風力發(fā)電機組通過葉片將空氣的動能轉(zhuǎn)化為機械能，再由發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。風輪及其葉片在能量轉(zhuǎn)換中擔任著重要角色，這里介紹目前廣泛應用的水平軸風力發(fā)電機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，稱為翼型的氣動升力。翼型氣動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 翼型氣動升力與入流攻角的關(guān)系

翼型的相對來流速度W是風速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 - 軸向誘導因子，指氣流接近并流過風輪時軸向速度變化程度

Ω - 風輪旋轉(zhuǎn)速度

r - 半徑，指葉片截面所在半徑位置

a' - 周向誘導因子，指氣流接近并流過風輪時周向速度變化程度

相對來流速度的方向由風速和葉片截面旋轉(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，葉片各個截面的旋轉(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。

氣動升力在葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的分量驅(qū)動風輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生軸功，驅(qū)動發(fā)電機發(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)代變槳變速風力發(fā)電機組運行時，風輪轉(zhuǎn)速會隨風速增加而增加，葉片在最佳葉尖速比即最佳來流攻角下運行，以保證風輪具有較高的風能利用效率。當風速繼續(xù)增加，風力機達到額定功率后，葉片開始變槳，減小相對來流攻角，降低葉片上的氣動升力，從而限制風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，從而使氣流流動發(fā)生變化。氣流從遠前方流向風力機，在接近風輪時，由于葉片升力和阻力的作用，氣流速度逐漸下降，同時氣流向外擴散，靜壓強逐漸升高；氣流在風輪的緊后方，靜壓強突然降低；隨氣流進一步向后移動，氣流速度進一步下降同時氣流進一步向外擴散，靜壓強逐漸升高至周圍大氣壓，圖3表示氣流流經(jīng)風輪掃掠面積時，氣流流動在葉片作用下的變化過程。

圖3 風輪對流經(jīng)氣流的作用過程

假設(shè)流經(jīng)風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，風輪前后壓力均勻分布，應用連續(xù)方程、伯努利方程和動量方程，可以得到風輪上的推力F：

式中 ρ- 空氣密度

A - 風輪掃掠面積

推力F和氣流速度U（1－a）的乘積即風輪功率P，因此：

定義風輪的風能利用效率CP為：

由式4可知，當a =1/3時，風輪具有最大風能利用系數(shù)CP=16/27 ≈ 0.593，即貝茨極限理論。在實際風輪上，由于翼型阻力、葉尖葉根損失等影響，風能利用系數(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，其氣動性能對風機性能具有決定性影響，因此使用空氣動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，葉片可以分成三個組成部分：大梁—承載結(jié)構(gòu)、蒙皮—氣動結(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，梁帽由拉壓強度很高的單向纖維復合材料制造，腹板是多向纖維復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)成葉片的氣動外形；葉根由多向纖維復合材料制造，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)

風力機葉片主要使用玻璃纖維復合材料（玻璃鋼）制造，主要原材料有四種：增強材料、樹脂、芯材和粘接膠。增強材料一般為E級玻璃纖維布，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級玻璃纖維復合材料的抗拉強度約760MPa，有研究認為這種材料可以制造長度不超過60m的風電葉片。若葉片更長，則需要用碳纖維替代E級玻璃纖維，單向碳纖維復合材料的抗拉強度超過1 000MPa。但由于碳纖維價格高昂、產(chǎn)能有限且制造要求高難度大，近期仍無法大量應用與風能產(chǎn)業(yè)。目前比E級玻璃纖維性能更好的可用增強材料有H級玻璃纖維，其楊氏模量超過80GPa，而E級玻璃纖維的楊氏模量則在72GPa左右，約超過20%，可能成為將來風電葉片的主要增強材料。

碳纖維復合材料難制造，主要在葉片的制造過程中，難免部分纖維發(fā)生皺曲，纖維皺曲會大幅降低碳纖維復合材料的強度，形成薄弱點；葉片在制造過程中，樹脂固化時會釋放大量的熱量，由于碳纖維與樹脂間的熱膨脹系數(shù)相差較大，會在復合材料內(nèi)部形成較大的內(nèi)應力；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)代風力機葉片的制造工藝主要有兩種：真空導入法和預浸料法。

真空導入法在國內(nèi)被廣泛使用，其基本原則是樹脂在真空負壓作用下被“吸入”增強纖維或纖維布中。具體操作時，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)形成真空后導入樹脂，樹脂固化后從模具內(nèi)取出葉片，見圖6。真空導入法具有環(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，但也存在制造準備時間長、制造過程風險較高的缺點。

圖6 真空灌注工藝

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

五、葉片全尺寸試驗

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

葉片的固有頻率對風力發(fā)電機組載荷模擬結(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，驗證葉片的質(zhì)量、剛度分布是否滿足設(shè)計要求。

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

葉片疲勞試驗的主要目的是驗證葉片制品具有足夠的抗疲勞強度。首先將葉片20年運行期內(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作用力，進行疲勞試驗。

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