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海上大叶片的可靠性设计——李成良/设计开发部经理

2017-04-24 浏览数:673

  各位领导、各位专家、各位风电同仁大家上午好!我跟大家报告的这个是海上风电叶片的可靠性设计。刚才我们远景的总

  各位领导、各位专家、各位风电同仁大家上午好!我跟大家报告的这个是海上风电叶片的可靠性设计。刚才我们远景的总监已经讲了质量,其实可靠性设计是质量很重要的一部分,那我在我的报告里面也有很多很有需要质量,需要关注的地方,更多的是质量的可靠性,设计的可靠性。
  我的报告有三部分内容:海上风电对叶片的要求;海上叶片设计开发过程;海上叶片设计开发案例。
  海上环境比较复杂,我简单总结了一下它的有利条件有两大两小,两大就是年平均风速大,空气密度大,对于同样机组配置的主机来说,在海上的环境下它的年平均风速大和空气密度对年发电量有很大的提升帮助作用。而两小湍流强度小和风剪切小。两大带来的是叶片的极限载荷相对较大,而两小对叶片的疲劳载荷来说相对较小,这是对叶片有利的地方。
  海上的不利条件首先就是海上多台风,究其像我国东南沿海地区,它的台风中心的风速可能达到30-50米每秒,这样的话对叶片的极限载荷,尤其是结构的极限承载能力要求很高。它的第二个不利条件就是海上多盐雾,多雷电,盐雾使得叶片表面产生电解质,带电粒子使得雷击概率增加很多。据有人统计,在海上雷电发生的时候,可能一天有400多次雷击到叶片的情况。
  海上的三个不利条件就是运维难度大,海上环境的自然环境恶劣,地理位置又复杂,它的交通运输也比较困难,使得整个运维难度加大,维护成本非常高。
  根据海上的特点,目前国际国内发展的形势来看,海上的机组是呈现一个大型化的发展趋势,6兆瓦以上的单机容量也是成为未来的主力机型,70米以上也是海上发展的主流,但是叶片大型化也带来了效率、重量和载荷这方面的一些新的问题。我下面这张表可能很多人见过,这个也是针对随着长度的增加,叶片的失效模式也发生了很大的变化。从载荷工况,失效模式方面来简单的做一个评估。这里面数字,比如说5表示的严重度就是比较高的,从载荷方面小叶片的时候更加关注的是叶片的挥舞方面的气动载荷,大叶片尤其是70米、90米以上的叶片重力载荷是成为一个主要的关注点,它的威胁区域也是发生了由原来的主梁到叶根后缘方面。在失效模式方面,小叶片关注的是主梁的失稳、叶尖的变形,大叶片关注叶根粘度的失效,整个过渡区和后缘粘接区成为我们设计开发过程中需要重点关注的一些区域。所以说在叶片长度的增加带来的尺寸的放大效应引起载荷失效模式的变化,对叶片设计结构可靠性要求更高。
  简单总结一下就是对海上叶片的可靠性要求从气动方面尤其是对发电量要求比较高,结构方面结构的安全可靠。防腐就是防护可靠,防雷要接闪有效,运维方面尽可能减免维修。
  以上就是整个关于海上风电对叶片的一个发展要求。接下来我讲一下海上叶片的设计开发过程。这是整个叶片的整体设计流程,从主机参数的获取到风场资源参数的确认,这是作为设计输入,我们进行气动设计、材料设计、结构设计,通过这个做出来叶片模型,这个叶片模型要与客户进行迭代。整个迭代的设计过程非常重要,包括我们材料、主机、叶片,这几个方面,迭代的次数越多,叶片与主机匹配的就越好,我们在将来生产实现,包括后期运行维护更加容易。在设计输出以后,输出叶片的3D模型具备开模的条件进行模具制造,这个过程完了以后就进行详细制图,工艺设计、叶片试制和叶片测试。
  这边在进行叶片结构设计的同时,设计认证还有测试、静力疲劳、防力测试、IP认识,整个这一块是对可靠性的重要的检验和确认,现在叶片如果没有型式认证就不能进入市场,这是国家的强制规定,但是也是最基本的要求。
  这是海上设计的可靠性保障的一个思路,首先我们在设计输入的时候对这些设计输入就要做明确的评审确认,对每一个环节进行确认它是否是适合这个叶片的开发需要。在过程控制中,设计开发流程要进行优化,也进行先期的质量策划。刚才施总也讲了很多方法,我们这个过程中前面讲到了要进行第三方的评估,在设计过程中确保它是安全可靠。
  在测试验证环节,我这里面列了一个图,这就是一个金字塔式的一个图表,我们更多的测试验证工作是在材料端,材料的微观的区域要进行更多的测试和验证。昨天很多材料厂家也讲到了这种测试,这种测试是对部件测试的一个支撑,到顶端,对于产品宏观方面的验证就是型式认证,相对来说用的时间更短,测试的内容更加简单。在测试验证后我们整个设计开发要有一系列的输出,对这些输出也要进行评审确认,确保结构的安全可靠。
  海上叶片开发的有些难点,那些难点就是根据产品适销方面,随着长度增加带来的尺寸放大带来的一些问题,我们两个难点,一个是低载高效。低传递载荷,叶片具有更高效率,产出更多的发电量。一个是轻质高强,结构重量轻,刚度满足净空和频率要求。
  在气动设计方面,低载高效运行的选择要选择效率更高的翼型,通过对叶片的弦长、扭角、长度的优化来降低叶片的载荷。在气动设计方面有一个重要的指标,尤其对海上叶片来说在选取效率和间速比的时候,要求CP-(音)波动小,波动小塔顶推力波动小,这样塔底基础疲劳载荷小,然后基础、塔筒设计安全裕度高。可以有效降低叶片的载荷波动幅度,提升叶片的稳定运行。
  在结构方面就是轻质高强,高性能的材料势在必行,尤其根据大型化叶片发展的趋势,70米以上的叶片对重量的要求更高,轻量化的要求,我们在主梁方面更多的要用到碳纤维材料,后缘要用高模玻纤,整个叶片轻量化设计的思路要体现在里面。主梁优化通过有约束的多元函数优化迭代算法,以刚度和强度目标为边界条件,通过参数化定义铺层,降低叶片的重量和成本。在叶根方面为了提高效率,减轻叶片的重量,现在提高叶片的可靠性可以采用厚度更大的钝后缘,这也是近年来使用比较多的形式。在防护方面更多关注接闪器的耐热性、防腐性,防雷系统的有效接闪率、可在线监测性。
  测试验证方面设计认证是必须要做的,我们在进行设计的同时引入第三方进行设计评估,在制造过程中进行IPE的制造过程评估,在叶片制造出来以后进行挂机的测试对气动进行认证,试验就是静力疲劳静力满足25年使用寿命验证,防雷测试也是对认证的需要,叶片结构的保证。以上就是简单的介绍一下叶片设计开发过程的一个流程,以及我们设计开发过程中需要关注的重点。
  下面简单介绍一下中材75米叶片的设计,是在原来77米叶片设计的基础上进行气动和结构的优化,以满足功率和风驱升级的需要,它的整体要求是要求发电量更高,成本更低,这跟我们原来海上叶片是一致的。对它的载荷相对来说基本不变。在弦长方面通过对弦长的优化,通过优化以后减少15m,根据需要由原来的4m变成3.6m。载荷的降低有利于结构优化,在主梁考虑净空及低载要求,采用碳纤维设计、玻纤的设计,这样对整机的风轮载荷减少10%,偏航载荷减少10%,基础载荷相应减少,对整个结构设计也是有利的。通过对叶根的优化,通过采用预埋的螺栓连接,螺栓序列个数也变少了,尤其是钝尾缘的结构应用,叶根的减重可以实现8%。结构设计完了以后就对结构进行分析检验结构与主机匹配的可靠性,我们在分析过程中发现碳纤主梁设计的叶片与玻纤主梁设计的叶片相比,玻纤设计的叶片更加容易接近额定转速3p的范围,从这点来看碳纤设计还是有很大优势的,可以有效的避开共振点。
  气弹的验证是大叶片重要的薄弱环节,我们现在国内国外在这一块也做了很多工作。我们在对大叶片进行设计完了气动和结构设计完了也要进行气谈的验证,在频域和时域中进行叶片的静气弹和动气弹稳定性分析,确保颤振临界转速远离风机正常工作转速范围。
  结构验证方面提到静力和疲劳大家都比较了解,但是部件是被大家忽视的地方,甚至标准也没有覆盖,那是我们在以后包括海上叶片上需要重点关注,包括叶根挡板人孔盖承压测试,预埋件静强度和疲劳测试,包括叶片工艺解剖验证,叶片极限破坏性测试,叶片疲劳破坏性测试。这是结构验证方面。
  同样防雷验证方面,在防雷系统验证完了要进行理论验证分析,完成大电流和大电压的测试,通过认证使得整个防雷系统更加可靠有效,这个我们有专题汇报。对防护方面针对海上多盐雾的情况,我们现在采取的办法就是除了前缘采用仿佛的涂料还有加上保护膜,使得防护更加可靠。我们现在的海上的前缘防护还没有一个完整有效的方案能确保它使用20年和25年,所以在这里也希望我们材料厂家能在这方面也投入更多的研究,更多的模拟真实的测试,让运营更长。在吊装方式为了保护这个方面也要局部加强。
  以上就是我对整个海上可靠性的一个汇报,但是从我个人的理解来看,早上赵总讲到质量方面是从初中升到高中了,但是我觉得海上叶片这块我们还是从小学可能还没升到初中,这就需要我们有更多的工作要去做,也吸收多材料厂家、叶片厂家、主机厂家,包括我们的业主,在这里能够投入更多的精力,把工作做得更细,使得我们海上叶片开发可靠性更强,提供更好的叶片。好的,谢谢大家,我的报告完毕。
 
 

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