第二節 葉片與輪轂

葉片是風輪上的執行元件，用于捕獲風能。

圖2-6所示為運輸中的葉片。由于風力機額定功率越來越大，葉片也越來越長，給生產和運輸造成了困難。因此，有的風力機采用分段式葉片，不僅降低了生產的難度，也解決了運輸問題。圖2-7所示為分段式葉片吊裝。

一、葉片的外部特征

圖2-8所示為大型水平軸升力型風力機螺旋槳式葉片。其外部結構特征主要有：

1）葉尖：葉片距離風輪回轉軸線的最遠點；

2）葉根：葉片與輪轂連接點；

3）葉片長度：葉尖與葉根之間的距離；

4）葉片投影面積：葉片在風輪掃掠面上投影的面積。

二、翼型

翼型也稱為葉片剖面，它是指用垂直于葉片長度方向的平面去截葉片而得到的截面形狀。

1．翼型幾何定義

翼型沿葉片的分布和幾何特征如圖2-9所示。

（1）中弧線

翼型表面內切圓圓心光滑連接起來的曲線（圖2-9b中的虛線）。

（2）前緣

翼型中弧線的最前點（圖2-9b中的A點），翼型前緣內切圓半徑稱為前緣半徑。

（3）后緣

翼型中弧線的最后點（圖2-9b中的B點），翼型后緣上下翼面切線的夾角稱為后緣角。

（4）幾何弦

連接前緣與后緣的直線，其長度為幾何弦長（簡稱弦長），通常用c表示，葉片根部翼型弦長稱根弦，葉片尖部翼型弦長稱尖弦。

（5）扭角

根弦與尖弦夾角的絕對值，如圖2-10所示。

（6）平均幾何弦長

葉片投影面積與葉片長度的比值。

（7）氣動弦線

通過翼型后緣的直線，如果相對氣流方向與其平行則升力為零。

（8）厚度

幾何弦上各點垂直于幾何弦的直線被翼型周線所截取的長度，用δ表示，最大厚度就是厚度最大值δ_max，通常以它作為翼型厚度的代表，最大厚度點離前緣的距離用x_δ表示，通常采用其相對值=x_δ/c。

（9）相對厚度

厚度的最大值與幾何弦長的比值（=δ_max/c）。

（10）彎度

中弧線到幾何弦的距離，顯然，它也有一個最大值f_max。

2．翼型舉例

傳統的風輪葉片多沿用航空翼型（如NACA翼型），隨著風電技術的發展和廣泛應用，國外一些研究機構從20世紀80年代中期開始研究風力機專用的新翼型，并發展了一些翼型系列。其中有代表性的包括：美國的NREL-S翼型系列、丹麥的RIS?翼型系列、荷蘭的DU翼型系列、德國的AE翼型系列及瑞典的FFA-W翼型系列等。

20世紀90年代，Delft大學先后研發出了相對厚度從15%到40%的DU翼型族，該系列包含約15種翼型。DU翼型族使用廣泛，風輪直徑從29～100m，功率從350kW～3.5MW的風力機上均有使用。部分DU系列的幾何外形如圖2-11所示。

三、葉片常用材料

葉片常用材料大致有以下幾種：

1）木材：采用木材制作的葉片，不易制造成扭曲。此類葉片多由幾層木板粘壓而成。采用木制葉片需要用強度好的整體木方作為葉片縱梁，承擔葉片在工作時的載荷。葉片肋梁木板與縱梁木板用膠和螺釘可靠地連接，其余葉片空間用輕木或泡沫塑料填充，用玻璃纖維覆面，外涂環氧樹脂。

2）鋼材：一些葉片采用鋼管或D型鋼做縱梁、鋼板做肋梁，內部填充泡沫塑料，外覆玻璃纖維復合塑料蒙皮的結構形式。葉片縱梁的鋼管及D型鋼從葉根至葉尖的截面應逐漸變小，以滿足扭曲葉片的要求，并減輕葉片重量。

3）鋁合金：鋁合金用于等弦長擠壓成形的葉片。易于制造，可連續生產，將其截成需要的長度，又可按設計要求進行扭曲加工。鋁合金葉片重量較輕且易于加工，但難以制作從葉根至葉尖漸縮形式的葉片。

4）玻璃纖維復合塑料：玻璃纖維復合塑料（GFRP），是以環氧樹脂、不飽和樹脂等塑料為基體，摻入玻璃纖維而做成的增強材料。玻璃纖維復合塑料具有強度高、重量輕、耐老化、可加工性較好等特性，在目前的風輪葉片制造中得到廣泛應用。玻璃纖維復合塑料可用于制造葉片的表面和內部結構，葉片的填充部分多為泡沫塑料。玻璃纖維復合塑料的表面還可以通過上漿和涂覆改進質量。

5）碳纖維復合塑料：隨著葉片長度的不斷增加，葉片剛度成為重要的設計指標。研究表明，碳纖維復合塑料（CFRP）葉片剛度是玻璃纖維復合塑料葉片的2～3倍。目前，由于碳纖維復合塑料的價格因素影響了其在風輪葉片方面的應用，但隨著國內外有關研究的進展，碳纖維復合塑料在大型葉片制造方面有很好的應用前景。

目前，一些新型玻璃纖維增強復合塑料因其重量輕、比強度高、可設計性強、性價比高等方面的因素，已成為大型風輪葉片的主流材料。在大型風輪葉片設計中，木材主要用于葉片內部的夾心結構，而鋼材主要用于葉片結構的連接件，很少用于葉片的主體結構。

四、葉片斷面結構

大型葉片一般由蒙皮與主梁組成。蒙皮的主要功能是提供葉片的氣動外形，同時承擔部分彎曲荷載與大部分剪切荷載。主梁承載葉片的大部分彎曲荷載，故為主要承力結構。風力發電機組風輪葉片的結構主要有以下幾種形式。

1）葉片主體采用硬質泡沫塑料夾芯結構，玻璃纖維復合塑料的主梁作為葉片的主要承載部件，主梁常用D型、O型、矩形和C型等形式，玻璃纖維復合塑料蒙皮較薄，僅2～3mm，主要保持翼型和承受葉片的扭轉載荷；這種形式的葉片以丹麥Vestas公司和荷蘭CTC公司為代表，如圖2-12所示。其特點是重量輕，對葉片運輸要求較高。D型、O型和矩形梁在纏繞機上纏繞成型；在模具中成型上、下兩個半殼，再用結構膠將梁和兩個半殼粘接起來。另一種方法是先在模具中成型C（或I）型梁，然后在模具中成型上、下兩個半殼，利用結構膠將C（或I）型梁和兩半殼粘接起來。

2）葉片蒙皮以玻璃纖維復合塑料層板為主，厚度在10～20mm之間；為了減輕葉片后緣重量，提高葉片整體剛度，在葉片上下蒙皮后緣局部采用硬質泡沫夾芯結構，葉片上下蒙皮是其主要承載結構。主梁設計相對較弱，為硬質泡沫夾芯結構，與蒙皮粘接后形成盒式結構，共同提供葉片的強度和剛度。這種結構型式葉片以丹麥LM公司為主，如圖2-13所示。其優點是葉片整體強度和剛度較高，在運輸、使用中安全性好。但這種葉片比較重，比同型號的輕型葉片重20%～30%，制造成本也相對較高。C型梁用玻璃纖維夾芯結構，使其承受拉力和彎曲力矩達到最佳。葉片上、下蒙皮主要以單向增強材料為主，并適當鋪設±45°層來承受扭矩，再用結構膠將葉片蒙皮和主梁牢固地粘接在一起。

五、輪轂

輪轂是將葉片和葉片組固定到轉軸上的裝置，它將風輪的力和力矩傳遞到主傳動機構中去。輪轂有鉸鏈式和固定式兩種，鉸鏈式輪轂允許葉片沿不同方向做小幅度擺動，以改善受力狀態，常用于單葉片和雙葉片風輪；采用固定式輪轂，葉片沒有擺動功能，但制造成本低、維護少、沒有磨損，三葉片風輪常采用固定式輪轂。

用于三葉片風輪的固定式輪轂有球形和三圓柱形兩種結構，如圖2-14所示。這類輪轂多采用鑄造成型，鑄造材料是鑄鋼或球墨鑄鐵。

圖2-15a所示為輪轂實物照片，圖2-15b所示為輪轂與罩體的組合件。

六、葉片與輪轂的連接

定槳距葉片的葉根與輪轂直接連接，葉片所承受的載荷通過葉根向輪轂傳遞。葉根與輪轂連接結構主要有以下幾種形式：

1）法蘭式：如圖2-16a所示，這種葉根連接形式是借助兩個帶法蘭的筒狀結構，采用金屬材料制造，通過螺栓連接葉根和輪轂。

2）螺紋件預埋式：如圖2-16b所示，在葉根部位預埋金屬螺紋連接構件，構件與輪轂連接的端面設有連接螺紋孔。

3）鉆孔組裝式：如圖2-16c所示，此種形式是在葉片成型后，沿葉根部位鉆孔，將金屬螺紋連接構件和雙頭螺柱裝入，實現與輪轂的連接。

變槳距風力發電機組葉片與輪轂的連接是通過變距軸承實現的，采用不同的驅動方式，變距軸承也不相同，后文將集中介紹。