2020年10月14日-16日，2020北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)（CWP 2020）在北京新國(guó)展隆重召開。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會(huì)之一，這場(chǎng)由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國(guó)內(nèi)外參會(huì)代表共同參與的風(fēng)能盛會(huì)，再次登陸北京，本屆大會(huì)以“引領(lǐng)綠色復(fù)蘇，構(gòu)筑更好未來”為主題，聚焦中國(guó)能源革命的未來。能見App全程直播本次大會(huì)。
在15日下午召開的風(fēng)資源精細(xì)化評(píng)估分論壇上，浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司副主任工程師劉勇發(fā)表《風(fēng)電機(jī)組輕量化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用》主題演講。
以下為發(fā)言實(shí)錄：劉勇：今天要跟大家分享的主題是風(fēng)電機(jī)組清涼化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用。今天的分享包括下面幾個(gè)方面，首先我會(huì)為大家簡(jiǎn)單介紹一下我們這個(gè)風(fēng)電機(jī)組輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)的一個(gè)概況，包括我們的技術(shù)需求，關(guān)鍵技術(shù)組成，以及應(yīng)用這個(gè)技術(shù)所可能帶來的產(chǎn)出。接下來我會(huì)對(duì)其中幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行展開的介紹。包括一個(gè)結(jié)構(gòu)智能仿真優(yōu)化技術(shù)，新材料，技術(shù)傳動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)合一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，最后會(huì)為大家介紹一下到目前為止我們運(yùn)達(dá)運(yùn)用輕量化設(shè)計(jì)所得到的應(yīng)用成果。
首先我們?yōu)槭裁匆芯匡L(fēng)電機(jī)組的輕量化設(shè)計(jì)？那么最主要的一個(gè)原因就是來自于風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)所帶來的成本挑戰(zhàn)，這個(gè)問題在前面我們同行分享中多次提到過，從2018年以來，到現(xiàn)在風(fēng)機(jī)數(shù)量的變化趨勢(shì)，到現(xiàn)在我們的風(fēng)機(jī)的售價(jià)已經(jīng)跌回了2018年搶裝潮，2018年10月份左右3200元每千瓦的價(jià)格。而且預(yù)計(jì)到明年這個(gè)價(jià)格就會(huì)跌破到3000元以下，在政策方面，2015年5月20號(hào)國(guó)家發(fā)改委公布《關(guān)于2019年第一批風(fēng)電光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)項(xiàng)目的通知》2021年1月1日全面實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，國(guó)家不再補(bǔ)，更低的度電成本挑戰(zhàn)，風(fēng)機(jī)裝備的成本，首當(dāng)其沖應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)。
那么這個(gè)長(zhǎng)葉片大容量的發(fā)展趨勢(shì)，又會(huì)給我們帶來兩個(gè)方面挑戰(zhàn)，一個(gè)是我們風(fēng)機(jī)越來越大，我們風(fēng)機(jī)部件越來越大，那會(huì)對(duì)我們運(yùn)輸和吊裝造成更大的成本壓力，目前我們行業(yè)內(nèi)通常需要我們把風(fēng)機(jī)的部件或者模塊控制在一百噸左右我們才能夠使用常規(guī)的裝備來完成它的運(yùn)輸和吊裝，如果超過這個(gè)重量限制那么我們可選擇的裝備就會(huì)變得很少運(yùn)輸和吊裝的成本就會(huì)集聚上升。工況會(huì)變得更加復(fù)雜，對(duì)我們可靠性提出更高的要求。大家可能會(huì)有疑問，為什么還要做輕量化設(shè)計(jì)，把風(fēng)機(jī)變輕了你的可靠性還能達(dá)到嗎？確實(shí)這是一個(gè)非常實(shí)際的問題在邏輯上這也是非常正確的，為什么我們需要研究輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)，研究這個(gè)技術(shù)的目的就是過技術(shù)手段來保證我們可以同時(shí)滿足成本和可靠性兩方面的需求，那么這里我列了三個(gè)方向的輕量化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。這主要是運(yùn)達(dá)目前比較關(guān)注的方面。并不代表是輕量化設(shè)計(jì)的全部技術(shù)在今天我們技術(shù)論壇前面有很多行業(yè)的專家分享了別的方向的技術(shù)，這里的話我就做一個(gè)拋磚引玉。
第一個(gè)方向我們是從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度出發(fā)，通過這個(gè)結(jié)構(gòu)智能仿真優(yōu)化技術(shù)來獲取一個(gè)等強(qiáng)度的一個(gè)輕量化的部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第二個(gè)方向是從材料方向出發(fā)，采用性能更高的新材料來保證一個(gè)系統(tǒng)等強(qiáng)度的一個(gè)輕量化設(shè)計(jì)減重降本第三個(gè)是傳動(dòng)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，通過這項(xiàng)技術(shù)使我們傳動(dòng)系統(tǒng)得到更緊湊以及可靠性更高的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)。輕量化的產(chǎn)出也就是好處，第一個(gè)當(dāng)然是我們減重，降低風(fēng)機(jī)整體的設(shè)備成本。隨著風(fēng)機(jī)的減重，那么我們的運(yùn)輸和吊裝就有可能可以實(shí)施我們的性價(jià)比高的一些運(yùn)輸?shù)跹b方案，比如說模塊化運(yùn)輸一體化吊裝，第三就是通過這些技術(shù)保證我們的這個(gè)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)仍然是具備高度的可靠性不會(huì)帶來額外的運(yùn)維成本的增加。
下面我展開介紹一下剛才提到的幾個(gè)核心技術(shù)，一個(gè)是結(jié)構(gòu)智能仿真優(yōu)化技術(shù)，這個(gè)技術(shù)主要針對(duì)的是我們風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)，比如說我們的輪轂主機(jī)架還有主軸等等，那么在我們風(fēng)電行業(yè)的傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)通常是采用的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模式，也就說當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)一個(gè)新的部件的時(shí)候，往往是基于現(xiàn)有已經(jīng)有的成熟設(shè)計(jì)，根據(jù)我們新的要求來進(jìn)行一定的改變，來獲取一個(gè)滿足新部件長(zhǎng)度要求的新設(shè)計(jì)。這種模式存在一定的不足，一個(gè)方面是它可能會(huì)產(chǎn)生大量的設(shè)計(jì)人員重復(fù)的人工迭代，不利于產(chǎn)品開發(fā)效率的提高在輕量化方面無法保證所得到的設(shè)計(jì)是最優(yōu)的需要把我們部件減重多少，經(jīng)過調(diào)整可以達(dá)到目標(biāo)，他不知道這個(gè)目標(biāo)能不能繼續(xù)往下，能不能得到一個(gè)最優(yōu)的設(shè)計(jì)。
我們結(jié)構(gòu)智能仿真優(yōu)化技術(shù)，可以應(yīng)對(duì)這方面的不足，那這個(gè)技術(shù)其實(shí)是把結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題轉(zhuǎn)化成為一個(gè)以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性作為約束，以結(jié)構(gòu)的輕量化作為目標(biāo)的數(shù)學(xué)優(yōu)化問題，數(shù)學(xué)優(yōu)化算法，進(jìn)行一個(gè)自主化智能尋優(yōu)的技術(shù)。拓?fù)鋬?yōu)化，形狀優(yōu)化，尺寸優(yōu)化，參數(shù)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)階段，可參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的DOE設(shè)計(jì)探索學(xué)習(xí)與優(yōu)化。
目前我們運(yùn)達(dá)運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)首先我們對(duì)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的開發(fā)模式進(jìn)行了一個(gè)革新由傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榱朔抡骝?qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的模式，我們的仿真優(yōu)化工作在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)初期可以進(jìn)入。全程指導(dǎo)我們產(chǎn)品設(shè)計(jì)。一方面它大大提高了我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的效率，另一方面在這些優(yōu)化算法的支撐下，可以保證我們得到的輕量化設(shè)計(jì)是一個(gè)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，目前我們已經(jīng)進(jìn)行了輪轂的拓?fù)浜托螤顑?yōu)化研究，那么對(duì)這些部件來講，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這些部件的減重效果可以達(dá)到5%到15%。
經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)的這些部件，我們會(huì)對(duì)它進(jìn)行一個(gè)嚴(yán)格的可靠性校核，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范，強(qiáng)度方面的較核，與相關(guān)的部件，連接的軸承和螺栓進(jìn)行嚴(yán)格的較核，輕量化設(shè)計(jì)無可靠性風(fēng)險(xiǎn)。
新材料技術(shù)主要針對(duì)的鑄鐵材料，硅固溶，抗壓強(qiáng)度是得到顯著的增強(qiáng)，伸長(zhǎng)率稍有減弱，在強(qiáng)度方面顯著增強(qiáng)用QT500部件的承載能力相應(yīng)的得到一個(gè)顯著增強(qiáng)，從而可以達(dá)到一個(gè)有效控制部件重量的目的。目前我們已經(jīng)著手研究把QT500應(yīng)用在主軸的設(shè)計(jì)上，通過我們的研究發(fā)現(xiàn)與QT400、QT500重量上達(dá)到36.8，QT500材料，本身單價(jià)比QT400要貴，由于減重的程度，最終我們還是能夠得到28.3%的降本收益。對(duì)于QT500新材料的可靠性，我們主要關(guān)注的是它的斷裂性能，因?yàn)槲仪懊婺菑埍硖岬絈T500在強(qiáng)度方面有很大提高在延展性方面有一定的降低，所以我們進(jìn)行了基于斷力力學(xué)的評(píng)估，目前我們已經(jīng)可以完成斷裂事件的定量計(jì)算結(jié)構(gòu)勝于強(qiáng)度的分析，以及裂紋的擴(kuò)展控制，總體目標(biāo)提高我們使用新材料的可靠性。
接下來是傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合一體化設(shè)計(jì)，那么對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，我們傳統(tǒng)來說通常是按照部件單個(gè)的來孤立分析，傳動(dòng)系統(tǒng)整體運(yùn)行的情況通常有一定的偏差，分析的結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，因此我們研究了這個(gè)整機(jī)傳統(tǒng)鏈建模的方法，我們建立的風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈動(dòng)態(tài)仿真模型，是綜合考慮風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速、齒輪箱齒合頻率、連州器對(duì)中性、發(fā)電機(jī)支撐結(jié)構(gòu)等因素，動(dòng)力學(xué)仿真，引入虛擬加速度傳感器技術(shù)，通過監(jiān)測(cè)齒輪箱輸入端發(fā)電機(jī)輸入端加速度。
通過應(yīng)用這些技術(shù)我們可以達(dá)到一個(gè)目標(biāo)，參數(shù)、軸承、齒輪箱、得到更加好的匹配，使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)更加緊湊和可靠。
具體到傳動(dòng)系統(tǒng)核心部件，軸承我們對(duì)它的分析也是考慮了軸承的主軸承的周邊連接結(jié)構(gòu)，考慮可以更加準(zhǔn)確計(jì)算滾道接觸應(yīng)力，提高軸承可靠性，齒輪箱，開展行星輪系均載性，齒輪修型以及動(dòng)態(tài)仿真研究。預(yù)防解決我們后期出現(xiàn)的問題，降低故障率提高我們機(jī)組的可靠性。
最后給大家展示我們運(yùn)用輕量化技術(shù)所取得的成果，我們運(yùn)達(dá)從WD2500逐漸應(yīng)用我剛才介紹的技術(shù)，這張圖這張表應(yīng)用輕量化，單位千瓦WD2000，41.5公斤降低到了WD4500公斤26.7，輕量化控制在100噸，以便可以運(yùn)用低成本的吊裝和運(yùn)輸方案，目前我們的WD4500現(xiàn)在還沒有達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，因?yàn)槲覀冞€沒有把我們新材料這個(gè)目前還處于研究當(dāng)中，還沒有完全的應(yīng)用上來，那么如果把新材料技術(shù)用上來，我們WD4500機(jī)艙重量可以降低110噸以下，這樣我們這一系列的機(jī)型都有可能實(shí)施我們模塊化運(yùn)輸，以及一體化吊裝的施工方案，從而為我們節(jié)省大量的運(yùn)輸和吊裝方面的成本。以上就是我的今天的分享，謝謝大家。
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