各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家,各位同行大家上午好,先做個(gè)自我介紹,我是劉偉超,來自國電聯(lián)合動(dòng)力。那么現(xiàn)在在公司主要負(fù)責(zé)葉片的研發(fā)工作,今天也是非常榮幸再次有機(jī)會(huì)站在這兒為大家分享一下我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)在過去的一年時(shí)間所做的葉片相關(guān)的一些工作。
我今天的題目是風(fēng)機(jī)葉片葉尖延長增功技術(shù)。在切入正題我想多說幾句,因?yàn)槲胰ツ暝谶@個(gè)舞臺(tái)上做過一個(gè)報(bào)告是關(guān)于葉片的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法的。做完之后反響還不錯(cuò),很多行業(yè)專家會(huì)后過來找我交流,但是第一句話就是說你們聯(lián)合動(dòng)力自己還做葉片還設(shè)計(jì)葉片?所以暴露出來一個(gè)問題,我們這個(gè)宣傳力度貌似不是特別夠,所以我今天演講之前想插一個(gè)小廣告為我們的葉片,主要想先從這么幾個(gè)方面說一下聯(lián)合動(dòng)力我們的葉片。第一個(gè)產(chǎn)能,第二個(gè)工具,主要是設(shè)計(jì)和研發(fā)工具,第三個(gè)是我們的設(shè)計(jì)理念,最后是我們所形成的一些關(guān)于葉片的優(yōu)勢,快速的過一下。
第一,產(chǎn)能。現(xiàn)在我們聯(lián)合動(dòng)力有三個(gè)生產(chǎn)基地,分別在河北保定、連云港和赤峰。這三各級(jí)地每年的產(chǎn)能保定400套,連云港350套,赤峰300套,三個(gè)基地加在一起大概每年在1050套左右的產(chǎn)能。這么大的一個(gè)產(chǎn)能從我們2007年開始做葉片,我們到底做了哪些葉片產(chǎn)品?其次想說一下這些年做的產(chǎn)品譜系。這個(gè)表格從1.5-2-3-6兆瓦,我們大概有15款產(chǎn)品,除了最早期的1.5兆瓦采用的是技術(shù)引進(jìn)的方式,剩下10余款葉片都是我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)完全的自主研發(fā)設(shè)計(jì)的。在2016年包括到現(xiàn)在,我們也正在做兩款2兆瓦和3兆瓦低風(fēng)速大葉片是我們正在進(jìn)行的工作。這是我們的產(chǎn)品譜系15款。
第二,工具。分兩塊,氣動(dòng)設(shè)計(jì)工具,主要有四款,是以軟件為主的。X-foil是二維運(yùn)行氣動(dòng)性能軟件,都是來源于風(fēng)動(dòng)測試的數(shù)據(jù),我們用這個(gè)軟件做二維一些細(xì)小的迭代優(yōu)化來做的。Aero-UPBlade,這是我們第一款計(jì)算葉片氣動(dòng)性能和載荷軟件,也是整個(gè)軟件體系里面很重要的部分。第三是Fluent,我們用它評(píng)估一些非典型的氣動(dòng)組件的性能。第四個(gè)是Catia,是一款三維造型軟件,就是氣動(dòng)外形有了設(shè)計(jì)以后,需要一些造型軟件做一個(gè)3D的模型,這個(gè)模型最早用在航空航天領(lǐng)域比較多,現(xiàn)在我們把它用在風(fēng)機(jī)葉片造型上,我們認(rèn)為是現(xiàn)在功能最強(qiáng)大,精度最高的一款三維造型軟件。這是氣動(dòng)設(shè)計(jì)我們用到的一些主要的工具。
結(jié)構(gòu)也大概有四款,一是Bladed,我們其實(shí)嚴(yán)格意義上不能算是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具,它是計(jì)算結(jié)果的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸入,我們用它來計(jì)算葉片和整機(jī)的極限和疲勞載荷。二是Focus 6,這是ECN開發(fā)的一個(gè)全世界現(xiàn)在比較流行的葉片結(jié)構(gòu)效何的軟件,應(yīng)用的是工程算法,速度非常快,所以我們用Focus做結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。三是Heperworks,是網(wǎng)絡(luò)劃分工具,四是Abaqus,是做詳細(xì)葉片的載荷設(shè)計(jì)。
第三,理念。從2007年開始我們自主設(shè)計(jì)葉片到今天我們的設(shè)計(jì)理念大概有五代的更新,從一開始第一代我們單純的追求葉片的CP最高,到現(xiàn)在我們自主研發(fā)設(shè)計(jì)了多目標(biāo)葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái),也就是這張PPT里面最上面的這樣一個(gè)平臺(tái),這個(gè)是我們實(shí)際工作的一個(gè)范例。這個(gè)平臺(tái)有三個(gè)要素,一是變量,二是目標(biāo),三是約束條件。變量包含很多,但主要分幾類,一類是氣動(dòng)設(shè)計(jì)變量,二是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量,三是工藝信息。目標(biāo)我們現(xiàn)在主要把目標(biāo)設(shè)定為一是發(fā)電量最高,二是載荷最小,三是葉片重量最精。三塊是約束條件,主要是提高限定一些門檻,提高整個(gè)運(yùn)行的效率。最后我們使用一個(gè)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)的模塊,這個(gè)模塊里面套了一些非常先進(jìn)的遺傳優(yōu)化算法,來驅(qū)動(dòng)整個(gè)三個(gè)要素做我的葉片自動(dòng)巡優(yōu)的設(shè)計(jì),這是我們現(xiàn)在葉片的一個(gè)理念,綜合一句話就是我們現(xiàn)在葉片的設(shè)計(jì)理念是我們要在葉片的成本、載荷,就是整機(jī)匹配性,還有葉片發(fā)電表現(xiàn)之間尋求一個(gè)平衡點(diǎn),沒有最好的,只有更好的,是一個(gè)平衡的尋求,這個(gè)是我們的設(shè)計(jì)理念。
做了這么多產(chǎn)品,有這樣的設(shè)計(jì)理念以后,我們到底有哪些優(yōu)勢?我們選取了一款2兆瓦115級(jí)別的,我們自己設(shè)計(jì)的葉片和市場同類產(chǎn)品做了一個(gè)比較。可能看到我們的發(fā)電量0.37%的超出,重量會(huì)輕到10%,葉根極限載荷和疲勞載荷也有一定程度的降低,這就是我們這些年做的一些工作和一些小的成績、成果。這個(gè)是廣告時(shí)間,下面切入正題,葉尖延長增功技術(shù)。
我想從五個(gè)方面來介紹一下這項(xiàng)技術(shù),或者是我們做的這個(gè)項(xiàng)目。一是背景、二是方案、三是關(guān)鍵技術(shù)、四是樣機(jī),五是總結(jié)。
背景。想說兩個(gè)問題,一是我們的目的,就是我們?yōu)槭裁匆鲞@件事。二是我們?yōu)槭裁匆x用這樣的技術(shù)路線來做這件事。目的很簡單是兩方面,一是搶占運(yùn)維市場,二是降低風(fēng)場整機(jī)的LCOE。搶占運(yùn)維市場非常好理解,昨天論壇環(huán)節(jié)的嘉賓也談到現(xiàn)在中國整個(gè)裝機(jī)并網(wǎng)的風(fēng)電發(fā)電機(jī)組總量非常大,大概1.6億千瓦這樣的級(jí)別,如果以2兆瓦單臺(tái)容量來算,也有大概8萬臺(tái)這樣的一個(gè)后市場,這個(gè)是非常非常大的。我們聯(lián)合動(dòng)力作為一家整機(jī)制造型企業(yè),這些年也逐漸從制造企業(yè)到制造服務(wù)企業(yè)的轉(zhuǎn)型,所以我們當(dāng)然不會(huì)放棄這樣一個(gè)龐大的后市場。二是我講到叫降低風(fēng)場LCOE,這個(gè)是為了第一個(gè)目的做支撐的。簡單說一下LCOE,簡單說一點(diǎn)就是平準(zhǔn)化的度電成本,它有一個(gè)非常復(fù)雜的計(jì)算公式,它等于我的成本除以風(fēng)場全生命周期的發(fā)電量總合,而成本就是分子部分包含三個(gè)主要部分,一是設(shè)備成本,就是我們做的風(fēng)機(jī),二是安裝和運(yùn)輸?shù)某杀荆沁\(yùn)維成本,這三部分大概是3、1、3的比例。所以我們做這項(xiàng)技術(shù)的目的是降低LCOE,通過這個(gè)公式可以發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)途徑,一是把分母增加,二是把分子也就是成本下降。葉尖延長正是把通過增加風(fēng)場在全生命周期內(nèi)的發(fā)電表現(xiàn)、發(fā)電量來降低LCOE的,這是我們做葉尖延長技術(shù)兩個(gè)非常重要的目的。現(xiàn)狀方面大概列了4種葉片技術(shù),一是渦流發(fā)生器、擾流器、翼刀、葉尖延長。那么其中前三種它的原理是類似的,都是一種葉片表面流長的流動(dòng)控制的技術(shù),它們對(duì)發(fā)電量的提升在5%-1.5%之間,其中渦流發(fā)生器在0.5-1.5之間。擾流器和翼刀,我們的評(píng)估和計(jì)算差一些,在0.5%以下,其中效果最好的就是葉尖延長,如果說按照兆瓦級(jí)的機(jī)組,單只葉片延長1米來計(jì)算,我們相信它在2%以上的發(fā)電量提升是沒有任何問題的。這也是我們要選擇這個(gè)技術(shù)路線做葉片延長增功的一個(gè)最根本的原因,當(dāng)然后面還有一些成本的考慮,會(huì)在后面提到。
方案。其實(shí)原理很簡單,就是我們?cè)谳d運(yùn)機(jī)組上面加一個(gè)延長的成套,起到增加掃風(fēng)面積和風(fēng)機(jī)的風(fēng)能捕獲總量的目的,右側(cè)這個(gè)圖片其中灰色的部分是我們?cè)嫉娜~片,綠色的部分是我們加到延長的襯套,這個(gè)是效果圖先給大家展示一下。第二個(gè)就是我們通過這樣的方案,氣動(dòng)外形的一些參數(shù)必然會(huì)有一些變化,比如說弦長,扭角、相對(duì)厚度、絕對(duì)厚度,這里面有一組圖片,讓大家直觀感受一下沿著葉片展向這些參數(shù)有哪些調(diào)整和變化。第一張圖片是葉片的弦長分布,可以看到在延長段之前兩條線合的非常好,在延長段到葉尖之間是有一個(gè)過渡和延伸,同樣的規(guī)律也存在在葉片扭角分布里面,在相對(duì)厚度分布里面,在預(yù)彎里面。再把這四張圖放在一起,有兩點(diǎn)需要說一下,一是通過這樣的方式延長以后,我們的外形是和原始葉片有一個(gè)平滑的過渡,這樣的好處是可以保證排除掉因?yàn)樾螤钔蛔円鹨恍?yīng)力集中的問題,二是排除掉安裝的干涉問題。第二點(diǎn)我們?cè)谌~片延長段,不管是1米也好,2米也好,應(yīng)用了我們剛才提到的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)工序,對(duì)葉片延長段的外形做了詳細(xì)氣動(dòng)外型的優(yōu)化,保證在有限的延長長度的前提下發(fā)電量增加最多。應(yīng)用這樣的方案,我們UPBlade機(jī)組延長了84風(fēng)輪直徑增加了2米,以后我們做了理論上的發(fā)電量的評(píng)估,可以看到風(fēng)場年均峰在8米到5.5米之間發(fā)電量提升了2.2個(gè)百分點(diǎn)到3.9個(gè)百分點(diǎn)之間。
關(guān)鍵技術(shù)。說了這么多我們做的這個(gè)項(xiàng)目,大家都覺得可能原理上很簡單,但是實(shí)際做下來確實(shí)會(huì)碰到一些非常關(guān)鍵的具體的問題。關(guān)鍵技術(shù)有哪些?介紹一下。第一個(gè)就是氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)技術(shù),這個(gè)也是應(yīng)用了我們這些年來總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn),在葉片延長段這邊做了一個(gè)氣動(dòng)外形的優(yōu)化,保證發(fā)電量性能的提升。這個(gè)不再重復(fù)說了,氣動(dòng)外形很重要。載荷計(jì)算和安全性能的評(píng)估,我們做了葉片和整機(jī)的全工況的疲勞載荷和極限載荷的計(jì)算,應(yīng)用計(jì)算結(jié)果對(duì)葉片的強(qiáng)度和整機(jī)關(guān)鍵部件的強(qiáng)度做了校核。整機(jī)關(guān)鍵部件包括哪些,葉片不說肯定要做,另外就是輪轂、主軸、機(jī)架、偏航,這幾大部件我們都做了嚴(yán)格的校核,校核下來UP82機(jī)組到84機(jī)組這個(gè)運(yùn)行是沒有問題的,保證了運(yùn)行的安全性,這是前提。剛才有提到夜間延長的襯道是通過粘接的形式裝配到原始葉片上的,所以粘接就成了非常關(guān)鍵的一個(gè)點(diǎn)。我們也是圍繞這個(gè)問題做了很多工作,一是理論層面上我們使用了有限元強(qiáng)度分析,對(duì)粘接位置的機(jī)械強(qiáng)度做了校核。第二個(gè)我們做了地面形勢實(shí)際的測試,做了最大最小葉片擺正、粘接、展向五個(gè)方向的測試,也證明我們的粘接強(qiáng)度非常安全,而且安全系數(shù)還非常高。既然這項(xiàng)技術(shù)定位為載運(yùn)機(jī)組的改造,無疑在線的安裝工藝會(huì)成為一個(gè)關(guān)鍵問題,這就直接決定了我的安裝效率、安裝成本,包括人員的設(shè)備成本,也直接決定了我這個(gè)項(xiàng)目能否順利的推向運(yùn)維后市場。所以第三點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)我想提一下,我們圍繞安裝工藝方面也做了很多工作,比如說幻燈片最左側(cè)我們?cè)O(shè)計(jì)了專門的定位和安裝的工裝,最右側(cè)這個(gè)圖片是我們對(duì)工裝夾持夜間襯套在現(xiàn)場裝配的效果圖。大家別看這些工作非常的細(xì)小,但是我認(rèn)為它對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的推向市場是起到非常非常關(guān)鍵的作用。關(guān)鍵技術(shù)剛才我講了四點(diǎn),氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、載荷計(jì)算安全性評(píng)估、粘接強(qiáng)度校核、安裝工藝,這個(gè)是關(guān)鍵技術(shù)部分。
樣機(jī)。我們這項(xiàng)技術(shù)在去年的9、10月份的時(shí)候已經(jīng)有一臺(tái)樣機(jī)成功的改造完成,并且到現(xiàn)在來說已經(jīng)運(yùn)行了半年多的時(shí)間這樣情況。這組圖片是我們的工程師和工人師傅在現(xiàn)場實(shí)際操作的圖片,左上角是我們通過特殊的改造設(shè)計(jì)的核心吊蘭,左下角是我們的安裝定位還有加熱的一個(gè)夾距,中間靠下這個(gè)圖片是我們完成葉片延長改造以后的效果圖。大家看到基本上外形是非常非常平滑的,基本上看不出來你做了任何的改造和調(diào)整,效果非常好,這是表面的效果。實(shí)際的能力是什么樣的?我們對(duì)改造以后的機(jī)組和改造之前在發(fā)電表現(xiàn)上做了一個(gè)非常嚴(yán)謹(jǐn)和詳細(xì)的評(píng)估。我們可以看到紅色的功率曲線是我葉片改造以后的表現(xiàn),藍(lán)色的功率曲線是我這臺(tái)機(jī)組在改造之前的表現(xiàn),有一個(gè)放大圖呈現(xiàn)給大家。我們還是要用數(shù)據(jù)說話,半年累積下來的數(shù)據(jù)實(shí)際測下來,我們的年發(fā)電量提升在2.4%,這個(gè)和我們的理論計(jì)算是非常吻合的。
總結(jié)。我覺得可以概括成四點(diǎn):一是我覺得通過我們這么多的工作能夠保證它的非常強(qiáng)的安全性,包括整機(jī)和葉片。二是發(fā)電量提升的效果很明顯,剛才也提到有2.4個(gè)百分點(diǎn)的提升。三是施工的便捷,我們?cè)跇訖C(jī)的階段會(huì)多花一些時(shí)間,但我們今年在批量的目標(biāo)是大概一天一只這個(gè)水平,希望5天能夠改造一個(gè)機(jī)組,因?yàn)檫€有一些其他的工作要做。最后一個(gè)是投入少,我們的詳細(xì)的成本核算有,但是不方便今天展示給大家,所以我只能說這項(xiàng)技術(shù)的投入在2.5年到3年之間是可以幫業(yè)主收回來的,有利于發(fā)電量的提升。這是我今天的報(bào)告,風(fēng)機(jī)葉片葉尖延長技術(shù),謝謝大家!