风机叶片原理和结构.docx

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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= 1
2
mv2= 1
2
ρSv3
式中 m 气体的质量
S-------风轮的扫风面积，单位为m2
v-------气体的速度,单位是m/s ρ------空气密度，单位是kg/m3 E ----------气体的动能，单位是W
二． 风力机实际获得的轴功率
P= 1
2
ρSv3C
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/m3;
S--------风轮的扫风面积，单位为m2;
v--------上游风速，单位为m/s.
C 风能利用系数
p
η≈
即为贝兹〔Betz〕理论的极限值。
其次节 叶片的受力分析
一．作用在桨叶上的气动力
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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
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上图是风轮叶片剖面叶素不考虑诱导速度状况下的受力分析。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：
r r r
W = V + U
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〕
转变桨叶节距角的设定会影响额定功率的输出，依据定桨距风力机的特点，应当尽量提凹凸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〕的影响是格外明显的。事实上，调整桨叶的节距角，只是转变了桨叶对气流的失速点。依据试验结果，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依据。
不同安装角的功率曲线如以下图所示：
第三节
叶片的根本概念
图 1 叶片长度
1、叶片长度：叶片径向方向上的最大长度，如图 1 所示。
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
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弦。
叶片弦长分布可以承受最优设计方法确定，但要从
制造和经济角度考虑，叶片的弦长分布一般依据图叶2 片叶片弦长、扭角示意图构造强度设计
要求对最优化设计结果作肯定的修正。
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
风轮运行状态下削减离心力引起的叶片弯曲
依据对不同弦长分布的 计算，梯形分布可
应力和防止叶尖和塔架碰撞的时机。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。仰角的作用是避开叶尖和塔架的碰撞。
第四节
叶片的设计与制造
在叶片的构造强度设计中要充分考虑到所用材料的疲乏特性。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状况。在受力最大的部位最危急，在这些地方负载很简洁到达材料承受极限。
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叶片的重量完全取决于其构造形式，目前生产的叶片，多为轻型叶片， 承载好而且很牢靠。
目前叶片多为玻璃纤维增加复合材料〔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，材料疲乏特性好，且收缩变形小。聚酯材料较廉价，它在固化时收缩大，在叶片的连接处可能存在潜在的危急，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，由于它的曲面外形简单，仅外外表构造就需要很高的制造费用。使用复合材料可以转变这种状况，只是在模 具制造工艺上要求高些。叶片的模具由叶片上、下外表的反切面样板成型， 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，叶片外表涂有厚度为 ~ 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。提高叶片外表光度可以避开污垢及灰尘滞留在叶片外表。
叶片所用金属材料选用不锈钢及航空构造钢，除不锈钢外，其它金属材料零部件外表均实行热喷锌处理进展防腐。
第五节
叶片的构造
主体构造
水平轴风力发电机组风轮叶片的构造主要为梁、壳构造，有以下几种构造形式：
1〕、叶片主体承受硬质泡沫塑料夹芯构造，GRP 构造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 构造较
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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，必需选择高性能的构造胶，否则极易造成后缘开裂。
图 2 Vestas叶片剖面构造
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，再用构造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，利用构造胶将C〔或I〕型梁和两半壳粘接。
图 叶片剖面构造
GRP 层板为主，厚度在
3 CTC2〕、叶片壳体以 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承受硬质泡沫夹芯构造，叶片上下壳体是其主要承载构造。大梁设计相对较弱，为硬质泡沫夹芯构造，与壳体粘结后形成盒式构造，共同供给叶片的强度和刚度。这种构造型式叶片以丹麦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%，制造本钱也相对较高。
C 型梁用玻璃纤维夹芯构造，使其承受拉力和弯曲力矩到达最正确。叶片上、下壳体主要以单向增加材料为主，并适当铺设± 45°层来承受扭矩，
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再用构造胶将叶片壳体和大梁结实地粘接在一起。
图 4 LM 叶片剖面构造
在这两种构造中，大梁和壳体的变形是全都的。经过收缩，夹芯构造作
为支撑，两半叶片结实的粘接在一起。在前缘粘接部位常重叠，以便增加粘接面积。在后缘粘接缝，由于粘结角的产生而变结实了。在有扭曲变形时，粘接局部不会产生剪切损坏。关键问题是叶根的联接，它将承受全部的力，并由叶片传递到轮毂，常用的有多种联接方式。
叶根构造
1〕、螺纹件预埋式
图 5 螺纹件预埋式叶根
以丹麦 LM 公司叶片为代表。在叶片成型过程中，直接将经过特别外表处理的螺纹件预埋在壳体中，避开了对 GRP 构造层的加工损伤。经过国外的试验机构试验证明，这种构造型式连接最为牢靠，唯一缺点是每个螺纹件的定位必需准确，如图 5 所示。
2、钻孔组装式
以荷兰CTC 公司叶片为代表。叶片成型后，用专用钻床和工装在叶根部位钻孔，将螺纹件装入。这种方式会在叶片根部的 GRP 构造层上加工出几十个φ80 以上的孔〔如 600kW 叶片〕，破坏了 GRP 的构造整体性，大大降低
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图 6 钻孔组装式叶根
了叶片根部的构造强度。而且螺纹件的垂直度不易保证，简洁给现场组装带来困难，如图 6 所示。
承受预紧螺栓的优点：
不需要贵重且重量大的法兰盘。
在批量生产中只有一个力传递元件。
由于承受预紧螺栓，疲乏牢靠性很好。
通过螺栓很好的机械联接，而且法兰不需要粘接。缺点：
需要很高的组装精度。
在现场安装要求牢靠的螺栓预紧。
其次章 风机叶片常见故障
一．雷击
近年来，随着桨叶制造工艺的提高和大量型复合材料的运用，雷击成为
造成叶片损坏的主要缘由。依据IEC/TC88 工作组的统计，患病雷击的风力发电机组中，叶片损坏的占 20%左右。对于建立在沿海高山或海岛上的风电场来说，地形简单，雷暴日较多，应充分重视由雷击引起的叶片损坏现象。
叶片是风力发电机组中最易受直接雷击的部件，也是风力发电机组最昂贵的部件之一。全世界每年大约有 1%~2%的运行风力发电机组叶片患病雷
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击，大局部雷击事故只损坏叶片的叶尖局部，少量的雷击事故会损坏整个叶片
现阶段实行的主要防雷击措施之一是在叶片的前缘从叶尖到叶根贴一长条金属窄条，将雷击电流经轮毂、机舱和塔架引入大地。另外，丹麦 LM 公司与丹麦争论机构、风力发电机组制造商和风电场共同争论设计出了的防雷装置，如图 7 示所示，它是用一装在叶片内部大梁上的电缆，将接闪器与叶片法兰盘连接。这套装置简洁、牢靠，与叶片具有一样的寿命。它是按IECⅠ类标准设计的，具体执行标准为“IEC61400-24 风力发电机组防雷击保护”。
图 7 叶片防雷击系统示意图维护人员需要定期到现场检查避雷措施是否完好。
雷击是无法完全避开的，现在的避雷措施只能将雷击造成的损失减小到最低。假设造成损伤，请联系桨叶生产厂商予以修复。
二．叶片开裂
机组正常运行时，会产生无规律的，不行推测的叶片瞬间振动现象， 即叶片在旋转平面内的振动。这种长期的振动会造成叶片后缘构造失效， 产生裂纹，在叶片最大弦长位置产生横向裂纹，严峻威逼叶片构造安全。
桨叶不同的损伤程度对应有不同的处理方法。
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