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中材科技李成良经理:海上叶片设计技术及发展
发布时间:2017-10-19 10:30:55   浏览次数:1098

2017年10月16日-19日,2017北京国际风能大会(CWP2017)在北京隆重召开。在中国国际展览中心(新馆)“风电叶片大型化问题和技术”专场,中材科技风电叶片股份有限公司李成良经理介绍了中材科技在叶片设计开发过程中间具体的工作。

以下为演讲内容:

李成良:谢谢陈总,各位风电同仁大家上午好,我今天报告的是海上叶片设计技术和发展,主要分为三个部分。

第一部分,海上风电的现状及挑战。

全球的海上风电是蓬勃发展,海上风电持续增长,海上风电将以10.7%的年复合增长率在快速增长。同时带来一个问题,海上快速发展带来海上叶片大型化。从图上可以看到,所有机组基本上都在5到6兆瓦之间,海上叶片也是预测在今后几年来,将是以70米以上叶片为主。

由于叶片长度增加带来一些新的问题,比如重度和疲劳,随着叶片长度的增加,它的载荷工况,随着长度增加会增高。举个例子说重量,在小叶片表现并不明显,但是在大叶片,重力将成为载荷的主要来源。

同时由于长度和重量的增加,也会导致在小叶片当中出现的挥舞为主的工况,逐渐转变为以挥舞、摆振和扭转为主,就会出现很明显的呼吸效应,这个也是我们在开发中需要重点关注的问题。

同时海上叶片发展也面临严重的挑战,就是海上环境,大家知道海上多台风,台风对海上叶片极限载荷有影响。海上运维尽量减免维护,同时还有海上的盐雾都会对叶片有影响。

接下来我讲一下叶片的设计和技术。

海上首先是可靠性要求,不管是从哪一方面都提出了明确的要求,比如气动是保证叶片发电量,防腐避免叶片被腐蚀,运维,减免对叶片进行维修。

海上叶片可靠性思路呢,我这里讲一下叶片可靠性设计思路,设计思路首先是从风机的要求,以及翼型的选择,包括材料、结构形式,都做了基本的形式,过程中要充分考虑质量控制的策划。

另外一个是测试验证,不仅仅是我们了解叶片的测试认证,更多的就是我们材料级以上的部件级的验证,这个是对我们叶片可靠性有很大影响。最后在设计输出要经过评审和确认。

设计优化主要是主机的迭代,过程中找到最优的设计,这个工作完成了以后,是在与主机多轮迭代基础上实现的,以前我们的叶片大多数设计认证,经历测试,现在经过我们的认识和认知越来越多,现在我们要做各种认证测试,对叶片充分验证,这些都验证完之后才具备批量生产条件。

接下来我会从叶片的气动结构、防腐、测试验证方面,做一个报告。

叶片的功率,我们可以看到这个公式,影响比较大的因素,空气密度、风速、叶轮直径以及CP值等,风速和空气密度是现场的实际条件,这个在我们设计过程中,作为一个输入条件,充分优化条件就是叶轮直径以及CP值。

对于翼型的优化来说,如果我们把CP值弄得很高,发电量很好,但是载荷就会很大,所以我们在合适的风速段找到合适的CP值,以达到整体的发电量是最优的。

同样对于CP的优化呢,当CP波动最小时,塔顶推力波动小,对塔底基础和塔架都会有安全提高。

在结构方面我们还是希望海上叶片能够轻度高强,以减少影响。为了满足叶片的刚度和重量的要求,现在的结构形式还是以传统的蒙皮加主梁加优化,对主梁要进行充分考虑,因为它承载了80%的载荷,要充分建立它的模型参数优化,针对每一个载荷要进行优化,现在我们通过软件可以实现自动优化,最终可以实现成本和重量的降低。

结构设计另一个方面,刚才金风科技朱总讲到,就是关于钝后缘的应用,可以提高叶根的可靠性和降低载荷,采用厚度更大的钝后缘。

在防雷设计方面,对防雷整体的要求,是整体的可靠性。在以前防雷过程中,更重要考虑它的效率高不高,但是更重要的不仅是节省效率,更重要是连接可靠性,如果在运行过程中,叶片连接,防雷击打出现松动,即使雷打过来不能传出去也是问题。我们避雷线都是沿着蒙皮和附板走的,有可能避雷线会出现疲劳,这个都要经过综合考虑和测试,包括叶片疲劳测试,都要充分考虑这一点。

这个测试刚才前面已经简单提到了,叶片一个完整的测试验证,不仅包括设计认证,IPE制造过程的评估,包括挂机测试,包括静力+疲劳+后静力,满足25年使用寿命验证,对于防雷测试要对可靠性进行评估。

在防腐方面,海上盐雾比较严重,刚才朱总也提到了防腐的方面。另外在吊装过程中可能对叶片产生隐性的损失,这个我们要提前排除,或者事后做检查。

这边一个图片是一个实验的验证,刚才朱总讲到前缘保护膜和前缘保护漆的应用,现在我们海上也是用前缘保护图层+保护膜的方案,但是这个方案不能保证在长期运行过程中一直不存在问题。

现在我们大家都知道,一代膜质保期2到3年,二代膜是5年,最后我们还要找到更好的替代方案,来解决海上好的可靠性。

接下来我讲一下中材科技的规划设计,这个叶片是在77基础上进行优化设计,它的发电效率会更高,重量和成本和更低,我们选择了NACA-21翼型,比DU21升阻比更大,弦长方面,进行气动优化设计,减少叶根段弦长。

刚才对于结构方面,除了根部外形上的优化设计,主梁上的优化我们开发了主梁优化的程序,考虑到净空和低载的要求,主梁采用碳纤维设计。随着技术发展,我们国内普遍采用碳纤维灌注的技术,相对于玻纤的主梁设计,碳纤维主梁设计的叶片减少重量约4吨,偏航载荷,尤其刚才朱总提到的塔基扭转的载荷减少约10%,叶根优化采用主动的预埋设计。

同样结构分析完了以后,做了一个共振的要求和确认,这个通过坎贝尔图的分析,采用碳纤维设计叶片可以更加有效地避开共振点。

接下来,就是一个颤振的分析,颤振是近年来在大叶片中提到的比较关键的需要分析的方面,虽然我们在标准和规范上没有这个要求,但是随着叶片的增大,在这方面也做了很多尝试工作,比如在75颤振分析中,临界的转速范围原理,风机正常的转速范围,在高转速和高风速下,通过叶片的结构,增加扭转度,可以有效减弱弯扭合的效应,避免气弹发生。

以上就是关于叶片海上技术的介绍,下面是关于叶片发展趋势做一个简单汇报。

随着叶片长度增加,高模量玻纤和低成本碳纤维材料技术应用会越来越广泛,大型叶片的发展带动了高模量玻纤的应用,E8高模量玻纤的拉伸模量高达51.5。海上碳纤维的应用更多用于70米以上的叶片设计开发中,但是由于现在碳纤维的成本比较高,将来碳纤维低成本技术发展将会是主要发展方向,比如碳纤维的国产化也是一种选择。

关于高模量玻纤和碳纤维的应用,在国内是得到验证。随着技术的发展,一部分在用碳纤维的灌注技术,但是对最前沿的技术,碳纤维也有一些缺陷,可能有缺陷和气泡,包括生产制造过程当中的稳定性,将来碳纤维的拉紧可能是主要研究方向。

精细化结构设计及验证技术,刚才朱总也特别强调,尤其是现在在材料部件验证工作,其实我们普遍叶片研究和整个行业,对这个相对来说做得还是比较浅的,材料做得比较充分,但是部件的研究这块做得还是不充分,如果我们把叶片做得更长,更大,我们必须在金字塔底层做更多工作,这样才能支撑金字塔形式会更高。

对于精细化的设计和验证,朱总提的非线性屈曲验证是很好的,结构分析中还要采用局部的模型细化。比如说在叶片设计过程当中,如果采用翘单元,很难把PPC、合膜、强缘、粘接胶,虽然看似最后加进去的东西,能起到很大作用,这个很难用传统方法模拟好,这个是可以考虑的方向。

同时大叶片的测试验证,也是需要往前再走一步的重要工作,因为我们现在的测试,跟理论测试只是满足规范的标准,但是我们把标准要逐步缩小,越小安全度、可靠性越高,对成本也有很大帮助。

这个也是我们也是在IEC61400-5规范指导下会有全新的改观,我们希望以后靠近这个标准,沿着这个思路往下走。

另外一个是增功增效降噪技术应用,这个VG已经成为60m以上叶片的标准配置,扰流板技术的应用也有很大帮助。

防护技术呢,其实这部分也是有重合的,刚才我在前面汇报提到,针对海上大型叶片的需求,现在防护技术还不能满足25年使用的要求,针对海上特殊要求,我们要做更多更细的工作,根据海上叶片防护体系做更多研究,做综合的材料的,和性能更好的防护涂层,可以建立相应的规范。

另外做一个小结,针对海上大型的叶片,首先满足发电量要求,更重要满足结构、安全的需求,另外成熟可靠的生产技术,一定要向着降低度电成本方面发展。


未来海上叶片的设计和发展,必将与主机风场技术相结合,结构的可靠性以及成本的最优,以及在线检测技术,实现最优的发挥,我的分享完了,谢谢大家。

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