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CWPC2018技术优化运维:中材科技风电叶片股份有限公司气动外形设计部经理李成良——《海上大叶片气动设计的可靠性思考》

2018-04-02 来源:东方风力发电网作者:御风者 浏览数:947

第四届中国国际风电复合材料高峰论坛(CWPC2018)于2018年3月30日上午在江苏省阜宁县天鹅湖大酒店隆重召开,来自海内外的200多个企业、600多余位风电行业、复材行业的精英参加了本届盛会。上午的开幕式结束之后,高峰论坛分别设置了新材料、新技术专场,设计运维优化专场,新产品发布会专场,技术工艺创新专场,产业链对话专场等多个专场,将呈现大量精彩内容。

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  中材科技风电叶片股份有限公司气动外形设计部经理李成良在设计优化运维专场做了题为《海上大叶片气动设计的可靠性思考》的演讲。以下为演讲内容实录:



中材科技风电叶片股份有限公司气动外形设计部经理李成良
 
  对于风电发展来说,现在价格越来越低,据说最新报出2800的价格越来越接近火电的成本,风电的成本尤其是对低度电的考虑越来越提上日程。一部分是风电的成本,一部分是发电量,这些都可以有效降低成本。对于陆上和海上成本是不太一样,陆上的成本是海上了三分之一。对于陆上塔架与基础的部分是7:3,海上是是反过来了3:7,我们把成本降下来都是势在必行的。
 
  对于叶片来说,成本也可以分成两部分,一个是叶片自身的成本,一个是发电量,对于叶片的成本的降低,我今天讲如何提高发电量,如何提发电量属于来提升整体的陆电的成果。
 
  对于气动来说,叶片越薄越,对于结构设计来说越厚越好。这样的话,可靠性可以提升,也可以降低成本。
 
  对于气动和结构的矛盾来说,根据经验公式的推导,叶片的重量与长度是立方的关系,发电量与长度是一个平方的关系,从我们这里面可以看到随着叶片长度越来越长,我们降低叶片的度电成本都是非常必要的。
 
  以上就是对叶片和风电发展形势的简单介绍。
 
  叶片气动设计的可靠性可以从几个方面来考虑,翼型性能,工况、低噪声等等方面。对于翼型的敏感性,对于我们来说也是经常存在的问题。尤其叶片运行三五年之后,表面受到腐蚀甚至蚊虫尸体的粘连会导致表面的粗糙度的效率降低,如果表面五年没有做任何处理,功率会下降3%—5%。在五年以后叶片的发电量有可能会减少5%的水平,所以我们要开发低粗糙度敏感性的翼型是势在必行。
 
  我们这里要对翼型的兼容性进行评估,每个翼型都有自己的特点。我们如何在选择翼型的时候,如果系统之间都有兼容性,对于发电效率都是有很大的影响的。同样是一个叶片的翼型设计,有突出的部分,这个地方的系统性能、兼容性就不太好。虽然我们在叶片的外形设计上看不出来,但是在实际的发电量上可以看出来的。
 
  以上是简单讲一下关于叶片翼型的选择。我们要进行叶片的气动外形设计,把这设计完以后就要进行叶片气动性能的评估。现在评估也存在着问题,这是我今天要带给大家思考的问题。我们现在的气动评估,尤其是这个软件也有局限性,这个软件是基于二维的分析。如果说想做到更好一点,可以用CFD分析方法,但是周期和耗费比较大,如果CFD分析的结果不太理想,这是我们未来要综合考虑如何缩小这个差距。
 
  影响气动性能分析的另外一个因素就是雷诺数,特别是对翼型影响比较明显。我们现在获得翼型大部分在300万—600万的级别。我们现在的这个雷诺数达到接近100倍的量级,雷诺数接近1000万,按照这个数据的影响,在实验室还很少有这样的数据。这样的数据是怎么来的呢?通常是通过公式理论推导出来的,跟实际还是会有偏差,就会影响叶片气动性能的整体分析。
 
  在进行叶片气动性能评估完成以后,我们要对叶片三维造型进行输出,由于叶片的表面的质量状况对气动性能也有很大的影响,可能我们在60米级别的叶片上如果两个翼型之间有1—2毫米的偏差,实际上在叶片表面是很难发现的,但是对叶片的气动性能是有影响的,尤其是有突起或者凹空的地区会影响气动性能的发挥。
 
  影响气动性能分析的另外一个因素就是流动的三维性。我们实际的叶片,如何把二维的流动性和实际情况结合起来,这是我们目前要解决的问题之一。
 
  马赫数,这个主要是考虑到叶尖速度,最大可以达到接近102,这个接近0.3马赫。这个水平下气体按照可压缩的状态处理。我们知道对于我们做的国际航班,巡航导弹是超因素、跨因素的水平,所以我们未来要达到0.3马赫的可压缩分析。
 
  以上是我对气动设计和气动性能评估的简单分享。下面讲一下增功设计,这个可以通过长度增加来提升发电量。VG的安装对发电量有影响,有的时候安装位置不对甚至是负向的影响,甚至降低发电量先对叶片表面进行分析,再找到气流,通过高速摄像机获得叶片表面的流动状况,进而来确定涡轮发动机的位置。再经过一段时间的测试确定增功的效果是明显的,再进入批量使用。
 
  我们现在叶片应用的区域针对不同的风场都变化很大,不同的海拔高度下都在使用。我们的发电效率跟海拔是有很大的关系的。从0.8—1.25空气密度下叶片的功率表现是有很大差异的。如果在0.8的空气密度下可能会出现失速,我们在评估过程中出现失速就不建议使用这个叶片,如果失速形成的影响就非常大。所以在这块我想说空气密度的影响是在评估中的一个重要的点。
 
  另外还有就是现在出现了一个比较常见的情况,就是同一叶片适用于不同兆瓦级别的机组,甚至配备了不同主机厂的主机,这个时候的叶片的性能不是每次都能得到发挥。叶片配不同功率的主机由于受到各种原因的影响,气动性能是不能很好地发挥出来的。这边可以看到整个CP值的范围,对于不同的叶片有一个原始的线。但是如果说你的控制策略的改变或者因为不同的主机,风能利用系数覆盖的范围会发生变化,可能最佳的出力点就不在我们的控制范围内,所以它的适用性未必是最好。
 
  以上是对气动适用性的思考,当然还有我们要研究和解决的问题。
 
  叶片表面质量状况和叶片外形控制。在出厂之前叶片的错位、模具的变形等等,这是对外形的控制有很大的影响。我们要制定相应的误差标准,来对叶片的表面外形、质量进行控制。
 
  我在翼型测试的标模的数据是做精加工的模型,这个模型小于0.6,对我们实际做出来的叶片是0.3。这个差异我们通过分析,偏差可能会超过1.8%的水平。
 
  另外就是模具的变形。模具在多次使用以后,在生产多次以后会导致叶片的外形发生变化。我举了一个比较极限的例子,按照外形的偏差达到6毫米的偏差,CP值可以下降5%,发电量下降3%。这样的话这套模具就不能用了。
 
  最后我讲一下前缘贴膜影响,我们现在是保证发电量的办法。我们通过对比分析,厚度是0.36和1毫米的对发电量可以相差0.8%。对于宽度的影响也是很大的,这个贴膜的宽度越宽,对整个影响是越小的。所以我们在选择前缘贴膜的时候要考虑厚度和宽度的影响。
 
  以上是我对海上大叶片气动设计可靠性思考的一些问题,当然还有很多问题值得我们去研究。

(内容来自现场速记,未经本人审核)

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