低溫環境對葉片設計的影響

　　低溫環境對葉片結構性能的影響主要有如下幾個方面：
　　對結構剛度的影響：低溫環境下葉片剛度變大，對彎扭耦合效應明顯的柔性葉片而言，其變形相對常溫下在同等載荷水平時偏小，從而使載荷水平會有所提升，發電量也隨之有所提升，因此需要對低溫剛度水平下的葉片載荷水平進行分析確認；對于一般葉片而言，剛度的變化，會導致葉片頻率的改變，需要確認頻率改變不會導致葉片與風機其他部件發生共振問題，及相關振動問題對葉片及機組載荷水平的影響；
　　對疲勞壽命的影響：主要需考慮低溫環境下，樹脂和粘接膠的韌性會降低，斷裂延伸率也會減小，從而降低了其疲勞性能，最終影響葉片的疲勞壽命。
　　低溫因素對葉片結構阻尼的影響：由于低溫對復合材料葉片結構阻尼影響較大，特別是環境溫度低于-20℃時，葉片自身的結構阻尼會下降。從而增大了振動的風險，因此需要確認結構阻尼的下降是否會影響機組與此相關的振動和載荷問題；
　　低溫對熱膨脹系數差異較大的葉片部件裝配的影響：玻纖材料和環氧體系的粘接膠熱脹系數差異較小，不用考慮低溫因素的影響；但玻璃鋼與金屬材料、碳纖材料的熱脹系數差異較大，需要考慮可能引發的裝配問題。
　　風機的實際運行環境，不僅存在低溫環境，也存在高溫環境，那么高、低溫環境是怎樣定義的呢？高、低溫環境下載荷評估、葉片設計等環節需要做什么樣的特殊考慮呢？這些問題是本期譯評討論的對象。
　　1 極限高低溫環境的定義
　　1.1高低溫環境定義
　　極限溫度是相對常溫環境來定義的。
　　常溫環境：風機運行環境溫度在-10到40攝氏度，極限溫度在-20到50攝氏度之間。
　　高溫環境：風機運行環境問題高于40攝氏度，極限溫度高于50攝氏度；
　　低溫環境：風機運行環境溫度低于-10攝氏度，相應極限溫度低于-20攝氏度。
　　如果長期觀測溫度（最好大于等于10年的周期）最低值低于-20攝氏度，平均每年超過9天，該處就可以定義為低溫位置；9天的判定條件定義為，如果在特定的日期溫度持續低于-20攝氏度的時間大于等于1個小時。在這種情況下，風機及其基礎結構需要做低溫環境的特殊考慮。
　　相應的，如果在大約等于10年的觀測期內，年平均溫度高于50攝氏度的天數多于9天，該地區就可以定義為高溫地區。9天的判讀條件定義為，如果在特定的日期溫度持續高于50攝氏度的時間大于等于1個小時。在這種情況下，風機及其基礎結構需要做高溫環境的特殊考慮。
　　1.2度量高低溫環境的參數
　　年平均溫度：基于小時平均數據的年平均環境溫度；
　　最低運行溫度：風機運行最低許用環境溫度（瞬時數據）；
　　最高運行溫度：風機運行最高許用環境溫度（瞬時數據）；
　　年最低溫度：小時平均預期最低環境溫度（一年發生一次）；
　　年最高溫度：小時平均預期最高環境溫度（一年發生一次）；
　　年平均環境溫度對應的空氣密度；
　　最低運行溫度對應的空氣密度；
　　年最低溫度對應的空氣密度；
　　最低區域生存溫度：在年平均最低（外部）環境溫度下，在給定范圍內（瞬時值）某部件的最低許用內部生存溫度；
　　最高區域生存溫度：在年平均最低（外部）環境溫度下，在給定范圍內（瞬時值）某部件的最高許用內部生存溫度；
　　最低區域運行溫度：在年平均最低運行（外部）環境溫度下，運行狀態下風機的某個運轉的部件或裝置，其最低許用內部溫度；
　　最高區域運行溫度：在年平均最大運行（外部）環境溫度下，運行狀態下風機的某個運轉的部件或裝置，其最高許用內部溫度；
　　溫度偏差：部件所描述區域與其周圍的溫度偏差；
　　運行溫度偏差：風機運行時，部件所描述區域與其周圍的溫度偏差。
　　1.3特定溫度下空氣密度的計算
　　考慮外部條件的必要性在于設計與風機將要安裝的位置對應的高低溫環境密切相關。在低溫或高溫條件下，風機設計者需要指明正常條件和極限條件的空氣密度。必要時，需要專門指定整個風機或相關的風機部件，包括電氣柜和傳動鏈的許用運行溫度。
　　低溫下的空氣密度需要根據理想氣體標準大氣壓下101325pa進行折算。
　　年最低溫度可以采用該值+35K來計算對應的空氣密度，而最低運行溫度可以采用該值+25K來計算對應的空氣密度。分別增加35K和25K等效于定義標準溫度條件。
　　標準溫度條件的標準空氣密度為1.225kg/m^3,參考15攝氏度得到。對應的標準空氣溫度范圍為-10度到40度，也就是15度±25K。標準溫度的極限溫度范圍為-20度到50度，也就是15±35K。年平均溫度保持不變，為15度。
　　采用如下公式計算不同溫度下的空氣密度： 　　其中，p=101325Pa，海平面的氣壓；R=287 J/(kg.K)，通用空氣常數；溫度值θ,單位采用K。不同海拔高度需要進行修正。
　　2 極限溫度對載荷的影響
　　在極限溫度下的載荷計算時，空氣密度需要根據每個工況相應的溫度和海拔進行修正。不僅載荷計算，功率計算也需要考慮空氣密度的修正。
　　材料的力學性能也需要根據氣溫進行調整。尤其是彈性體和傳動鏈的阻尼特性，需要考慮溫度對材料性能的影響。
　　極限溫度運行條件對傳動鏈效率損失、阻尼和變槳系統響應均會有影響。如果極端風與溫度條件存在聯系，在適當的載荷工況需要綜合考慮載荷受到的影響。
　　如果熱脹系數偏差過大，則較大的溫度梯度會導致系統剛度的改變，例如可能會導致軸承或螺栓預緊松動。在設計時需要引入一個由于溫度和熱脹系數差異導致的附加載荷。
　　載荷計算需要更改溫度范圍，主要影響載荷的因素是空氣密度。
　　空氣密度改變對風機的影響點：
　　1）改變功率曲線；2）不良風機控制行為；3）結冰導致啟機和停機動作增加；4）不可預期的風機失速行為。