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CWPC2018技术优化运维:WINDnovation创始人兼总经理Roland Stoer——《大型兆瓦级风力发电机组叶片的设计和制造——从原型到优化未来系列产品的经验教训》

2018-04-02 来源:东方风力发电网作者:御风者 浏览数:654

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。

   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。
 
  WINDnovation创始人兼总经理Roland Stoer在设计优化运维专场做了题为《大型兆瓦级风力发电机组叶片的设计和制造——从原型到优化未来系列产品的经验教训》的演讲。以下为演讲内容实录:



WINDnovation创始人兼总经理Roland Stoer
 
  我首先介绍一下我们公司WINDnovation。在座的可能有些知道,我想说一下,为什么转子叶片很相似,一些历史的概述,未来的解决方案和长叶片的潜在方案,我们可以跟合作伙伴一起合作,提供一些解决方案、新的产品和设计。
 
  WINDnovation十年以前柏林成立的。今天我们有31个全职的工程师,主要是用于转子叶片的设计,我们已经做了350个项目,其中100个是单个的转子叶片的设计,满足了供货给100个客户,来自25个国家。我们同时做技术转让,做转子叶片的制造,现在中国占我们整体业务的90%。我们做一些风力发电机组件的设计和咨询的工作,我们满足ISO90001的要求。
 
  这些是风力发电行业早期的照片,在德国曾经出现过这种单叶片的风机,后来变成了双叶片,比美国的机型要大很多,后来有一张瑞士的照片,丹麦做了一些非常直截了当和新颖的设计。到目前为止这些项目已经运转了30年以上。
 
  首先第一个比较成功的风机的叶片是在1995年到2005年的时候,有一些NEG  Micon600,现在在德国最大的就是使用7.5兆瓦的,还有金风的是一个1米的装置。
 
  第三个就是离岸的应用,这是日本Hitachi的2兆瓦和5.5兆瓦的设计。我们当下在叶片使用的风机中的最新的技术。
 
  关于转子叶片,我们早期的时候是在飞机或者航空领域,后来用一些比较小的叶片,包括像一次成型的叶片。最近大家可以看到像西门子是整体式的叶片,还有Spar box的,用了一个梁翼的结构,这样我们就可以更好地对这个结构进行调整。
 
  但是它有一个缺点就是会对这个叶片的运行效率和输出有影响,所以我们有了第三种概念,就是整合的外壳。它的外壳整个是整合的,非常地高效。但是它有一个不好的地方,因为是整体式的外壳,所以我们在内部结构上可以进行布局的空间非常有限。
 
  我们现在从客户这边给到我们设计上的一些挑战,比如说像定制化,还有我们如何把性能最大化,能量输出最大化,并且把这个荷载最小化,同时叶片轻量化,同时生产过程也能不断地简化。同时还要降低噪声的水平,如果要满足所有以上的条件,听起来基本上像不可能完成的任务。
 
  这是我们早期在商业化上取得成功的风机的叶片,当时在90年代中期的时候是通用的叶片,用于所有的风力电机,这里IM19.1,整个是风机成本的20%。
 
  大家可以看到这个时候,我们一般风机的设计师就需要考虑到这些可用叶片的做功,尤其是在设计新的风机的时候,要考虑到这些叶片的特征。
 
  现在大家可以看到常见的像金风的1.5兆瓦在70/77等等的款型。同时我们要考虑到风机的设计。所以当客户找到我们的时候,他们会有相应的RPM的设计等等,在最少的噪音水平、最大的性能能源输出如何找到最好的解决方案。
 
  今天早上我们也听到了,人们也希望能够在比较低的风速下也希望能够呈现比较高的效果和性能。大家看到红色的这条线就可以展示出我们的转子的大小,所以大家看到最后大概是145兆瓦/平方米的荷载。如果要是在这个2兆瓦的话,大家可以看到是400兆瓦/平米的荷载。
 
  这里是我们之前最早使用的一个转子叶片的几何造型,在这种情况下空接非常有限就很难让我们的结构设计师在内部设计方面能够有很好的灵活性。
 
  同时像这里就更细、更修长,结构、空间非常有限,并且对这种叶尖和叶尾的间隙更加敏感。我们也尝试使用最好的软件和计算方案来进行相应的计算,获得最好的解决方法。
 
  在这里我们也会去计算,进行相应的曲线分析。这里大家看到我们用这个弯曲分析,就是一个横截面的弯曲设计,在这个轴上的点。我们详细地去看,最后分析发现在这个区域的荷载更高,这样我们就可以来得到一个结构化的计算。当然这个过程中需要大量的计算的付出和方法。
 
  同时我们还有一个比较明显的特征,这是一个160米的直径,这个地方它的风速大概10米,但是在那边是200米/小时,所以风速是不一样的,所以风速比较低的时候是不需要做控制,但是在风速比较大的地方需要做相应的控制。所以风速的分布是完全不一样的,我们就尝试把大型的叶片,把荷载最小化。比如说我们有一些设备用于荷载的最小化,同时可以使用一些创新的技术。
 
  我们在这个风力发电机上没有找到相应的视频,所以给大家看了在飞机上叶片出现的现象。所以在这边我们需要去在相应的空气动力负荷下同时做静态和动态行为的测试。所以我们就要找到一个点,比如说叶片不是太大,但同时又可以在运转的过程当中保持比较稳定。
 
  大家可以看到在红色这条线上,大概是10。但是如果要是关闭这个发电机的话,你看它的速度可以达到20RPM,这样我们就有一个相应的安全系数。
 
  同时我们还有一个软件,这个软件叫Hawc2Stab,这样可以找到一个最佳的中间方案。目前也是当前技术当中最好的一个解决方法。
 
  当然从生产的角度来说,我们希望能够尽可能地简化,这样也可以实现比较好的精确化。比如说根据我们之前讲的曲线来完全遵循最好的折中线,同时在使用的过程中要避免出现褶皱。这时候我们要有一个曲线分析,对每一条线进行分析,比如说曲线的过渡要非常地的平滑,不要出现比较陡的变化和比较尖的拐角。
 
  噪声的减少方面,尤其是对于不同载荷的叶片,我们也需要关注噪音,在很多市场上也是比较被人们关注的方面。现在比较详细的分析都是半实验室的,都是在叶片运转过程中评估运转水平。其实这个噪音也是和我们发电机的功率相关的,这个噪音不管叶片的近端和远端的特点也是不一样的。
 
  一般来说噪音水平,一般额定功率上去的话,噪音水平也会普遍提高。我们可以调整它的叶尖的速度,同时可以对叶片的顶端进行处理,或者优化我们的叶片顶端的设计。同时可以使用一些特殊的元件,还有升力系数。比如说这些锯齿,这些锯齿会产生相应的涡轮,他们可以根据我们机器的功率,可以在一定程度上降低整个机器的噪音水平。
 
  从材料的角度来说的话,当然作为设计师,我们肯定是尝试去尽可能地使用最好的材料来优化整个叶片的结构。像这里大家看到,比如说我们可以使用一些高性能的玻璃纤维,比如在2016年有CIC的TM+,还有2016年、2017年、2018年,尤其是2018年的性能非常好。并且最近的一些设计和客户都是使用E8的材料,当然也有生产性能的,因为生产该材料的锅炉每年不能无限制地生产。
 
  关于数值系统,像一些环氧的数值,一般来说像新开发的PU融合的数值能够提供比较好的大小。同时能够带来比较好的主要性能的提升。
 
  关于一些核心材料,比如说一些新材料,目前的趋势是如果真的出现新材料的话,一般客户不敢马上去使用,出我们能够再使用一段时间并验证,同时有多个供应商提供材料,我们才敢去进行尝试。
 
  我们有一个中国的纺织品厂家来增加叶片的坚硬度,用碳玻璃混合的材料,并且这种玻璃纤维的供应也是比较有限。所以我们在采用这种材料的过程中也要去思考成本,包括材料的可及性。
 
  我们还要看碳纤维是否能减少,比如说50%的量,并且在90米的叶片情况下。最后可以看到只要是管用的,没人想放弃,现在每个人的方向都在增大叶片的尺寸和质量。
 
  (内容来自现场速记,未经本人审核)

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