關鍵零部件自研，打開整機技術(shù)極限的突破口。
文 | 趙靚
風電機組大型化是平價時代最好的技術(shù)發(fā)展方向。要引領這個趨勢，整機商不能守株待兔，必須在技術(shù)上主動出擊。關鍵零部件自研正是從整機商的視野與角度，將技術(shù)探索的觸角向更多領域延伸，通過技術(shù)穿透產(chǎn)業(yè)鏈，形成部件與整機的協(xié)同技術(shù)進步。
風電是技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，技術(shù)進步是通過關鍵零部件實現(xiàn)的，這意味著整機商要逃離舒適區(qū)，技術(shù)能力向過去未曾涉足的產(chǎn)業(yè)鏈上游領域延伸，為此，整機商必須具備打開技術(shù)“黑匣子”的誠意、勇氣與智慧。這方面，遠景能源已經(jīng)走在前面。
從2009年推出首款風電機組開始，遠景能源就掌握了自主的整機技術(shù)。經(jīng)過十多年的投入，遠景能源一步步完成了變頻器、葉片、發(fā)電機、變槳軸承、齒輪箱、主軸承等關鍵零部件的自研甚至自產(chǎn)，建立起擁有核心競爭力的關鍵零部件及整機系統(tǒng)設計驗證能力。
“從關鍵零部件自研代工到自研自制，我們的目的都是要將底層技術(shù)做透，提高風電機組的整體性能和可靠性。”遠景能源風電機組產(chǎn)品首席專家高猛認為。
軟硬結(jié)合，拓展性能極限
要保持優(yōu)異的發(fā)電能力，風輪直徑必須跟上單機容量持續(xù)增大的步伐，這給翼型設計帶來不同以往的挑戰(zhàn)。使用標準翼型庫中的翼型，氣動外形性能與結(jié)構(gòu)很難滿足大型葉片系統(tǒng)的設計匹配要求。遠景能源的技術(shù)人員相信：只有真正深入到翼型自研中，才可能將超長葉片與整機載荷設計融為一體，得到更高效的超長葉片解決方案。
例如，葉片的變槳扭轉(zhuǎn)過程，從葉根傳遞到葉尖需要一定時間。葉片越長，扭轉(zhuǎn)剛度越小，這種變槳滯后就越明顯，也意味著在極限工況下超長葉片因變槳滯后而容易出現(xiàn)超載。從171米風輪直徑葉片開始，遠景能源對鋪層進行了特殊設計，在大彎矩載荷下葉片會自動發(fā)生扭轉(zhuǎn)從而改變攻角，在葉片完成“緩慢”的變槳動作前就實現(xiàn)一定程度的自適應降載。
能夠開發(fā)出這項技術(shù)，源于遠景能源在自研整機載荷設計軟件ENFAST中，采用自由渦尾跡與葉素動量理論結(jié)合的超長大變形葉片氣動計算模型，突破了葉片設計的基礎理論。“我們在軟件的框架模塊結(jié)構(gòu)中，加入柔性多體動力學框架與隨動梁單元，還針對多體動力學框架一些參數(shù)性能的細節(jié)變化，做了很多自主開發(fā)工作。”高猛談道。
與其他軟件相比，ENFAST的非線性大變形葉片氣動力計算精度提升了8%。且這項技術(shù)不止用于葉片，也包括對塔筒等部件的非線性彈性變形，覆蓋了諸如幾何剛度、離心剛化、科氏力等非線性效應。
ENFAST對超長葉片設計的全面支持，給遠景能源第三代葉片翼型自研打下基礎。據(jù)高猛介紹，遠景能源陸上200米風輪直徑葉片，葉尖與葉根段采用優(yōu)化DU翼型，中間段采用第三代自研翼型，使葉片發(fā)電性能相比上一代自研翼型葉片提升了1.5%，結(jié)構(gòu)效率增加5%。
超長葉片自研只是ENFAST打開風電整機自研求解器模型和算法“黑匣子”的一個方面。事實上，該軟件還可實現(xiàn)機組各種實際應用場景的快速開發(fā)和迭代計算，通過植入最前沿的算法模型，讓機組各方面的設計能力得到大幅提升。比如將最前沿的氣動、水動力算法模型植入機組設計中，從源頭提升復雜山地風況生成效率與精度，滿足漂浮式平臺的高精度水動力計算、仿真與設計需要。
測試驗證，摸清可靠邊際
將設計構(gòu)想轉(zhuǎn)化為實際，最關鍵的環(huán)節(jié)是設計驗證。通過反復多輪的設計迭代與驗證，撥開阻擋在構(gòu)想與現(xiàn)實間的“迷霧”，可以在保障可靠性的前提下，不斷試探、無限接近性能與成本邊際。
“測試驗證的目標是測試機組各項性能是否符合設計假設條件，通過各種新材料、新結(jié)構(gòu)、新載荷的物理模型驗證數(shù)字模型的新邊界，不斷修正機組設計的數(shù)字模型參數(shù)，使之更接近真實物理模型，完成設計的優(yōu)化閉環(huán)。”高猛解釋。
為了讓設計驗證成果盡可能回饋與作用在產(chǎn)品技術(shù)迭代上，遠景能源投運了江陰智慧測試驗證中心，建有齒輪箱彎扭耦合測試臺等一系列測試設備。其還將測試環(huán)境設置得更加接近實況，以充分模擬現(xiàn)場運行，高效發(fā)掘盡可能多的薄弱環(huán)節(jié)。在平價時代產(chǎn)品迭代急劇加速、樣機現(xiàn)場驗證時間大大壓縮的情形下，各個層次上充分嚴苛的臺架驗證成為保證產(chǎn)品高可靠性的必要手段。
齒輪箱的自研過程就是一個例子。遠景能源根據(jù)10余年1.6萬余臺機組現(xiàn)場運行經(jīng)驗，發(fā)掘更多可能出現(xiàn)的齒輪箱特殊失效模式及其測試驗證需求，主動反饋到測試方案設計中，并100%落地執(zhí)行，其測試驗證范圍遠遠超出常規(guī)的認證要求。通過應用齒輪箱行業(yè)首創(chuàng)、測試功率達15MW的齒輪箱彎扭復合測試臺，研發(fā)人員能夠得知葉根彎矩載荷在齒輪箱齒面上產(chǎn)生的壓力極限值變化，并運用彎矩模擬、動態(tài)扭矩加載、轉(zhuǎn)速波動模擬、電網(wǎng)模擬等先進的測試功能，充分驗證齒輪箱在各種實際工況下的可靠性表現(xiàn)。
葉片自研也是如此。“自研新翼型時，我們都會在加拿大國家實驗室進行風洞實驗，充分驗證其氣動性能、低噪音、環(huán)境適應性等。自研葉片時，則會采用雙軸復合疲勞測試。”高猛介紹。這種在國內(nèi)率先應用于遠景能源171米風輪直徑葉片的測試方式，能夠同時進行揮舞和擺振兩個方向的復合加載疲勞測試，更貼近葉片真實運行工況，從而可以更充分驗證整支葉片。
多自由度整機加載測試臺，則更多被用在風電機組各種動態(tài)靜態(tài)工況測試中，尤其是給主軸承的自研帶來了便利。“我們利用它做了很多大載荷加速疲勞測試，以驗證自研主軸承的可靠性，結(jié)論是已經(jīng)達到了行業(yè)國際先進水平。”高猛透露。
技術(shù)創(chuàng)新，帶動行業(yè)發(fā)展
遠景能源的技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，齒輪箱齒輪早期失效大多數(shù)是由于材料雜質(zhì)靠近齒面應力集中區(qū)域所致。為了提升自研自產(chǎn)齒輪箱的可靠性，該公司對材料要求更細，采購標準更高，投入也更徹底。遠景能源制訂專門標準從煉鋼源頭進行雜質(zhì)管控，同時在業(yè)內(nèi)首次引入三維相控陣超聲探傷技術(shù)進行雜質(zhì)檢測，采用更嚴格的接受標準，以降低零星材料雜質(zhì)問題可能導致的齒輪失效風險。
“我們要做的是全生命周期大于20年的風電機組產(chǎn)品。為了保證部件質(zhì)量，遠景能源有多位材料學博士和齒輪箱工藝專家專門對風電齒輪箱內(nèi)部各個部件制定了嚴苛的材料采購標準，對力學性能、化學成分、雜質(zhì)含量和檢測要求等提出明確的遠景能源內(nèi)部規(guī)范要求。”高猛坦言。
在齒輪箱自制裝配過程中，遠景能源也進行了大量工藝、工裝方面的創(chuàng)新和嘗試。例如，遠景能源自研開發(fā)了國內(nèi)唯一的高精度行星輪裝配工裝，可以顯著提高裝配定位精度，解決高扭矩密度齒輪箱裝配空間狹小、易磕碰的工藝難題，徹底消除了裝配磕碰損傷對齒輪箱運行造成的質(zhì)量風險。
在建立起完全自主的齒輪箱設計、驗證與生產(chǎn)體系后，遠景能源自制齒輪箱的整體質(zhì)量逐步得到市場認可。目前，該公司自制齒輪箱交付量達到2100余臺，預計占2022年全部交付量的一半；其適配的單機容量最大已達到8.X～9MW，在2022年末已開始樣機和小批量交付。
有資料顯示，遠景能源自制葉片開始于EN141機型。在隨后的EN156、EN171、EN182系列機型，直到2022年的EN192機型和即將批量交付的EN200機型，遠景能源自制葉片所占比重已逐步增加到相當比例。這在一定程度上說明，其葉片設計與制造能力，已經(jīng)達到國際一線專業(yè)葉片廠家的水平。
遠景開展大部件自研乃至自制，并不是試圖徹底取代大部件外購或是代工，而是作為風電整機的領軍廠家，在理性競爭和合作共贏的主旋律下，通過大部件技術(shù)創(chuàng)新，來帶動國內(nèi)風電行業(yè)整個生態(tài)圈的高質(zhì)量發(fā)展。對于遠景能源風機大部件的下一步重點領域，高猛認為，海上大型機組的主軸承、變壓器、高壓開關柜等大部件的國產(chǎn)化率較低，是全行業(yè)在平價時代所面臨的共同挑戰(zhàn)，遠景能源將通過自研、聯(lián)合開發(fā)等方式，持續(xù)推動國產(chǎn)化大部件在海上風電場的高質(zhì)量應用。
據(jù)透露，遠景能源的高風速海上風電機組——風輪直徑為252米，單機容量達14MW，已在廣東海域獲得首個批量訂單，將于明年交付。
