中材叶片黄辉秀:大型风电叶片带来的挑战及其解决方案

能见App 2023年10月20日 4249

2023年10月16日-19日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。能见APP全程直播本次大会。

在10月18日上午举办的风电机组可靠性论坛上,中材科技风电叶片股份有限公司技术副总监黄辉秀发表了题为《大型风电叶片带来的挑战及其解决方案》的主题演讲。

以下为发言全文:

各位专家同仁,大家好,时隔三年我们又在这里见面,刚才两位专家分享了是现场和机组方面的一些信息,我对于单独的叶片来讲一讲。我有两个方面的这个议题,一方面就是大型叶片带来的挑战,第二个就是解决方案。当然这个解决方案不一定是中材叶片做的,它有可能是一些想法,有可能是对未来的期待或者是说已经做成的事情。

挑战是来自多个方面,首先就是大型的叶片,它的翼型数据是需要修正,现在所用的翼型数据都是百万级别的,增加到百米级以上,它会达到千万级别,千万级别是需要做一些理论的修正,或者要去做一些测试。这个测试是一个新的挑战,它要有更大尺寸的风洞,还有更高风速。这些大厚度的翼型对前缘粗糙度也是更加的敏感。第二个机组的匹配难度是空前,我们现在所用的是开发逻辑,首先我们的客户给我们定了目标低重量目标,低重量会引来是什么?就相当于材料用的少了,那就是刚度低了之后,它在匹配的时候载荷发散,所以在这环节上要不断的去迭代,是消耗很多的时间,对大型叶片来讲,我们的有的时候会迭代上百次,给工程师带来很大的心理的压力。

另外就是大型的叶片与以前叶片不一样的地方,就是转速越来越接近于额定转速。这个图是我自己创立的一个图,它代表的截面上的载荷密度可以与另外一个词,就是说电车的电池能量密度,大致是一个意思。也就是我们的叶片是有厚度的,比如说是翼型绝对厚度是一米厚,一米厚所承载的载荷是多少?是载荷除以厚度,得到一个单位的厚度所承载的载荷。

 

可以看得到随着有些叶片在变长,这个是短的叶片,这是相对短的叶片,这个是长的叶片,长的叶片的载荷密度是提高了很多,有可能是一点几倍,载荷密度就会驱动后续的结构设计完全不一样。比如说主梁,主梁的厚度远远大于芯材的厚度,厚度差越来越明显。另外结构上也会有一些变化,比如说这个是低重量的要求下,以前短的叶片是双腹板,更多的双腹板,而现在大型的叶片出现有一些单腹板,曾经在一个研讨会上跟大家去研讨,说到单腹板和双腹板的问题。举一个例子,人是有两个肾的,缺少了一个人能不能活,他还是能活,在这种情况下我们不要让剩下一个肾的管路超载,同样对于叶片也是一样的,如果只有一个腹板,我们要加强设计,去结实它内部的运力让它不要超载。

原材料的方面,其实原材料在近一阶段是没有什么大变化的,从玻璃纤维来讲它已经是定了,虽然说我们现在几个是纤维厂家,有一些新的型号将要推出,但是它所带来的并不是跳跃性的。我们国内的碳纤维,它用的是T300的级别,也不会有太大的变化,首先T300级别没有大量的使用,成本还没下来,在使用更高成本更高模量的纤维,成本是消化不了的。在这个我们还要继续的期待,期待我们在未来叶片用上碳纤维。

下面是说制造方面的一些挑战,大家自己家里有多大平方,几十平方、上百平方,现在200米级别的模具,它两面加起来上千平方,上千平方就相当于小公园,上公园我们只是去走走,而我们是要在这上面干活,要把几十吨的材料安放在正确的位置,而且要保持高质量。我觉得,这其实比造飞机更难,造飞机它是非常好的环境,它的流程都是非常清晰的。上千平方在这个范围里面要管理好,这是很大的难度。有些型大型叶片对有些型面是造成了很多的操作困难。它由于这些是后列的设计要降载,降完载之后它也不能直接的制造,它要把模具稍微扭动一些才好,另外扭动了之后一些主要的部件,比如说在这个部件,它定位就定位在斜面上,就又增加了挑战。

另外就是灌注,大型的叶片它的铺层多,也比较复杂,给针孔灌注带来的难度。另外就是厚度差,这个是主梁的部分,这是壳体,这么多年大型的叶片,壳体的后厚度是没有怎么变化的,主要变化在于这个主梁,它的高度差就会引起数值的一些不稳定流动。所以现在大型的叶片所造成的一些生产性的缺陷,它不太稳定,位置不稳定,大小的不稳定。当然不稳定是相对的,不是不稳定是使得叶片用不了。

另外是合膜粘接,因为粘接也发生了很大的一些变化,比如说粘接的形面,有的在斜坡上,它的间隙控制会不是太稳定,上百米的腹板吊装起来会发生形变。另外吊装大型的叶片,以前是一个吊车,现在肩部,从肩部脱模要两个吊车,两个吊车又要考虑到配合的问题。

生产效率,百米级的新叶片会有很多的无效走动,无效走动就是降低了生产效率。另外缺陷就是在消缺的过程之中,消缺的成本是很高的,以前对一个小的叶片消缺比如一小时,这一小时迟滞的是,比如说50米的叶片多少钱,现在按一小时迟滞,对于几十吨的叶片,它的成本会更高。另外就是间断性的生产,大型叶片有可能它的生产不连续,不如小叶片连续,比如同时建一个同样兆瓦的风场,用3兆瓦和6兆瓦的,虽然它的叶片数量不一样,主要是工人连续生产,他就会非常高的熟练度,他的出错率会很低,但是对于大型叶片做会儿不做了,这里头人员变动,不熟练也会造成一些问题。生产班组劳动强度是很大的,几十吨的材料都要过他们的手,生产的周期,比如说它很难控制到24小时之内,或者说他有可能有的是30多小时,因为现在生产紧张,不可能让他是按照48小时排,今天37,明天36,所以说对工人的要求是很高的。另外测试台也不够用了需要新的投资,大型叶片在测试之中所发生的不确定性越越来越多。

第二个就是解决方案,这一章里头我描述了有两个模型,第一个模型,设计可靠性模型,最上面是经济可行性模型,其实任何的东西设计出来了之后,都需要我们去把它去制造出来,把它用起来。在用的时候有两个方面,一个人力资源到底能不能支撑,人力资源是个死的,或者说短时间之内是很难改变的。

第二个经济的支撑,社会经济对它的支撑,比如说有些成本是特别高的,我们无法去购买它,那就说明我们是没办法去支撑它。经济支撑里面其实大家可以看得到,原材料、建设工厂、工艺,这里头列了很多因素,这些因素其实每一个因素下面有很多子因素,这些子因素里头都有它的极限,举个例子,树能长到100米高,它再长不高了,它为什么不长150米200米高呢?他只能长到100米高,是因为水汽上不去了。这两个模型里面都会有极限,举个例子,现在的主梁越来越厚,以前是几十毫米,现在100多毫米,再到以后假设有200毫米的,现场做叶片的同事,我们能不能保证他200毫米能不能灌得透?如果说200毫米灌不透,这些其他的模型里面“N-1”个模型都是可行的,这个叶片就制造不下去。这些失效的对整个叶片产业链,还有应用的产品,这里头的因素进行识别,它的极限到底在哪?

解决方案确实有些是想到了,有些还没有实施,在设计方面就说是建立一个快速的平台,刚才所说的设计人员其实是非常辛苦的,他们承受了巨大的压力,我们希望就要开发一些平台,利用大型的算力给出更多的求解。当然这个解不是正向的,是一些这种具有度的模型。

另外以前我们做过一些优化,比如主梁的优化,对它进行减重,另外大型的叶片,为了提高子部件可靠性,我们对这些部件进行子模型的仿真,举个例子,比如说以前这个是端头的开裂,以前的腹板端头容易开裂,我们对结构进行了优化后来不再开裂。这些子部件的测试也是需要去做去探索,获得它的应用边界。

另外在生产方面的一些解决方案,目前对铺层来说确实是没什么是有用的,工业的投入只是靠人手。在后期处理的时候,现在确实投入了很多新的东西,比如打磨机器人、切边、涂装等等。还有一些定位,就是目前最复杂的那个动作就是铺层的动作,现在没有办法,成本实在是太高了。这个今年发起了拉挤板主梁,虽然说看起来没有去铺层了,但是它仍然需要把脱模布撕掉,再把它装配起来,主要是引进了自动化的设备,减少了人员的数量,提高了劳动效率。另外对于一些铺层的,尤其是叶片的根部,它这个尺寸特别大,人其实在上面不好操作,我们现在正在是开发一些设备来辅助铺层。

另外灌注方面,大型叶片的灌注它具有不确定性,一方面加强内部的经验迭代,另外一个主要是引进仿真。另外粘接方面,还有工装上再想一些办法,这是一个测试,目前我们就是建成了一些部件,测试的能力还继续再建。另外这是中材叶片所建设好的,可以测180米20兆瓦的实验平台。

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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