风机叶片

风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，结构上分根部、外壳、龙骨三个部分。类型多种，有尖头、平头、钩头、带襟翼的尖部等。制造工艺主要包括阳模→翻阴模→铺层→加热固化→脱模→打磨表面→喷漆等。设计难点包括叶型的空气动力学设计、强度、疲劳、噪声设计、复合材料铺层设计。工艺难点主要包括阳模加工、模翻制、树脂系统选用。叶片是一个大型的复合材料结构，其重量的90%以上由复合材料组成，每台发电机一般有三支叶片，1.5MW的发电机单支叶片用复合材料达6吨，而3MW以上的风机叶片单支重量在10吨以上。

概述

2008年下半年，受国际国内宏观经济形势影响，国内供电负荷增长趋缓，在相当数量火电机组出力受限的情况下，风电发展势头依然迅猛，风电叶片投资呈现逆市上扬的良好发展势头。叶片是风电部件中确定性较高、市场容量较大、盈利模式清晰的行业。随着供需紧张形势的缓解，叶片行业将经历从纷乱到寡头、从短缺到均衡、从暴利到薄利的过程，市场将形成数个1000套以上规模的寡头，这些企业将获得高于行业平均水平的盈利能力，而其他厂商将逐渐被边缘化。随着风电叶片市场规模的扩大，成本和售价都将下降，但具备规模、技术和成本优势的企业成本下降速度将超过售价降低速度，盈利超过平均水平。未来的行业竞争格局要求厂商规模扩大、成本降低、并在技术上保持一定优势。

风机叶片设计

风机叶片约占风机总成本的15%-20%，目前大型风力发电机的叶片基本上是由复合材料构成，复合材料含量通常超过90%。据统计，风机叶片尺寸每增大6%，捕获的风能可增加12%。

叶片的设计初衷是获得动力学效率和结构设计的平衡。材料和工艺的选择决定了叶片最终的实际厚度和成本。结构设计人员在如何将设计原则和制造工艺相结合的工作中扮演着重要角色，必须找出保证性能与降低成本之间的最优方案。

叶片受力分析：叶片上承受的推力驱动叶片转动。推力的分布不是均匀的而是与叶片长度成比例分布。叶尖部承受的推力要大于叶根部。

大梁设计：由于叶片自重和外部推力产生的弯曲变形是叶片的最主要载荷，为了提高弯曲性能，在叶片的长度方向上采用单向纤维布，且中间通过抗剪腹板将上下两层梁帽尽可能分隔开，抗剪腹板采用对角铺放的双向纤维布加泡沫(PET)芯材构成，起到增加整体刚性的作用。

内部梁结构：为了降低生产成本，设计中可以去除一些不必要的材料，常见的叶片都采用中空式设计。

叶壳：叶壳的作用主要是提供空气动力学外形。叶壳的夹芯结构增加了刚性，夹芯结构由玻璃钢表层中间加泡沫(PET)芯材或巴沙轻木(BALTEK)芯材构成。夹芯结构具备足够的刚性承担弯曲载荷同时防止脱粘。叶壳中的对角分布的纤维提供了必要的抗扭刚性。

叶根设计：叶根部分通常设计为圆形。同时为了满足维护等需要，叶片根部多以螺栓连接以便于拆装。对于金属大梁可以采用焊接的法兰连接。

几何尺寸优化设计：在不改变叶片几何外形的条件下，通过调整梁帽的薄厚来改变叶片性能，降低生产成本。厚度较薄的叶片需要配以更厚的梁帽，但会增加生产成本。同时腹板强度也需提高，但因为厚度变薄所以总的材料用量没有明显变化。综上所述，几何尺寸的优化设计需要从风机设计，载荷分析，结构设计和制造成本等多方面综合考量才能获得最佳的结果。

问题原因

主要原因：设计不完善、生产缺陷、自然原因和运行不当。

1 设计不完善

1.1面对降低成本的压力为了追求更高的利润，管理层要求设计出低廉的部件，以便使企业有更大的空间。设计部门有时不得不做出妥协，比如，减小叶片的叶根直径的方式来减少轮毂和叶片的成本，但是叶根尺寸减小后会导致叶片强度不够，再如，选择质量不佳但价格便宜的原材料，这往往导致叶片出现致命的缺陷。

1.2擅自更改生产工艺。

1.3极限设计

叶片的设计需要考虑到机组其他部件的要求与配合，例如，塔架与叶片的间距通常是设计叶片强度时需要考虑的一个原因，主轴和轴承也对叶片的重量提出要求，如果这些参数考虑不周就会使叶片设计达到极限值。

1.4安全质量降低

2 生产缺陷

2.1使用不合理的材料

2.2不严格的质量控制

2.3生产工工艺过程过于复杂，很难生产质量一致的产品

3 自然原因

主要包括：雷击、空气中的颗粒、高速风、剪切风、恶劣气候、疲劳寿命

4 运行和维护不当

4.1超额定功率运行

4.2失控

当机器変桨系统出现故障，机器上的刹车不会使叶轮停止转动，叶片出现失控，会继续快速旋转，严重会导致叶片抛出，造成风机灾难性事故。

4.3缺少预防性维护

在风机的日常运行维护时，叶片往往得不到重视。可是叶片的老化却在阳光，酸雨，狂风，自振，风沙，盐雾等不利的条件下随着时间的变化而发生着变化。在地面一旦发现问题，就意味着问题很严重。叶片的日常维护很难检查和维护到叶片，在许多风场叶片都会因为老化而出现自然开裂，沙眼，表面磨损，雷击损坏，横向裂纹等。这些问题如果日常维护做到位，就可以避免日后高额的维修费用、减少停机中造成的经济损失。(以上资料由海风风电科技有限公司提供)

损坏类型

主要有以下几种：普通损坏型、前缘腐蚀、前缘开裂、后缘损坏、叶根断裂、表面裂缝、雷击损坏等。

叶片裂纹维护

转子系统是旋转机械的重要部件，转子裂纹扩展引起的叶片断裂对于旋转机械危害极大。对转子叶片裂纹振动特性研究较多，对转子叶片裂纹故障的诊断、识别技术研究较少，而转子叶片裂纹及其扩展的识别对于最终实现叶片裂纹故障的诊断具有重要意义。在机械设备故障诊断中，通常采用基于平稳过程的经典信号处理方法——傅里叶变换分析和加窗傅里叶分析，分别仅从时域或频域给出信号的统计平均结果，无法同时兼顾信号在时域和频域的全貌和局部化特征，而这些局部化特征往往是故障的表征。

裂纹产生的原因应力集中。采用有限元计算分析得出，转轮在水压力及离心力的作用下，大应力区主要分布在转轮叶片周边上，按第三强度理论计算的相当应力沿叶片周边分布。一般转轮叶片存在四个高应力区，他们的位置在叶片进水边正面(压力分布面)靠近上冠处;叶片出水边正面的中部;叶片出水边背面靠近上冠处;叶片与下环连接区内。 铸造缺陷及焊接缺陷。铸造气孔、铸造砂眼等在外部应力的作用下可能会成为裂纹源，造成裂纹的产生。由于转轮叶片与上冠、下环的厚度相差大，在冷却过程中易产生缩孔、疏松等。铸焊结构的转轮，若焊接工艺不当或焊工没有按照焊接工艺的要求进行焊接，在焊缝及热影响区也会出现裂纹。

原设计问题，转轮叶片与上冠、下环间的过渡R角设计较小，引起应力集中。运行上的原因，长期低负荷、超负荷或在振动区运行会使叶片在交变应力作用下产生裂纹或裂纹情况加剧。裂纹无损探伤检查在大修时对转轮进行无损探伤检查，及时处理缺陷，消除事故隐患是十分必要的。严重的裂纹等缺陷用肉眼和放大镜外观检查即可发现，但较细小的缺陷和内部的缺陷必须用无损探伤检查。

常用的无损检测方法有以下几种：磁粉探伤、渗透探伤、超声波探伤、金属磁记忆、射线检测等。