CWPC2018技术工艺创新：吉林重通成飞新材料股份公司外籍专家托马斯·范斯海克——《大型兆瓦级海上风电叶片设计与制造的关键技术及创新》

 

　　吉林重通成飞新材料股份公司外籍专家托马斯·范斯海克在技术工艺创新专场做了题为《大型兆瓦级海上风电叶片设计与制造的关键技术及创新》的演讲。以下为演讲内容实录：

吉林重通成飞新材料股份公司外籍专家托马斯·范斯海克
 

　　一、背景及海上风电叶片特点

 

　　我的同事已经提到过当前最重要的话题是中国“十三五”规划，政府非常关注环境和可持续发展，这是海上风场的基础。在“十三五”规划中，除了可持续发展之外，还要建设3万公里的高速与铁路，建设覆盖全国的50个民用机场。不仅是基础设施，整个国家电量也在不断提升。

 

　　昨天我的同事PPT当中已经讲过这页内容了，目前风电需求正在逐年上升，2016年装机达到了1.63GW，这是海上风电的装机容量。这个数据到2017年底达到了2.83GW，目前我们已经新增3.9GW，我们的目标也是中国政府的目标，就是到2020年将达到5GW，2026年预计装机容量12GW，所以海上风电的潜力和需求是巨大的。

 

　　海上风电就哪些特点呢？首先，高风速，海上风速稳定，没有障碍；二是低切变，可以有比较低的川流，对风机来说，川流低，这都是比较好的情况，它可以降低传统部件制造成本；三是低湍流；四是高叶尖速度设定值，高叶尖可以的设定可以提升整体电能；五是降低传动部件制造成本；六是海域富源辽阔。

 

　　除了海上风电的好处之外，机遇总是伴随着挑战。挑战比陆上风电的挑战严重得多，我们一起看看挑战：第一，海浪载荷巨大；第二，漂浮物撞击可能性；第三，台风破坏，海上风电面临的环境更加恶劣；第五，盐雾腐蚀；第六，腐蚀更加严重；第七，高低温之间的差异更大，这也会对叶片造成更大的压力；第八，风场建设困难。第九，海上风场建设本身也非常困难，要维护、运营难度也很高，维护成本会增加。

 

　　二、海上叶片设计技术

 

　　所以，（PPT图示）这是中国最长的叶片CG1达到了83.6。“两海”主要是研究全球海上风电叶片市场。到2014年初，我们开始研究叶片结构材料、防腐技术、公艺技术、防雷、工装开发、健康监测等等工作。

 

　　（PPT图示）这里有一些参数，我不详细介绍了，我的同事也在现场，如果有问题可以直接和我们交流。叶根节圆达到了3600mm，规模巨大。

 

　　（一）气动设计。吉林重通设计不仅可以达到83.6，如果客户有要求我们可以继续加长，也可以设计得短一些，我们可以设计BCD3600mm-4250mm，我们可以根据客户需求定制开发，因为我们不需要再开发模具，而是可以利用既有的模具，节省开发成本。

 

　　在气动设计方面，我们还关注产生电能以及电能产生的效率。因为我们必须要对大梁使用碳纤维，所以我们会有非常好的铝箔，Cp最大可以达到0.486，提升效率，此外，粗早度敏感性低，可以降低发电而产生的影响，使得发电性能更好。比较薄的铝箔都在叶片外周。

 

　　刚才讲了可以设计更高的转速，也了高叶尖速可以大于90m/s，还有高雷诺数，它可以使叶片的风机效率更高。

 

　　（二）结构设计。这样大规模的叶片里材料厚度非常重要，对于加工而言是非常重要的参数。所以，要确保每一个部件进入到叶片里的性能都足够好。所以，这就是为什么我们会用预制件设计概念。当然不仅仅对主梁、腹板和外科做预制件设计，其他的部分也会采用预制件设计。

 

　　碳纤主梁已经应用在大量的部件当中，可以节省30%的叶片重量，对风机而言可以降低总重量和负载。（PPT图示）从图上可以看到，我们用了干纤维灌注，希望能够有比较优良的悬垂性，可以用不同的方法，有时候只是用常规的方法无法使用气动特性，所以我们采用了干纤维。这样就可以有比较有好的织物悬垂性，让它有更好的工具，便于生产高质量的碳纤主梁。基本上我们是用在碳纤主梁。我们生产的第一个超声，所以它是零缺陷的。

 

　　对客户而言，我们可以提供海上和陆上解决方案，我们有个预埋螺栓方案，EFC等其他公司都有类似的方案。但我们的预埋螺栓方案有所不同，在进行测试时我们发现能够比其他的玻纤有比较强的弯矩承载力。

 

　　三、海上叶片工艺技术

 

　　接下来看看工艺技术。要使用最佳的工艺得到最好的叶片质量，而且效率最高，时间最短。生产之前我们会进行很多测试，碳纤主梁就是很好的例子。我们可以进行大量的碳纤维灌注试验，降低难度，缩短生产周期，减少缺陷，这对工艺而言非常重要。有时候，我们灌输的速度和灌输策略都会进行精心考量。

 

　　在腹板部分，我们的腹板和其他设计也有所不同。我们做了一些优化，这样在开始叶片结构化设计之前，我们会先生产测试件进行检测，然后对模具进行改良，一步步使之达到最优的状态。我们对测试件进行测试的时候，可以很快的实现最佳的胶粘剂用量，使它重量最轻。

 

　　为了保护主梁，要有很好的防护系统，其中最重要的是预备件铜网，大家可以理解为铜网是非常开放的网，里面有很多空气。灌注的时候需要让它变成真空，使用一个特殊的模具、特殊的加热系统，我们的灌注策略和其他不同的地方是铜网灌注是对外壳的一部分进行灌注，所以没有明显的气泡，而且灌注效果非常好。

 

　　和其他公司一样，我们也有预制叶根，但我们会在设计上会做更多优化，特别是在灌注策略都会进行精心规划，这样我们会得到最优的产品，让我们得到很好的质量也不会气泡和孔洞。

 

　　有些比较新的地方是我们会有预制后缘梁。因为这个叶片的形状已经成为了挑战，所以我们不仅要看灌注策略，还要开发好的工装、好的设备产生质量好的后缘梁。生产好了之后，要进行吊装，再生产外壳的其他部分，因为后缘梁没有主梁厚，但要有专门的技术让它进行很好的吊装、定位。四

 

　　我想给大家看几个模具，这些有些工装对我们很重要，其中一部分会有一些模内走台工装，这样能够让它非常接近，不会出现褶皱的情况，我们可以高效率的做这样的设备。我们还有铺布小车，每次铺设时都可以非常快速、高效的进行铺设，不会有任何不对齐或者是褶皱的情况。（PPT图示）大家应该认识照片里的人。

 

　　四、海上叶片防护技术

 

　　（一）叶片防腐技术。我说过海上风电防腐很重要，不仅是对叶片，包括螺栓等都要做到防腐。

 

　　（二）海上叶片防雷技术。我们要在叶片上技术雷击测试（PPT图示）。

 

　　五、海上上面叶片先进技术

 

　　最后，我想告诉大家，我们不能只是停在这里，必须要让叶片进一步变轻，进一步提高效率，这样可以持续的保持在市场上的竞争力，仍旧让行业不断蓬勃发展。我们需要和厂家合作，开发更多的先进测试技术，不断提高叶片的可靠性以及产生质量更高的产品。3D将成为非常重要的技术，现在他们已经在使用当中，而且它应该也是可以用于叶片的生产，为叶片生产带来很多的好处。

 

　　还有气动控制，之前在VGS可以在叶片上使用，但仅此而已，它还有很多事情可以做。不要改动叶片的改动，就可以通过气动控制不断提升，这是值得探索的地方。

 

　　在结构健康监测上，很多结构生产商需要知道叶片的行为，例如叶片的负载，怎么让叶片设计更轻巧，更高效，这些都非常重要。

 

　　最后，昨天有位提到过回收利用的问题，回收利用非常重要，到2025年之后这些叶片可能要报废了，这时候应该怎么做呢？现在叶片设计的时候就要考虑一些可回收材料，这样到生命周期结束的时候，可以将产品以其他的方式进行延伸。

（内容来自现场速记，）