1、風機葉片的原理、結構和運行維護潘東浩第一章風機葉片報涉及的原理第一節風力機獲得的能量一.氣流的動能E=mv2=1pSv3式中m氣體的質量S風輪的掃風面積，單位為11Fv氣體的速度,單位是ni/sp空氣密度，單位是kg/n】3E氣體的動能，單位是W二.風力機實際獲得的軸功率P=1pSv3cp式中P風力機實際獲得的軸功率，單位為W；P空氣密度，單位為kg/5；S風輪的掃風面積，單位為116v上游風速，單位為m/s.Co風能利用系數三.風機從風能中獲得的能量是有限的，風機的理論最大效率n=0.593dR即為貝茲（Betz）理論的極限值。第二節葉片的受力分析一.作用在槳葉上的氣動力上圖是風輪葉片剖面葉

2、素不考慮誘導速度情況下的受力分析。在葉片局部剖面上，W是來流速度V和局部線速度U的矢量和。速度W在葉片局部剖面上產生升力dL和阻力dD,通過把dL和dD分解到平行和垂直風輪旋轉平面上，即為風輪的軸向推力dFn和旋轉切向力dFto軸向推力作用在風力發電機組塔架上，旋轉切向力產生有用的旋轉力矩，驅動風輪轉動。上圖中的幾何關系式如下：W=V+U4）=6+adFn=dDsiii0+dLcosdFt=dLsin0-dDcos0dM=idFt=r（dLsin0-dDcos）其中，為相對速度W與局部線速度U（旋轉平面）的夾角，稱為傾斜角：e為弦線和局部線速度u（旋轉平面）的夾角，稱為安裝角或節距角；a為弦線

3、和相對速度W的夾角，稱為攻角。二.槳葉角度的調整（安裝角）對功率的影響。（定槳距）改變槳葉節距角的設定會影響額定功率的輸出，根據定槳距風力機的特點，應當盡最提高低風速時的功率系數和考慮高風速時的失速性能。定槳距風力發電機組在額定風速以下運行時，在低風速區，不同的節距角所對應的功率曲線幾乎是重合的。但在高風速區，節距角的變化，對其最大輸出功率（額定功率點）的影響是十分明顯的。事實上，調整槳葉的節距角，只是改變了槳葉對氣流的失速點。根據實驗結果，節距角越小，氣流對槳葉的失速點越高，其最大輸出功率也越高。這就是定槳距風力機可以在不同的空氣密度下調整槳葉安裝角的根據。不同安裝角的功率曲線如下圖所示：7

4、50KW國產槳葉各安裝角實際功率曲線對比圖1200.000C1900.0000300.OOOC600.0000400.0000200.00000.0000風速V(m/s)第三節葉片的基本概念1、葉片長度：葉片徑向方向上的最大長度，如圖1所示。葉片長應圖1葉片長度2、葉片面積葉片面積通常理解為葉片旋轉平面上的投影面積。3、葉片弦長葉片徑向各剖面翼型的弦長。葉片根部剖面的翼型弦長稱根弦，葉片尖部剖面的翼型弦長稱尖弦。葉片弦長分布可以采用最優設計方法確定，但要從制造和經濟角度考慮，葉片的弦長分布一般根據葉片結構強度設計要求對最優化設計結果作一定的修正。圖2葉片弦長、扭角示意圖根據對不同弦長分布的計算

5、，梯形分布可以作為最好的近似。4、葉片扭角葉片各剖面弦線和風輪旋轉平面的夾角，如上圖所示。5、風輪錐角風輪錐角是指葉片相對于和旋轉軸垂直的平面的傾斜度，如右圖所示。錐角的作用是在風輪運行狀態下減少離心力引起的葉片彎曲應力和防止葉尖和塔架碰撞的機會。6、風輪仰角風輪的仰角是指風輪的旋轉軸線和水平面的夾角，如上圖所示。仰角的作用是避免葉尖和塔架的碰撞。第四節葉片的設計與制造在葉片的結構強度設計中要充分考慮到所用材料的疲勞特性。首先要了解葉片所承受的力和力矩，以及在特定的運行條件下風負載的情況。在受力最大的部位最危險，在這些地方負載很容易達到材料承受極限。葉片的重量完全取決于其結構形式，目前生產的葉

6、片，多為輕型葉片，承載好而且很可靠。目前葉片多為玻璃纖維增強夏合材料（GRP）,基體材料為聚酯樹脂或環氧樹脂。環氧樹脂比聚酯樹脂強度高，材料疲勞特性好，且收縮變形小。聚酯材料較便宜，它在固化時收縮大，在葉片的連接處可能存在潛在的危險，即由于收縮變形在金屬材料與玻璃鋼之間可能產生裂紋。水平軸風輪葉片一般近似是梯形的，由于它的曲面外形復雜，僅外表面結構就需要很高的制造費用。使用復合材料可以改變這種狀況，只是在模具制造工藝上要求高些。葉片的模具由葉片上、下表面的反切面樣板成型，在模具中由手工成形復合材料葉片。葉片還要考慮腐蝕的影響。葉片基體材料選材時就已經考慮了葉片防腐的問題，同時，葉片表面涂有厚度

7、為0.6l.Omni左右的膠衣涂層，其作用不僅能夠防腐，而且可以抗紫外線老化。提高葉片表面光度可以避免污垢及灰塵滯留在葉片表面。葉片所用金屬材料選用不銹鋼及航空結構鋼，除不銹鋼外，其它金屬材料零部件表面均采取熱噴鋅處理進行防腐。第五節葉片的結構1 .主體結構水平軸風力發電機組風輪葉片的結構主要為梁、殼結構，有以下幾種結構形式：1）、葉片主體采用硬質泡沫塑料夾芯結構，GRP結構的大梁作為葉片的主要承載部件，大梁常用D型、O型、矩形和C型等型式，蒙皮GRP結構較薄，僅23mm,主要保持翼型和承受葉片的扭轉負載；這種形式的葉片以丹麥Vestas公司和荷蘭CTC公司（NOI制造的葉片）為代表，如圖2,

8、3所示。其特點是重量輕，對葉片運輸要求較高。由于葉片前緣強度和剛度較低，在運輸過程中局部易于損壞。同時這種葉片整體剛度較低，運行過程中葉片變形較大，必須選擇高性能的結構膠，否則極易造成后緣開裂。D型、O型和矩形梁在纏繞機上纏繞成型：在模具中成型上、下兩個半殼，再用結構膠將梁和兩個半殼粘接起來。圖2Vestas葉片剖面結構另一種方法是先在模具中成型C（或I）型梁，然后在模具中成型上、下兩個半殼,利用結構膠將C（或I）型梁和兩半殼粘接。圖3CTC葉片剖面結構2）、葉片殼體以GRP層板為主，厚度在1020mm之間；為了減輕葉片后緣重量,提高葉片整體剛度，在葉片上下殼體后緣局部采用硬質泡沫夾芯結構，葉

9、片上下殼體是其主要承載結構。大梁設計相對較弱，為硬質泡沫夾芯結構，與殼體粘結后形成盒式結構，共同提供葉片的強度和剛度。這種結構型式葉片以丹麥LM公司為主，如圖4所示。其優點是葉片整體強度和剛度較大，在運輸、使用中安全性好。但這種葉片比較重，比同型號的輕型葉片重2030%,制造成本也相對較高。C型梁用玻璃纖維夾芯結構，使其承受拉力和彎曲力矩達到最佳。葉片上、下殼體主要以單向增強材料為主，并適當鋪設45層來承受扭矩，再用結構膠將葉片殼體和大梁牢固地粘接在一起。圖4LM葉片剖面結構在這兩種結構中，大梁和殼體的變形是一致的。經過收縮，夾芯結構作為支撐，兩半葉片牢固的粘接在一起。在前緣粘接部位常重疊，以

10、便增加粘接面積。在后緣粘接縫,由于粘結角的產生而變堅固了。在有扭曲變形時，粘接部分不會產生剪切損壞。關鍵問題是葉根的聯接，它將承受所有的力，并由葉片傳遞到輪轂，常用的有多種聯接方式。2 .葉根結構1）、螺紋件預埋式以丹麥LM公司葉片為代表。在葉片成型過程中，直接將經過特殊表面處理的螺紋件預埋在殼體中，避免了對GRP結構層的加工損傷。經過國外的試驗機構試驗證明，這種結構型式連接最為可靠，唯一缺點是每個螺紋件的定位必須準確，如圖5所示。圖5螺紋件預埋式葉根2、鉆孔組裝式以荷蘭CTC公司葉片為代表。葉片成型后，用專用鉆床和工裝在葉根部位鉆孔，將螺紋件裝入。這種方式會在葉片根部的GRP結構層上加工出幾

11、十個ip80以上的孔（如600kW葉片），破壞了GRP的結構整體性，大大降低了葉片根部的結構強度。而且螺紋件的垂直度不易保證，容易給現場組裝帶來困難，如圖6所示。圖6鉆孔組裝式葉根采用預緊螺栓的優點：1）不需要貴重且重量大的法蘭盤。2）在批量生產中只有一個力傳遞元件。3）由于采用預緊螺栓，疲勞可靠性很好。4）通過螺栓很好的機械聯接，而且法蘭不需要粘接。缺點：1）需要很高的組裝精度。2）在現場安裝要求可靠的螺栓預緊。第二章風機葉片常見故障一雷擊近年來，隨著槳葉制造匚藝的提高和大量新型復合材料的運用，雷擊成為造成葉片損壞的主要原因。根據IEC/TC88工作組的統計，遭受雷擊的風力發電機組中,葉片損

12、壞的占20%左右。對于建立在沿海高山或海島上的風電場來說，地形復雜，雷暴日較多，應充分重視由雷擊引起的葉片損壞現象。葉片是風力發電機組中最易受直接雷擊的部件，也是風力發電機組最昂貴的部件之一。全世界每年大約有1娛2%的運行風力發電機組葉片遭受雷擊，大部分雷擊事故只損壞葉片的葉尖部分，少量的雷擊事故會損壞整個葉片現階段采取的主要防雷擊措施之一是在葉片的前緣從葉尖到葉根貼一長條金屬窄條，將雷擊電流經輪轂、機艙和塔架引入大地。另外，丹麥LM公司與丹麥研究機構、風力發電機組制造商和風電場共同研究設計出了新的防雷裝置，如圖7示所示，它是用一裝在葉片內部大梁上的電纜，將接閃器與葉片法蘭盤連接。這套裝置簡單

13、、可靠，與葉片具有相同的壽命。它是按IECI類標準設計的，具體執行標準為IEC61400-24風力發電機組防雷擊保護二維護人員需要定期到現場檢查避雷措施是否完好。雷擊是無法完全避免的，現在的避雷措施只能將雷擊造成的損失減小到最低。如果造成損傷，請聯系槳葉生產廠商予以修復。二.葉片開裂機組正常運行時，會產生無規律的，不可預測的葉片瞬間振動現象，即葉片在旋轉平面內的振動。這種長期的振動會造成葉片后緣結構失效，產生裂紋，在葉片最大弦長位置產生橫向裂紋，嚴重威脅葉片結構安全。槳葉不同的損傷程度對應有不同的處理方法。1 .如果只是葉片表面輕微受損，則用砂紙（80120#）打磨損傷區域至表面完全光潔，然后

14、用丙酮清洗，除去碎屑并保證修補表面完全干燥。2 .如果損傷區域損傷深度超過Inmi,必須用樹脂和玻璃纖維修復至低于周圍表面0.50.8mm；若用450g/m2玻璃纖維短切氈，則每層將有1mm厚。當玻璃纖維層固化后，打磨平整后涂上膠衣，等膠衣樹脂固化后用320#600#水砂紙磨光，最后拋光至光亮。3 .如果損傷程度更深，請聯系槳葉生產廠商予以處理。三.葉尖制動體損壞針對國產失速型槳葉，葉尖會出現以下故障：1 .葉尖制動體未收到位；2 .葉尖制動體回收過位：3 .葉尖制動體不回收。具體情況詳見下表：故障現象故障原因排除方法葉尖制動體未收到位鋼絲繩蠕變伸長旋轉連接套，調節連接套兩端螺紋長度，收緊鋼絲繩，在連接螺紋處涂厭氧膠，擰緊螺母。連接套兩端或接口漏油，造成油壓不足。更換液壓缸油管或擰緊接頭。葉尖制動體回收過位定位環松動，向葉尖方向移動。松開緊定螺釘。調整定位環至正確位置，再擰緊螺釘。葉尖制動體不回收連接套與鋼絲繩脫開連接鋼絲繩與連接套，調節鋼絲繩長度，方法同上第三章風機葉片運行及維護葉片的保養和維護（包括定槳距失速型葉片和變槳距葉片）L全部運動部件是否運轉自如。2 .葉片運行一段時間后，在葉片前緣將形成一層污物，這就降低了葉片的功效,影響發電量。請用水基型清潔劑清除。3 .若有劃傷，根部法蘭生銹，請及時修友。4 .檢查液壓缸及油管組件是否漏油，如漏油需及時排除。5 .槍