风机叶片原理和结构

风机叶片的原理、结构和运行维护

潘东浩

第一章 风机叶片报涉及的原理

第一节 风力机获得的能量

一． 气流的动能 E=21mv 2=2

1ρSv 3 式中m------气体的质量

S-------风轮的扫风面积，单位为m 2

v-------气体的速度,单位是m/s

ρ------空气密度，单位是kg/m 3

E ----------气体的动能，单位是W

二．风力机实际获得的轴功率

P=2

1ρSv 3C p 式中P--------风力机实际获得的轴功率，单位为W ；

ρ------空气密度，单位为kg/m 3;

S--------风轮的扫风面积，单位为m 2;

v--------上游风速，单位为m/s.

C p ---------风能利用系数

三．风机从风能中获得的能量是有限的，风机的理论最大效率

η≈0.593

即为贝兹（Betz ）理论的极限值。

第二节叶片的受力分析

一．作用在桨叶上的气动力

上图是风轮叶片剖面叶素不考虑诱导速

度情况下的受力分析。在叶片局部剖面上，W

是来流速度V 和局部线速度U 的矢量和。速

度W 在叶片局部剖面上产生升力dL 和阻力

dD ，通过把dL 和dD 分解到平行和垂直风轮旋转平面上，即为风轮的轴向推力dFn 和旋转切向力dFt 。轴向推力作用在风力发电机组塔架上，旋转切向力产生有用的旋转力矩，驱动风轮转动。

上图中的几何关系式如下：

Φ=θ+α

dFn=dDsinΦ+dLcosΦ

dFt=dLsinΦ-dDcosΦ

dM=rdFt=r(dLsinΦ-dDcosΦ)

其中，Φ为相对速度W与局部线速度U（旋转平面）的夹角，称为倾斜角；

θ为弦线和局部线速度U（旋转平面）的夹角，称为安装角或节距角；

α为弦线和相对速度W的夹角，称为攻角。

二．桨叶角度的调整（安装角）对功率的影响。（定桨距）

改变桨叶节距角的设定会影响额定功率的输出，根据定桨距风力机的特点，应当尽量提高低风速时的功率系数和考虑高风速时的失速性能。定桨距风力发电机组在额定风速以下运行时，在低风速区，不同的节距角所对应的功率曲线几乎是重合的。但在高风速区，节距角的变化，对其最大输出功率（额定功率点）的影响是十分明显的。事实上，调整桨叶的节距角，只是改变了桨叶对气流的失速点。根据实验结果，节距角越小，气流对桨叶的失速点越高，其最大输出功率也越高。这就是定桨距风力机可以在不同的空气密度下调整桨叶安装角的根据。

不同安装角的功率曲线如下图所示：

第三节

叶片的基本概念

1、叶片长度：叶片径向方向上的最大长度，如图1所示。

图1叶片长度

2、叶片面积

叶片面积通常理解为叶片旋转平面

上的投影面积。

3、叶片弦长

叶片径向各剖面翼型的弦长。叶片根

部剖面的翼型弦长称根弦，叶片尖部剖面

的翼型弦长称尖弦。

叶片弦长分布可以采用最优设计方

法确定，但要从制造和经济角度考虑，叶

图2叶片弦长、扭角示意图

片的弦长分布一般根据叶片结构强度设计

要求对最优化设计结果作一定的修正。

根据对不同弦长分布的计算，梯形分布可以作为最

好的近似。

4、叶片扭角

叶片各剖面弦线和风轮旋转平面的夹角，如上图

所示。

5、风轮锥角

风轮锥角是指叶片相对于和旋转轴垂直的平面的

倾斜度，如右图所示。锥角的作用是在风轮运行状态

下减少离心力引起的叶片弯曲应力和防止叶尖和塔架

碰撞的机会。

6、风轮仰角

风轮的仰角是指风轮的旋转轴线和水平面的夹

角，如上图所示。仰角的作用是避免叶尖和塔架的碰

撞。

第四节

叶片的设计与制造

在叶片的结构强度设计中要充分考虑到所用材料的疲劳特性。首先要了解叶片所承受的力和力矩，以及在特定的运行条件下风负载的情况。在受力最大的部位最危险，在这些地方负载很容易达到材料承受极限。

叶片的重量完全取决于其结构形式，目前生产的叶片，多为轻型叶片，承载好而且很可靠。

目前叶片多为玻璃纤维增强复合材料（GRP），基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。环氧树脂比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小。聚酯材料较便宜，它在固化时收缩大，在叶片的连接处可能存在潜在的危险，即由于收缩变形在金属材料与玻璃钢之间可能产生裂纹。

水平轴风轮叶片一般近似是梯形的，由于它的曲面外形复杂，仅外表面结构就需要很高的制造费用。使用复合材料可以改变这种状况，只是在模具制造工艺上要求高些。叶片的模具由叶片上、下表面的反切面样板成型，在模具中由手工成形复合材料叶片。

叶片还要考虑腐蚀的影响。叶片基体材料选材时就已经考虑了叶片防腐的问题，同时，叶片表面涂有厚度为0.6~1.0mm左右的胶衣涂层，其作用不仅能够防腐，而且可以抗紫外线老化。提高叶片表面光度可以避免污垢及灰尘滞留在叶片表面。

叶片所用金属材料选用不锈钢及航空结构钢，除不锈钢外，其它金属材料零部件

表面均采取热喷锌处理进行防腐。

第五节

叶片的结构

1．主体结构

水平轴风力发电机组风轮叶片的结构主要为梁、壳结构，有以下几种结构形式：

1）、叶片主体采用硬质泡沫塑料夹芯结构，GRP 结构的大梁作为叶片的主要承载部件，大梁常用D 型、O 型、矩形和C 型等型式，蒙皮GRP 结构较薄，仅2～3mm ，主要保持翼型和承受叶片的扭转负载；这种形式的叶片以丹麦Vestas 公司和荷兰CTC 公司（NOI 制造的叶片）为代表，如图2，3所示。其特点是重量轻，对叶片运输要求较高。由于叶片前缘强度和刚度较低，在运输过程中局部易于损坏。同时这种叶片整体刚度较低，运行过程中叶片变形较大，必须选择高性能的结构胶，否则极易造成后缘开裂。

D 型、O 型和矩形梁在缠绕机上缠绕成型；在模具中成型上、下两个半壳，再用结构胶将梁和两个半壳粘接起来。

另一种方法是先在模具中成型C （或I ）型梁，然后在模具中成型上、下两个半

壳，利用结构胶将C （或I ）型梁和两半壳粘接。

2）、叶片壳体以GRP 层板为主，厚度在10～20mm 之间；为了减轻叶片后缘重量，

提高叶片整体刚度，在叶片上下壳体后缘局部采用硬质泡沫夹芯结构，叶片上下壳体是其主要承载结构。大梁设计相对较弱，为硬质泡沫夹芯结构，与壳体粘结后形成盒式结构，共同提供叶片的强度和刚度。这种结构型式叶片以丹麦LM 公司为主，如图4所示。其优点是叶片整体强度和刚度较大，在运输、使用中安全性好。但这种叶片比较重，比同型号的轻型叶片重20~30%，制造成本也相对较高。

C 型梁用玻璃纤维夹芯结构，使其承受拉力和弯曲力矩达到最佳。叶片上、下壳体主要以单向增强材料为主，并适当铺设±45°层来承受扭矩，再用结构胶将叶片壳体和大梁牢固地粘接在一起。

图2Vestas 叶片剖面结构 图3CTC 叶片剖面结构