一、风轮
风轮是风力机的核心部件，由叶片和轮毂组成，其功能是将风能转换为机械能。图4-9所示为现场吊装的水平轴风力机的风轮。
图4-9 现场吊装的水平轴风力机的风轮
1.叶片
风力发电场的风力机通常有2～3片叶片，叶尖速度为50～70 m/s。三叶片的叶轮通常具有最佳效率，然而二叶片的叶轮仅降低2％～3％的效率。更多的人认为三叶片的叶轮从审美的角度更令人满意。三叶片叶轮上的受力更平衡，轮毂可以简单些。
叶片是由玻璃增强热固性塑料（GRP）、木头和木板、碳纤维增强塑料（CFRP）、钢和铝制成的。对于小型的风力机，如叶轮直径小于5 m，选择材料时通常关心的是效率，而不是重量、硬度和叶片的其他特性，通常用整块优质木材加工制成，表面涂上保护漆，其根部与轮毂连接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧；对于大型的风力机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。
目前，叶片多为玻璃纤维增强复合材料，基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。环氧树脂比聚酯树脂的强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小。聚酯材料较便宜，它在固化时收缩大，在叶片的连接处可能存在潜在的危险，即由于收缩变形，在金属材料与玻璃钢之间可能产生裂纹。东泰公司生产的风电叶片如图4-10所示。
图4-10 东泰公司生产的风电叶片
1.5 MW：40.3 m，6170 kg；2 MW：45.3 m，8000 kg
1）叶片的材料
叶片的材料极为重要，下面对其做具体介绍。
根据材料的不同，叶片可分为以下几种。
（1）实心木质叶片：用木材作为叶片材料，常用多层合成板与树脂黏结而成，易于加工成形，但需选用结构紧致的优质木材，而这种木材较稀缺，且存在吸潮等问题。由于木材吸收水分后容易变形，在其表面要覆上一层玻璃钢。
（2）金属材料叶片：由管梁、金属肋条和蒙皮组成。蒙皮做成气动外形，用钢钉和环氧树脂将蒙皮、金属肋条和管梁黏结在一起。常见的金属材料有钢、铝、钛，其拉伸强度较其他材料的大，但易腐蚀，缺口敏感性高，难以承受损伤。
（3）玻璃钢叶片：由梁和具有气动外形的玻璃钢蒙皮制成。玻璃钢蒙皮较厚，可以在玻璃钢蒙皮内填充泡沫，以增加强度。玻璃钢常用的材料有碳纤维增强树脂与玻璃纤维增强树脂，其重量轻，抗拉强度及疲劳强度高，是理想的叶片材料。
目前，叶片材料多采用玻璃钢。玻璃钢叶片归纳起来主要有以下优点：
①可充分根据叶片的受力特点来设计强度和刚度；
②容易成形，可加工出气动性能很高的翼型；
③具有优良的动力性能和较长的使用寿命；
④耐腐蚀，疲劳强度好；
⑤易于修补；
⑥维修方便。
2）叶片结构形式
常见的叶片结构形式主要有以下几种。
（1）空腹薄壁结构：该结构工艺简单，但承载能力相对较弱，抗失稳能力相对较差，如图4-11（a）所示。
（2）空腹薄壁填充泡沫结构：这种结构由玻璃钢薄壳和泡沫芯组成，如图4-11（b）所示，其抗失稳和局部变形能力较强，工艺简单，但填充泡沫在提高刚度的同时也增加了叶片的成本。
（3）C形梁结构：这种结构通过局部加强来提高叶片整体的强度和刚度，使叶片在运行过程中更为稳定，不易产生由不良振动引起的叶片附加载荷，改善了叶片的动力性能，如图4-11（c）所示。
（4）D形梁结构：这种结构是在C形梁结构的基础上发展起来的，C形梁为开口薄壁加强梁，承载能力较差，特别是抗扭转刚度，而采用D形梁后，其抗扭能力得到了大大提高，如图4-11（d）所示。
（5）矩形梁结构：主梁布置在叶片轴心位置，承力性能较好，尤其适用于失速型叶片控制系统，如图4-11（e）所示。(https://www.daowen.com)
3）叶片专用翼型
叶片专用翼型中具有代表性的有美国的SERI翼型系列和NREL翼型系列、丹麦的RISΦ-A翼型系列和瑞典的FFA-W翼型系列。
（1）SERI翼型系列。
SERI翼型系列有三种针对不同叶片长度的翼型。这一系列的翼型具有较高的升阻比和较大的升力系数，而且失速时对翼型表面粗糙度的敏感性低。其中，图4-12所示的SERI S805A、S806A和S807适用于直径为10～30 m的风力机叶片，图4-13所示的SERI S812、S813和S814适用于直径为21～35 m的风力机叶片，图4-14所示的SERI S816、S817和S818适用于直径在36 m以上的风力机叶片。
图4-11 常见的叶片结构
1—桁架（纤维强度居中）；2—肋条（纤维强度最大）；3—抗扭层（纤维强度较弱）
图4-12 SERI S805A、S806A和S807翼型系列
图4-13 SERI S812、S813和S814翼型系列
图4-14 SERI S816、S817和S818翼型系列
（2）NREL翼型系列。
NREL翼型系列包括薄翼型和厚翼型，分别用于大、中型叶片，如图4-15所示。图中从上到下的翼型分别用于靠近叶尖部分约95％半径处、叶片主要外部区域约75％半径处及靠近叶根部分约40％半径处。
图4-15 NREL翼型系列
（3）RISΦ-A翼型系列。
RISΦ-A翼型系列如图4-16所示。该系列的翼型前缘较尖锐，能够使流体迅速加速并产生负压峰值，且这种翼型在接近失速时具有最大升阻比，最大升力系数可达1.65，对前缘粗糙度不敏感。
图4-16 RISΦ-A翼型系列
（4）FFA-W翼型系列。
这种翼型系列具有较高的最大升力系数和升阻比，而且在失速时的气动性能较好。图4-17所示为FFA-W3-211翼型，其相对厚度为21.1％，属于薄翼型，可以用于叶尖部分。
图4-17 FFA-W3-211翼型
2.轮毂
轮毂是连接叶片和主轴的零部件。风力机的叶片都安装在轮毂上，轮毂是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传动机构中。轮毂也是控制叶片桨距的装置。轮毂的结构取决于叶片数量、风力机的调速方式（定桨距失速方式还是变桨距方式）、叶片展长轴线与风轮轴垂直平面的夹角。轮毂有固定式轮毂和铰链式轮毂两种类型。轮毂多由球墨铸铁制成。
固定式轮毂如图4-18所示，球形和三通形为常见的固定式轮毂结构，这种轮毂的主轴与叶片长度方向的夹角固定不变，叶片上全部的力和力矩都经轮毂传递到后续部件。固定式轮毂没有磨损，成本低，三叶片风轮多采用这种类型的轮毂。
图4-19所示为铰链式轮毂，这种类型的轮毂多用于单叶片和两叶片风轮。图4-19（a）所示为两叶片之间相对固定的轮毂。叶片之间固定连接，轴向相对位置不变，铰链轴线通过叶轮质心，叶片可以绕铰链轴沿风轮俯仰方向（挥向）相对中间位置作±（5°～10°）的摆动。当来流速度在叶轮扫风面上下有差别或者有阵风出现时，叶片上的载荷使得叶片离开中间位置，若位于上部的叶片向前，则下部的叶片要向后。叶片悬挂的角度与风轮的速度有关。这种类型的风轮具有阻尼器的作用，但噪声大。图4-19（b）所示为各叶片自由的铰链式轮毂，每片叶片可以单独作自由调整运动且互不依赖，但这种类型的轮毂成本高，可靠性相对较低。
3.叶柄
叶柄即叶片的根部，是风轮中连接叶片和轮毂的部件。以定桨距叶片为例，如图4-20所示，常用螺栓与轮毂连接，可在叶片成形过程中将螺纹件预埋在壳体中，如图4-21所示；或者在叶片成形后，用专用钻床和工具在叶柄部位钻孔，将螺纹件装入，如图4-22所示。