运达股份刘勇：风电机组轻量化设计关键技术研究与应用

2020年10月14日-16日，2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一，这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会，再次登陆北京，本届大会以“引领绿色复苏，构筑更好未来”为主题，聚焦中国能源革命的未来。能见App全程直播本次大会。

在15日下午召开的关键部件技术创新分论坛上，浙江运达风电股份有限公司副主任工程师刘勇发表《风电机组轻量化设计关键技术研究与应用》主题演讲。

以下为发言实录：

刘勇：今天要跟大家分享的主题是风电机组清凉化设计关键技术的研究和应用。今天的分享包括下面几个方面，首先我会为大家简单介绍一下我们这个风电机组轻量化设计技术的一个概况，包括我们的技术需求，关键技术组成，以及应用这个技术所可能带来的产出。接下来我会对其中几项关键技术进行展开的介绍。包括一个结构智能仿真优化技术，新材料，技术传动系统的联合一体化设计技术，最后会为大家介绍一下到目前为止我们运达运用轻量化设计所得到的应用成果。

首先我们为什么要研究风电机组的轻量化设计？那么最主要的一个原因就是来自于风电平价上网所带来的成本挑战，这个问题在前面我们同行分享中多次提到过，从2018年以来，到现在风机数量的变化趋势，到现在我们的风机的售价已经跌回了2018年抢装潮，2018年10月份左右3200元每千瓦的价格。而且预计到明年这个价格就会跌破到3000元以下，在政策方面，2015年5月20号国家发改委公布《关于2019年第一批风电光伏发电平价上网项目的通知》2021年1月1日全面实现平价上网，国家不再补，更低的度电成本挑战，风机装备的成本，首当其冲应对这个挑战。

那么这个长叶片大容量的发展趋势，又会给我们带来两个方面挑战，一个是我们风机越来越大，我们风机部件越来越大，那会对我们运输和吊装造成更大的成本压力，目前我们行业内通常需要我们把风机的部件或者模块控制在一百吨左右我们才能够使用常规的装备来完成它的运输和吊装，如果超过这个重量限制那么我们可选择的装备就会变得很少运输和吊装的成本就会集聚上升。工况会变得更加复杂，对我们可靠性提出更高的要求。大家可能会有疑问，为什么还要做轻量化设计，把风机变轻了你的可靠性还能达到吗？确实这是一个非常实际的问题在逻辑上这也是非常正确的，为什么我们需要研究轻量化设计技术，研究这个技术的目的就是过技术手段来保证我们可以同时满足成本和可靠性两方面的需求，那么这里我列了三个方向的轻量化设计关键技术。这主要是运达目前比较关注的方面。并不代表是轻量化设计的全部技术在今天我们技术论坛前面有很多行业的专家分享了别的方向的技术，这里的话我就做一个抛砖引玉。

第一个方向我们是从结构优化的角度出发，通过这个结构智能仿真优化技术来获取一个等强度的一个轻量化的部件结构设计。第二个方向是从材料方向出发，采用性能更高的新材料来保证一个系统等强度的一个轻量化设计减重降本第三个是传动系统一体化设计，通过这项技术使我们传动系统得到更紧凑以及可靠性更高的关键系统设计。轻量化的产出也就是好处，第一个当然是我们减重，降低风机整体的设备成本。随着风机的减重，那么我们的运输和吊装就有可能可以实施我们的性价比高的一些运输吊装方案，比如说模块化运输一体化吊装，第三就是通过这些技术保证我们的这个风机设计仍然是具备高度的可靠性不会带来额外的运维成本的增加。

下面我展开介绍一下刚才提到的几个核心技术，一个是结构智能仿真优化技术，这个技术主要针对的是我们风电机组的结构件的轻量化设计，比如说我们的轮毂主机架还有主轴等等，那么在我们风电行业的传统的结构件设计通常是采用的一个经验设计的模式，也就说当我们设计工程师设计一个新的部件的时候，往往是基于现有已经有的成熟设计，根据我们新的要求来进行一定的改变，来获取一个满足新部件长度要求的新设计。这种模式存在一定的不足，一个方面是它可能会产生大量的设计人员重复的人工迭代，不利于产品开发效率的提高在轻量化方面无法保证所得到的设计是最优的需要把我们部件减重多少，经过调整可以达到目标，他不知道这个目标能不能继续往下，能不能得到一个最优的设计。

我们结构智能仿真优化技术，可以应对这方面的不足，那这个技术其实是把结构优化的问题转化成为一个以结构强度可靠性作为约束，以结构的轻量化作为目标的数学优化问题，数学优化算法，进行一个自主化智能寻优的技术。拓扑优化，形状优化，尺寸优化，参数优化，结构的概念设计阶段，可参数化设计结构的DOE设计探索学习与优化。

目前我们运达运用这项技术首先我们对结构件设计的开发模式进行了一个革新由传统的经验设计模式转变为了仿真驱动设计的模式，我们的仿真优化工作在产品设计开发初期可以进入。全程指导我们产品设计。一方面它大大提高了我们的产品设计开发的效率，另一方面在这些优化算法的支撑下，可以保证我们得到的轻量化设计是一个最优的结构，目前我们已经进行了轮毂的拓扑和形状优化研究，那么对这些部件来讲，我们已经实现了这些部件的减重效果可以达到5%到15%。

经过轻量化设计的这些部件，我们会对它进行一个严格的可靠性校核，严格按照设计规范，强度方面的较核，与相关的部件，连接的轴承和螺栓进行严格的较核，轻量化设计无可靠性风险。

新材料技术主要针对的铸铁材料，硅固溶，抗压强度是得到显著的增强，伸长率稍有减弱，在强度方面显著增强用QT500部件的承载能力相应的得到一个显著增强，从而可以达到一个有效控制部件重量的目的。目前我们已经着手研究把QT500应用在主轴的设计上，通过我们的研究发现与QT400、QT500重量上达到36.8，QT500材料，本身单价比QT400要贵，由于减重的程度，最终我们还是能够得到28.3%的降本收益。对于QT500新材料的可靠性，我们主要关注的是它的断裂性能，因为我前面那张表提到QT500在强度方面有很大提高在延展性方面有一定的降低，所以我们进行了基于断力力学的评估，目前我们已经可以完成断裂事件的定量计算结构胜于强度的分析，以及裂纹的扩展控制，总体目标提高我们使用新材料的可靠性。

接下来是传动系统联合一体化设计，那么对于传动系统的设计分析，我们传统来说通常是按照部件单个的来孤立分析，传动系统整体运行的情况通常有一定的偏差，分析的结果也会产生一定的误差，因此我们研究了这个整机传统链建模的方法，我们建立的风电机组传动链动态仿真模型，是综合考虑风轮的转速、齿轮箱齿合频率、连州器对中性、发电机支撑结构等因素，动力学仿真，引入虚拟加速度传感器技术，通过监测齿轮箱输入端发电机输入端加速度。

通过应用这些技术我们可以达到一个目标，参数、轴承、齿轮箱、得到更加好的匹配，使整个传动系统更加紧凑和可靠。

具体到传动系统核心部件，轴承我们对它的分析也是考虑了轴承的主轴承的周边连接结构，考虑可以更加准确计算滚道接触应力，提高轴承可靠性，齿轮箱，开展行星轮系均载性，齿轮修型以及动态仿真研究。预防解决我们后期出现的问题，降低故障率提高我们机组的可靠性。

最后给大家展示我们运用轻量化技术所取得的成果，我们运达从WD2500逐渐应用我刚才介绍的技术，这张图这张表应用轻量化，单位千瓦WD2000，41.5公斤降低到了WD4500公斤26.7，轻量化控制在100吨，以便可以运用低成本的吊装和运输方案，目前我们的WD4500现在还没有达到这个目标，因为我们还没有把我们新材料这个目前还处于研究当中，还没有完全的应用上来，那么如果把新材料技术用上来，我们WD4500机舱重量可以降低110吨以下，这样我们这一系列的机型都有可能实施我们模块化运输，以及一体化吊装的施工方案，从而为我们节省大量的运输和吊装方面的成本。以上就是我的今天的分享，谢谢大家。

（根据速记整理，未经本人审核）