風(fēng)機(jī)葉片原理和結(jié)構(gòu)

1、風(fēng)機(jī)葉片得原理、結(jié)構(gòu)與運(yùn)行維護(hù)潘東浩第一章 風(fēng)機(jī)葉片報(bào)涉及得原理第一節(jié) 風(fēng)力機(jī)獲得得能量一 氣流得動(dòng)能E=mv2=Sv3 式中 m 氣體得質(zhì)量S 風(fēng)輪得掃風(fēng)面積 ,單位為 m2 v 氣體得速度 , 單位就是 m/s 空氣密度 ,單位就是 kg/m3 E 氣體得動(dòng)能 , 單位就是 W 二. 風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲得得軸功率P=Sv3Cp式中 P 風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲得得軸功率 ,單位為 W;空氣密度 ,單位為 kg/m3;,風(fēng)機(jī)得理論最大效率S 風(fēng)輪得掃風(fēng)面積 ,單位為 m2; v 上游風(fēng)速 , 單位為 m/s、 Cp 風(fēng)能利用系數(shù) 三. 風(fēng)機(jī)從風(fēng)能中獲得得能量就是有限得 0、 593 即為貝茲 (Betz)理論

2、得極限值。第二節(jié) 葉片得受力分析 一.作用在槳葉上得氣動(dòng)力上圖就是風(fēng)輪葉片剖面葉素不考慮誘導(dǎo) 速度情況下得受力分析。在葉片局部剖面 上,W 就是來(lái)流速度 V與局部線(xiàn)速度 U得矢量 與。速度 W 在葉片局部剖面上產(chǎn)生升力 dL與阻力 dD,通過(guò)把 dL 與 dD 分解到平行與垂直風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上 ,即為風(fēng)輪得軸向推力 dFn 與旋轉(zhuǎn)切向力 dFt。軸向推力作用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架上 ,旋轉(zhuǎn)切向力產(chǎn)生有用得旋轉(zhuǎn)力 矩,驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。上圖中得幾何關(guān)系式如下 :=+ dFn=dDsin +dLcos dFt=dLsindDcosdM=rdFt=r（dLsin dDcos ） 其中,為相對(duì)速度 W與局部線(xiàn)速

3、度 U（旋轉(zhuǎn)平面）得夾角,稱(chēng)為傾斜角 ;為弦線(xiàn)與局部線(xiàn)速度 U（旋轉(zhuǎn)平面 ）得夾角 ,稱(chēng)為安裝角或節(jié)距角 ; 為弦線(xiàn)與相對(duì)速度 W 得夾角 ,稱(chēng)為攻角。.槳葉角度得調(diào)整 （安裝角）對(duì)功率得影響。 （定槳距 ） 改變槳葉節(jié)距角得設(shè)定會(huì)影響額定功率得輸出 ,根據(jù)定槳距風(fēng)力機(jī)得特點(diǎn) ,應(yīng)當(dāng) 盡量提高低風(fēng)速時(shí)得功率系數(shù)與考慮高風(fēng)速時(shí)得失速性能。 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在 額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí) ,在低風(fēng)速區(qū) ,不同得節(jié)距角所對(duì)應(yīng)得功率曲線(xiàn)幾乎就是重合 得。但在高風(fēng)速區(qū) ,節(jié)距角得變化 ,對(duì)其最大輸出功率 （額定功率點(diǎn) ）得影響就是十分明 顯得。事實(shí)上 ,調(diào)整槳葉得節(jié)距角 ,只就是改變了槳葉對(duì)氣流得失速點(diǎn)。根據(jù)

4、實(shí)驗(yàn)結(jié) 果 ,節(jié)距角越小 ,氣流對(duì)槳葉得失速點(diǎn)越高 ,其最大輸出功率也越高。這就就是定槳距 風(fēng)力機(jī)可以在不同得空氣密度下調(diào)整槳葉安裝角得根據(jù)。 不同安裝角得功率曲線(xiàn)如下圖所示 :第三節(jié)葉片得基本概念1、葉片長(zhǎng)度 :葉片徑向方向上得最大長(zhǎng)度 ,如圖 1 所示2、葉片面積葉片面積通常理解為葉片旋轉(zhuǎn)平面 上得投影面積。圖1 葉片長(zhǎng)度3、葉片弦長(zhǎng)葉片徑向各剖面翼型得弦長(zhǎng)。葉片根部剖面得翼型弦長(zhǎng)稱(chēng)根弦 , 葉片尖部剖面得翼型弦長(zhǎng)稱(chēng)尖弦。葉片弦長(zhǎng)分布可以采用最優(yōu)設(shè)計(jì)方法確定 ,但要從制造與經(jīng) 濟(jì)角度考慮 ,葉片得弦長(zhǎng)分布一般根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì) 要求對(duì)最優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果作一定得修正。 圖 2 葉片弦長(zhǎng)、扭角示

5、意圖根據(jù)對(duì)不同弦長(zhǎng)分布得 計(jì)算 ,梯形分布可以作為最好得近似。4、葉片扭角葉片各剖面弦線(xiàn)與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面得夾角,如上圖所示。5、風(fēng)輪錐角 風(fēng)輪錐角就是指葉片相對(duì)于與旋轉(zhuǎn)軸垂直得平面 得傾斜度 ,如右圖所示。錐角得作用就是在風(fēng)輪運(yùn)行狀 態(tài)下減少離心力引起得葉片彎曲應(yīng)力與防止葉尖與塔 架碰撞得機(jī)會(huì)。6、風(fēng)輪仰角 風(fēng)輪得仰角就是指風(fēng)輪得旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與水平面得夾 角,如上圖所示。仰角得作用就是避免葉尖與塔架得碰 撞。第四節(jié)葉片得設(shè)計(jì)與制造在葉片得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中要充分考慮到所用材料得疲勞特性。 首先要了解葉片所承 受得力與力矩 ,以及在特定得運(yùn)行條件下風(fēng)負(fù)載得情況。在受力最大得部位最危險(xiǎn),在這些地方負(fù)載很容易

6、達(dá)到材料承受極限。葉片得重量完全取決于其結(jié)構(gòu)形式 ,目前生產(chǎn)得葉片 ,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(qiáng)復(fù)合材料 (GRP),基體材料為聚酯樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂。環(huán)氧 樹(shù)脂比聚酯樹(shù)脂強(qiáng)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(shí)收 縮大 ,在葉片得連接處可能存在潛在得危險(xiǎn) ,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(fēng)輪葉片一般近似就是梯形得 ,由于它得曲面外形復(fù)雜 ,僅外表面結(jié)構(gòu)就需要 很高得制造費(fèi)用。使用復(fù)合材料可以改變這種狀況 ,只就是在模具制造工藝上要求高些。 葉片得模具由葉片上、下表面得反切面樣板成型 ,在模具中由手工成形復(fù)

7、合材料葉片。葉片還要考慮腐蝕得影響。 葉片基體材料選材時(shí)就已經(jīng)考慮了葉片防腐得問(wèn)題 ,同時(shí) , 葉片表面涂有厚度為 0、61、 0mm 左右得膠衣涂層 ,其作用不僅能夠防腐 ,而且可以抗 紫外線(xiàn)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)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(jìn)行防腐。第五節(jié)葉片得結(jié)構(gòu)1主體結(jié)構(gòu)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片得結(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)得大梁作為葉片得主要承載部 件,大梁常用 D型、 O型、矩形與 C型等型式,蒙皮 GRP結(jié)

8、構(gòu)較薄,僅 23mm,主要保持 翼型與承受葉片得扭轉(zhuǎn)負(fù)載 ;這種形式得葉片以丹麥 Vestas 公司與荷蘭 CTC 公司（NOI 制造得葉片 ）為代表,如圖 2,3 所示。其特點(diǎn)就是重量輕 ,對(duì)葉片運(yùn)輸要求較高。由于葉片 前緣強(qiáng)度與剛度較低 ,在運(yùn)輸過(guò)程中局部易于損壞。同時(shí)這種葉片整體剛度較低,運(yùn)行過(guò)程中葉片變形較大 ,必須選擇高性能得結(jié)構(gòu)膠 ,否則極易造成后緣開(kāi)裂。D 型、 O 型與矩形梁在纏繞機(jī)上纏繞成型 ;在模具中成型上、下兩個(gè)半殼 ,再用結(jié)構(gòu) 膠將梁與兩個(gè)半殼粘接起來(lái)。圖 2 Vestas 葉片剖面結(jié)構(gòu) 另一種方法就是先在模具中成型 C（或 I）型梁 ,然后在模具中成型上、下兩個(gè)半殼

9、,利 用結(jié)構(gòu)膠將 C（或 I）型梁與兩半殼粘接。2）、葉片殼體以 GRP圖層3板 CT為C主葉片,厚剖度面在結(jié)構(gòu)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) ,葉片上下殼體就是其主 要承載結(jié)構(gòu)。大梁設(shè)計(jì)相對(duì)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 提供葉片得強(qiáng)度與剛度。 這種結(jié)構(gòu)型式葉片以丹麥 LM 公司為主,如圖 4所示。其優(yōu)點(diǎn)就 是葉片整體強(qiáng)度與剛度較大 ,在運(yùn)輸、使用中安全性好。但這種葉片比較重 ,比同型號(hào)得 輕型葉片重 2030%,制造成本也相對(duì)較高。C 型梁用玻璃纖維夾芯結(jié)構(gòu) ,使其承受拉力與彎曲力

10、矩達(dá)到最佳。 葉片上、下殼體主 要以單向增強(qiáng)材料為主 ,并適當(dāng)鋪設(shè)± 45°層來(lái)承受扭矩 ,再用結(jié)構(gòu)膠將葉片殼體與大梁 牢固地粘接在一起。在這兩種結(jié)構(gòu)中 圖,大4梁 LM與葉殼片體剖得面變結(jié)構(gòu)形就是一致得。經(jīng)過(guò)收縮 ,夾芯結(jié)構(gòu)作為支撐 ,兩半 葉片牢固得粘接在一起。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)角得產(chǎn)生而變堅(jiān)固了。 在有扭曲變形時(shí) ,粘接部分不會(huì)產(chǎn)生剪切損壞。 關(guān)鍵問(wèn)題就 是葉根得聯(lián)接 ,它將承受所有得力 ,并由葉片傳遞到輪轂 ,常用得有多種聯(lián)接方式。2、葉根結(jié)構(gòu)1) 、螺紋件預(yù)埋式圖 5 螺紋件預(yù)埋式葉根以丹麥 LM 公司葉片為代表。

11、 在葉片成型過(guò)程中 ,直接將經(jīng)過(guò)特殊表面處理得螺紋件 預(yù)埋在殼體中 ,避免了對(duì) GRP 結(jié)構(gòu)層得加工損傷。 經(jīng)過(guò)國(guó)外得試驗(yàn)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)證明 ,這種結(jié) 構(gòu)型式連接最為可靠 ,唯一缺點(diǎn)就是每個(gè)螺紋件得定位必須準(zhǔn)確 ,如圖 5 所示。2、鉆孔組裝式以荷蘭 CTC公司葉片為代表。 葉片成型后,用專(zhuān)用鉆床與工裝在葉根部位鉆孔 ,將螺 紋件裝入。這種方式會(huì)在葉片根部得 GRP 結(jié)構(gòu)層上加工出幾十個(gè) 80 以上得孔 (如 600kW 葉片),破壞了 GRP得結(jié)構(gòu)整體性 ,大大降低了葉片根部得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。而且螺紋件 得垂直度不易保證 ,容易給現(xiàn)場(chǎng)組裝帶來(lái)困難 ,如圖 6 所示。圖 6 鉆孔組裝式葉根采用預(yù)緊螺栓得優(yōu)

12、點(diǎn) :1) 不需要貴重且重量大得法蘭盤(pán)。2) 在批量生產(chǎn)中只有一個(gè)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(guò)螺栓很好得機(jī)械聯(lián)接 ,而且法蘭不需要粘接缺點(diǎn):1) 需要很高得組裝精度。2) 在現(xiàn)場(chǎng)安裝要求可靠得螺栓預(yù)緊。第二章 風(fēng)機(jī)葉片常見(jiàn)故障一. 雷擊近年來(lái) ,隨著槳葉制造工藝得提高與大量新型復(fù)合材料得運(yùn)用 ,雷擊成為 造成葉片損壞得主要原因。根據(jù) IEC/TC88 工作組得統(tǒng)計(jì) ,遭受雷擊得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中 , 葉片損壞得占 20%左右。對(duì)于建立在沿海高山或海島上得風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō) ,地形復(fù)雜 ,雷暴日 較多,應(yīng)充分重視由雷擊引起得葉片損壞現(xiàn)象。葉片就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最易受直接雷

13、擊得部件 ,也就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最昂貴得部 件之一。全世界每年大約有 1%2%得運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片遭受雷擊 ,大部分雷擊事故 只損壞葉片得葉尖部分 ,少量得雷擊事故會(huì)損壞整個(gè)葉片現(xiàn)階段采取得主要防雷擊措施之一就是在葉片得前緣從葉尖到葉根貼一長(zhǎng)條金屬 窄條 ,將雷擊電流經(jīng)輪轂、機(jī)艙與塔架引入大地。另外 ,丹麥 LM 公司與丹麥研究機(jī)構(gòu)、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商與風(fēng)電場(chǎng)共同研究設(shè)計(jì)出了新得防雷裝置,如圖 7 示所示 ,它就是用一裝在葉片內(nèi)部大梁上得電纜 ,將接閃器與葉片法蘭盤(pán)連接。這套裝置簡(jiǎn)單、可靠 ,與葉 片具有相同得壽命。它就是按 IEC 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)得 ,具體執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為“ IEC6140024 風(fēng)

14、力 發(fā)電機(jī)組防雷擊保護(hù)” 。圖7 葉片防雷擊系統(tǒng)示意圖 維護(hù)人員需要定期到現(xiàn)場(chǎng)檢查避雷措施就是否完好。 雷擊就是無(wú)法完全避免得 ,現(xiàn)在得避雷措施只能將雷擊造成得損失減小到最低。如 果造成損傷 ,請(qǐng)聯(lián)系槳葉生產(chǎn)廠(chǎng)商予以修復(fù)。二. 葉片開(kāi)裂機(jī)組正常運(yùn)行時(shí) ,會(huì)產(chǎn)生無(wú)規(guī)律得 ,不可預(yù)測(cè)得葉片瞬間振動(dòng)現(xiàn)象 ,即葉片在旋轉(zhuǎn)平 面內(nèi)得振動(dòng)。這種長(zhǎng)期得振動(dòng)會(huì)造成葉片后緣結(jié)構(gòu)失效 ,產(chǎn)生裂紋 ,在葉片最大弦長(zhǎng)位置 產(chǎn)生橫向裂紋 ,嚴(yán)重威脅葉片結(jié)構(gòu)安全。槳葉不同得損傷程度對(duì)應(yīng)有不同得處理方法。1、如果只就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

15、證修補(bǔ)表面完全干燥。2、如果損傷區(qū)域損傷深度超過(guò) 1mm, 必須用樹(shù)脂與玻璃纖維修復(fù)至低于周?chē)砻?0、50、8mm; 若用 450g/m 2玻璃纖維短切氈 ,則每層將有 1mm 厚。當(dāng)玻璃纖維層固化 后,打磨平整后涂上膠衣 ,等膠衣樹(shù)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(qǐng)聯(lián)系槳葉生產(chǎn)廠(chǎng)商予以處理。三. 葉尖制動(dòng)體損壞針對(duì)國(guó)產(chǎn)失速型槳葉 ,葉尖會(huì)出現(xiàn)以下故障 :1. 葉尖制動(dòng)體未收到位 ;2. 葉尖制動(dòng)體回收過(guò)位 ;3. 葉尖制動(dòng)體不回收。具體情況詳見(jiàn)下表 :故障現(xiàn)象故障原因排除方法葉尖制動(dòng)體未收到位鋼絲繩蠕變伸長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)連接套 ,調(diào)節(jié)連接套 兩端螺紋

16、長(zhǎng)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(dòng)體回收過(guò)位定位環(huán)松動(dòng) , 向葉尖方向 移動(dòng)。松開(kāi)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(dòng)體不回收連接套與鋼絲繩脫開(kāi)連接鋼絲繩與連接套 , 調(diào) 節(jié)鋼絲繩長(zhǎng)度 ,方法同上第三章 風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行及維護(hù)葉片得保養(yǎng)與維護(hù) （包括定槳距失速型葉片與變槳距葉片 ）1、全部運(yùn)動(dòng)部件就是否運(yùn)轉(zhuǎn)自如。2、葉片運(yùn)行一段時(shí)間后 ,在葉片前緣將形成一層污物 ,這就降低了葉片得功效 ,影響 發(fā)電量。請(qǐng)用水基型清潔劑清除。3、若有劃傷 ,根部法蘭生銹 ,請(qǐng)及時(shí)修復(fù)。4、檢查液壓缸及油管組件就是否漏油 ,如漏