風機葉片原理和結(jié)構(gòu)稻谷書苑

1、風機葉片的原理、結(jié)構(gòu)和運行維護潘東浩第一章 風機葉片報涉及的原理第一節(jié) 風力機獲得的能量一 氣流的動能e=mv2=sv3式中 m-氣體的質(zhì)量 s-風輪的掃風面積，單位為m2 v-氣體的速度,單位是m/s -空氣密度，單位是kg/m3 e -氣體的動能，單位是w二 風力機實際獲得的軸功率 p=sv3cp式中 p-風力機實際獲得的軸功率，單位為w； -空氣密度，單位為kg/m3; s-風輪的掃風面積，單位為m2; v-上游風速，單位為m/s. cp -風能利用系數(shù)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 0.593即為貝茲（betz）理論的極限值。第二節(jié) 葉片的受力分析一作用在槳葉上

2、的氣動力上圖是風輪葉片剖面葉素不考慮誘導(dǎo)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(chǎn)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(zhuǎn)平面上，即為風輪的軸向推力dfn和旋轉(zhuǎn)切向力dft。軸向推力作用在風力發(fā)電機組塔架上，旋轉(zhuǎn)切向力產(chǎn)生有用的旋轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動風輪轉(zhuǎn)動。上圖中的幾何關(guān)系式如下： =+ dfn=ddsin+dlcos dft=dlsin-ddcos dm=rdft=r(dlsin-ddcos) 其中，為相對速度w與局部線速度u（旋轉(zhuǎn)平面）的夾角，稱為傾斜角； 為弦線和局部線速度u（旋轉(zhuǎn)平面）的夾角，稱為安裝角或節(jié)距角

3、； 為弦線和相對速度w的夾角，稱為攻角。二槳葉角度的調(diào)整（安裝角）對功率的影響。（定槳距）改變槳葉節(jié)距角的設(shè)定會影響額定功率的輸出，根據(jù)定槳距風力機的特點，應(yīng)當盡量提高低風速時的功率系數(shù)和考慮高風速時的失速性能。定槳距風力發(fā)電機組在額定風速以下運行時，在低風速區(qū)，不同的節(jié)距角所對應(yīng)的功率曲線幾乎是重合的。但在高風速區(qū)，節(jié)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(diào)整槳葉的節(jié)距角，只是改變了槳葉對氣流的失速點。根據(jù)實驗結(jié)果，節(jié)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(diào)整槳葉安裝角的根據(jù)。 不同安裝角的功率曲線如下

4、圖所示：第三節(jié) 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。圖1 葉片長度2、葉片面積葉片面積通常理解為葉片旋轉(zhuǎn)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。圖2葉片弦長、扭角示意圖葉片弦長分布可以采用最優(yōu)設(shè)計方法確定，但要從制造和經(jīng)濟角度考慮，葉片的弦長分布一般根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求對最優(yōu)化設(shè)計結(jié)果作一定的修正。根據(jù)對不同弦長分布的 計算，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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸垂直的平面的傾斜度，如右圖所示

5、。錐角的作用是在風輪運行狀態(tài)下減少離心力引起的葉片彎曲應(yīng)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(zhuǎn)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(jié)葉片的設(shè)計與制造在葉片的結(jié)構(gòu)強度設(shè)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(jié)構(gòu)形式，目前生產(chǎn)的葉片，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復(fù)合材料（grp），基體材料為聚酯樹脂或環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂比聚酯樹脂強度高，材料疲勞特性好，且收縮變

6、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(chǎn)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(fù)雜，僅外表面結(jié)構(gòu)就需要很高的制造費用。使用復(fù)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(fù)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(jīng)考慮了葉片防腐的問題，同時，葉片表面涂有厚度為0.61.0mm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(jié)

7、構(gòu)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(jié)葉片的結(jié)構(gòu)1 主體結(jié)構(gòu) 水平軸風力發(fā)電機組風輪葉片的結(jié)構(gòu)主要為梁、殼結(jié)構(gòu)，有以下幾種結(jié)構(gòu)形式：1）、葉片主體采用硬質(zhì)泡沫塑料夾芯結(jié)構(gòu)，grp結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)較薄，僅23mm，主要保持翼型和承受葉片的扭轉(zhuǎn)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2，3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

8、的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)膠將梁和兩個半殼粘接起來。圖2 vestas葉片剖面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)膠將c（或i）型梁和兩半殼粘接。圖3 ctc葉片剖面結(jié)構(gòu)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(zhì)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，葉片上下殼體是其主要承載結(jié)構(gòu)。大梁設(shè)計相對較弱，為硬質(zhì)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，與殼體粘結(jié)后形成盒式結(jié)構(gòu)，共同提供葉片的強度和剛度。這種結(jié)構(gòu)型式葉片以丹麥lm公司為主，如圖

9、4所示。其優(yōu)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(jié)構(gòu)，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(shè)45層來承受扭矩，再用結(jié)構(gòu)膠將葉片殼體和大梁牢固地粘接在一起。圖4 lm葉片剖面結(jié)構(gòu)在這兩種結(jié)構(gòu)中，大梁和殼體的變形是一致的。經(jīng)過收縮，夾芯結(jié)構(gòu)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，以便增加粘接面積。在后緣粘接縫，由于粘結(jié)角的產(chǎn)生而變堅固了。在有扭曲變形時，粘接部分不會產(chǎn)生剪切損壞。關(guān)鍵問題是葉根的聯(lián)接，它將承受所有的力，并由葉片傳遞到輪

10、轂，常用的有多種聯(lián)接方式。2.葉根結(jié)構(gòu) 1）、螺紋件預(yù)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(jīng)過特殊表面處理的螺紋件預(yù)埋在殼體中，避免了對grp結(jié)構(gòu)層的加工損傷。經(jīng)過國外的試驗機構(gòu)試驗證明，這種結(jié)構(gòu)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(yù)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(jié)構(gòu)層上加工出幾十個80以上的孔（如600kw葉片），破壞了grp的結(jié)構(gòu)整體性，大大降低了葉片根部的結(jié)構(gòu)強度。而且螺紋件的垂直度不易保證，容易給現(xiàn)場組裝帶來困難，如圖6所示

11、。圖6鉆孔組裝式葉根采用預(yù)緊螺栓的優(yōu)點：1) 不需要貴重且重量大的法蘭盤。2) 在批量生產(chǎn)中只有一個力傳遞元件。3) 由于采用預(yù)緊螺栓，疲勞可靠性很好。4) 通過螺栓很好的機械聯(lián)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(xiàn)場安裝要求可靠的螺栓預(yù)緊。第二章 風機葉片常見故障一雷擊 近年來，隨著槳葉制造工藝的提高和大量新型復(fù)合材料的運用，雷擊成為造成葉片損壞的主要原因。根據(jù)iec/tc88工作組的統(tǒng)計，遭受雷擊的風力發(fā)電機組中，葉片損壞的占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(fù)雜，雷暴日較多，應(yīng)充分重視由雷擊引起的葉片損壞現(xiàn)象。 葉片是風力發(fā)電機組中最易受

12、直接雷擊的部件，也是風力發(fā)電機組最昂貴的部件之一。全世界每年大約有1%2%的運行風力發(fā)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(xiàn)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(jīng)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(gòu)、風力發(fā)電機組制造商和風電場共同研究設(shè)計出了新的防雷裝置，如圖7示所示，它是用一裝在葉片內(nèi)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、可靠，與葉片具有相同的壽命。它是按iec類標準設(shè)計的，具體執(zhí)行標準為“iec61400-24風力發(fā)電機組防雷擊保護”。圖7葉片防雷擊系統(tǒng)示意

13、圖維護人員需要定期到現(xiàn)場檢查避雷措施是否完好。雷擊是無法完全避免的，現(xiàn)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(lián)系槳葉生產(chǎn)廠商予以修復(fù)。二葉片開裂機組正常運行時，會產(chǎn)生無規(guī)律的，不可預(yù)測的葉片瞬間振動現(xiàn)象，即葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的振動。這種長期的振動會造成葉片后緣結(jié)構(gòu)失效，產(chǎn)生裂紋，在葉片最大弦長位置產(chǎn)生橫向裂紋，嚴重威脅葉片結(jié)構(gòu)安全。槳葉不同的損傷程度對應(yīng)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(qū)域至表面完全光潔，然后用丙酮清洗，除去碎屑并保證修補表面完全干燥。2.如果損傷區(qū)域損傷深度超過1mm，必須用樹脂和玻璃纖維修復(fù)至低于周圍表面0

14、.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(lián)系槳葉生產(chǎn)廠商予以處理。三葉尖制動體損壞針對國產(chǎn)失速型槳葉，葉尖會出現(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)連接套，調(diào)節(jié)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(huán)松動，向葉尖方向移動。松開緊定螺釘。調(diào)整定位環(huán)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(diào)節(jié)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(yǎng)和維護（包括定槳距失速型葉片和變槳距葉片） 1.全部運動部件是否運轉(zhuǎn)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(fā)電量。請用水基型清潔劑清除。 3.若有劃傷，根部法蘭生銹，請及時修復(fù)。 4.檢查液壓缸及油管組件是否漏油，如漏油需及時排除。 5.檢查葉根防雷擊導(dǎo)線是否