风机叶片原理和结构.doc

风机叶片原理和结构
风电场安全生产及新项目生产准备培训班 风机叶片的原理、结构和运行维护
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
2311E=mv=ρSv 22
式中 m------气体的质量
2 S-------风轮的扫风面积，单位为m
v-------气体的速度,单位是m/s
3 ρ------空气密度，单位是kg/m
----------E气体的动能，单位是W
二( 风力机实际获得的轴功率
31 P=ρSvC p2
式中 P--------风力机实际获得的轴功率，单位为W;
3 ρ------空气密度，单位为kg/m;
2; S--------风轮的扫风面积，单位为m
v--------上游风速，单位为m/s.
C ---------风能利用系数 p
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?
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
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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:
,,,
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)
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:
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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。
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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