyczepności wynosi ponad 10,5 MPa i przekracza wytrzymałość wewnętrzną osnowy laminatu, na który została nałożona. Moduł sprężystości tego kompozytu wynosi 1050 MPa co czyni go materiałem bardzo podatnym i jednocześnie wytrzymałym na uderzenia. Wytrzymałość erozyjna została potwierdzona badaniami laboratoryjnymi. Badania prowadzone wg standardu ASTM G73 i DNVGL-RP-0171 dla grubości warstwy Belzona®5721 500 mikronów i 1000 mikronów przy prędkości uderzenia kropli wody (o średnicy 2,46mm) równej 125 m/s czas przebicia warstwy wynosił odpowiednio: 13 godzin dla g= 500 µm i 21 godzin dla g= 1000 µm. Kompozyt Belzona®5721 idealnie nadaje się do trudnych warunków aplikacji, jakie mogą występować podczas napraw łopat w miejscu ich eksploatacji. Nakładanie tego materiału jest bardzo łatwe tj. przy użyciu pędzla i wymagana jest tylko jedna warstwa bez podkładu. Dzięki technologii zestalania także w niskiej temperaturze (nawet ok. 5 oC nieosiągalne temperatury dla większości żywic), materiał Belzona® 5721 umożliwia ponowne włączenie turbiny do eksploatacji po bardzo krótkim czasie od zakończenia naprawy (3 - 6 godzin). Kompozyt polimerowy Belzona® 5721 jest bezrozpuszczalnikowy (nie posiada części lotnych w swym składzie), co umożliwia jego bezproblemowe i bezpieczne stosowanie w warunkach prowadzenia prac w pomieszczeniach zamkniętych (fabrycznych, warsztatowych).
Opracował: Roman Masek BELSE
▶ Link do filmu z naprawy łopat turbiny wiatrowej
▶ Link do strony produktu Belzona 5721
▶ Link do strony produktu Belzona 1221
