中材科技李成良：低成本大叶片开发的可靠性探讨
2019年10月21-24日，2019北京国际风能大会暨展览会（CWP2019）在北京隆重召开，大会主题“风电助力‘十四五’能源高质量发展：绿色、低碳、可持续”。自2008年首次在北京举办以来，已连续举办11届，成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。
10月22日上午，CWP2019风电叶片大型化技术论坛在新国展召开。中材科技风电叶片股份有限公司研发中心技术副总监李成良出席论坛并发表演讲。
以下为发言全文：
李成良：刚才看了李松林先生分享海上风电叶片设计开发的全过程，我的分享跟他有很多类似之处，但是我更想从可靠性上来说，我们整个叶片的一个开发过程。我的工作两个部分，一个风电叶片面临的新形势，大叶片开发的可靠性，主要从气动设计，结构、制造、测试、流程。当前我们叶片发展进入了一个新的常态，特别是在2019年5月21日中国发改委新一轮的风电项目价格政策的落地呢，特别的指出，在2021年陆上供电实现平价上网海上风电首次降价2025年整个陆上实现低频价上网，海上将具备平价上网的条件，就是整个风电价格是越来越低。低价格就要求低成本，我们现在看一下低成本，整个风电的成本有三部分组成，一个风机的成本，一个风电，还有运维的成本，这三部分带欧洲一般是按照各占三分之一。对于风轮也就是叶片来说占整个风机的比重价格成本是20%左右，那从这个敏感性来看，什么对它低度电成本影响最大，AEP，运行维护风电场建设的成本，从叶片本身来卡，叶片作为风机关键核心转化的部件，我们设计目标很明确，就是AEP最大化，还有叶片的成本最低化，对于叶片来说我们从气动方面，保证气动的效率最高，它的发电量最大，同时通过一些增功增效，结构的降本减重实验，叶片的成本最低，同时这边我想提一下，叶片和主机的匹配密不可分，多轮充分的迭代，最终实现叶片的发电量最大化，成本最低化作为叶片的使用化目标。
低度电成本，带来叶片发展的新趋势，现在叶片两个大的方向，一个叶片带动方向发展，叶片的设计尺寸大，成形面积大，制造精度高。现在最长的叶片，已经超过了100多米，中材开发的，我们这个叶片可以看到跟A380，表面积达到了560平米，重量超过37吨，单位功率密度是270，在之前这个海上一般是在300到350，现在成本的预期已经到了65元每公斤，作这儿之前海上的叶片是这个的量到三倍，甚至更高，叶片发展的另外一个趋势，安全余量小、设计重量轻、新材料应用加快，对于我们现在的叶片安全系数只要大于1，够认为是符合规范的要求，复杂设计的要求，这个过程中同时我们也催生了一些新材料应用，碳纤维的应用，都在进行加快，整个风电发展形势是非常恶劣的。接下来把可靠性方面从系统结构设计制造工艺流程控制方面进行分享。
设计方面我们知道翼型是我们整个叶片最基本的元素，翼型设计要与翼型开发些匹配，高气动效率，低粗糙敏感，低噪音，高刚度，考虑对环境，比如说造成污染要小，高度要大，设计翼型，开发翼型的时候，仿真模拟，进行生动测试，确保翼型给叶片开发提供最准确的收入。
对于气动设计方面呢，因为我们整个叶片设计都是基于一个（23：51）不会超过这个值，光伏的，一般可以达到50%左右，但是如果特别高那就带来了更多的问题，载荷大，这里边我也想提一下，对于如何设计叶片我们提出来一个低载高效， 选取CP值的时候，一般的CP值追求的是最大，最大带来的载荷大，在我们的设计里面，提倡的是CP值覆盖的范围要宽，越宽最大的载荷就会降低，技术的载荷巨大更大的承受能力在这个基础上可以加强叶片，这里我举一个小例子，就说基于我们传统的设计和低载高效的设计，发电量增加3.3%，它的极限载荷降10%左右，所以这个低载高效的理念，对我们叶片的气动设计还是有很大的帮助。三方面就想提一下这个叶片的发电可靠性，现在我们叶片面临很严重的问题，就是失速余度的问题，失速有哪些因素引起的，叶片的性能，叶片气动设计，都可能影响到叶片的失速。什么是失速呢？这个系数会下降，叶片发电会出现损失，这样的话对基础的影响会很大，带来基础的破坏，主要是提升失速的余度。密度对失速余度，空气密度下降0.6的时候，我们整个发电量40%左右，你想想40%对一个主机场，在这里边充分考虑它的失速，尽可能的提升它的失速余度，让它的发电量的损失更小，同样我们可以通过这些部件提升发电量，这是关于气动方面。
结构方面高性能材料应用越来越普遍，也越来越多，但是我们这个材料，TM+，它的性能都达到了50，甚至50%以上，100还有很大的空间，这个就说材料性能还有很大的发挥空间，材料性能发挥的空间，主要依据它的成形工艺，像碳纤维的材料，我们现在也有很多的应用具体怎么用呢，我们原来用过真空灌注的，不管怎么说大叶片发展推动高膜玻纤和碳纤维的应用，先进的成型工艺是充分发挥材料价值的关键环节。这是关于材料方面。
关于结构失效模式方面，会引起叶片的失效模式的变化，贝塞尔效应引起的，主梁失效，层间失效，腹板失效，在这过程中我们通过一些工具比如说像FTA，分咐它的失效模式，针对失效模式制订相关的措施，这里边举了这个例子，这边是一个常见的，我们的材料，我们的结构，要想保证它的可靠性，我们从最精的原材料，还有复合材料，子部件包括叶片测试进行完整的测试，这样我们才能知道我们的结构它的安全性可靠性，取到的安全系数到底多少。着重提一下，子部件，因为子部件的测试，越来越受到重视，为什么进行子部件的测试，标准和规范里面规定，全尺寸叶片的测试，一般只覆盖叶片的70%的区域，疲劳测试呢覆盖的是40%的区域，更多的区域呢，没有被识别出来，因为这些地方叶片不是主要的区域，但是它对叶片也有关键的影响，这里面我举一个，叶根预埋知道了它的边界，我们对下一步叶片的开发，尤其放在大叶片的开发，它的最终是可以在多大叶片上应用是合适的，我们的叶根挡板水平，我们通过这样的测试，我们可以知道承压测试极限承载能力，而不是单纯的满足我们技术要求的300公斤简单的一个技术指标，我再提一下战略分析，刚才李松林也提到了，气弹颤振分析，耦合的过程中叶片它会带来一个高转速高风速中发生这种颤振，这种颤振对掖也是一种极限的破坏，我们做这个分析的目的，让叶片运行转速和风速远离这个颤振的边界，这样才能保证我们叶片结构的可靠性。
下面我们讲一下制造工艺，近几年来大家都知道，50米以上的叶片都成为市场的主流，尤其是今年，60米以上的叶片，逐步成为主流，我们在进行大叶片的生产制造过程中，我们都知道大叶片的制造难度还是比较高的，原来一天做一片，现在两天做一片，这过程中我们持续进行装备改进与集成应用，全面提升机械化与自动化成都，我举几个例子，叶片非编切割设备，有效的降低劳动强度，保证叶片定位尺寸的同时，有效的控制，有效的减少缺陷，主梁减少人工劳动强度的同时，这都是我们在装备改进方面做的一些工作。我们都说我们的叶片质量是制造处理的不是检出来的，这句话我也是深信不疑，我们大量的缺陷都是在制造过程中产生的，我们还必须通过高端的设备来检查我们的叶片有没有缺陷，因为我们的肉眼是无法检验的，通过主梁的粘接，后缘的占前沿的粘接，关于制造工艺这块。我们常规的叶片，现在都会通过权尺寸的测试，静力测试、疲劳测试、和后静力测试，对于我们来说我觉得这个还不够，我们叶片承载能力到底是多少，刚才讲部件的测试，对于叶片来说也是一样的，我们现在会进行超载测试，一般是在我们后静力测试1.2倍到1.5倍的超载，这个超载测试，更好的去匹配我们的叶片与主机，这个尤其对我们适应性风速的主机来说是非常有帮助的，因为适应性风速度灾害，往往会超过我们的设计载荷。
还有一个破坏性测试，为了验证叶片的承载边界，这个承载边界，可能是设计也可能是工艺，发现承载边界极限能力，更好的有助于我们理解和认识我们的介入设计和我们的工艺制造，这里边我想提醒的是，破坏性测试呢，如果要做的话，一定要做好安全和可靠性的防护，因为这个还是有很大危险，至少对人员设备要求都很高。防雷这块，在防雷，风电场运行比较突出，防雷系统可靠性很多人关注的什么，关注我们做了防雷系统的测试，但我们这个还不够，进行雷电的大电流大电流的测试，在这个之后呢，我觉得还应该做一个测试，我们防雷系统材料，力学性能的测试，这个我们都会进行充分的验证。
型式认证方面，认证标准，国际的标准都在国内进行充分的应用，包括GL的，防雷的现在非常完善了，认证机构国内的CGC，CCS等型式认证这个工作是必须要做的，更好的保证叶片可靠性，重点强调一点是，压做的让我们叶片的生产制造更加符合设计，而不是说叶片认证过了，叶片就可以随便做了不是那样的。
关于流程管控方面，我们知道近几年在丹麦工业协会的推动下，我们有这个国际的几家风电企业做了一个APQPVVIND，推出了中材的apqpvvind，每个节点上严格的质量环节把控，这个过程中就是为了确保我们产品是符合流程控制全面保证产品研发的质量，到这里我整个汇报差不多就完了，最后我做一个简单的小结。
随着单机功率的增大，叶片长度增加，陆上向海上发展，平价上网趋势，我们从气动结构材料还有我们的生产制造，叶片全程的测试，还有认证标准，效率可靠性方面进行努力。新形势面临的新挑战，新机遇也迎来新机会，让我们一起努力为大叶片的可靠性开发，为我们整个行业的健康发展尽心尽力，谢谢大家。
（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）
