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！
