风机叶片原理和结构.docx

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风机叶片原理和结构

Preparedon24November2020

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=

mv2=

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=

ρSv3Cp

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.

Cp---------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≈

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。

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~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。

图2Vestas叶片剖面结构

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。

图3CTC叶片剖面结构

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4LM叶片剖面结构

在这两种结构中，大梁和壳体的变形是一致的。

经过收缩，夹芯结构作为支撑，两半叶片牢固的粘接在一起。

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坚固了。

在有扭曲变形时，粘接部分不会产生剪切损坏。

关键问题是叶根的联接，它将承受所有的力，并由叶片传递到轮毂，常用的有多种联接方式。

2.叶根结构

1）、螺纹件预埋式

以丹麦LM公司叶片为代表。

在叶片成型过程中，直接将经过特殊表面处理的螺纹件预埋在壳体中，避免了对GRP结构层的加工损伤。

经过国外的试验机构试验证明，这种结构型式连接最为可靠，唯一缺点是每个螺纹件的定位必须准确，如图5所示。

图5螺纹件预埋式叶根

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结构层上加工出几十个φ80以上的孔（如600kW叶片），破坏了GRP的结构整体性，大大降低了叶片根部的结构强度。

而且螺纹件的垂直度不易保证，容易给现场组装带来困难，如图6所示。

图6钻孔组装式叶根

采用预紧螺栓的优点：

1）不需要贵重且重量大的法兰盘。

2）在批量生产中只有一个力传递元件。

3）由于采用预紧螺栓，疲劳可靠性很好。

4）通过螺栓很好的机械联接，而且法兰不需要粘接。

缺点：

1）需要很高的组装精度。

2）在现场安装要求可靠的螺栓预紧。

第二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新型复合材料的运用，雷击成为

造成叶片损坏的主要原因。

根据IEC/TC88工作组的统计，遭受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，地形复杂，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遭受雷击，大部分雷击事故只损坏叶片的叶尖部分，少量的雷击事故会损坏整个叶片

现阶段采取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公司与丹麦研究机构、风力发电机组制造商和风电场共同研究设计出了新的防雷装置，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。

这套装置简单、可靠，与叶片具有相同的寿命。

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。

雷击是无法完全避免的，现在的避雷措施只能将雷击造成的损失减小到最低。

如果造成损伤，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，不可预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结构失效，产生裂纹，在叶片最大弦长位置产生横向裂纹，严重威胁叶片结构安全。

桨叶不同的损伤程度对应有不同的处理方法。

1.如果只是叶片表面轻微受损，则用砂纸（80~120#）打磨损伤区域至表面完全光洁，然后用丙酮清洗，除去碎屑并保证修补表面完全干燥。

2.如果损伤区域损伤深度超过1mm，必须用树脂和玻璃纤维修复至低于周围表面~0.8mm；若用450g/m2玻璃纤维短切毡，则每层将有1mm厚。

当玻璃纤维层固化后，打磨平整后涂上胶衣，等胶衣树脂固化后用320#~600#水砂纸磨光，最后抛光至光亮。

3.如果损伤程度更深，请联系桨叶生产厂商予以处理。

三．叶尖制动体损坏

针对国产失速型桨叶，叶尖会出现以下故障：

1.叶尖制动体未收到位；

2.叶尖制动体回收过位；

3.叶尖制动体不回收。

具体情况详见下表：

故障现象

故障原因

排除方法

叶尖制动体未收到位

钢丝绳蠕变伸长

旋转连接套，调节连接套两端螺纹长度，收紧钢丝绳，在连接螺纹处涂厌氧胶，拧紧螺母。

连接套两端或接口漏油，造成油压不足。

更换液压缸油管或拧紧接头。

叶尖制动体回收过位

定位环松动，向叶尖方向移动。

松开紧定螺钉。

调整定位环至正确位置，再拧紧螺钉。

叶尖制动体不回收

连接套与钢丝绳脱开

连接钢丝绳与连接套，调节钢丝绳长度，方法同上

第三章风机叶片运行及维护

叶片的保养和维护（包括定桨距失速型叶片和变桨距叶片）

1.全部运动部件是否运转自如。

2.叶片运行一段时间后，在叶片前缘将形成一层污物，这就降低了叶片的功效，影响发电量。

请用水基型清洁剂清除。

3.若有划伤，根部法兰生锈，请及时修复。

4.检查液压缸及油管组件是否漏油，如漏油需及时排除。

5.检查叶根防雷击导线是否有磨损，连接松动，视实际情况予以排除。

6.检查液压缸支架螺母，连接套两端紧固螺母是否松动，如有松动，应紧固。

7.检查叶根所有金属零件的腐蚀情况，并视实际情况予以排除。

8.检查叶片法兰盘与叶片壳体间密封是否完好。

9.检查在正常转速运行和正常压力下扰流器与定叶是否完全密合。

10.检查尼龙定位销的磨损情况。

11.部分地区因为天气寒冷，潮湿，叶尖容易结冰，长期会影响整个风机的平衡，使整个机组不能正常运行。

条件允许的话应该对叶尖结冰部分进行处理。