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風機大型化面臨技術天花板，如何破局？_新要聞

來源：百家號時間：2022-12-17 18:42:16

風電機組大型化是平價時代最被看好的的技術發(fā)展方向。要引領這個趨勢，整機商不能守株待兔，必須在技術上主動出擊。關鍵零部件自研正是從整機商的視野與角度，將技術探索的觸角向更多領域延伸，通過技術穿透產(chǎn)業(yè)鏈，形成部件與整機的協(xié)同技術進步。

(相關資料圖)

風電是技術密集型產(chǎn)業(yè)，技術進步是通過關鍵零部件實現(xiàn)的，這意味著整機商要逃離舒適區(qū)，技術能力向過去未曾涉足的產(chǎn)業(yè)鏈上游領域延伸。為此，整機商必須具備打開技術“黑匣子”的誠意、勇氣與智慧。這方面，遠景能源已經(jīng)走在前面。

從2009年推出首款風電機組開始，遠景能源就掌握了自主整機技術。經(jīng)過十多年的投入，遠景能源一步步完成了變頻器、葉片、發(fā)電機、變槳軸承、齒輪箱、主軸承等關鍵零部件的自研甚至自產(chǎn)，建立起擁有核心競爭力的關鍵零部件及整機系統(tǒng)設計驗證能力。

“從關鍵零部件自研代工到自研自制，我們的目的都是要將底層技術做透，提高風電機組的整體性能和可靠性?！边h景能源風電機組產(chǎn)品首席專家高猛認為。

軟硬結合，拓展性能極限

要保持優(yōu)異的發(fā)電能力，風輪直徑必須跟上單機容量持續(xù)增大的步伐，這給翼型設計帶來不同以往的挑戰(zhàn)。使用標準翼型庫中的翼型，氣動外形性能與結構很難滿足大型葉片系統(tǒng)的設計匹配要求。遠景能源的技術人員相信：只有真正深入到翼型自研中，才可能將超長葉片與整機載荷設計融為一體，得到更高效的超長葉片解決方案。

例如，葉片的變槳扭轉過程，從葉根傳遞到葉尖需要一定時間。葉片越長，扭轉剛度越小，這種變槳滯后就越明顯，也意味著在極限工況下超長葉片因變槳滯后而容易出現(xiàn)超載。從171米風輪直徑葉片開始，遠景能源對鋪層進行了特殊設計，在大彎矩載荷下葉片會自動發(fā)生扭轉從而改變攻角，在葉片完成“緩慢”的變槳動作前就實現(xiàn)一定程度的自適應降載。

能夠開發(fā)出這項技術，源于遠景能源在自研整機載荷設計軟件ENFAST中，采用自由渦尾跡與葉素動量理論結合的超長大變形葉片氣動計算模型，突破了葉片設計的基礎理論?！拔覀冊谲浖目蚣苣K結構中，加入柔性多體動力學框架與隨動梁單元，還針對多體動力學框架一些參數(shù)性能的細節(jié)變化，做了很多自主開發(fā)工作?！备呙驼劦?。

與其他軟件相比，ENFAST的非線性大變形葉片氣動力計算精度提升了8%。且這項技術不止用于葉片，也包括對塔筒等部件的非線性彈性變形，覆蓋了諸如幾何剛度、離心剛化、科氏力等非線性效應。

ENFAST對超長葉片設計的全面支持，給遠景能源第三代葉片翼型自研打下基礎。據(jù)高猛介紹，遠景能源陸上200米風輪直徑葉片，葉尖與葉根段采用優(yōu)化DU翼型，中間段采用第三代自研翼型，使葉片發(fā)電性能相比上一代自研翼型葉片提升了1.5%，結構效率增加5%。

超長葉片自研只是ENFAST打開風電整機自研求解器模型和算法“黑匣子”的一個方面。事實上，該軟件還可實現(xiàn)機組各種實際應用場景的快速開發(fā)和迭代計算，通過植入最前沿的算法模型，讓機組各方面的設計能力得到大幅提升。比如將最前沿的氣動、水動力算法模型植入機組設計中，從源頭提升復雜山地風況生成效率與精度，滿足漂浮式平臺的高精度水動力計算、仿真與設計需要。

測試驗證，摸清可靠邊際

將設計構想轉化為實際，最關鍵的環(huán)節(jié)是設計驗證。通過反復多輪的設計迭代與驗證，撥開阻擋在構想與現(xiàn)實間的“迷霧”，可以在保障可靠性的前提下，不斷試探、無限接近性能與成本邊際。

“測試驗證的目標是測試機組各項性能是否符合設計假設條件，通過各種新材料、新結構、新載荷的物理模型驗證數(shù)字模型的新邊界，不斷修正機組設計的數(shù)字模型參數(shù)，使之更接近真實物理模型，完成設計的優(yōu)化閉環(huán)?！备呙徒忉?。

為了讓設計驗證成果盡可能回饋與作用在產(chǎn)品技術迭代上，遠景能源投運了江陰智慧測試驗證中心，建有齒輪箱彎扭耦合測試臺等一系列測試設備。它還將測試環(huán)境設置得更加接近實況，以充分模擬現(xiàn)場運行，高效發(fā)掘盡可能多的薄弱環(huán)節(jié)。在平價時代產(chǎn)品迭代急劇加速、樣機現(xiàn)場驗證時間大大壓縮的情形下，各個層次上充分嚴苛的臺架驗證成為保證產(chǎn)品高可靠性的必要手段。

齒輪箱的自研過程就是一個例子。遠景能源根據(jù)10余年1.6萬余臺機組現(xiàn)場運行經(jīng)驗，發(fā)掘更多可能出現(xiàn)的齒輪箱特殊失效模式及其測試驗證需求，主動反饋到測試方案設計中，并100%落地執(zhí)行，其測試驗證范圍遠遠超出常規(guī)的認證要求。通過應用齒輪箱行業(yè)首創(chuàng)、測試功率達15MW的齒輪箱彎扭復合測試臺，研發(fā)人員能夠得知葉根彎矩載荷在齒輪箱齒面上產(chǎn)生的壓力極限值變化，并運用彎矩模擬、動態(tài)扭矩加載、轉速波動模擬、電網(wǎng)模擬等先進的測試功能，充分驗證齒輪箱在各種實際工況下的可靠性表現(xiàn)。

葉片自研也是如此?！白匝行乱硇蜁r，我們都會在加拿大國家實驗室進行風洞實驗，充分驗證其氣動性能、低噪音、環(huán)境適應性等。自研葉片時，則會采用雙軸復合疲勞測試?！备呙徒榻B。這種在國內率先應用于遠景能源171米風輪直徑葉片的測試方式，能夠同時進行揮舞和擺振兩個方向的復合加載疲勞測試，更貼近葉片真實運行工況，從而可以更充分驗證整支葉片。

多自由度整機加載測試臺，則更多被用在風電機組各種動態(tài)靜態(tài)工況測試中，尤其是給主軸承的自研帶來了便利?！拔覀兝盟隽撕芏啻筝d荷加速疲勞測試，以驗證自研主軸承的可靠性，結論是已達行業(yè)國際先進水平?！备呙屯嘎?。

中國能源報，贊 9

技術創(chuàng)新，帶動行業(yè)發(fā)展

遠景能源的技術人員發(fā)現(xiàn)，齒輪箱齒輪早期失效大多數(shù)是由于材料雜質靠近齒面應力集中區(qū)域所致。為了提升自研自產(chǎn)齒輪箱的可靠性，該公司對材料要求更細，采購標準更高，投入也更徹底。遠景能源制訂專門標準從煉鋼源頭進行雜質管控，同時在業(yè)內首次引入三維相控陣超聲探傷技術進行雜質檢測，采用更嚴格的接受標準，以降低零星材料雜質問題可能導致的齒輪失效風險。

“我們要做的是全生命周期大于20年的風電機組產(chǎn)品。為了保證部件質量，遠景能源有多位材料學博士和齒輪箱工藝專家專門對風電齒輪箱內部各個部件制定了嚴苛的材料采購標準，對力學性能、化學成分、雜質含量和檢測要求等提出明確的遠景能源內部規(guī)范要求。”高猛坦言。

在齒輪箱自制裝配過程中，遠景能源也進行了大量工藝、工裝方面的創(chuàng)新和嘗試。例如，遠景能源自研開發(fā)了國內唯一的高精度行星輪裝配工裝，可以顯著提高裝配定位精度，解決高扭矩密度齒輪箱裝配空間狹小、易磕碰的工藝難題，徹底消除了裝配磕碰損傷對齒輪箱運行造成的質量風險。

在建立起完全自主的齒輪箱設計、驗證與生產(chǎn)體系后，遠景能源自制齒輪箱的整體質量逐步得到市場認可。目前，該公司自制齒輪箱交付量達到2100余臺，預計占2022年全部交付量的一半；其適配的單機容量最大已達到8.X～9MW，在2022年末已開始樣機和小批量交付。

有資料顯示，遠景能源自制葉片開始于EN141機型。在隨后的EN156、EN171、EN182系列機型，直到2022年的EN192機型和即將批量交付的EN200機型，遠景能源自制葉片所占比重已逐步增加到相當比例。這在一定程度上說明，其葉片設計與制造能力，已經(jīng)達到國際一線專業(yè)葉片廠家的水平。

遠景開展大部件自研乃至自制，并不是試圖徹底取代大部件外購或是代工，而是作為風電整機的優(yōu)秀廠家，在理性競爭和合作共贏的主旋律下，通過大部件技術創(chuàng)新，來帶動國內風電行業(yè)整個生態(tài)圈的高質量發(fā)展。對于遠景能源風機大部件的下一步重點領域，高猛認為，海上大型機組的主軸承、變壓器、高壓開關柜等大部件的國產(chǎn)化率較低，是全行業(yè)在平價時代所面臨的共同挑戰(zhàn)，遠景能源將通過自研、聯(lián)合開發(fā)等方式，持續(xù)推動國產(chǎn)化大部件在海上風電場的高質量應用。

據(jù)透露，遠景能源的高風速海上風電機組——風輪直徑為252米，單機容量達14MW，已在廣東海域獲得首個批量訂單，將于明年交付。

關鍵詞：風輪直徑單機容量的可靠性

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