各位领导、各位专家，各位同行大家上午好，先做个自我介绍，我是刘伟超，来自国电联合动力。那么现在在公司主要负责叶片的研发工作，今天也是非常荣幸再次有机会站在这儿为大家分享一下我们这个团队在过去的一年时间所做的叶片相关的一些工作。
我今天的题目是风机叶片叶尖延长增功技术。在切入正题我想多说几句，因为我去年在这个舞台上做过一个报告是关于叶片的设计理念和设计方法的。做完之后反响还不错，很多行业专家会后过来找我交流，但是第一句话就是说你们联合动力自己还做叶片还设计叶片？所以暴露出来一个问题，我们这个宣传力度貌似不是特别够，所以我今天演讲之前想插一个小广告为我们的叶片，主要想先从这么几个方面说一下联合动力我们的叶片。第一个产能，第二个工具，主要是设计和研发工具，第三个是我们的设计理念，最后是我们所形成的一些关于叶片的优势，快速的过一下。
第一，产能。现在我们联合动力有三个生产基地，分别在河北保定、连云港和赤峰。这三各级地每年的产能保定400套，连云港350套，赤峰300套，三个基地加在一起大概每年在1050套左右的产能。这么大的一个产能从我们2007年开始做叶片，我们到底做了哪些叶片产品？其次想说一下这些年做的产品谱系。这个表格从1.5-2-3-6兆瓦，我们大概有15款产品，除了最早期的1.5兆瓦采用的是技术引进的方式，剩下10余款叶片都是我们这个团队完全的自主研发设计的。在2016年包括到现在，我们也正在做两款2兆瓦和3兆瓦低风速大叶片是我们正在进行的工作。这是我们的产品谱系15款。
第二，工具。分两块，气动设计工具，主要有四款，是以软件为主的。X-foil是二维运行气动性能软件，都是来源于风动测试的数据，我们用这个软件做二维一些细小的迭代优化来做的。Aero-UPBlade，这是我们第一款计算叶片气动性能和载荷软件，也是整个软件体系里面很重要的部分。第三是Fluent，我们用它评估一些非典型的气动组件的性能。第四个是Catia，是一款三维造型软件，就是气动外形有了设计以后，需要一些造型软件做一个3D的模型，这个模型最早用在航空航天领域比较多，现在我们把它用在风机叶片造型上，我们认为是现在功能最强大，精度最高的一款三维造型软件。这是气动设计我们用到的一些主要的工具。
结构也大概有四款，一是Bladed，我们其实严格意义上不能算是结构设计工具，它是计算结果的结构设计输入，我们用它来计算叶片和整机的极限和疲劳载荷。二是Focus 6，这是ECN开发的一个全世界现在比较流行的叶片结构效何的软件，应用的是工程算法，速度非常快，所以我们用Focus做结构的概念设计。三是Heperworks，是网络划分工具，四是Abaqus，是做详细叶片的载荷设计。
第三，理念。从2007年开始我们自主设计叶片到今天我们的设计理念大概有五代的更新，从一开始第一代我们单纯的追求叶片的CP最高，到现在我们自主研发设计了多目标叶片设计优化平台，也就是这张PPT里面最上面的这样一个平台，这个是我们实际工作的一个范例。这个平台有三个要素，一是变量，二是目标，三是约束条件。变量包含很多，但主要分几类，一类是气动设计变量，二是结构设计变量，三是工艺信息。目标我们现在主要把目标设定为一是发电量最高，二是载荷最小，三是叶片重量最精。三块是约束条件，主要是提高限定一些门槛，提高整个运行的效率。最后我们使用一个优化驱动的模块，这个模块里面套了一些非常先进的遗传优化算法，来驱动整个三个要素做我的叶片自动巡优的设计，这是我们现在叶片的一个理念，综合一句话就是我们现在叶片的设计理念是我们要在叶片的成本、载荷，就是整机匹配性，还有叶片发电表现之间寻求一个平衡点，没有最好的，只有更好的，是一个平衡的寻求，这个是我们的设计理念。
做了这么多产品，有这样的设计理念以后，我们到底有哪些优势？我们选取了一款2兆瓦115级别的，我们自己设计的叶片和市场同类产品做了一个比较。可能看到我们的发电量0.37%的超出，重量会轻到10%，叶根极限载荷和疲劳载荷也有一定程度的降低，这就是我们这些年做的一些工作和一些小的成绩、成果。这个是广告时间，下面切入正题，叶尖延长增功技术。
我想从五个方面来介绍一下这项技术，或者是我们做的这个项目。一是背景、二是方案、三是关键技术、四是样机，五是总结。
背景。想说两个问题，一是我们的目的，就是我们为什么要做这件事。二是我们为什么要选用这样的技术路线来做这件事。目的很简单是两方面，一是抢占运维市场，二是降低风场整机的LCOE。抢占运维市场非常好理解，昨天论坛环节的嘉宾也谈到现在中国整个装机并网的风电发电机组总量非常大，大概1.6亿千瓦这样的级别，如果以2兆瓦单台容量来算，也有大概8万台这样的一个后市场，这个是非常非常大的。我们联合动力作为一家整机制造型企业，这些年也逐渐从制造企业到制造服务企业的转型，所以我们当然不会放弃这样一个庞大的后市场。二是我讲到叫降低风场LCOE，这个是为了第一个目的做支撑的。简单说一下LCOE，简单说一点就是平准化的度电成本，它有一个非常复杂的计算公式，它等于我的成本除以风场全生命周期的发电量总合，而成本就是分子部分包含三个主要部分，一是设备成本，就是我们做的风机，二是安装和运输的成本，三是运维成本，这三部分大概是3、1、3的比例。所以我们做这项技术的目的是降低LCOE，通过这个公式可以发现有两个途径，一是把分母增加，二是把分子也就是成本下降。叶尖延长正是把通过增加风场在全生命周期内的发电表现、发电量来降低LCOE的，这是我们做叶尖延长技术两个非常重要的目的。现状方面大概列了4种叶片技术，一是涡流发生器、扰流器、翼刀、叶尖延长。那么其中前三种它的原理是类似的，都是一种叶片表面流长的流动控制的技术，它们对发电量的提升在5%-1.5%之间，其中涡流发生器在0.5-1.5之间。扰流器和翼刀，我们的评估和计算差一些，在0.5%以下，其中效果最好的就是叶尖延长，如果说按照兆瓦级的机组，单只叶片延长1米来计算，我们相信它在2%以上的发电量提升是没有任何问题的。这也是我们要选择这个技术路线做叶片延长增功的一个最根本的原因，当然后面还有一些成本的考虑，会在后面提到。
方案。其实原理很简单，就是我们在载运机组上面加一个延长的成套，起到增加扫风面积和风机的风能捕获总量的目的，右侧这个图片其中灰色的部分是我们原始的叶片，绿色的部分是我们加到延长的衬套，这个是效果图先给大家展示一下。第二个就是我们通过这样的方案，气动外形的一些参数必然会有一些变化，比如说弦长，扭角、相对厚度、绝对厚度，这里面有一组图片，让大家直观感受一下沿着叶片展向这些参数有哪些调整和变化。第一张图片是叶片的弦长分布，可以看到在延长段之前两条线合的非常好，在延长段到叶尖之间是有一个过渡和延伸，同样的规律也存在在叶片扭角分布里面，在相对厚度分布里面，在预弯里面。再把这四张图放在一起，有两点需要说一下，一是通过这样的方式延长以后，我们的外形是和原始叶片有一个平滑的过渡，这样的好处是可以保证排除掉因为形状突变引起一些应力集中的问题，二是排除掉安装的干涉问题。第二点我们在叶片延长段，不管是1米也好，2米也好，应用了我们刚才提到的设计理念和设计工序，对叶片延长段的外形做了详细气动外型的优化，保证在有限的延长长度的前提下发电量增加最多。应用这样的方案，我们UPBlade机组延长了84风轮直径增加了2米，以后我们做了理论上的发电量的评估，可以看到风场年均峰在8米到5.5米之间发电量提升了2.2个百分点到3.9个百分点之间。
关键技术。说了这么多我们做的这个项目，大家都觉得可能原理上很简单，但是实际做下来确实会碰到一些非常关键的具体的问题。关键技术有哪些？介绍一下。第一个就是气动外形设计技术，这个也是应用了我们这些年来总结的一些经验，在叶片延长段这边做了一个气动外形的优化，保证发电量性能的提升。这个不再重复说了，气动外形很重要。载荷计算和安全性能的评估，我们做了叶片和整机的全工况的疲劳载荷和极限载荷的计算，应用计算结果对叶片的强度和整机关键部件的强度做了校核。整机关键部件包括哪些，叶片不说肯定要做，另外就是轮毂、主轴、机架、偏航，这几大部件我们都做了严格的校核，校核下来UP82机组到84机组这个运行是没有问题的，保证了运行的安全性，这是前提。刚才有提到夜间延长的衬道是通过粘接的形式装配到原始叶片上的，所以粘接就成了非常关键的一个点。我们也是围绕这个问题做了很多工作，一是理论层面上我们使用了有限元强度分析，对粘接位置的机械强度做了校核。第二个我们做了地面形势实际的测试，做了最大最小叶片摆正、粘接、展向五个方向的测试，也证明我们的粘接强度非常安全，而且安全系数还非常高。既然这项技术定位为载运机组的改造，无疑在线的安装工艺会成为一个关键问题，这就直接决定了我的安装效率、安装成本，包括人员的设备成本，也直接决定了我这个项目能否顺利的推向运维后市场。所以第三点关键技术我想提一下，我们围绕安装工艺方面也做了很多工作，比如说幻灯片最左侧我们设计了专门的定位和安装的工装，最右侧这个图片是我们对工装夹持夜间衬套在现场装配的效果图。大家别看这些工作非常的细小，但是我认为它对于这项技术的推向市场是起到非常非常关键的作用。关键技术刚才我讲了四点，气动外形设计、载荷计算安全性评估、粘接强度校核、安装工艺，这个是关键技术部分。
样机。我们这项技术在去年的9、10月份的时候已经有一台样机成功的改造完成，并且到现在来说已经运行了半年多的时间这样情况。这组图片是我们的工程师和工人师傅在现场实际操作的图片，左上角是我们通过特殊的改造设计的核心吊兰，左下角是我们的安装定位还有加热的一个夹距，中间靠下这个图片是我们完成叶片延长改造以后的效果图。大家看到基本上外形是非常非常平滑的，基本上看不出来你做了任何的改造和调整，效果非常好，这是表面的效果。实际的能力是什么样的？我们对改造以后的机组和改造之前在发电表现上做了一个非常严谨和详细的评估。我们可以看到红色的功率曲线是我叶片改造以后的表现，蓝色的功率曲线是我这台机组在改造之前的表现，有一个放大图呈现给大家。我们还是要用数据说话，半年累积下来的数据实际测下来，我们的年发电量提升在2.4%，这个和我们的理论计算是非常吻合的。
总结。我觉得可以概括成四点：一是我觉得通过我们这么多的工作能够保证它的非常强的安全性，包括整机和叶片。二是发电量提升的效果很明显，刚才也提到有2.4个百分点的提升。三是施工的便捷，我们在样机的阶段会多花一些时间，但我们今年在批量的目标是大概一天一只这个水平，希望5天能够改造一个机组，因为还有一些其他的工作要做。最后一个是投入少，我们的详细的成本核算有，但是不方便今天展示给大家，所以我只能说这项技术的投入在2.5年到3年之间是可以帮业主收回来的，有利于发电量的提升。这是我今天的报告，风机叶片叶尖延长技术，谢谢大家！
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