叶片的设计与制造

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1、叶片的设计与制造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。轻型结构叶片的优缺点如下：优点：1）在变距时驱动质量小，在很小的叶片机构动力下产生很高的调节速度2）减少风力发电机组总质量3）风轮的机械刹车力矩很小4）周期振动弯矩由于自重自重减轻而减小5）减少了材料成本6）运费减少7）便于安装缺点：1）要求叶片结构必须可靠，制造费用高2）所用材料成本高3）风轮推力小，风轮在阵风时反映敏感，因此，要求功率调节也要快4）材料特性以载荷计算必须很准确，以免超载。目前叶片多数为玻璃纤维增强复合材料（GRP）基本材料为聚酯树脂或环

2、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。聚酯树脂材料比较便宜，他在固化时收缩大，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和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情况，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，在模具中由手工成型复合材料叶片。叶片设计有很多规范可供参考和选用1．极限变形由于复合材料的优良特性大型风力发电机组风轮叶片的设计首先考虑叶片的刚度是否满足使用要求，然后进行强度

3、校核。因此叶片的极限变形极为重要。1）避免机组运行过程中与塔架碰撞，要设计叶片在最大设计风速时的极限变形。2）在叶片变距时，应考虑气弹载荷对变形的影响。2．固有频率1）叶片在挥舞、摆振和扭转方向上的固有频率，应避开转速激振频率。2）在计算叶片的固有频率时，应考虑轮毂的刚性。3）在叶片运行时由于离心力场的作用，其固有频率会提高。3．叶片轴线位置重心、刚性中心和轴中心位置，在变桨距风力发电机组中应尽可能靠近叶片变距轴线（一般在1/4弦长的位置），会增加叶片气弹稳定性。4．积水在叶片内部可能会产生冷凝水，其他水分也可能通过适当的位置进入叶片内部，为了避免这

4、些水对叶片造成危害，必须把叶片内部的水排除；可以在叶尖部位打一个小孔，另一个小孔在叶根颈部，使叶片内部有一个很好的通风渠道。但要注意的是这个孔应尽量小否则由于气流从内向外的流动可能会产生气动噪声。5．防雷击保护对于导体（或金属）或半导体材料（炭纤维）应事先考虑防雷击，应可靠地将雷电从轮毂上引导下来，以避免由于叶片结构内部存在很高的阻抗，当雷击电流通过时破坏叶片一、叶片载荷叶片载荷来自风抡运行时的各种风况和阵风。叶片所承受的最大载荷在设计时已给出。各种风况下的受力分析对叶片安全是十分重要的，静态和动态载荷是不同的，为了简化计算，下面对各种载荷的基本情况

5、进行论述：1．静载荷1）最大受力：50年一遇的最大阵风作为最大静载荷值，此时，风轮位于迎风状态，风力发电机组处于安全刹车状态，失速型风轮叶片处于初始安装角位置，变桨距风轮叶片从安装角处于升力最大值时很快顺桨。2）最大弯矩：当重力和气动力在同一方向上。3）最大扭矩：最大阵风时。2．动载荷1）由阵风频谱的变化引起的受力变化2）风剪切影响引起的叶片动载荷3）偏航过程中引起的叶片上作用力的变化。4）弯曲力矩变化，由于自重及升力产生的弯曲变形。5）在最大转速下，机械、空气动力刹车，风轮刹车情况下。6）电网周期性变化。离心力载荷与弯曲力矩相比较大，分析时几乎可以

6、略去。一、叶片材料用于叶片制造的主要材料有玻璃纤维增强塑料（GRO）碳纤维增强塑料（CFRP）、木材、钢，铝等，对于大型风力发电机组来说，叶片的刚度、固有特性和经济特性是主要的，同常较难满足，所以对材料的选择尤为重要。目前世界上绝大数叶片采用复合材料制造，主要是由于复合材料具有以下特点1．复合材料的可设计性强2．易成型性好3．耐腐蚀性强4．维护少、易修补GRP材料的风力发电机组叶片成型工艺有手工湿法成型、真空辅助注胶成型和手工预浸布铺层等工艺。CFRP材料强度高　重量轻，遗憾的是其价格昂贵，经济性差，只有在40米以上长度的叶片中采用，长度40米以下的

7、叶片很少使用。由于木材的许多优良性能，目前在大型风力发电机组中使用的范围也在扩大，主要用于叶片结构内部的夹心材料。木材重量轻，成本低，阻尼特性优良；其缺点是易受潮，加工成本高。钢材主要用于叶片内部结构的连接件，很少用于叶片的主体结构。主要是因为钢材的比重大、疲劳强度低。垂直轴风力发电机组常采用铝或玻璃钢拉挤叶片，这种制造工艺很适合用等宽叶片。多个截面采用一个模具挤压成型。二、叶片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．叶片主体采用硬制泡沫夹心结构，GRP结构的大梁作为叶片主要的承载部件，大量常用D型、O型、矩

8、形和C型等形式。蒙皮GRP的结构较薄，仅2~3mm，主要保持翼型和承受叶片的扭转载荷；这种形式的叶片以丹麦V