2020年8月6日，第六屆中國(guó)國(guó)際風(fēng)電復(fù)合材料高峰論壇于浙江省桐鄉(xiāng)市振石大酒店召開，本屆高峰論壇的主題為“提質(zhì)增效，海陸并舉，迎戰(zhàn)平價(jià) ”。
在海外對(duì)接環(huán)節(jié)中，WINDnovation GmbH董事總經(jīng)理Dr.-Ing. Roland Stoer做了題為《126米長(zhǎng)大兆瓦葉片的研發(fā)與設(shè)計(jì)》的演講。以下為發(fā)言實(shí)錄：
大家好！很榮幸今天有機(jī)會(huì)來參與這次會(huì)議，雖然是視頻的方式，今天我想向大家介紹公司設(shè)計(jì)的126米長(zhǎng)的葉片就研發(fā)和設(shè)計(jì)進(jìn)行分享。
我今天演講的內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面，首先對(duì)WINDnovation做介紹，另外對(duì)葉片設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行介紹。
WINDnovation主要從事葉片的設(shè)計(jì)，目前有來自6個(gè)國(guó)家的30位全職工程師，業(yè)務(wù)遍及全球。
除了葉片設(shè)計(jì)之外，我們還做葉片生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)讓，WINDnovation目前已經(jīng)通過ISO9000的認(rèn)證。
下一代風(fēng)機(jī)將會(huì)是真正的龐然大物，風(fēng)機(jī)的體積和容量每年都在增長(zhǎng)。
目前為止，在研發(fā)126米葉片可以是目前最大的葉片，如何保證氣動(dòng)效率是很重要的問題，目前缺少一些科學(xué)驗(yàn)證和證據(jù)。現(xiàn)在能做得是使用最先進(jìn)的計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算效果和實(shí)際的應(yīng)用狀況是否一致也需要在后期的運(yùn)行過程中進(jìn)行驗(yàn)證。
關(guān)于葉片設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)是隨著葉片長(zhǎng)度增加，葉片的重量也在增加，葉片長(zhǎng)度從10米到100米的變化，質(zhì)量也雖然長(zhǎng)度增加而增加。在葉片達(dá)到90米長(zhǎng)以后，長(zhǎng)度和重量變化關(guān)系出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，因?yàn)槭褂昧死瓟D碳纖維的主梁，新材料的使更長(zhǎng)葉片設(shè)計(jì)成為可能。
另外一個(gè)挑戰(zhàn)是，隨著現(xiàn)在風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速越來越低，需要葉片的長(zhǎng)度更長(zhǎng)來擴(kuò)大葉型，葉片越長(zhǎng)，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來更大的挑戰(zhàn)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)空間對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的挑戰(zhàn)和困難。葉片越長(zhǎng)越細(xì)會(huì)讓葉片更靈活，也帶來一些問題。
（PPT圖示）關(guān)于葉片內(nèi)部空間小，即更纖細(xì)的問題，這是77.7米長(zhǎng)業(yè)務(wù)的前視圖，主要應(yīng)用于6兆瓦的風(fēng)機(jī)上，長(zhǎng)款葉片對(duì)于結(jié)構(gòu)的容納性空間越來越小，對(duì)于126米長(zhǎng)的葉片來講問題顯得更加嚴(yán)重。關(guān)于葉片越來越纖細(xì)，氣動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性有一個(gè)視頻，在飛機(jī)上的機(jī)翼上可以看出葉片的結(jié)構(gòu)更加靈活，對(duì)于葉片發(fā)生這種情況的話，會(huì)帶來很嚴(yán)重的后果，所以我們要想盡一切辦法提供葉片的穩(wěn)定性。
除了葉片設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)之外，在葉片生產(chǎn)方面也帶來了更大挑戰(zhàn)，葉片的尺寸在增加，但工人身體的尺寸沒有增加，葉片制造的公差也沒有增加，于是對(duì)生產(chǎn)帶來了雙倍的困難，我們要考慮新的生產(chǎn)方法，比如半自動(dòng)化或者是模塊化。
關(guān)于葉片設(shè)計(jì)另外一個(gè)挑戰(zhàn)是經(jīng)濟(jì)方面，關(guān)于葉片新產(chǎn)品的更新?lián)Q代的周期大概是在兩年，比如一款2.5兆瓦的葉片生產(chǎn)周期是24小時(shí)，即一天，24小時(shí)一款葉片的話每一年可以生產(chǎn)600只葉片，模具要更新?lián)Q代。對(duì)于更大更長(zhǎng)的葉片大概是3到5天前生產(chǎn)一只，也就是說在兩年產(chǎn)品生命周期內(nèi)可以生產(chǎn)200只葉片，對(duì)于模具的利用率上產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)也是值得考慮的問題。
對(duì)于剛才提到的經(jīng)濟(jì)考慮，另外一個(gè)問題是，WINDnovation設(shè)計(jì)的最新款的1260款葉片，可以適用于12到18兆瓦的風(fēng)機(jī)，同時(shí)這款葉片包含三款葉片，這三款葉片可以分別適用于三個(gè)等級(jí)風(fēng)速的風(fēng)機(jī)，在升級(jí)過程中，這款葉片選擇了比較適中的葉尖速比和最大風(fēng)能利用率，設(shè)計(jì)域外風(fēng)機(jī)性能非常合理。
（PPT圖示）關(guān)于氣動(dòng)穩(wěn)定性的解決方案，目前WINDnovation和許多知名的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都有合作，比如DTU等，我們對(duì)性能進(jìn)行分析，保證不會(huì)出現(xiàn)氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性問題。
對(duì)于超大超長(zhǎng)的葉片越來越多載荷來自葉片的重量。葉片減重可以使用輕量化材料和抗疲勞的裁量，長(zhǎng)葉片設(shè)計(jì)主要是拉擠碳纖維主梁，這也是目前可用最佳的選擇。
另外需要考慮得問題是，分段葉片，這一直是討論的熱點(diǎn)。關(guān)于分段葉片主要有兩種大的分段的方式。第一個(gè)是縱向的分段，可以提高制造過程中工人的可接近性。其次分段可以方便質(zhì)控。最后是縮短生產(chǎn)周期，對(duì)于126米長(zhǎng)的葉片分段是不可避免的問題。
另外一個(gè)方法是葉片的橫向分段，比如GAMESA等有解決方案，但WINDnovation對(duì)這些方案不是完全地認(rèn)同，因?yàn)檫@些解決方案目前來說，在腐蝕、雷擊以及葉片的增重和疲勞增加上還有一些尚未解決的問題。
WINDnovation提出得關(guān)于葉片分段的方案將葉片分段用化學(xué)方式解決，這種方案在交通方面有優(yōu)勢(shì)。其次連接方案對(duì)葉片本身的重量和疲勞載荷明顯的增加，不需要額外的維護(hù)，當(dāng)然也有不足之處。比如化學(xué)連接的現(xiàn)場(chǎng)，連接時(shí)對(duì)溫度和濕度有一定要求，其次是如何做好分段葉片的連接對(duì)齊也具有一定的挑戰(zhàn)性。所以，關(guān)于該研究需要進(jìn)一步的開展。另外一個(gè)問題是關(guān)于葉片連接的問題。WINDnovation的解決方案是將葉根縮小做到減重。
材料方面，大量使用成本最低的材料和使用少量昂貴的高性能材料，我們傾向于使用高性能的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。第二個(gè)方面是關(guān)于產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。從圖中可以看到長(zhǎng)葉片的預(yù)制架的生產(chǎn)。
無論在材料和葉片生產(chǎn)周期降低成本之外，另外兩個(gè)方面是交通、運(yùn)輸，分段葉片可以降低運(yùn)輸成本，同時(shí)可以看到可以看到葉片運(yùn)輸情況。另外是從葉片在后期的運(yùn)維服務(wù)上減輕成本，通過智能傳感器監(jiān)測(cè)葉片運(yùn)行狀況，進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和調(diào)整，可以減少運(yùn)維的成本。
關(guān)于126米長(zhǎng)葉片的研發(fā)計(jì)劃，大概在一個(gè)月前開始研發(fā)設(shè)計(jì)，現(xiàn)在是在第二個(gè)月的階段，目前根據(jù)預(yù)算的安排，如果一切順利的話，從剛開始研發(fā)葉片開始，到葉片的吊裝、運(yùn)輸大概18個(gè)月。
最后總結(jié)以及對(duì)126米長(zhǎng)葉片的設(shè)計(jì)計(jì)劃做一個(gè)總結(jié)。對(duì)如此大型的葉片來講設(shè)計(jì)研發(fā)是一項(xiàng)比較具有挑戰(zhàn)性的工作。WINDnovation成立了領(lǐng)先的風(fēng)機(jī)團(tuán)隊(duì)開發(fā)商加入合作，我們相信團(tuán)隊(duì)的力量，我們也相信能夠最終取得成功。最后感謝大家的聆聽，謝謝！
（內(nèi)容來自現(xiàn)場(chǎng)速記，未經(jīng)本人審核，如有不妥請(qǐng)聯(lián)系修改）
