第二节 叶片与轮毂

叶片是风轮上的执行元件，用于捕获风能。

图2-6所示为运输中的叶片。由于风力机额定功率越来越大，叶片也越来越长，给生产和运输造成了困难。因此，有的风力机采用分段式叶片，不仅降低了生产的难度，也解决了运输问题。图2-7所示为分段式叶片吊装。

一、叶片的外部特征

图2-8所示为大型水平轴升力型风力机螺旋桨式叶片。其外部结构特征主要有：

1）叶尖：叶片距离风轮回转轴线的最远点；

2）叶根：叶片与轮毂连接点；

3）叶片长度：叶尖与叶根之间的距离；

4）叶片投影面积：叶片在风轮扫掠面上投影的面积。

二、翼型

翼型也称为叶片剖面，它是指用垂直于叶片长度方向的平面去截叶片而得到的截面形状。

1．翼型几何定义

翼型沿叶片的分布和几何特征如图2-9所示。

（1）中弧线

翼型表面内切圆圆心光滑连接起来的曲线（图2-9b中的虚线）。

（2）前缘

翼型中弧线的最前点（图2-9b中的A点），翼型前缘内切圆半径称为前缘半径。

（3）后缘

翼型中弧线的最后点（图2-9b中的B点），翼型后缘上下翼面切线的夹角称为后缘角。

（4）几何弦

连接前缘与后缘的直线，其长度为几何弦长（简称弦长），通常用c表示，叶片根部翼型弦长称根弦，叶片尖部翼型弦长称尖弦。

（5）扭角

根弦与尖弦夹角的绝对值，如图2-10所示。

（6）平均几何弦长

叶片投影面积与叶片长度的比值。

（7）气动弦线

通过翼型后缘的直线，如果相对气流方向与其平行则升力为零。

（8）厚度

几何弦上各点垂直于几何弦的直线被翼型周线所截取的长度，用δ表示，最大厚度就是厚度最大值δ_max，通常以它作为翼型厚度的代表，最大厚度点离前缘的距离用x_δ表示，通常采用其相对值=x_δ/c。

（9）相对厚度

厚度的最大值与几何弦长的比值（=δ_max/c）。

（10）弯度

中弧线到几何弦的距离，显然，它也有一个最大值f_max。

2．翼型举例

传统的风轮叶片多沿用航空翼型（如NACA翼型），随着风电技术的发展和广泛应用，国外一些研究机构从20世纪80年代中期开始研究风力机专用的新翼型，并发展了一些翼型系列。其中有代表性的包括：美国的NREL-S翼型系列、丹麦的RISϕ翼型系列、荷兰的DU翼型系列、德国的AE翼型系列及瑞典的FFA-W翼型系列等。

20世纪90年代，Delft大学先后研发出了相对厚度从15%到40%的DU翼型族，该系列包含约15种翼型。DU翼型族使用广泛，风轮直径从29～100m，功率从350kW～3.5MW的风力机上均有使用。部分DU系列的几何外形如图2-11所示。

三、叶片常用材料

叶片常用材料大致有以下几种：

1）木材：采用木材制作的叶片，不易制造成扭曲。此类叶片多由几层木板粘压而成。采用木制叶片需要用强度好的整体木方作为叶片纵梁，承担叶片在工作时的载荷。叶片肋梁木板与纵梁木板用胶和螺钉可靠地连接，其余叶片空间用轻木或泡沫塑料填充，用玻璃纤维覆面，外涂环氧树脂。

2）钢材：一些叶片采用钢管或D型钢做纵梁、钢板做肋梁，内部填充泡沫塑料，外覆玻璃纤维复合塑料蒙皮的结构形式。叶片纵梁的钢管及D型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小，以满足扭曲叶片的要求，并减轻叶片重量。

3）铝合金：铝合金用于等弦长挤压成形的叶片。易于制造，可连续生产，将其截成需要的长度，又可按设计要求进行扭曲加工。铝合金叶片重量较轻且易于加工，但难以制作从叶根至叶尖渐缩形式的叶片。

4）玻璃纤维复合塑料：玻璃纤维复合塑料（GFRP），是以环氧树脂、不饱和树脂等塑料为基体，掺入玻璃纤维而做成的增强材料。玻璃纤维复合塑料具有强度高、重量轻、耐老化、可加工性较好等特性，在目前的风轮叶片制造中得到广泛应用。玻璃纤维复合塑料可用于制造叶片的表面和内部结构，叶片的填充部分多为泡沫塑料。玻璃纤维复合塑料的表面还可以通过上浆和涂覆改进质量。

5）碳纤维复合塑料：随着叶片长度的不断增加，叶片刚度成为重要的设计指标。研究表明，碳纤维复合塑料（CFRP）叶片刚度是玻璃纤维复合塑料叶片的2～3倍。目前，由于碳纤维复合塑料的价格因素影响了其在风轮叶片方面的应用，但随着国内外有关研究的进展，碳纤维复合塑料在大型叶片制造方面有很好的应用前景。

目前，一些新型玻璃纤维增强复合塑料因其重量轻、比强度高、可设计性强、性价比高等方面的因素，已成为大型风轮叶片的主流材料。在大型风轮叶片设计中，木材主要用于叶片内部的夹心结构，而钢材主要用于叶片结构的连接件，很少用于叶片的主体结构。

四、叶片断面结构

大型叶片一般由蒙皮与主梁组成。蒙皮的主要功能是提供叶片的气动外形，同时承担部分弯曲荷载与大部分剪切荷载。主梁承载叶片的大部分弯曲荷载，故为主要承力结构。风力发电机组风轮叶片的结构主要有以下几种形式。

1）叶片主体采用硬质泡沫塑料夹芯结构，玻璃纤维复合塑料的主梁作为叶片的主要承载部件，主梁常用D型、O型、矩形和C型等形式，玻璃纤维复合塑料蒙皮较薄，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Vestas公司和荷兰CTC公司为代表，如图2-12所示。其特点是重量轻，对叶片运输要求较高。D型、O型和矩形梁在缠绕机上缠绕成型；在模具中成型上、下两个半壳，再用结构胶将梁和两个半壳粘接起来。另一种方法是先在模具中成型C（或I）型梁，然后在模具中成型上、下两个半壳，利用结构胶将C（或I）型梁和两半壳粘接起来。

2）叶片蒙皮以玻璃纤维复合塑料层板为主，厚度在10～20mm之间；为了减轻叶片后缘重量，提高叶片整体刚度，在叶片上下蒙皮后缘局部采用硬质泡沫夹芯结构，叶片上下蒙皮是其主要承载结构。主梁设计相对较弱，为硬质泡沫夹芯结构，与蒙皮粘接后形成盒式结构，共同提供叶片的强度和刚度。这种结构型式叶片以丹麦LM公司为主，如图2-13所示。其优点是叶片整体强度和刚度较高，在运输、使用中安全性好。但这种叶片比较重，比同型号的轻型叶片重20%～30%，制造成本也相对较高。C型梁用玻璃纤维夹芯结构，使其承受拉力和弯曲力矩达到最佳。叶片上、下蒙皮主要以单向增强材料为主，并适当铺设±45°层来承受扭矩，再用结构胶将叶片蒙皮和主梁牢固地粘接在一起。

五、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。轮毂有铰链式和固定式两种，铰链式轮毂允许叶片沿不同方向做小幅度摆动，以改善受力状态，常用于单叶片和双叶片风轮；采用固定式轮毂，叶片没有摆动功能，但制造成本低、维护少、没有磨损，三叶片风轮常采用固定式轮毂。

用于三叶片风轮的固定式轮毂有球形和三圆柱形两种结构，如图2-14所示。这类轮毂多采用铸造成型，铸造材料是铸钢或球墨铸铁。

图2-15a所示为轮毂实物照片，图2-15b所示为轮毂与罩体的组合件。

六、叶片与轮毂的连接

定桨距叶片的叶根与轮毂直接连接，叶片所承受的载荷通过叶根向轮毂传递。叶根与轮毂连接结构主要有以下几种形式：

1）法兰式：如图2-16a所示，这种叶根连接形式是借助两个带法兰的筒状结构，采用金属材料制造，通过螺栓连接叶根和轮毂。

2）螺纹件预埋式：如图2-16b所示，在叶根部位预埋金属螺纹连接构件，构件与轮毂连接的端面设有连接螺纹孔。

3）钻孔组装式：如图2-16c所示，此种形式是在叶片成型后，沿叶根部位钻孔，将金属螺纹连接构件和双头螺柱装入，实现与轮毂的连接。

变桨距风力发电机组叶片与轮毂的连接是通过变距轴承实现的，采用不同的驱动方式，变距轴承也不相同，后文将集中介绍。