2020年8月6日，第六屆中國國際風電復(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 ”。
在海外對接環(huán)節(jié)中，WINDnovation GmbH董事總經(jīng)理Dr.-Ing. Roland Stoer做了題為《126米長大兆瓦葉片的研發(fā)與設(shè)計》的演講。以下為發(fā)言實錄：
大家好！很榮幸今天有機會來參與這次會議，雖然是視頻的方式，今天我想向大家介紹公司設(shè)計的126米長的葉片就研發(fā)和設(shè)計進行分享。
我今天演講的內(nèi)容主要有以下幾個方面，首先對WINDnovation做介紹，另外對葉片設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)進行介紹。
WINDnovation主要從事葉片的設(shè)計，目前有來自6個國家的30位全職工程師，業(yè)務(wù)遍及全球。
除了葉片設(shè)計之外，我們還做葉片生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)讓，WINDnovation目前已經(jīng)通過ISO9000的認證。
下一代風機將會是真正的龐然大物，風機的體積和容量每年都在增長。
目前為止，在研發(fā)126米葉片可以是目前最大的葉片，如何保證氣動效率是很重要的問題，目前缺少一些科學(xué)驗證和證據(jù)。現(xiàn)在能做得是使用最先進的計算模型進行計算，具體計算效果和實際的應(yīng)用狀況是否一致也需要在后期的運行過程中進行驗證。
關(guān)于葉片設(shè)計的挑戰(zhàn)是隨著葉片長度增加，葉片的重量也在增加，葉片長度從10米到100米的變化，質(zhì)量也雖然長度增加而增加。在葉片達到90米長以后，長度和重量變化關(guān)系出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，因為使用了拉擠碳纖維的主梁，新材料的使更長葉片設(shè)計成為可能。
另外一個挑戰(zhàn)是，隨著現(xiàn)在風場風速越來越低，需要葉片的長度更長來擴大葉型，葉片越長，對葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來更大的挑戰(zhàn)，因為結(jié)構(gòu)空間對結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生一定的挑戰(zhàn)和困難。葉片越長越細會讓葉片更靈活，也帶來一些問題。
（PPT圖示）關(guān)于葉片內(nèi)部空間小，即更纖細的問題，這是77.7米長業(yè)務(wù)的前視圖，主要應(yīng)用于6兆瓦的風機上，長款葉片對于結(jié)構(gòu)的容納性空間越來越小，對于126米長的葉片來講問題顯得更加嚴重。關(guān)于葉片越來越纖細，氣動運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性有一個視頻，在飛機上的機翼上可以看出葉片的結(jié)構(gòu)更加靈活，對于葉片發(fā)生這種情況的話，會帶來很嚴重的后果，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，比如半自動化或者是模塊化。
關(guān)于葉片設(shè)計另外一個挑戰(zhàn)是經(jīng)濟方面，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，即一天，24小時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。對于更大更長的葉片大概是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，對于模具的利用率上產(chǎn)生的經(jīng)濟挑戰(zhàn)也是值得考慮的問題。
對于剛才提到的經(jīng)濟考慮，另外一個問題是，WINDnovation設(shè)計的最新款的1260款葉片，可以適用于12到18兆瓦的風機，同時這款葉片包含三款葉片，這三款葉片可以分別適用于三個等級風速的風機，在升級過程中，這款葉片選擇了比較適中的葉尖速比和最大風能利用率，設(shè)計域外風機性能非常合理。
?。≒PT圖示）關(guān)于氣動穩(wěn)定性的解決方案，目前WINDnovation和許多知名的大學(xué)和研究機構(gòu)都有合作，比如DTU等，我們對性能進行分析，保證不會出現(xiàn)氣動彈性不穩(wěn)定性問題。
對于超大超長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，長葉片設(shè)計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。關(guān)于分段葉片主要有兩種大的分段的方式。第一個是縱向的分段，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，對于126米長的葉片分段是不可避免的問題。
另外一個方法是葉片的橫向分段，比如GAMESA等有解決方案，但WINDnovation對這些方案不是完全地認同，因為這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。其次連接方案對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，當然也有不足之處。比如化學(xué)連接的現(xiàn)場，連接時對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齊也具有一定的挑戰(zhàn)性。所以，關(guān)于該研究需要進一步的開展。另外一個問題是關(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行設(shè)計。第二個方面是關(guān)于產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。從圖中可以看到長葉片的預(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，另外兩個方面是交通、運輸，分段葉片可以降低運輸成本，同時可以看到可以看到葉片運輸情況。另外是從葉片在后期的運維服務(wù)上減輕成本，通過智能傳感器監(jiān)測葉片運行狀況，進行實時的監(jiān)測和調(diào)整，可以減少運維的成本。
關(guān)于126米長葉片的研發(fā)計劃，大概在一個月前開始研發(fā)設(shè)計，現(xiàn)在是在第二個月的階段，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、運輸大概18個月。
最后總結(jié)以及對126米長葉片的設(shè)計計劃做一個總結(jié)。對如此大型的葉片來講設(shè)計研發(fā)是一項比較具有挑戰(zhàn)性的工作。WINDnovation成立了領(lǐng)先的風機團隊開發(fā)商加入合作，我們相信團隊的力量，我們也相信能夠最終取得成功。最后感謝大家的聆聽，謝謝！
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