WINDnovation創(chuàng)始人兼總經(jīng)理Roland Stoer在設計優(yōu)化運維專場做了題為《大型兆瓦級風力發(fā)電機組葉片的設計和制造——從原型到優(yōu)化未來系列產(chǎn)品的經(jīng)驗教訓》的演講。以下為演講內(nèi)容實錄：

WINDnovation創(chuàng)始人兼總經(jīng)理Roland Stoer
 

　　我首先介紹一下我們公司W(wǎng)INDnovation。在座的可能有些知道，我想說一下，為什么轉子葉片很相似，一些歷史的概述，未來的解決方案和長葉片的潛在方案，我們可以跟合作伙伴一起合作，提供一些解決方案、新的產(chǎn)品和設計。

 

　　WINDnovation十年以前柏林成立的。今天我們有31個全職的工程師，主要是用于轉子葉片的設計，我們已經(jīng)做了350個項目，其中100個是單個的轉子葉片的設計，滿足了供貨給100個客戶，來自25個國家。我們同時做技術轉讓，做轉子葉片的制造，現(xiàn)在中國占我們整體業(yè)務的90%。我們做一些風力發(fā)電機組件的設計和咨詢的工作，我們滿足ISO90001的要求。

 

　　這些是風力發(fā)電行業(yè)早期的照片，在德國曾經(jīng)出現(xiàn)過這種單葉片的風機，后來變成了雙葉片，比美國的機型要大很多，后來有一張瑞士的照片，丹麥做了一些非常直截了當和新穎的設計。到目前為止這些項目已經(jīng)運轉了30年以上。

 

　　首先第一個比較成功的風機的葉片是在1995年到2005年的時候，有一些NEG  Micon600，現(xiàn)在在德國最大的就是使用7.5兆瓦的，還有金風的是一個1米的裝置。

 

　　第三個就是離岸的應用，這是日本Hitachi的2兆瓦和5.5兆瓦的設計。我們當下在葉片使用的風機中的最新的技術。

 

　　關于轉子葉片，我們早期的時候是在飛機或者航空領域，后來用一些比較小的葉片，包括像一次成型的葉片。最近大家可以看到像西門子是整體式的葉片，還有Spar box的，用了一個梁翼的結構，這樣我們就可以更好地對這個結構進行調整。

 

　　但是它有一個缺點就是會對這個葉片的運行效率和輸出有影響，所以我們有了第三種概念，就是整合的外殼。它的外殼整個是整合的，非常地高效。但是它有一個不好的地方，因為是整體式的外殼，所以我們在內(nèi)部結構上可以進行布局的空間非常有限。

 

　　我們現(xiàn)在從客戶這邊給到我們設計上的一些挑戰(zhàn)，比如說像定制化，還有我們?nèi)绾伟研阅茏畲蠡?，能量輸出最大化，并且把這個荷載最小化，同時葉片輕量化，同時生產(chǎn)過程也能不斷地簡化。同時還要降低噪聲的水平，如果要滿足所有以上的條件，聽起來基本上像不可能完成的任務。

 

　　這是我們早期在商業(yè)化上取得成功的風機的葉片，當時在90年代中期的時候是通用的葉片，用于所有的風力電機，這里IM19.1，整個是風機成本的20%。

 

　　大家可以看到這個時候，我們一般風機的設計師就需要考慮到這些可用葉片的做功，尤其是在設計新的風機的時候，要考慮到這些葉片的特征。

 

　　現(xiàn)在大家可以看到常見的像金風的1.5兆瓦在70/77等等的款型。同時我們要考慮到風機的設計。所以當客戶找到我們的時候，他們會有相應的RPM的設計等等，在最少的噪音水平、最大的性能能源輸出如何找到最好的解決方案。

 

　　今天早上我們也聽到了，人們也希望能夠在比較低的風速下也希望能夠呈現(xiàn)比較高的效果和性能。大家看到紅色的這條線就可以展示出我們的轉子的大小，所以大家看到最后大概是145兆瓦/平方米的荷載。如果要是在這個2兆瓦的話，大家可以看到是400兆瓦/平米的荷載。

 

　　這里是我們之前最早使用的一個轉子葉片的幾何造型，在這種情況下空接非常有限就很難讓我們的結構設計師在內(nèi)部設計方面能夠有很好的靈活性。

 

　　同時像這里就更細、更修長，結構、空間非常有限，并且對這種葉尖和葉尾的間隙更加敏感。我們也嘗試使用最好的軟件和計算方案來進行相應的計算，獲得最好的解決方法。

 

　　在這里我們也會去計算，進行相應的曲線分析。這里大家看到我們用這個彎曲分析，就是一個橫截面的彎曲設計，在這個軸上的點。我們詳細地去看，最后分析發(fā)現(xiàn)在這個區(qū)域的荷載更高，這樣我們就可以來得到一個結構化的計算。當然這個過程中需要大量的計算的付出和方法。

 

　　同時我們還有一個比較明顯的特征，這是一個160米的直徑，這個地方它的風速大概10米，但是在那邊是200米/小時，所以風速是不一樣的，所以風速比較低的時候是不需要做控制，但是在風速比較大的地方需要做相應的控制。所以風速的分布是完全不一樣的，我們就嘗試把大型的葉片，把荷載最小化。比如說我們有一些設備用于荷載的最小化，同時可以使用一些創(chuàng)新的技術。

 

　　我們在這個風力發(fā)電機上沒有找到相應的視頻，所以給大家看了在飛機上葉片出現(xiàn)的現(xiàn)象。所以在這邊我們需要去在相應的空氣動力負荷下同時做靜態(tài)和動態(tài)行為的測試。所以我們就要找到一個點，比如說葉片不是太大，但同時又可以在運轉的過程當中保持比較穩(wěn)定。

 

　　大家可以看到在紅色這條線上，大概是10。但是如果要是關閉這個發(fā)電機的話，你看它的速度可以達到20RPM，這樣我們就有一個相應的安全系數(shù)。

 

　　同時我們還有一個軟件，這個軟件叫Hawc2Stab，這樣可以找到一個最佳的中間方案。目前也是當前技術當中最好的一個解決方法。

 

　　當然從生產(chǎn)的角度來說，我們希望能夠盡可能地簡化，這樣也可以實現(xiàn)比較好的精確化。比如說根據(jù)我們之前講的曲線來完全遵循最好的折中線，同時在使用的過程中要避免出現(xiàn)褶皺。這時候我們要有一個曲線分析，對每一條線進行分析，比如說曲線的過渡要非常地的平滑，不要出現(xiàn)比較陡的變化和比較尖的拐角。

 

　　噪聲的減少方面，尤其是對于不同載荷的葉片，我們也需要關注噪音，在很多市場上也是比較被人們關注的方面?，F(xiàn)在比較詳細的分析都是半實驗室的，都是在葉片運轉過程中評估運轉水平。其實這個噪音也是和我們發(fā)電機的功率相關的，這個噪音不管葉片的近端和遠端的特點也是不一樣的。

 

　　一般來說噪音水平，一般額定功率上去的話，噪音水平也會普遍提高。我們可以調整它的葉尖的速度，同時可以對葉片的頂端進行處理，或者優(yōu)化我們的葉片頂端的設計。同時可以使用一些特殊的元件，還有升力系數(shù)。比如說這些鋸齒，這些鋸齒會產(chǎn)生相應的渦輪，他們可以根據(jù)我們機器的功率，可以在一定程度上降低整個機器的噪音水平。

 

　　從材料的角度來說的話，當然作為設計師，我們肯定是嘗試去盡可能地使用最好的材料來優(yōu)化整個葉片的結構。像這里大家看到，比如說我們可以使用一些高性能的玻璃纖維，比如在2016年有CIC的TM+，還有2016年、2017年、2018年，尤其是2018年的性能非常好。并且最近的一些設計和客戶都是使用E8的材料，當然也有生產(chǎn)性能的，因為生產(chǎn)該材料的鍋爐每年不能無限制地生產(chǎn)。

 

　　關于數(shù)值系統(tǒng)，像一些環(huán)氧的數(shù)值，一般來說像新開發(fā)的PU融合的數(shù)值能夠提供比較好的大小。同時能夠帶來比較好的主要性能的提升。

 

　　關于一些核心材料，比如說一些新材料，目前的趨勢是如果真的出現(xiàn)新材料的話，一般客戶不敢馬上去使用，出我們能夠再使用一段時間并驗證，同時有多個供應商提供材料，我們才敢去進行嘗試。

 

　　我們有一個中國的紡織品廠家來增加葉片的堅硬度，用碳玻璃混合的材料，并且這種玻璃纖維的供應也是比較有限。所以我們在采用這種材料的過程中也要去思考成本，包括材料的可及性。

 

　　我們還要看碳纖維是否能減少，比如說50%的量，并且在90米的葉片情況下。最后可以看到只要是管用的，沒人想放棄，現(xiàn)在每個人的方向都在增大葉片的尺寸和質量。

 

　　（內(nèi)容來自現(xiàn)場速記，未經(jīng)本人審核）