低風(fēng)速風(fēng)電大葉片對整機(jī)的影響分析

2017-10-18 15:43:07 能見　點(diǎn)擊量：評論 (0)

2017年10月16日-19日，2017北京國際風(fēng)能大會(huì)（CWP2017）在北京隆重召開。在中國國際展覽中心（新館）風(fēng)電葉片大型化問題和技術(shù)專場，中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司高級(jí)工程師，高級(jí)主任設(shè)計(jì)師王磊帶來低風(fēng)速風(fēng)

2017年10月16日-19日，2017北京國際風(fēng)能大會(huì)（CWP2017）在北京隆重召開。在中國國際展覽中心（新館）“風(fēng)電葉片大型化問題和技術(shù)”專場，中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司高級(jí)工程師，高級(jí)主任設(shè)計(jì)師王磊帶來“低風(fēng)速風(fēng)電大葉片對整機(jī)的影響分析”的主旨演講。

以下為演講內(nèi)容：

王磊：各位同仁，各位專家，大家上午好。

我今天給大家匯報(bào)的主題是風(fēng)電大葉片對整機(jī)的影響，因?yàn)槲冶救藖碚f是整機(jī)設(shè)計(jì)和開發(fā)這塊的工作，所以可能會(huì)更加傾向于整機(jī)一些，前面葉片相關(guān)的方面的一些考慮的話，前面兩位前輩和專家已經(jīng)講過了，所以今天我重點(diǎn)內(nèi)容就是整機(jī)方面的。

我的匯報(bào)分成三個(gè)部分，第一個(gè)就是我們長葉片對整機(jī)帶來的優(yōu)勢和好處是什么？第二個(gè)整機(jī)廠可能考慮的方面，就是劣勢，整機(jī)方面帶來的影響，我們有什么解決方案。

首先對于長葉片對整機(jī)的優(yōu)勢是顯而易見的，這個(gè)是投資方關(guān)注的，就是收益。

我們首先看一下，從時(shí)間軸上來看，2012年以前，我們風(fēng)電行業(yè)大部分是1.5MW，到了2012年的時(shí)候主要2MW，到了2016年下半年，各個(gè)廠家逐漸推出了126，以及131這樣的級(jí)別，不過功率級(jí)別從2MW，現(xiàn)在逐漸升到了X。所以最終會(huì)討論到對整機(jī)的成本，也就是業(yè)主投資的收益問題，還有我們整機(jī)廠必須要考慮的利潤問題。

這是我們公司從最開始的長葉片到現(xiàn)在做研發(fā)的狀態(tài)，我們對葉片的發(fā)展性能大家很熟知的，但是這個(gè)東西大家太熟知了。我們可以看到，從最初的2兆瓦110，到現(xiàn)在130，單位兆瓦一直在持續(xù)增加，可適應(yīng)的風(fēng)量總級(jí)一直在增加，從最初的7.5米，到現(xiàn)在可開發(fā)的利潤點(diǎn)能夠達(dá)到5.5米的狀態(tài)，使超低風(fēng)速的地區(qū)開發(fā)價(jià)值逐漸增高，使我們可以開發(fā)的地方逐漸多一些。

這是簡單的一些優(yōu)勢，所以我大概地過了一下，我們重點(diǎn)來分析對整機(jī)的劣勢，對整機(jī)來說，隨著葉片長度增加，重量增加是顯而易見的，其次不管是重力載荷還是氣動(dòng)載荷，還有噪音成本都是顯而易見的，這是下面重點(diǎn)分析的內(nèi)容。

第一，隨著葉片長度增加，對整機(jī)帶來什么影響？

首先，剛才提到了我們的長度，隨著我的長度增加之后，我的風(fēng)電機(jī)組的塔筒肯定要增加的，塔筒投資要增加的，整個(gè)要考慮整個(gè)風(fēng)場的COE的時(shí)候要加入的，這個(gè)是有改變的。

第二個(gè)是凈空，一般來說大兆瓦的功率設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)都是按照IEC，對本身材料和工況都會(huì)有要求，所以對凈空有要求。

第三，如果整機(jī)不進(jìn)行改變，噪音會(huì)增加的，噪音來自于什么？就是速度，如果葉片增加之后，轉(zhuǎn)速還是之前一樣的話，整個(gè)風(fēng)能的噪音是會(huì)增加的，這個(gè)會(huì)有詳細(xì)介紹。

另外運(yùn)速方面，在一些特殊方面，當(dāng)你的葉片增加兩三米的話，就會(huì)出現(xiàn)很大問題，那我修路的成本也會(huì)增加的，最終也是在成本里面。

第二個(gè)就是重量，重量的增加，根據(jù)我們過往研究，它的葉根螺栓也要做很大，隨著研究深入，對也跟螺栓來說，對于重力，葉片擺放也會(huì)影響很大。

另外一方面，也是去年才逐漸意識(shí)到這個(gè)問題，以前很多技術(shù)是平臺(tái)技術(shù)延伸的。隨著風(fēng)電葉片增加之后，葉片重量增加，或者風(fēng)能重量增加更合理一些比如說輪轂本體，這都是重量主要原因。真正的重力FY、FZ對它的影響也是非常大的。

其次就是氣動(dòng)載荷，大家可能很熟知了，會(huì)影響葉片的方向，直接影響塔架的設(shè)計(jì)，同樣的塔筒和部件都需要重點(diǎn)去載荷，去進(jìn)行加載來滿足要求。

所以最終落到部件影響整個(gè)成本，保證風(fēng)機(jī)20年質(zhì)量壽命的成本，也是增加的。

通過前面的一些梳理，我們把葉片變長之后的劣勢梳理出來，一個(gè)是葉片變長帶來的，一個(gè)是塔筒增高帶來的，還有噪音增高和相應(yīng)供應(yīng)鏈帶來的。

首先，我們來看一下葉片變長對葉根螺栓的影響，這個(gè)從1千瓦的77，我們國內(nèi)可能從這個(gè)級(jí)別走來，可能93以上的機(jī)組可能生命周期很短了，這個(gè)地方我們就只寫到了93。

然后從2兆的級(jí)別，121、121、130的級(jí)別，我們看到不同的葉片長度，質(zhì)量增加和載荷的增加，都是向上走的，只不過有的我們看到的從105級(jí)別到116級(jí)別的時(shí)候，為什么有個(gè)別地方下降和平緩，是為了我們保證整機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)的時(shí)候，我們是刻意設(shè)計(jì)降低的，風(fēng)場能適應(yīng)等級(jí)會(huì)更窄一點(diǎn)，但是是成本考慮。

所以我們后面計(jì)算就發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)輪直徑的增加，1的時(shí)候，我們的螺栓壽命就是20年，我的螺栓大部分的時(shí)候還是用扳手這個(gè)狀態(tài)，我需要涂抹相應(yīng)的潤滑劑，來保證相應(yīng)的扭動(dòng)系數(shù)，這時(shí)候可能壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到20年，可能五六年就會(huì)斷了，會(huì)與我們設(shè)計(jì)20年有偏差的。

但是這個(gè)項(xiàng)點(diǎn)對當(dāng)前來說，因?yàn)槿~片長度到了這個(gè)級(jí)別，這個(gè)重量肯定會(huì)增加的，所以這是很大風(fēng)險(xiǎn)在這里。

第二，葉片長度增加之后，轉(zhuǎn)速會(huì)下降。

首先，風(fēng)能的葉片長度的增加，為了保持噪音保持現(xiàn)有的狀態(tài)，那我就要保持我的葉間的V達(dá)到80或者81，這時(shí)候我的R是增加的，我的風(fēng)能轉(zhuǎn)速是要下降的，我要維持功率的輸出，我的額定力矩肯定要增加，整個(gè)傳動(dòng)部件的需求就增加。那么對我的成本這個(gè)是會(huì)有增加的。

第二個(gè)，就是葉片性能這一塊的問題，剛才前面中材科技已經(jīng)講過了，我大概提一下，因?yàn)轱L(fēng)輪轉(zhuǎn)速，我們選擇的時(shí)候會(huì)選擇某個(gè)值來匹配，它的最佳的接觸比是有一個(gè)值在這里，如果我的葉片在做別的匹配，或者加長的時(shí)候，我還是要保證我的葉間長度不變，額定降低之后，我的轉(zhuǎn)速比會(huì)降低，葉片越長以后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速就降低。

第三個(gè)例子，就是我們的葉片長度帶來的噪音，剛才前面兩位專家都已經(jīng)提到了，我稍微提一下。這個(gè)是風(fēng)工程那本書里摘抄的，雖然是不同年代里的，但是風(fēng)的增加對葉片的增加都是線性增加的。

書上的理論和實(shí)際現(xiàn)場安裝做了對比，葉片的厚度，葉片后緣厚度噪音非常大，如果后緣厚度控制在物料需求里面，控制在比較均衡比較薄的時(shí)候，對整個(gè)機(jī)組噪音是有很大好處的。

所以這是一個(gè)前面帶來的問題舉的三個(gè)例子，當(dāng)然后面會(huì)有相應(yīng)的解決方案，進(jìn)入第三個(gè)部分，針對這些重量、載荷、噪音，我們怎么解決它？

第一，降低葉片重量這一點(diǎn)，可能我們?nèi)~片廠會(huì)更加專業(yè)一些，比如說用碳纖維等，但是可能現(xiàn)在的碳纖維應(yīng)用會(huì)在海上應(yīng)用多一些，但是在陸上幾乎是還沒有用的，可能我們這個(gè)地方要考慮是什么？就是我整個(gè)風(fēng)場的COE，我使用碳纖維長葉片之后，各種成本增加，但是對整機(jī)帶來很好的優(yōu)勢。

另外一個(gè)，就是我要使用更優(yōu)的翼型，大家都知道對于風(fēng)電機(jī)組來說，就是簡單的二分之一力法，我要葉片增常的話，翼型可能要改變，整個(gè)風(fēng)場和COE優(yōu)化，這個(gè)是一種考慮方向，因?yàn)楫?dāng)我考慮增加的時(shí)候，這是可以選擇的一條道路。

第二個(gè)，就是載荷成本這方面，對于載荷來說，我們也不用說太多的點(diǎn)，因?yàn)轱L(fēng)電發(fā)展了這么多年，各個(gè)部件載荷的性能，可能需要性能更好的葉片，可能我葉片濕度會(huì)大一點(diǎn)，載荷度大一點(diǎn)，性能和成本之間的矛盾點(diǎn)就需要找到一個(gè)平衡。

其次就是大家都在做的事情，就是我的控制參數(shù)，很多極端工況的時(shí)候，極限載荷會(huì)發(fā)現(xiàn)一些情況。葉片使用性能好、載荷優(yōu)的設(shè)計(jì)，選用更優(yōu)的控制參數(shù)，特定的控制策略，針對性的將在。

優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)，使部件重量降低，部件承載能力不降低。

其次，新技術(shù)的應(yīng)用，比如海上風(fēng)機(jī)D128級(jí)別已經(jīng)在應(yīng)用的IPC，可應(yīng)用目前D130，D141級(jí)別的陸上風(fēng)機(jī)，整體成本最優(yōu)。

第三個(gè)，就是噪音，噪音的話，因?yàn)闉槭裁催@個(gè)單獨(dú)點(diǎn)放在最后？其實(shí)這個(gè)問題我們公司是吃過這方面虧的，毫不避諱地講，早些年在南方的山區(qū)，這時(shí)候某些居民拆遷會(huì)遇到很大問題，這時(shí)候設(shè)計(jì)院和業(yè)主就會(huì)離居民很近，就會(huì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場反饋回來，旁邊的雞都不下蛋了，這是現(xiàn)場人開玩笑反饋的。

后來我們做一系列的工作，國標(biāo)那邊是有一個(gè)要求的，在十米高度的地方，我的噪音要小于110分貝，就是我們拿的鋸子在施工的狀態(tài)，要求對居民生活來說其實(shí)是很低的要求了，但是因?yàn)榘さ锰耍砩弦股钊遂o的時(shí)候就格外突出。

所以我們針對葉片的后緣，做了很多設(shè)計(jì)，最后發(fā)現(xiàn)噪音的降低還是非常明顯的。

這個(gè)風(fēng)場的狀態(tài)還是不一樣的，之前我們?nèi)y了，確實(shí)超標(biāo)了，然后在天上安裝之后，再進(jìn)行測量，噪音下降很明顯，它可以降低中低頻的噪音。

同時(shí)這個(gè)點(diǎn)，我們從施工前后，對整個(gè)功率曲線的影響，基本上影響很小，或者我們看到?jīng)]有明確數(shù)據(jù)表示。

國外的，站在他們塔筒下面，沒有聽到很明顯氣動(dòng)帶來的噪音，只是明顯的電氣部件，后來了解他們有低噪音的部件，但是我不知道國內(nèi)應(yīng)用是什么樣的。

第二，是后緣厚度的控制，降低運(yùn)行過程中長期噪音。這個(gè)是持續(xù)運(yùn)行的，降低是長期的噪音。

其次是剛才講的降噪的來源。

第四，就是風(fēng)機(jī)機(jī)艙中的噪音源，比如我們的發(fā)動(dòng)機(jī)，這時(shí)候它高轉(zhuǎn)速的時(shí)候帶來的噪音，以及齒輪嚙合的時(shí)候的噪音，這時(shí)候我們加隔音棉，盡量把聲音控制在密封艙里，對周圍環(huán)境影響降低。

好，我的匯報(bào)就是這些，謝謝大家。

責(zé)任編輯：lixin

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