叶片是风力发电机中最主要的受力部件,其性能质量会直接影响到整个发电机组的发电效率与运行维护的安全,因此,对叶片的选材、结构气动外形设计是风力发电机中最关键的技术问题。通常来说,叶片的成本占整体的20%-25%,在我国约有25%的风力发电场处在风沙较为频繁的环境下,恶劣的风沙环境会对风力发电机叶片产生冲蚀磨损作用,使得气动外形受到破坏、风能利用系数降低,甚至会造成整个叶片损毁,机组坍塌等严重后果。内蒙古中西部地区地处常年沙尘暴地带,而风力发电机总装机量常年居于全国首位。本研究内容以内蒙古中西部地区风力发电机组为研究对象,以地区具有代表性的1.5MW风力发电机叶片为原型机,基于相似理论模型,自主设计并使用木芯和玻璃纤维两种叶片材料加工成100W小功率风力发电机叶片,对其进行等效研究。利用课题组设计及制造的气固两相流风沙模拟冲蚀装置,对叶片进行不同类型的模拟风沙环境冲蚀实验,后采取电阻应变片测试法与车载法相结合的方法,在自然环境下实际风况对冲蚀后不同类型的叶片进行了载荷实验研究,得出了叶片表面载荷受力分布规律。根据叶片翼型特点,选取6个截面处的迎风表面作为测试点,在测试点上粘贴电阻应变片对其进行电阻应变片测试,用以测试叶片迎风表面载荷受力;之后,将叶片组成小型发电机组,接入动态应变测试电路,通过车载实验模拟自然风场来流;通过无线动态应变采集仪采集车载实验实时载荷数据,将大量载荷数据等比例缩小,基于比恩法建立数学模型,分析叶片不同冲蚀类型、不同材料、不同测试点的载荷受力规律。结果表明:使用木芯和玻璃纤维两种材料制作的叶片中,玻璃纤维材料叶片是同翼型木芯材料叶片质量的1.5倍;在同样冲蚀磨损条件下,玻璃纤维叶片的磨损率比木芯叶片低1.2%～6%。实验表明,木芯叶片的应力分布规律为两端测试点大于中间测试点,玻璃纤维材料叶片叶根处测试点应力大于叶尖处测试点,两种材料叶片的应力变化规律表现为:随冲蚀磨损作用造成粗糙度的增大而增大。玻璃纤维叶片工作时启动风速更低,且其相对质量大,因此,该材料叶片整体的应力载荷受力比木芯叶片多0.7MPa,两组叶片设计安装角度在桨距角度为23°时功率输出特性最优,此角度的迎风面受风面积最大;而在变桨角度变化的过程中,随着叶片磨损程度的加剧,叶片迎风面的磨损程度越严重,且叶尖处构造相对叶根处更轻薄,因此,长时间受力导致叶片严重受损,甚至出现小面积脱落的情况。最后,本研究针对两种材料叶片在不同磨损状况中,不同测试点受力变化进行分析。叶片受到磨损后,各测试点变化趋势平缓,且玻璃纤维材料更稳定,受磨损影响较小、耐久性能更好。因此,考虑到后期的运行、维护成本,轻木芯材料叶片更适用于小型风力发电机组,而玻璃纤维叶片可被大型风力发电机组广泛应用。