风力发电机的核心部件——风轮叶片构造及其数量对载荷的影响

风力机的核心部件是风轮，风轮由叶片和轮载组成。此外还有相关的控制机构。

（一）叶片的构造

叶片是具有空气动力形状，接受风能使风轮绕其轴转动的主要构件。制造叶片的材料有玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）、木材、钢和铝等。

目前世界上绝大多数叶片都采用复合材料，复合材料以玻璃纤维或碳纤维作为增强材料，树脂为基体。这种材料的优点是比重较小、强度较高、易成型性好、耐腐蚀性强、维护少、易修补，CFRP材料强度高、重量轻，但价格昂贵，只有在长度40m以上的叶片中采用，40m以下的叶片使用很少。

图313　四种常见海上风电机组基础结构

（a）单桩式；（b）重力式；（c）夹套式；（d）三角架式

木材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。木材比重小，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。这是因为钢材比重大、疲劳强度低。

风轮叶片的结构主要为梁、壳结构，具体形式很多，图314所示是几种典型风轮叶片结构形式。

（二）定桨距叶片叶柄结构

叶柄是风轮中连接叶片和轮载的构件。定桨距机组的叶片（见图315）常采用螺栓与轮毂连接，有以下两种形式：

（1）螺纹件预埋式。在叶片成型过程中，直接将经过表面处理的螺纹件预埋在壳体中，如图316所示。

（2）钻孔组装式。叶片成型后，用专用钻床和工装在叶柄部位钻孔，将螺纹件装入，如图317所示。

至于变桨距叶片和轮毂连接形式，将在后文详述。

（三）叶片数

图314　风轮叶片的结构

（a）木材、环氧全壳结构；（b）前半壳用木材；（c）前部蒙皮并连接剪切腹板的玻璃纤维结构；（d）在芯轴上以横向丝带缠绕的盒形梁玻璃纤维结构

图315　定桨距叶片

目前，水平轴风力发电机组的风轮叶片一般是2片或3片，其中3片居多。两叶片风轮制造成本较低，风轮叶片数对风力机性能有影响。当风轮叶片几何外形相同时，两叶片风轮和三叶片风轮的最大风能利用系数基本相同；但是两叶片风轮对应最大风能利用系数的转速比较高，如图318所示。(www.xing528.com)

风轮叶片数对风力机载荷也有影响，当风轮直径和风轮旋转速度相同时，对刚性轮毂来说，作用在两叶片风轮的脉动载荷要大于三叶片风轮。因此，两叶片风轮通常采用翘板式轮毂，以降低叶片根部的挥舞弯曲力矩。另外，实际运行时，两叶片风轮的旋转速度要大于三叶片风轮，因此，在相同风轮直径时，由脉动载荷引起的风轮轴向力变化要大一些，为了控制风轮叶片空气动力噪声，通常要将风轮叶片的叶尖速度限制在65m/s以下。由于两叶片风轮的旋转速度大于三叶片风轮，因此，对噪声控制不利。

图316　螺纹件预埋式叶柄

图317　钻孔组装式叶柄

图318　两叶片和三叶片风力机Cp曲线比较

从景观来考虑，三叶片风轮更容易为大众接受，除了外形整体对称特性外，还与三叶片风轮旋转速度较低有关。

（四）轮毂

轮毂是将叶片和叶片组固定到转轴上的装置，它将风轮的力和力矩传递到主传动机构中去。轮毂有固定式和铰链式两种。

1.固定式轮毂

固定式轮毂的制造成本低、维护少、没有磨损。三叶片风轮大部分采用固定式轮毂。常见固定式轮毂的结构如图319所示。它是铸造结构或焊接结构，铸造材料是铸钢或球墨铸铁。

图319　固定式轮毂

（a）球形；（b）三圆柱形

图320　铰链式轮毂

（a）挥向；（b）挥向与摆向

2.铰链式轮毂

铰链式轮毂常用于单叶片和两叶片风轮，图320（a）所示为叶片之间相对固定的铰链式轮毂。铰链轴线通过叶轮的质心。这种铰链使两叶片之间固定连接，它们的轴向相对位置不变，但可绕铰链轴沿风轮俯仰方向（挥向）相对中间位置作±（5°～10°）的摆动（类似跷跷板）。当来流速度在叶轮扫掠面上下有差别或阵风出现时，叶片上的载荷使得叶片离开中间位置，若位于上部的叶片向前，则下方的叶片将要向后。叶片被悬挂的角度与风轮转速有关，转速越低，角度越大。具有这种铰链式轮毂的风轮具有阻尼器的作用。当来流速度变化时，叶片偏离原悬挂角度，其安装角也发生变化，一片叶片因安装角的变化升力下降，而另一片升力提高，从而产生反抗风况变化的阻尼作用。

另一类铰链式轮毂为各叶片自由的铰链式轮毂。每个叶片互不依赖，在外力作用下叶片可单独作调整运动。这种调整不但可做成仅具有挥向锥角改变的形式，还可做成挥向、摆向（在风轮旋转平面内）角度均可以变化的形式，如图320（b）所示。

由于铰链式轮毂具有活动部件，相对于固定式轮毂来说，制造成本高，可靠性相对较低，维护费用高。它与刚性轮毂相比，所能承受的力和力矩较小。