風(fēng)電關(guān)鍵部件——葉片

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過葉片將空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)輪及其葉片在能量轉(zhuǎn)換中擔(dān)任著重要角色，這里介紹目前廣泛應(yīng)用的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的基本工作原理、主要結(jié)構(gòu)、制造原料及工藝以及葉片全尺寸試驗(yàn)等內(nèi)容。

一、葉片的工作原理

葉片的剖面呈翼型形狀，氣流流過翼型表面，翼型的上表面壓力低于周圍氣壓（稱為吸力面），下表面壓力高于周圍氣壓（稱為壓力面），上下表面的合力就形成了壓力差，稱為翼型的氣動(dòng)升力。翼型氣動(dòng)升力的方向與氣流入流方向垂直，升力的大小與入流攻角α和相對氣流速度W有關(guān)，入流攻角指氣流方向與翼型弦長方向間的夾角，如圖1。升力與來流動(dòng)壓頭（ρW2/2）的比稱為升力系數(shù)CL，CL與入流攻角α的關(guān)系如圖2。

圖1 翼型表面氣流

圖2 翼型氣動(dòng)升力與入流攻角的關(guān)系

翼型的相對來流速度W是風(fēng)速U(1-a)和葉片各截面旋轉(zhuǎn)速度Ωr(1+a')的合速度，即

式中 U - 氣流來流速度

a - 軸向誘導(dǎo)因子，指氣流接近并流過風(fēng)輪時(shí)軸向速度變化程度

Ω - 風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度

r - 半徑，指葉片截面所在半徑位置

a' - 周向誘導(dǎo)因子，指氣流接近并流過風(fēng)輪時(shí)周向速度變化程度

相對來流速度的方向由風(fēng)速和葉片截面旋轉(zhuǎn)速度的大小之比決定，將葉尖旋轉(zhuǎn)速度與氣流速度之比定義為葉尖速比（即λ=ΩR/U）。由于葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片各個(gè)截面的旋轉(zhuǎn)速度與其所在半徑位置成正比關(guān)系，而氣流接近速度基本不變，因此氣流相對于各個(gè)葉片截面的入流角度隨葉片半徑發(fā)生變化，葉片的扭角也要隨之發(fā)生變化。

氣動(dòng)升力在葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的分量驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生軸功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。由于葉片升力與葉片各截面的相對來流方向密切相關(guān)，因此現(xiàn)代變槳變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速會(huì)隨風(fēng)速增加而增加，葉片在最佳葉尖速比即最佳來流攻角下運(yùn)行，以保證風(fēng)輪具有較高的風(fēng)能利用效率。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加，風(fēng)力機(jī)達(dá)到額定功率后，葉片開始變槳，減小相對來流攻角，降低葉片上的氣動(dòng)升力，從而限制風(fēng)輪從氣流中汲取更多的能量。

葉片上的升力和阻力對氣流產(chǎn)生反作用力，從而使氣流流動(dòng)發(fā)生變化。氣流從遠(yuǎn)前方流向風(fēng)力機(jī)，在接近風(fēng)輪時(shí)，由于葉片升力和阻力的作用，氣流速度逐漸下降，同時(shí)氣流向外擴(kuò)散，靜壓強(qiáng)逐漸升高；氣流在風(fēng)輪的緊后方，靜壓強(qiáng)突然降低；隨氣流進(jìn)一步向后移動(dòng)，氣流速度進(jìn)一步下降同時(shí)氣流進(jìn)一步向外擴(kuò)散，靜壓強(qiáng)逐漸升高至周圍大氣壓，圖3表示氣流流經(jīng)風(fēng)輪掃掠面積時(shí)，氣流流動(dòng)在葉片作用下的變化過程。

圖3 風(fēng)輪對流經(jīng)氣流的作用過程

假設(shè)流經(jīng)風(fēng)輪的氣流被一流管包住，管壁內(nèi)外壓力相等、氣流沒有交換，氣流為理想氣體，風(fēng)輪前后壓力均勻分布，應(yīng)用連續(xù)方程、伯努利方程和動(dòng)量方程，可以得到風(fēng)輪上的推力F：

式中 ρ- 空氣密度

A - 風(fēng)輪掃掠面積

推力F和氣流速度U（1－a）的乘積即風(fēng)輪功率P，因此：

定義風(fēng)輪的風(fēng)能利用效率CP為：

由式4可知，當(dāng)a =1/3時(shí)，風(fēng)輪具有最大風(fēng)能利用系數(shù)CP=16/27 ≈ 0.593，即貝茨極限理論。在實(shí)際風(fēng)輪上，由于翼型阻力、葉尖葉根損失等影響，風(fēng)能利用系數(shù)在0.46～0.50之間。

二、葉片的主要結(jié)構(gòu)

葉片從葉尖到葉根，厚度和弦長都逐漸增加，這是由于葉片尖部的旋轉(zhuǎn)速度高、掃掠面積大，其氣動(dòng)性能對風(fēng)機(jī)性能具有決定性影響，因此使用空氣動(dòng)力特性較好的薄翼型；而葉片根部的載荷較大，因此使用結(jié)構(gòu)性能較好的厚翼型，葉根則呈圓柱形狀，方便葉根與輪轂的連接。

在結(jié)構(gòu)上，葉片可以分成三個(gè)組成部分：大梁—承載結(jié)構(gòu)、蒙皮—?dú)鈩?dòng)結(jié)構(gòu)和葉根—連接結(jié)構(gòu)，見圖4。葉片橫截面結(jié)構(gòu)見圖5，大梁由梁帽和剪切腹板組成，梁帽由拉壓強(qiáng)度很高的單向纖維復(fù)合材料制造，腹板是多向纖維復(fù)合材料和泡沫制成的夾層結(jié)構(gòu)，大梁承受了葉片的絕大部分載荷；蒙皮與剪切腹板結(jié)構(gòu)相同，用于構(gòu)成葉片的氣動(dòng)外形；葉根由多向纖維復(fù)合材料制造，將大梁上的載荷均勻分散傳遞給葉根連接螺栓。

三、葉片的材料

圖4 葉片的構(gòu)造

圖5 葉片的橫截面結(jié)構(gòu)

風(fēng)力機(jī)葉片主要使用玻璃纖維復(fù)合材料（玻璃鋼）制造，主要原材料有四種：增強(qiáng)材料、樹脂、芯材和粘接膠。增強(qiáng)材料一般為E級(jí)玻璃纖維布，樹脂為不飽和樹脂或環(huán)氧樹脂，芯材為PVC泡沫、Balsa輕木和PEC泡沫等，粘接膠則為與樹脂基體兼容的膠黏劑。增強(qiáng)材料按編制方式可分為單向布和多向布，單向布主要用于承載結(jié)構(gòu)、多向布主要用于夾層結(jié)構(gòu)。單向E級(jí)玻璃纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度約760MPa，有研究認(rèn)為這種材料可以制造長度不超過60m的風(fēng)電葉片。若葉片更長，則需要用碳纖維替代E級(jí)玻璃纖維，單向碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度超過1 000MPa。但由于碳纖維價(jià)格高昂、產(chǎn)能有限且制造要求高難度大，近期仍無法大量應(yīng)用與風(fēng)能產(chǎn)業(yè)。目前比E級(jí)玻璃纖維性能更好的可用增強(qiáng)材料有H級(jí)玻璃纖維，其楊氏模量超過80GPa，而E級(jí)玻璃纖維的楊氏模量則在72GPa左右，約超過20%，可能成為將來風(fēng)電葉片的主要增強(qiáng)材料。

碳纖維復(fù)合材料難制造，主要在葉片的制造過程中，難免部分纖維發(fā)生皺曲，纖維皺曲會(huì)大幅降低碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度，形成薄弱點(diǎn)；葉片在制造過程中，樹脂固化時(shí)會(huì)釋放大量的熱量，由于碳纖維與樹脂間的熱膨脹系數(shù)相差較大，會(huì)在復(fù)合材料內(nèi)部形成較大的內(nèi)應(yīng)力；另外，碳纖維材料表面與樹脂間的浸潤性能較玻璃纖維差等。

四、葉片的制造工藝

現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片的制造工藝主要有兩種：真空導(dǎo)入法和預(yù)浸料法。

真空導(dǎo)入法在國內(nèi)被廣泛使用，其基本原則是樹脂在真空負(fù)壓作用下被“吸入”增強(qiáng)纖維或纖維布中。具體操作時(shí)，首先在模具內(nèi)鋪設(shè)好干纖維布、泡沫芯材及輔料等，用真空薄膜將其覆蓋，真空薄膜與陰模周圍粘接密封形成真空袋，在真空袋內(nèi)形成真空后導(dǎo)入樹脂，樹脂固化后從模具內(nèi)取出葉片，見圖6。真空導(dǎo)入法具有環(huán)境友善，制品質(zhì)量穩(wěn)定、精度高、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在制造準(zhǔn)備時(shí)間長、制造過程風(fēng)險(xiǎn)較高的缺點(diǎn)。

圖6 真空灌注工藝

預(yù)浸料法是將增強(qiáng)纖維或纖維布預(yù)先與樹脂浸潤，獲得均勻、穩(wěn)定的中間產(chǎn)品，作為制造復(fù)合材料成品部件的原材料。具體操作上與真空導(dǎo)入法相似，但不需要利用真空負(fù)壓導(dǎo)入樹脂。預(yù)浸料法的制品質(zhì)量更高，但其成本更高、廢料較多。

五、葉片全尺寸試驗(yàn)

葉片制造完成之后需要進(jìn)行葉片全尺寸試驗(yàn)以驗(yàn)證葉片制品滿足葉片的設(shè)計(jì)要求。葉片全尺寸試驗(yàn)主要包括葉片頻率試驗(yàn)、葉片靜載試驗(yàn)和葉片疲勞試驗(yàn)。

葉片的固有頻率對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷模擬結(jié)果有直接影響，因此需要通過測試葉片揮舞方向（葉片旋轉(zhuǎn)平面外）、葉片擺振方向（葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)）以及葉片扭轉(zhuǎn)方向的固有頻率，驗(yàn)證葉片的質(zhì)量、剛度分布是否滿足設(shè)計(jì)要求。

葉片靜載試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證葉片制品具有足夠的靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性。同時(shí)通過在葉片揮舞和擺振方向施加載荷模擬得到的包絡(luò)載荷，記錄葉片多個(gè)截面位置的形變（撓度）和應(yīng)變，并與設(shè)計(jì)值比對，校驗(yàn)葉片的剛度分布。

葉片疲勞試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證葉片制品具有足夠的抗疲勞強(qiáng)度。首先將葉片20年運(yùn)行期內(nèi)所承受的疲勞載荷換算為500萬次左右的等效疲勞載荷，然后通過在葉片上安裝偏心輪，以葉片固有頻率施加往復(fù)作用力，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

葉片全尺寸試驗(yàn)的順序一般為：頻率試驗(yàn)→靜載試驗(yàn)→疲勞試驗(yàn)→靜載試驗(yàn)→頻率試驗(yàn)。國內(nèi)葉片全尺寸試驗(yàn)時(shí)，一般不做疲勞試驗(yàn)。