金风科技朱雨：风力发电机叶片设计探索与思考

2017年10月16日-19日，2017北京国际风能大会（CWP2017）在北京隆重召开。在中国国际展览中心（新馆）“风电叶片大型化问题和技术”专场，金风科技风电叶片工程中心的朱总带来风力发电机叶片设计探索与思考主旨演讲。

以下为演讲内容：

朱雨：感谢主持人陈淳总，我今天给大家带来的是风力发电机叶片设计探索与思考汇报，汇报分成三个部分，海上需要什么样的叶片，金风科技已经做了什么？还能做一些什么。

大家都知道我们金风科技对海上机组的研究始于2007年的渤海湾项目，时任项目总经理是陈小海先生，他在回顾这个项目的时候说，虽然前期并网是比较顺利的，但是由于当时对海洋环境并不十分了解，大家都预见到一些问题，比如潮湿延误，后期运维，这恰恰是叶片会面临到两个问题。

那么海上到底需要什么样的叶片呢？海上通常都是大叶片配合大容量，海洋环境和大尺寸就是海上叶片所要面临的主要两个挑战，海上叶片应该尽可能地具备如下几个特点。

一，首先肯定性能必须要高，而且成本要低，后期运维最好要小，然后整个机组的载荷是一个最优的情况，最好其他方面，如噪音方面，噪音还要小。

总而言之，海上叶片应该尽可能做到，在各方面做到一个恰到好处。

那么下面我给大家从叶片的几个方面，介绍一下金风科技都为海上叶片进行了哪些准备。

气动方面，从2009年开始金风科技研发自己的自有翼型。我们都知道，在传统的观念，认为叶根区域的翼型更主要考虑一个结构的匹配性，气动性能不是主要的考虑事项，但是经过我们金风科技长期研究以及对市场需求的分析，我们认为叶片的所有界面，气动性能都不应该被忽视，尤其是海上叶片有它的特征。

金风科技的自由厚翼型，进行了一系列的风动实验，它相较于传统的翼型有很大优势，这是直接实验结果。

在薄翼型方面，随着风机页面尺寸的加大，各个工作雷诺数是不断提高的，金风科技在研发过程中对25%以下的翼型进行了多次风动实验，金风科技对海上叶片设计打下一个良好的设计基础。

这边给出的是传统厚翼型和自有厚翼型的在计算上的对比，我们可以看到，因为海上叶片，它有一个小运维的要求，所以我们认为在海上叶片应该尽可能地减少采用添加这种气动附件的形式来提高整个叶片的性能，所有具有高伸力系数的厚翼型将被广泛应用于海上叶片。所以更适用于海上风机的叶片设计。

下面我给出了一个算例，这是一个现实中存在的叶片，它采用的实际上是传统的厚翼型，我们把它做了一个优化，把传统的厚翼型优化成我们金风的钝尾翼型，使不同程度的发电量都有不同程度的提升。

另外一方面，从载荷这一方面，随着海上的风，大家知道叶片设计载荷，叶根弯矩是主要的，但是海上大叶片的开发，慢慢的变桨系统的载荷控制成为关键。

这边给了一个是真实的案例，我们在设计某款海上叶片的时候，在变桨系统载荷这块遇到了一个问题，为了解决这个问题，金风科技构建了自己一个载荷优化平台，首先我们的优化思路是通过挑战载荷的一个平衡位置，来实现一个载荷的有效的下降，那么确定优化思路之后，接着我们是要通过工况的缩减，变量的筛选，以及这些变量取值范围的确定，最后是一个优化和后处理的结果，最终得到一个优化的结果，最后反馈给全工况的评估，最后确定设计的有效性。

最终的优化结果显示，预锥角相对于其他变量对于优化目标的影响较大，并可以将该恒补偿到预弯设计中进行等效。

以最优参数进行全工况评估，发现叶片的变桨驱动LDD小时数由39小时降低到9.7小时，满足机组的设计要求。

大型的海上叶片面临的另外一个问题，实际上在结构评估方面，线性的屈曲计算，有可能会丢失一些实际的结构特性，非现行屈曲计算允许应用材料非线性性能，并考虑结构初始缺陷，来准确模拟线性屈曲的特性。

在安全系数上，线性屈曲会比较高，主要由于线性屈曲无法捕捉到初始屈曲的影响。这个给咱们的一个启示，超长叶片来说，非线性屈曲是必须的了，另外还有一个在叶片气动设计这一块，在做叶片放样的时候，需要仔细地去做一些判据，看能不能得到理想的外形，否则外形局部的缺陷会影响到整个结构上的屈曲的问题。

在材料这个方面，因为海洋环境带来的另外一个问题，是叶片的前缘破坏可能会被加剧，所以金风科技在2012年的时候开始注重叶片前缘保护的问题，在叶片前缘粘贴前缘保护膜，但是现在出现问题，有超过一万片叶片在贴膜，但是这两年贴膜的叶片陆陆续续出现保护膜的破坏，尤其是海洋环境的问题，所以前缘保护问题是急需要解决的问题。

这一页给出的是几个风电厂，前缘保护膜受到破坏的图片，很令人触目惊心的，所以我们金风科技重新又回去评估了前缘保护漆和前缘保护膜等产品，在各个指标上进行了一系列实验。这边实验结果表明，一代膜相较于前缘保护漆来说，在耐腐蚀是比较弱的。

我们可以看到，整个对前缘保护涂层的测试结论，前缘保护的涂层综合性能会优于一代膜的性能，所以它是比较适合大型海上叶片。

另外在涂层的工艺上面，其实更主要是在后期运维工艺上，会相较于一代膜有很大的优势，但是技术是进步的，我们不可能一棒子把保护膜的方案打死。

二代膜的耐紫外的测试表明耐紫外能力提升，耐雨湿性能也达到了一代膜的五倍以上，但是粘贴工艺和一代膜一致。

基于海上风机叶片对前缘保护的要求，金风科技给出了对海上叶片前缘保护方案的推荐，是胶衣+保护漆+保护涂层。

虽然海上机组对陆上机组的要求，对噪音要求不是那么明确，但是随着人们对环境意识的增强，海上机组的环境友好性要提高要求。

金风科技在几年前就开始着手气动噪声问题解决的规划，在我们的路线图里面其实可以看到，金风对气动噪声问题解决，着眼的，一是现场实际问题，另外一个是后期叶片设计的问题。

那么就是尾缘降噪方案而言，金风先后经历了三个方案，这三个方案都在风电厂得到验证，最终的结果表明，目前的方案噪音降幅是比较大的，直接能够把这个叶片，原先的噪声应该分贝是在109分贝以上，直接降到了106分贝以下，最好的一个结果是，第三代代的方案应该是105分贝。

另外一点，整个锯齿尾缘降噪方案，在高低风速都具有降噪效果，这张图显示了，其实第三方的评估结果，比我们金风科技自己内部的评估结果更好一些，尤其在高风速带，我们自己评估结果是可降噪0.14的分贝，但是三方结果是可降噪1个分贝。

除了以上提到的方面，我们还可以为海上机组做一些什么呢？我们不妨把眼光放到我们国际同行的身上，2017年出了一本书叫（英文），这本书回顾了德国第一个海上风电项目，在这本书里面提出了一个观念，我们不妨可以借鉴一下，在气动方面其实提到了测风，还有把叶片扭转来替换叶片变角，但是这个他打了一个问号，另外一个是Work Forwards，目前气动角度都用的是被动控制，基本上像T型板，涡流发生器都是在近后缘侧，所以他把目光提前气流控制这方面考虑，把它放到前缘去。

在结构方面，它其实提了两个智能叶片的问题，一个是被动，一个是主动，被动智能叶片主要是湾流耦合，这个国内也做，另一个是主动的智能叶片，主动智能叶片有点类似于飞机机翼上的舵面，具有可操作性的，但是这两个不管是主动还是被动，都对叶片提出新的挑战。

在材料方面，处于成本的考虑，是尽可能利用玻纤来替代，局部地区用碳纤的方案，但是给出一个方案，在21吨以上的，如果再坚持这个观点，可能经济性会大大折扣。

其他方面是测试这一块，下面我具体说一下标红的这两个。

因为我们知道现在的叶片是采用变桨的叶片，配合机组，起到功率控制的作用，但是叶片越做越大，在巨大叶片，这个变桨系统的成本就会大大增加，这里面提到一个通过气动和结构的一个耦合的设计，以实现它的一个，相当于自适应的过程，能够改变当地的桨距角。

如果这个还是研究的话，我们可以看到在新的DNV规划里面，它其实提到这一块，不管是国际和国内吧，做得比较多的，在材料的设计，以及整个叶片的测试上面，但对部件比还是比较忽视的部分。

但是从制造的因素来说，我们可以看到，它其实给了三个安全系数，1.0、1.1、1.3，三个安全系数不同取值主要还是在这些部件是否得到了有效的测试，如果能够把部件测试做起来，1.3到1.1，这个成本其实就已经很可观了。

以上是我对金风科技海上叶片设计的一个探索和思考的汇报，谢谢各位。

（发言为能见APP整理，未经本人审核）