风轮

风力机部件

在电力学、能源学中，风轮是指将风能转化为机械能的风力机部件。由叶片和轮毂组成。在中医学中，风轮是指角膜部分。

背景

能源是人类社会发展和经济增长的原动力。以化石燃料为主的能源结构，不仅资源难以支撑，而且对环境带来严重问题，特别是温室气体排放造成全球气候变化将带来一系列生态和环境问题。解决这一难题的出路在于开发清洁的可再生能源。在可再生能源中，除水电以外，风电最具有商业开发条件。风能作为环境友好型的可再生能源，它的开发和利用不仅可以缓解世界能源危机，而且还具有常规化石能源不可比拟的优势，如可持续开发，不存在资源枯竭问题，不排放二氧化碳等温室气体和其他有害物质等。地球上风能资源非常丰富，据有关调查结果显示，全球的风能储量约为2.74×109MW，其中可经济开发利用的风能为2×10 7MW，比可开发利用的水电总量还要大10倍。随着常规化石能源的枯竭和生态环境的恶化，以风电为代表的可再生能源的开发和利用受到各国政府的重视，经过最近二十多年的发展，尤其是近几年，风电产业日益成为一个迅速增长的新兴产业。

全球风电产业的迅猛发展带动了风电机组及其上游产业链的快速发展，其中叶片是风电机组的关键部件之一，其性能好坏直接影响风电机组的风能利用效率和机组所受载荷，在很大程度上决定了机组的整体性能和风电开发利用的经济性。同时，叶片也是风机的核心部件，其成本约为风电机组总成本的20%。因此，世界各大主要风机制造商都非常重视叶片的设计和生产，并尽可能保持独立的设计和生产能力。

风轮叶片发展

叶片造型

风机叶片专用翼型已成系列，但还存在很大改进空间。采用柔性叶片也是一个发展方向，利用新型材料进行设计，从而改进空气动力和叶片受力状态，增加可靠性和对风能捕获量。

在开发新的叶片外形上也进行大量尝试，Enercon公司对33m叶片进行空气动力实验，经过精确的测定，叶片的实际气动效率为56%，比按照Betz计算的最大气动效率低约3～4%。为此，该公司对大型叶片外形型面和结构都进行了必要的改进，包括为抑制生成扰流和旋涡在叶片端部安装“小翼”；为改善和提高涡轮发电机主舱附近的捕风能力，对叶片根茎进行重新改进，缩小叶片的外形截面，增加叶径长度；对叶片顶部和根部之间的型面进行优化设计。在此基础上，Enercon公司开发出旋转直径71m的2MW风力发电机组，改进后叶片根部的捕风能力得以提高。Enercon公司在4.5MW风力发电机设计中继续采用此项技术，旋转直径为112m的叶片端部仍安装有倾斜“小翼”，使得叶片单片的运行噪音小于3个叶片(旋转直径为66m)运行时产生的噪音。

叶片材料

风机机组正朝着大型化发展，叶片长度越来越长，捕获的风能越来越多。风场经营者和能源公司都看好大叶片，因此Enercon公司的6MW机组应运而生，GE公司的7MW机组研发紧锣密鼓，而英国正在研制10MW的巨型风力机。如此大功率风机配套的叶片将是超规模的。普遍采用的玻纤增强聚脂树脂、玻纤增强环氧树脂将无法满足要求。所以必须开发更为先进的材料，具备轻质、高强以及刚性好的性能。

碳纤维的使用已成必然，但一般以碳/玻混杂的形式出现。3TEX开发了一种三维混杂结构。这种结构具备高强度、高刚度特性，同时该结构能使树脂灌注速度加快，缩短工作时间。且这种结构较厚，减少了铺层层数，节约劳动力，降低了生产成本。实际结果表明，使用这种混杂纤维形式比全玻璃钢叶片减轻质量约为10%左右。

垂直轴自变叶片风轮

基本结构

自变叶片风轮至少由主轴、框架、子轴和叶片构成。主轴在框架中心，框架和叶片绕主轴旋转。子轴约在叶片三分之一的位置，固定在框架上，叶片绕子轴旋转。离子轴较长的叶片部分分别位于框架的两侧。

工作原理

当风吹向如右图1所示的风轮时，右边叶片紧贴框架，推动框架绕主轴旋转；左边由于没有框架挡住（叶片长边位于框架另一侧），因叶片长边受力大于短边，故叶片会绕子轴旋转到最小迎风面积，风的阻力很小。左右两边受力不同，从而造成压力差推动风车转动。

特点

（1）水平轴三叶型风轮特点

风轮的目的是利用风能发电。现有风力发电机主要是水平轴三叶型，由于该类型在风向转变时须随风摆动造成结构较为复杂，能量损耗大，噪音大，且影响寿命、成本和维修。

（2）现有垂直轴型风轮特点

垂直轴型风轮不需要随着风向摆动，电机位置固定，运作稳定，噪音小等。而现有垂直型发电机虽然不受风向影响，然而风叶有一半时间处于逆风周期。如萨伏纽斯风阻型风力机是利用风叶的形状的改变，在顺风周期时迎风面风叶是凹面风压较大，在逆风周期时迎风面是凸面风压较小，从而造成压力差推动风车转动;机翼型定

叶风力机是利用机翼的升力来推动风车转动，但是这两种风车的顺风周期和逆风周期迎风面面积一样，故而在低风速时功率启动扭力低。使得垂直轴型风力机比类似尺寸的水平轴型功率小，同功率风电机的造价垂直轴型贵很多，因此现有垂直轴型风力机没有能够得到推广，同时大型的垂直轴型尤其是兆瓦级的难以实现。