國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司劉偉超/葉片設(shè)計(jì)所所長(zhǎng)
謝謝兩位主持人，我是劉偉超，來自于國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力，主要做葉片相關(guān)工作，包括工藝設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等等，今天非常榮幸有機(jī)會(huì)站在這里跟大家有一個(gè)交流分享，我今天演講的題目基于多目標(biāo)優(yōu)化的葉片一體化設(shè)計(jì)，從題目看出來包含兩部分內(nèi)容，第一部分葉片一體化設(shè)計(jì)，第二部分怎么樣通過多目標(biāo)設(shè)計(jì)來體現(xiàn)一體化。很多專家對(duì)葉片增效，降本，質(zhì)量問題發(fā)表了很多意見。今天的題目也是從設(shè)計(jì)源頭來怎么樣考慮增效降本和質(zhì)量的問題。
我寫這個(gè)題目重要的原因，我認(rèn)為現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)，大家更加關(guān)心的是怎么樣可以做的更加好，而不是誰(shuí)可以做，現(xiàn)在看一下今天演講的內(nèi)容架構(gòu)，分5個(gè)部分，第一個(gè)部分是背景介紹，第二部分多目標(biāo)一體化，第三部分樣本部篩選，第四部分是性能評(píng)價(jià)，第五部分對(duì)整個(gè)報(bào)告的總結(jié)，和現(xiàn)在做的工作一個(gè)介紹。
第一部分是背景介紹，背景介紹的部分主要通過對(duì)現(xiàn)在比較葉片設(shè)計(jì)流程的分析找出問題，并且提出解決方案的情況。現(xiàn)在看一下經(jīng)典葉片設(shè)計(jì)流程包括5個(gè)部分，氣動(dòng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)而且，工藝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)輸出和設(shè)計(jì)輸入，工程師根據(jù)自己經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，它是一個(gè)串聯(lián)的管理而不是并聯(lián)關(guān)系，由于這種特點(diǎn)造成什么樣的問題？第一它是人工試驗(yàn)試錯(cuò)的過程，第二而是一個(gè)局部尋優(yōu)，不是全局尋優(yōu)，在座有很多葉片公司 ，葉片廠的人對(duì)我下面描述的情景不會(huì)陌生，有三個(gè)重要的角色，結(jié)構(gòu)工程師，氣動(dòng)工程師，工藝工程師，他們各自都有自己的怨言，為什么你做完結(jié)構(gòu)載荷做的那么大，我怎么去進(jìn)行匹配，最愿望就是工藝工程師，他們會(huì)說氣動(dòng)外形變化那么大，你讓我怎么保證沒有褶皺，你的主梁設(shè)計(jì)這么厚等等，這個(gè)是發(fā)生在實(shí)際工作中真實(shí)的場(chǎng)景，相信大家并不陌生。
我們?cè)趺礃尤ソ鉀Q這個(gè)問題，在方法論之前，我先給大家看一張圖片，在座有沒有人可以認(rèn)的出，它是世界第二高峰，也是個(gè)人一個(gè)夢(mèng)想，攀登它，征服它。那么怎么樣去有效攀登一座雪山，我們一般會(huì)這樣考慮問題，第一要確定目標(biāo)，就是登頂，第二要想這個(gè)過程中，有哪些因素，或者變量是可控的，比如說選擇什么樣的登上路線，帶多少水，多少的食物，帶多少氧氣等等，第三部分是在整個(gè)登山過程中，我們的限制有哪些，比如說我們的體能，我們的預(yù)算等等，還有天氣。我想說這圖片的目的這個(gè)問題就是多目標(biāo)優(yōu)化的問題。
什么是多目標(biāo)優(yōu)化？先給大家介紹一個(gè)概念，多目標(biāo)要找到一個(gè)解集，同時(shí)要找到解集的點(diǎn)分布規(guī)律，在解集找到最合適唯一的一個(gè)點(diǎn)，包含三要素：目標(biāo)，變量，約束。通過第二部分多目標(biāo)一體化的葉片設(shè)計(jì)思路方法，程序介紹，通過我們公司以此為背景說一下設(shè)計(jì)思路。
第二部分是多目標(biāo)一體化葉片設(shè)計(jì)，首先先給大家展示2MW葉片設(shè)計(jì)的程序，第一部分是目標(biāo)，第二部分約束，地三是變量，第四優(yōu)化驅(qū)動(dòng)的模塊。我們 先說一下比較重要的目標(biāo)，在做葉片設(shè)計(jì)的時(shí)候，一般會(huì)選三個(gè)目標(biāo)，第一發(fā)電量最大化，第二葉根動(dòng)態(tài)彎矩最小化，第三是重量一階質(zhì)量矩最小化，這個(gè)是關(guān)乎成本。我說一下我的約束條件，其實(shí)有很多在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中有很多的約束條件，但是我例舉了四個(gè)對(duì)重要，第一是CPMAX，第二是CTRATED，第三最小相對(duì)厚度，第四是動(dòng)態(tài)葉尖擾度。說完了優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，我們?cè)僬f一下相對(duì)比較復(fù)雜的優(yōu)化變量。
這款葉片主要有7大變量，主要包括扭角分布，弦長(zhǎng)分布，大梁分布，輔梁厚度分布，相對(duì)厚度分布，預(yù)彎分布，殼體增強(qiáng)厚度分布，通過因子和變量之間的排列組合，最后得到4萬1千280的響應(yīng)點(diǎn)，這個(gè)是非常龐大的數(shù)據(jù)，每一個(gè)點(diǎn)要做動(dòng)態(tài)發(fā)電量，載荷，凈空等等工況的評(píng)估。問題來了，我們?cè)趺匆ハ鳒p這些點(diǎn)。我們通過添加約束對(duì)點(diǎn)有一些約束，我想說第二個(gè)問題對(duì)電量與響應(yīng)之間的敏感度做分析。
怎么分析？其實(shí)很簡(jiǎn)單，利用我們之前整個(gè)優(yōu)化模塊，只需要把我的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)程序替換成敏感度分析驅(qū)動(dòng)，我們有43個(gè)因子，4個(gè)條件等等，就構(gòu)成了敏感性程序和算法。這張圖有很多人可能不太懂，這種數(shù)學(xué)原理和算法，我想說一下，通過優(yōu)化敏感度分析之后，我們的結(jié)果是如何表征的，下面三張圖對(duì)因子一次項(xiàng)，二次項(xiàng)，交叉項(xiàng)敏感度的表述，紅值是表示正相關(guān)， 藍(lán)值是負(fù)相關(guān)。我們來看一下這款2MW葉片，各個(gè)因子和相應(yīng)之間是什么樣的？這個(gè)圖可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律，從發(fā)電量和動(dòng)態(tài)載荷角度來看，什么最敏感？是扭還是什么敏感？那么對(duì)于質(zhì)量來說，最敏感的參數(shù)是什么，是旋轉(zhuǎn)。我們?cè)倏匆幌聦?duì)于這些優(yōu)化目標(biāo)和響應(yīng)貢獻(xiàn)率最小是什么？應(yīng)該是輔梁厚度分布，還有相對(duì)厚度，還有最后一個(gè)不敏感是葉尖很小一般的扭角等等是相對(duì)不敏感的。大家會(huì)說這個(gè)跟我們?cè)O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基本吻合，我們的工作意義把各位 工作的經(jīng)驗(yàn)量化了，他們之間誰(shuí)高誰(shuí)低，這個(gè)是有意義的。
做敏感分析目的是 什么？要削減43個(gè)因子，到底有多大的作用，通過敏感度的分析可以變成36個(gè)，從41280個(gè)變成34560個(gè)點(diǎn)，做完敏感度分析，下面就可以做正體，就是葉片多目標(biāo)一體化的設(shè)計(jì)，這個(gè)是完整設(shè)計(jì)流程，36個(gè)因子，三萬多的的響應(yīng)點(diǎn)，通過這個(gè)過程得到什么結(jié)果？
這個(gè)圖是橫坐標(biāo)年發(fā)電量，3萬多個(gè)點(diǎn)分布在其中，我們?cè)趺礃诱业阶约合胍狞c(diǎn)，第一要給出最低發(fā)電量的要求，我們選擇了型號(hào)6828MWH，第二個(gè)要給最高一個(gè)載荷要求，選擇是7371恩HNM，剩下的點(diǎn)選三個(gè)重量最輕的點(diǎn)，三個(gè)電選出來之后，你為什么不直接選最輕的點(diǎn)，而是選三個(gè)，我們選出來，對(duì)點(diǎn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和評(píng)估，所以我們要給一個(gè)余量，確保最后的設(shè)計(jì)得到一個(gè)最有效的結(jié)果。選出來點(diǎn)以后，這個(gè)點(diǎn)包含哪些信息，包含剛才提到其他變量，主梁，輔量等等，這個(gè)展示過程從國(guó)外某一家知名公司做的一個(gè)級(jí)別，第一弦長(zhǎng)分布，它長(zhǎng)這樣性能有什么不同，或者有什么優(yōu)勢(shì)？這部分以剛才那塊2MW設(shè)計(jì)葉片做了對(duì)比。
評(píng)價(jià)分三個(gè)部分，第一是發(fā)電量，第二是載荷，第三是重量，發(fā)電量分三張圖給大家講，因?yàn)殡x的很近，為了讓大家看清楚，我們的功率減去目標(biāo)葉片的功率，我們發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律在這張圖可以體現(xiàn)，最后要落實(shí)到優(yōu)化目標(biāo)，年發(fā)電量，這張圖年均風(fēng)速，縱坐標(biāo)是年發(fā)電量，各個(gè)風(fēng)場(chǎng)等級(jí)下，葉片從年發(fā)電量是有優(yōu)勢(shì)的。在座的各位會(huì)想這個(gè)不是很明顯，我相信個(gè)座有搞運(yùn)維建設(shè)的朋友對(duì)這個(gè)數(shù)字特別敏感。
我們算一個(gè)帳，如果按照一個(gè)風(fēng)場(chǎng)10萬千瓦，2000小時(shí)，20年，0.56元每度，0.37%，給業(yè)主帶來的增收就是828.8萬元，這個(gè)PPT做了兩百多個(gè)小時(shí)，所以這個(gè)數(shù)字千萬不要懷疑。全工況評(píng)估極限載荷降低5.54%，疲勞載荷降低1.47%，這些數(shù)據(jù)通過驗(yàn)證過，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)跟實(shí)際數(shù)據(jù)非常吻合。
通過多目標(biāo)一體化的方法發(fā)電量提高0.37%，翁兩降低9.6%等等，最后說一下總結(jié)，對(duì)整個(gè)報(bào)告思路總結(jié)一下，提出現(xiàn)在優(yōu)化思路，人工試驗(yàn)試錯(cuò)，怎么解決？通過變量敏感度分析，程序自動(dòng)尋優(yōu)化，全局尋優(yōu)化，最后形成葉片氣動(dòng)結(jié)構(gòu)工藝一體化設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)，方法和提升，目標(biāo)提高發(fā)電量，減輕重量，降低成本，降低載荷。我們的工作絕不是止步與此，我們想把優(yōu)化平臺(tái)推廣到整機(jī)，我們會(huì)進(jìn)入整機(jī)控制參數(shù)，整機(jī)零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)，我們會(huì)提高我們的預(yù)算效率。我希望明年這個(gè)時(shí)候我還有機(jī)會(huì)把這些工作跟大家有一個(gè)分享。謝謝大家！
