风机叶片原理和结构

1、风机叶片得原理、结构与运行维护潘东浩第一章 风机叶片报涉及得原理第一节 风力机获得得能量一 气流得动能E=mv2=Sv3 式中 m 气体得质量S 风轮得扫风面积 ,单位为 m2 v 气体得速度 , 单位就是 m/s 空气密度 ,单位就是 kg/m3 E 气体得动能 , 单位就是 W 二. 风力机实际获得得轴功率P=Sv3Cp式中 P 风力机实际获得得轴功率 ,单位为 W;空气密度 ,单位为 kg/m3;,风机得理论最大效率S 风轮得扫风面积 ,单位为 m2; v 上游风速 , 单位为 m/s、 Cp 风能利用系数 三. 风机从风能中获得得能量就是有限得 0、 593 即为贝兹 (Betz)理论

2、得极限值。第二节 叶片得受力分析 一.作用在桨叶上得气动力上图就是风轮叶片剖面叶素不考虑诱导 速度情况下得受力分析。在叶片局部剖面 上,W 就是来流速度 V与局部线速度 U得矢量 与。速度 W 在叶片局部剖面上产生升力 dL与阻力 dD,通过把 dL 与 dD 分解到平行与垂直风轮旋转平面上 ,即为风轮得轴向推力 dFn 与旋转切向力 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得旋转力 矩,驱动风轮转动。上图中得几何关系式如下 :=+ dFn=dDsin +dLcos dFt=dLsindDcosdM=rdFt=r（dLsin dDcos ） 其中,为相对速度 W与局部线速

3、度 U（旋转平面）得夹角,称为倾斜角 ;为弦线与局部线速度 U（旋转平面 ）得夹角 ,称为安装角或节距角 ; 为弦线与相对速度 W 得夹角 ,称为攻角。.桨叶角度得调整 （安装角）对功率得影响。 （定桨距 ） 改变桨叶节距角得设定会影响额定功率得输出 ,根据定桨距风力机得特点 ,应当 尽量提高低风速时得功率系数与考虑高风速时得失速性能。 定桨距风力发电机组在 额定风速以下运行时 ,在低风速区 ,不同得节距角所对应得功率曲线几乎就是重合 得。但在高风速区 ,节距角得变化 ,对其最大输出功率 （额定功率点 ）得影响就是十分明 显得。事实上 ,调整桨叶得节距角 ,只就是改变了桨叶对气流得失速点。根据

4、实验结 果 ,节距角越小 ,气流对桨叶得失速点越高 ,其最大输出功率也越高。这就就是定桨距 风力机可以在不同得空气密度下调整桨叶安装角得根据。 不同安装角得功率曲线如下图所示 :第三节叶片得基本概念1、叶片长度 :叶片径向方向上得最大长度 ,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 上得投影面积。图1 叶片长度3、叶片弦长叶片径向各剖面翼型得弦长。叶片根部剖面得翼型弦长称根弦 , 叶片尖部剖面得翼型弦长称尖弦。叶片弦长分布可以采用最优设计方法确定 ,但要从制造与经 济角度考虑 ,叶片得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得修正。 图 2 叶片弦长、扭角示

5、意图根据对不同弦长分布得 计算 ,梯形分布可以作为最好得近似。4、叶片扭角叶片各剖面弦线与风轮旋转平面得夹角,如上图所示。5、风轮锥角 风轮锥角就是指叶片相对于与旋转轴垂直得平面 得倾斜度 ,如右图所示。锥角得作用就是在风轮运行状 态下减少离心力引起得叶片弯曲应力与防止叶尖与塔 架碰撞得机会。6、风轮仰角 风轮得仰角就是指风轮得旋转轴线与水平面得夹 角,如上图所示。仰角得作用就是避免叶尖与塔架得碰 撞。第四节叶片得设计与制造在叶片得结构强度设计中要充分考虑到所用材料得疲劳特性。 首先要了解叶片所承 受得力与力矩 ,以及在特定得运行条件下风负载得情况。在受力最大得部位最危险,在这些地方负载很容易

6、达到材料承受极限。叶片得重量完全取决于其结构形式 ,目前生产得叶片 ,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 ,在叶片得连接处可能存在潜在得危险 ,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就是梯形得 ,由于它得曲面外形复杂 ,仅外表面结构就需要 很高得制造费用。使用复合材料可以改变这种状况 ,只就是在模具制造工艺上要求高些。 叶片得模具由叶片上、下表面得反切面样板成型 ,在模具中由手工成形复

7、合材料叶片。叶片还要考虑腐蚀得影响。 叶片基体材料选材时就已经考虑了叶片防腐得问题 ,同时 , 叶片表面涂有厚度为 0、61、 0mm 左右得胶衣涂层 ,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。第五节叶片得结构1主体结构水平轴风力发电机组风轮叶片得结构主要为梁、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 结构得大梁作为叶片得主要承载部 件,大梁常用 D型、 O型、矩形与 C型等型式,蒙皮 GRP结

8、构较薄,仅 23mm,主要保持 翼型与承受叶片得扭转负载 ;这种形式得叶片以丹麦 Vestas 公司与荷兰 CTC 公司（NOI 制造得叶片 ）为代表,如图 2,3 所示。其特点就是重量轻 ,对叶片运输要求较高。由于叶片 前缘强度与刚度较低 ,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 ,必须选择高性能得结构胶 ,否则极易造成后缘开裂。D 型、 O 型与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 胶将梁与两个半壳粘接起来。图 2 Vestas 叶片剖面结构 另一种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、下两个半壳

9、,利 用结构胶将 C（或 I）型梁与两半壳粘接。2）、叶片壳体以 GRP图层3板 CT为C主叶片,厚剖度面在结构1020mm 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 ,叶片上下壳体就是其主 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 提供叶片得强度与刚度。 这种结构型式叶片以丹麦 LM 公司为主,如图 4所示。其优点就 是叶片整体强度与刚度较大 ,在运输、使用中安全性好。但这种叶片比较重 ,比同型号得 轻型叶片重 2030%,制造成本也相对较高。C 型梁用玻璃纤维夹芯结构 ,使其承受拉力与弯曲力

10、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与大梁 牢固地粘接在一起。在这两种结构中 图,大4梁 LM与叶壳片体剖得面变结构形就是一致得。经过收缩 ,夹芯结构作为支撑 ,两半 叶片牢固得粘接在一起。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 于粘结角得产生而变坚固了。 在有扭曲变形时 ,粘接部分不会产生剪切损坏。 关键问题就 是叶根得联接 ,它将承受所有得力 ,并由叶片传递到轮毂 ,常用得有多种联接方式。2、叶根结构1) 、螺纹件预埋式图 5 螺纹件预埋式叶根以丹麦 LM 公司叶片为代表。

11、 在叶片成型过程中 ,直接将经过特殊表面处理得螺纹件 预埋在壳体中 ,避免了对 GRP 结构层得加工损伤。 经过国外得试验机构试验证明 ,这种结 构型式连接最为可靠 ,唯一缺点就是每个螺纹件得定位必须准确 ,如图 5 所示。2、钻孔组装式以荷兰 CTC公司叶片为代表。 叶片成型后,用专用钻床与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得 GRP 结构层上加工出几十个 80 以上得孔 (如 600kW 叶片),破坏了 GRP得结构整体性 ,大大降低了叶片根部得结构强度。而且螺纹件 得垂直度不易保证 ,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得优

12、点 :1) 不需要贵重且重量大得法兰盘。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) 通过螺栓很好得机械联接 ,而且法兰不需要粘接缺点:1) 需要很高得组装精度。2) 在现场安装要求可靠得螺栓预紧。第二章 风机叶片常见故障一. 雷击近年来 ,随着桨叶制造工艺得提高与大量新型复合材料得运用 ,雷击成为 造成叶片损坏得主要原因。根据 IEC/TC88 工作组得统计 ,遭受雷击得风力发电机组中 , 叶片损坏得占 20%左右。对于建立在沿海高山或海岛上得风电场来说 ,地形复杂 ,雷暴日 较多,应充分重视由雷击引起得叶片损坏现象。叶片就是风力发电机组中最易受直接雷

13、击得部件 ,也就是风力发电机组最昂贵得部 件之一。全世界每年大约有 1%2%得运行风力发电机组叶片遭受雷击 ,大部分雷击事故 只损坏叶片得叶尖部分 ,少量得雷击事故会损坏整个叶片现阶段采取得主要防雷击措施之一就是在叶片得前缘从叶尖到叶根贴一长条金属 窄条 ,将雷击电流经轮毂、机舱与塔架引入大地。另外 ,丹麦 LM 公司与丹麦研究机构、 风力发电机组制造商与风电场共同研究设计出了新得防雷装置,如图 7 示所示 ,它就是用一装在叶片内部大梁上得电缆 ,将接闪器与叶片法兰盘连接。这套装置简单、可靠 ,与叶 片具有相同得寿命。它就是按 IEC 类标准设计得 ,具体执行标准为“ IEC6140024 风

14、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就是否完好。 雷击就是无法完全避免得 ,现在得避雷措施只能将雷击造成得损失减小到最低。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 ,会产生无规律得 ,不可预测得叶片瞬间振动现象 ,即叶片在旋转平 面内得振动。这种长期得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。桨叶不同得损伤程度对应有不同得处理方法。1、如果只就是叶片表面轻微受损 ,则用砂纸 (80120#)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

15、证修补表面完全干燥。2、如果损伤区域损伤深度超过 1mm, 必须用树脂与玻璃纤维修复至低于周围表面 0、50、8mm; 若用 450g/m 2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

16、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得保养与维护 （包括定桨距失速型叶片与变桨距叶片 ）1、全部运动部件就是否运转自如。2、叶片运行一段时间后 ,在叶片前缘将形成一层污物 ,这就降低了叶片得功效 ,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就是否漏油 ,如漏