如何破局？解读风机大型化面临技术天花板
发布日期：2022/12/15
风电机组大型化是平价时代最好的技术发展方向。要引领这个趋势，整机商不能守株待兔，必须在技术上主动出击。关键零部件自研正是从整机商的视野与角度，将技术探索的触角向更多领域延伸，通过技术穿透产业链，形成部件与整机的协同技术进步。
风电是技术密集型产业，技术进步是通过关键零部件实现的，这意味着整机商要逃离舒适区，技术能力向过去未曾涉足的产业链上游领域延伸，为此，整机商必须具备打开技术“黑匣子”的诚意、勇气与智慧。这方面，远景能源已经走在前面。
从2009年推出首款风电机组开始，远景能源就掌握了自主的整机技术。经过十多年的投入，远景能源一步步完成了变频器、叶片、发电机、变桨轴承、齿轮箱、主轴承等关键零部件的自研甚至自产，建立起拥有核心竞争力的关键零部件及整机系统设计验证能力。
“从关键零部件自研代工到自研自制，我们的目的都是要将底层技术做透，提高风电机组的整体性能和可靠性。”远景能源风电机组产品首席专家高猛认为。
软硬结合，拓展性能极限
要保持优异的发电能力，风轮直径必须跟上单机容量持续增大的步伐，这给翼型设计带来不同以往的挑战。使用标准翼型库中的翼型，气动外形性能与结构很难满足大型叶片系统的设计匹配要求。远景能源的技术人员相信：只有真正深入到翼型自研中，才可能将超长叶片与整机载荷设计融为一体，得到更高效的超长叶片解决方案。
例如，叶片的变桨扭转过程，从叶根传递到叶尖需要一定时间。叶片越长，扭转刚度越小，这种变桨滞后就越明显，也意味着在极限工况下超长叶片因变桨滞后而容易出现超载。从171米风轮直径叶片开始，远景能源对铺层进行了特殊设计，在大弯矩载荷下叶片会自动发生扭转从而改变攻角，在叶片完成“缓慢”的变桨动作前就实现一定程度的自适应降载。
能够开发出这项技术，源于远景能源在自研整机载荷设计软件ENFAST中，采用自由涡尾迹与叶素动量理论结合的超长大变形叶片气动计算模型，突破了叶片设计的基础理论。“我们在软件的框架模块结构中，加入柔性多体动力学框架与随动梁单元，还针对多体动力学框架一些参数性能的细节变化，做了很多自主开发工作。”高猛谈道。
与其他软件相比，ENFAST的非线性大变形叶片气动力计算精度提升了8%。且这项技术不止用于叶片，也包括对塔筒等部件的非线性弹性变形，覆盖了诸如几何刚度、离心刚化、科氏力等非线性效应。
ENFAST对超长叶片设计的全面支持，给远景能源第三代叶片翼型自研打下基础。据高猛介绍，远景能源陆上200米风轮直径叶片，叶尖与叶根段采用优化DU翼型，中间段采用第三代自研翼型，使叶片发电性能相比上一代自研翼型叶片提升了1.5%，结构效率增加5%。
超长叶片自研只是ENFAST打开风电整机自研求解器模型和算法“黑匣子”的一个方面。事实上，该软件还可实现机组各种实际应用场景的快速开发和迭代计算，通过植入最前沿的算法模型，让机组各方面的设计能力得到大幅提升。比如将最前沿的气动、水动力算法模型植入机组设计中，从源头提升复杂山地风况生成效率与精度，满足漂浮式平台的高精度水动力计算、仿真与设计需要。
测试验证，摸清可靠边际
“测试验证的目标是测试机组各项性能是否符合设计假设条件，通过各种新材料、新结构、新载荷的物理模型验证数字模型的新边界，不断修正机组设计的数字模型参数，使之更接近真实物理模型，完成设计的优化闭环。”高猛解释。
为了让设计验证成果尽可能回馈与作用在产品技术迭代上，远景能源投运了江阴智慧测试验证中心，建有齿轮箱弯扭耦合测试台等一系列测试设备。其还将测试环境设置得更加接近实况，以充分模拟现场运行，高效发掘尽可能多的薄弱环节。在平价时代产品迭代急剧加速、样机现场验证时间大大压缩的情形下，各个层次上充分严苛的台架验证成为保证产品高可靠性的必要手段。
齿轮箱的自研过程就是一个例子。远景能源根据10余年1.6万余台机组现场运行经验，发掘更多可能出现的齿轮箱特殊失效模式及其测试验证需求，主动反馈到测试方案设计中，并100%落地执行，其测试验证范围远远超出常规的认证要求。通过应用齿轮箱行业首创、测试功率达15MW的齿轮箱弯扭复合测试台，研发人员能够得知叶根弯矩载荷在齿轮箱齿面上产生的压力极限值变化，并运用弯矩模拟、动态扭矩加载、转速波动模拟、电网模拟等先进的测试功能，充分验证齿轮箱在各种实际工况下的可靠性表现。
叶片自研也是如此。“自研新翼型时，我们都会在加拿大国家实验室进行风洞实验，充分验证其气动性能、低噪音、环境适应性等。自研叶片时，则会采用双轴复合疲劳测试。”高猛介绍。这种在国内率先应用于远景能源171米风轮直径叶片的测试方式，能够同时进行挥舞和摆振两个方向的复合加载疲劳测试，更贴近叶片真实运行工况，从而可以更充分验证整支叶片。
多自由度整机加载测试台，则更多被用在风电机组各种动态静态工况测试中，尤其是给主轴承的自研带来了便利。“我们利用它做了很多大载荷加速疲劳测试，以验证自研主轴承的可靠性，结论是已经达到了行业国际先进水平。”高猛透露。
技术创新，带动行业发展
“我们要做的是全生命周期大于20年的风电机组产品。为了保证部件质量，远景能源有多位材料学博士和齿轮箱工艺专家专门对风电齿轮箱内部各个部件制定了严苛的材料采购标准，对力学性能、化学成分、杂质含量和检测要求等提出明确的远景能源内部规范要求。”高猛坦言。
在齿轮箱自制装配过程中，远景能源也进行了大量工艺、工装方面的创新和尝试。例如，远景能源自研开发了国内唯一的高精度行星轮装配工装，可以显著提高装配定位精度，解决高扭矩密度齿轮箱装配空间狭小、易磕碰的工艺难题，彻底消除了装配磕碰损伤对齿轮箱运行造成的质量风险。
在建立起完全自主的齿轮箱设计、验证与生产体系后，远景能源自制齿轮箱的整体质量逐步得到市场认可。目前，该公司自制齿轮箱交付量达到2100余台，预计占2022年全部交付量的一半；其适配的单机容量最大已达到8.X～9MW，在2022年末已开始样机和小批量交付。
有资料显示，远景能源自制叶片开始于EN141机型。在随后的EN156、EN171、EN182系列机型，直到2022年的EN192机型和即将批量交付的EN200机型，远景能源自制叶片所占比重已逐步增加到相当比例。这在一定程度上说明，其叶片设计与制造能力，已经达到国际一线专业叶片厂家的水平。
远景开展大部件自研乃至自制，并不是试图彻底取代大部件外购或是代工，而是作为风电整机的领军厂家，在理性竞争和合作共赢的主旋律下，通过大部件技术创新，来带动国内风电行业整个生态圈的高质量发展。对于远景能源风机大部件的下一步重点领域，高猛认为，海上大型机组的主轴承、变压器、高压开关柜等大部件的国产化率较低，是全行业在平价时代所面临的共同挑战，远景能源将通过自研、联合开发等方式，持续推动国产化大部件在海上风电场的高质量应用。
据透露，远景能源的高风速海上风电机组——风轮直径为252米，单机容量达14MW，已在广东海域获得首个批量订单，将于明年交付。
来源 ：《风能》杂志 作者：赵靓
