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    中材科技李成良經理:海上葉片設計技術及發展
    發布時間:2017/10/19 10:30:55   瀏覽次數:2035

    2017年10月16日-19日,2017北京國際風能大會(CWP2017)在北京隆重召開。在中國國際展覽中心(新館)“風電葉片大型化問題和技術”專場,中材科技風電葉片股份有限公司李成良經理介紹了中材科技在葉片設計開發過程中間具體的工作。

    以下為演講內容:

    李成良:謝謝陳總,各位風電同仁大家上午好,我今天報告的是海上葉片設計技術和發展,主要分為三個部分。

    第一部分,海上風電的現狀及挑戰。

    全球的海上風電是蓬勃發展,海上風電持續增長,海上風電將以10.7%的年復合增長率在快速增長。同時帶來一個問題,海上快速發展帶來海上葉片大型化。從圖上可以看到,所有機組基本上都在5到6兆瓦之間,海上葉片也是預測在今后幾年來,將是以70米以上葉片為主。

    由于葉片長度增加帶來一些新的問題,比如重度和疲勞,隨著葉片長度的增加,它的載荷工況,隨著長度增加會增高。舉個例子說重量,在小葉片表現并不明顯,但是在大葉片,重力將成為載荷的主要來源。

    同時由于長度和重量的增加,也會導致在小葉片當中出現的揮舞為主的工況,逐漸轉變為以揮舞、擺振和扭轉為主,就會出現很明顯的呼吸效應,這個也是我們在開發中需要重點關注的問題。

    同時海上葉片發展也面臨嚴重的挑戰,就是海上環境,大家知道海上多臺風,臺風對海上葉片極限載荷有影響。海上運維盡量減免維護,同時還有海上的鹽霧都會對葉片有影響。

    接下來我講一下葉片的設計和技術。

    海上首先是可靠性要求,不管是從哪一方面都提出了明確的要求,比如氣動是保證葉片發電量,防腐避免葉片被腐蝕,運維,減免對葉片進行維修。

    海上葉片可靠性思路呢,我這里講一下葉片可靠性設計思路,設計思路首先是從風機的要求,以及翼型的選擇,包括材料、結構形式,都做了基本的形式,過程中要充分考慮質量控制的策劃。

    另外一個是測試驗證,不僅僅是我們了解葉片的測試認證,更多的就是我們材料級以上的部件級的驗證,這個是對我們葉片可靠性有很大影響。最后在設計輸出要經過評審和確認。

    設計優化主要是主機的迭代,過程中找到最優的設計,這個工作完成了以后,是在與主機多輪迭代基礎上實現的,以前我們的葉片大多數設計認證,經歷測試,現在經過我們的認識和認知越來越多,現在我們要做各種認證測試,對葉片充分驗證,這些都驗證完之后才具備批量生產條件。

    接下來我會從葉片的氣動結構、防腐、測試驗證方面,做一個報告。

    葉片的功率,我們可以看到這個公式,影響比較大的因素,空氣密度、風速、葉輪直徑以及CP值等,風速和空氣密度是現場的實際條件,這個在我們設計過程中,作為一個輸入條件,充分優化條件就是葉輪直徑以及CP值。

    對于翼型的優化來說,如果我們把CP值弄得很高,發電量很好,但是載荷就會很大,所以我們在合適的風速段找到合適的CP值,以達到整體的發電量是最優的。

    同樣對于CP的優化呢,當CP波動最小時,塔頂推力波動小,對塔底基礎和塔架都會有安全提高。

    在結構方面我們還是希望海上葉片能夠輕度高強,以減少影響。為了滿足葉片的剛度和重量的要求,現在的結構形式還是以傳統的蒙皮加主梁加優化,對主梁要進行充分考慮,因為它承載了80%的載荷,要充分建立它的模型參數優化,針對每一個載荷要進行優化,現在我們通過軟件可以實現自動優化,最終可以實現成本和重量的降低。

    結構設計另一個方面,剛才金風科技朱總講到,就是關于鈍后緣的應用,可以提高葉根的可靠性和降低載荷,采用厚度更大的鈍后緣。

    在防雷設計方面,對防雷整體的要求,是整體的可靠性。在以前防雷過程中,更重要考慮它的效率高不高,但是更重要的不僅是節省效率,更重要是連接可靠性,如果在運行過程中,葉片連接,防雷擊打出現松動,即使雷打過來不能傳出去也是問題。我們避雷線都是沿著蒙皮和附板走的,有可能避雷線會出現疲勞,這個都要經過綜合考慮和測試,包括葉片疲勞測試,都要充分考慮這一點。

    這個測試剛才前面已經簡單提到了,葉片一個完整的測試驗證,不僅包括設計認證,IPE制造過程的評估,包括掛機測試,包括靜力+疲勞+后靜力,滿足25年使用壽命驗證,對于防雷測試要對可靠性進行評估。

    在防腐方面,海上鹽霧比較嚴重,剛才朱總也提到了防腐的方面。另外在吊裝過程中可能對葉片產生隱性的損失,這個我們要提前排除,或者事后做檢查。

    這邊一個圖片是一個實驗的驗證,剛才朱總講到前緣保護膜和前緣保護漆的應用,現在我們海上也是用前緣保護圖層+保護膜的方案,但是這個方案不能保證在長期運行過程中一直不存在問題。

    現在我們大家都知道,一代膜質保期2到3年,二代膜是5年,最后我們還要找到更好的替代方案,來解決海上好的可靠性。

    接下來我講一下中材科技的規劃設計,這個葉片是在77基礎上進行優化設計,它的發電效率會更高,重量和成本和更低,我們選擇了NACA-21翼型,比DU21升阻比更大,弦長方面,進行氣動優化設計,減少葉根段弦長。

    剛才對于結構方面,除了根部外形上的優化設計,主梁上的優化我們開發了主梁優化的程序,考慮到凈空和低載的要求,主梁采用碳纖維設計。隨著技術發展,我們國內普遍采用碳纖維灌注的技術,相對于玻纖的主梁設計,碳纖維主梁設計的葉片減少重量約4噸,偏航載荷,尤其剛才朱總提到的塔基扭轉的載荷減少約10%,葉根優化采用主動的預埋設計。

    同樣結構分析完了以后,做了一個共振的要求和確認,這個通過坎貝爾圖的分析,采用碳纖維設計葉片可以更加有效地避開共振點。

    接下來,就是一個顫振的分析,顫振是近年來在大葉片中提到的比較關鍵的需要分析的方面,雖然我們在標準和規范上沒有這個要求,但是隨著葉片的增大,在這方面也做了很多嘗試工作,比如在75顫振分析中,臨界的轉速范圍原理,風機正常的轉速范圍,在高轉速和高風速下,通過葉片的結構,增加扭轉度,可以有效減弱彎扭合的效應,避免氣彈發生。

    以上就是關于葉片海上技術的介紹,下面是關于葉片發展趨勢做一個簡單匯報。

    隨著葉片長度增加,高模量玻纖和低成本碳纖維材料技術應用會越來越廣泛,大型葉片的發展帶動了高模量玻纖的應用,E8高模量玻纖的拉伸模量高達51.5。海上碳纖維的應用更多用于70米以上的葉片設計開發中,但是由于現在碳纖維的成本比較高,將來碳纖維低成本技術發展將會是主要發展方向,比如碳纖維的國產化也是一種選擇。

    關于高模量玻纖和碳纖維的應用,在國內是得到驗證。隨著技術的發展,一部分在用碳纖維的灌注技術,但是對最前沿的技術,碳纖維也有一些缺陷,可能有缺陷和氣泡,包括生產制造過程當中的穩定性,將來碳纖維的拉緊可能是主要研究方向。

    精細化結構設計及驗證技術,剛才朱總也特別強調,尤其是現在在材料部件驗證工作,其實我們普遍葉片研究和整個行業,對這個相對來說做得還是比較淺的,材料做得比較充分,但是部件的研究這塊做得還是不充分,如果我們把葉片做得更長,更大,我們必須在金字塔底層做更多工作,這樣才能支撐金字塔形式會更高。

    對于精細化的設計和驗證,朱總提的非線性屈曲驗證是很好的,結構分析中還要采用局部的模型細化。比如說在葉片設計過程當中,如果采用翹單元,很難把PPC、合膜、強緣、粘接膠,雖然看似最后加進去的東西,能起到很大作用,這個很難用傳統方法模擬好,這個是可以考慮的方向。

    同時大葉片的測試驗證,也是需要往前再走一步的重要工作,因為我們現在的測試,跟理論測試只是滿足規范的標準,但是我們把標準要逐步縮小,越小安全度、可靠性越高,對成本也有很大幫助。

    這個也是我們也是在IEC61400-5規范指導下會有全新的改觀,我們希望以后靠近這個標準,沿著這個思路往下走。

    另外一個是增功增效降噪技術應用,這個VG已經成為60m以上葉片的標準配置,擾流板技術的應用也有很大幫助。

    防護技術呢,其實這部分也是有重合的,剛才我在前面匯報提到,針對海上大型葉片的需求,現在防護技術還不能滿足25年使用的要求,針對海上特殊要求,我們要做更多更細的工作,根據海上葉片防護體系做更多研究,做綜合的材料的,和性能更好的防護涂層,可以建立相應的規范。

    另外做一個小結,針對海上大型的葉片,首先滿足發電量要求,更重要滿足結構、安全的需求,另外成熟可靠的生產技術,一定要向著降低度電成本方面發展。


    未來海上葉片的設計和發展,必將與主機風場技術相結合,結構的可靠性以及成本的最優,以及在線檢測技術,實現最優的發揮,我的分享完了,謝謝大家。

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