中材科技李成良：新形势下的叶片可靠性开发

9月19日，由中国可再生能源学会风能专业委员会主办，中车株洲电力机车研究所有限公司承办，金风科技、远景能源、明阳智慧能源、海装风电、施耐德电气协办的“2019第三届中国风电设备质量与可靠性论坛”在株洲召开。

中材科技风电叶片股份有限公司技术副总监李成良出席大会并发表了题为《新形势下的叶片可靠性开发》的主旨演讲。以下为发言全文：

李成良：大家好，我现在我给大家汇报一下新形势下的叶子可靠性开发，我的报告分为两个方面：风电叶片面临新形势，大叶片的可跑应开发，气动设计、结构设计、制造工艺和认证，现在我们叶片的发展面临的常态，就像刚才赵总提到的，进入平价上网的时代，现在中国的风电价格一直在走低，特别今年五月份，风电电价的政策落地，我们首次调整了海上的电价，原来是0.85，现在不到0.75，特别是一类风电电价，在2015年，就实现了最低风价，所以现在风电价格的影响，对整个行业的影响是非常大的，大家都在做相关的努力。风电的下降，就带来了多电成本的追逐，面对这种趋势，这里面我简单说一下我的理解。

从度电成本来看，有三个部分，叶片占了20%左右，从敏感性分析来看，低度电影响主要是发电量，其次是主机的成本，如何提高AEP发电量，这要考虑风能转化的核心部件叶片，叶片它对整个低度电的敏感性非常高，从我们的公式上可以看出来，基本上它的CP，直径，我们现在的叶片数量，年发电量最大化，同时我们在设计的时候，同时也要考虑降本增效，最后实现整个低度电成本。

叶片发展出现的新趋势，现在都往大方向发展，运行也非常复杂，最长的一片超过了150，最长是85.6，这个叶片比我们A380还要长一点，叶片整个表面积，已经达到了560平方，重量达到了32.5吨，密度是270挖每平米，海上的数据是在300到350之间，所以这也是直线下降。重量成本，现在客户提出，都是在65元每千克，按照重量来核算的，实际上这个成本，都是之前的两三倍。同时，提出了可靠性的要求，随着度电成本的降低，叶片轻量化的发展，随着长度持续减少，不断推动轻量化发展，都在2或者2以上，我我们现在的叶片只要认为是超过1，那这些标准的要求就认为是可靠的，所以现在的叶片一方面越来越大，另一方面越来越轻。随着叶片，实际上叶片本身增加了，但是轻量化对材料提出了新的要求，碳纤维的用量在持续增加，对材料的要求，也是在加快，这样才能跟上面临的形势，发展和变化。新形势下，面临整个风电变化新形势，我们叶片高新开发也成为行业关注的一个重点。

下面就讲一下高新开发的几个关键环节。

首先看一下气动。气动，提一下翼型，翼型在开发过程中，首先要考虑它的高清效率，带来高的发电量，发电性能更可靠，比如说叶片的前沿，发电量下降，这与它的运行本身都是有关的，另外一个低噪声，叶片在离居民区很近的地方，尤其是分散居民区，那噪声更大，高钢度是指，刚好的钢构，为结构提高更到的空间， 更重要的是进行风动测试和声动测试，这些测试可以为我们叶片设计提供更好的输入，同时也为我们后期的挂机测试，提供基础的依据，这是机型方面的。

气动设计方面，地载高效气动设计，发电效率高，发电量大，载荷又低，但是这里面，我们整个风能的转化效率是50.3%，这是它的极限，我们风电叶片的设计，一般都是在0.5左右，达到0.5已经非常高了。我这里想提的是，我们有一个，而不是选取最大的Cp，同时带来的效果，选最优Cp，运行的范围更加宽广，整个发电量就会最高，载荷波动也比较小，同时也有利于机组的稳定。载荷小了以后，我们又可以做一件事情，那就是增长叶片，提升发电量。这边我举了一个例子，通过低载高效的设计和传统的设计，发电量的偏差可以相差3.3%，载荷可以实现至少10%的降低，叶片驱动设备对叶片发电量影响非常大。

这个地方讲一下提升发电量的可靠性，近年遇到非常多的一个问题，就是叶片失速的问题，主要是由于叶片运行过程中，叶片的失速，整个发电性也会下降，功率自然也会下降，这里面存在的事实因素，有翼型性能的原因，叶片设计的原因，主机参数的和运行环境的原因。如何去解决呢，安装部件以外，我认为在叶片设计的时候，就要考虑失速的影响。我这里举了一个例子，在一台0.5的风机，年平均风速在6.5这样的环境下运行，它在标准设计的时候，标准设计的时候它在0.6的功率下，下降了40%，这是不可估量的，这个损失是非常大的，所以我们在一开始设计的时候，就要考虑这种影响。增加发电量的措施，有涡流发生器，和叶根扰流板，这些措施都是候补的，这种措施的效果是非常有限的，所以还是建议在我前面提到叶片设计的过程中去考虑，考虑它失速的，这是完全可以进行最大程度避免的，这是系统方面。

对于结构方面，高性能材料的应用，这是近年来比较突出的一个情况，特别是大叶片的发展，推动高模玻纤和碳纤维的应用工艺，可以更加充分发挥它的价值，这里面我也提出，我们的设计值是取到了51.5这样一个数据，但是它的单次量可以达到100，这里可以看出，这个本身发挥空间很大，还可以做很多的改进工作，这个改进工作，不管是碳纤维还是玻纤，从国际国内上来看，垃圾的工艺，对现有水平的提高是有很大帮助的，可以大大提升它的性价比。另外是碳玻混，把玻纤和碳纤混合起来用也可以很好的提升它的性价比，发挥它的价值，这里材料方面。

那在结构方面呢。刚才很多专家已经提到了结构的失效，我这里面也列举了一下结构失效的一些模式，通过飞马，近年来，特别明显的是，关于气路和结构耦合方面的一个气排，这个是现在我们利用我们现在的手段，是难以测试的，但是实际上是出现了，我们只能用现在仿真模拟的手段想办法去避免。对于这种失效模式，我们要依据从材料到元素系列，到全叶片，进行一个完整的验证，这个金字塔式的验证，我们的设计规范都有明确的标准和要求，这在近年来，都做得非常好，标准也在不断的提升，设计的水平和验证的提升也在逐步的提升。唯一想说的就是子部件的验证，因为子部件的验证是我们现在在规范标准里虽然规定了，但实际在执行过程中，做得还不够好，因为我们叶片全程都是测试，可以覆盖整个叶片70%的测试区域，而疲劳测试可以覆盖40%的区域，剩下的60%的区域怎么办呢？一方面可以继续通过疲劳测试验证，但是这里面会出现一些风险，同时测试的成本和周期就会加大。那解决这个问题很高的办法，就是子部件的测试，疲劳测试，通过子部件的测试，我们可以发现它的测试承载的极限能力，我们做这个测试从2014天开始，一直到2016年才完成，一共测了2600多万次，但是我们觉得非常值，因为我们做完了这个测试，可以把这个在各个不同的阶段都可以运用。另外一个举一个叶片挡板承压测试，其实我们很多人都不知道，可能会超过一吨，是更大的，这是关于子部件的验证，这里面我要重点讲一下气弹颤振的分析，大家知道，我们现在整个风场，整个叶片在开发应用过程中一个难点，也是一个重点，所以说国际上有各种探究和研究，我们为什么做这个分析，但是我认为还不成熟，一旦发生气弹颤振，通过增加它的扭转钢度，来避免这种情况的发生。

制造工艺方面。制造工艺方面，我们一直在进行持续的装备优化和集成应用，实现叶片中高端制造转型，人工参与非常多的一个过程，在这个过程中，由于人工参与的越多，可靠性就越低，所以这里面我也列了一些一些设备，比如说叶片切割设备，还有一体化定位工装，除了可以让它的尺寸更加准确，让粘贴的截面更牢，粘贴厚度，可以减少粘贴的缺陷，同时主要设备，可以有效的减少人工的速度，也可以大大提升，这些方法都保证了叶片的质量是制造出来的可靠性，叶片是制造出来的，这话我是深信不疑，但是制造得再好，也要通过设备来检验，确定它制造得是不是可行，那我们只有通过先进的设备工艺，来检测出来，才能证明我们的叶片越来越好。一般来说，我们现在叶片检测的工具，像UT，UT是对叶片关键的区域，包括后怨预算界面，如果说它的曲线减出率越低，那么证明它的质量越可靠，这个方法是对我们整个叶片制造过程出厂前的一个重要的保证。

叶片测试认证。在我们的叶片常规的测试里面，一般我们做的都是，静力测试、疲劳测试、后静力测试，但是这个测试是我们，包括我们认证、要求的一些常规的测试，但这些测试，只是保证了我们叶片它具备了条件，可以达到认证，但是仍然没有找到叶片的边界，这里面我们做了一些超载的测试和破坏性测试，超载测试和破坏性测试，也是为了找到叶片的边界，同时可以发现我们叶片过程当中的一些薄弱环节，甚至是设计的薄弱环节。做了这些测试，也可以让我们叶片的设计，生产制造更加有底气，但是我需要提醒的是，需要非常注意它的安全措施，各种防护，因为这个是非常具有破坏性的。

现在说一下防雷，防雷是今年出现一个比较大的模式，防雷系统的可靠性，还要进行雷击测试，同时我们要对整个防雷系统材料，包括连接可靠性，进行测试验证，这个以往是被忽略的，我们现在对它连接可靠性进行验证，这是防雷的验证。

型式认证。型式认证是我们风电机组，包括部件，能够可靠运行，包括得到客户业主认可，这个从2014年国家就强制推行了，一个认证标准，我们所有的标准，都是2015的标准，同样还有IEC61400-5，这个标准还没有正式发布，但是实际上它的标准正在推行了，还有我们今年国际上推出的IECRE，这个认证它的覆盖的范围更加宽泛，标准也更细了，这是认证的标准。同时我们在认证的过程中，内部要有设计认证，第三方评估，还有测试，还有制造，制造就是我们的生产过程的认证，整个认证的体系，认证的内容、标准，就是确保我们叶片的生产制造是符合我们的设计，这里面的认证机构现在也有很多，比如说国内有名的，国内像CGC、CCS/CQC，对于认证我们要用好这个方法，用好这个标准，这样我们才能更好的保证其可靠性。

最后我们说一下叶片的开发流程，从2017年，我们就引出了APQP的流程，APQP在推动下，几个大的国际厂商，他们制订的流程，在引入之后，以至于客户进行联动，现在也在持续优化过程中，APQP的工具，可以有效的控制研发的质量，保证我们产品开发质量的控制，这个工具是非常有效的。

最后我对我的报告做一个简单的小结，随着单机功率的增加，叶片长度的增加，还有陆上向海上发展，还有平价上网的趋势，我们为了保障叶片开展的可靠性，认证标准方面做好工作，做足工作，新形势面临着新挑战，新机遇也迎来新机会，让我们一起努力，为叶片的可靠性发展，尽心尽力，谢谢大家。

（标题为编者所加，文字未经发言嘉宾本人审阅。）