123米风机叶片运抵福建省福州市平潭县指定海域。

新疆金风科技股份有限公司供图

6月28日的福建平潭外海域,随着白鹤滩号海上风电安装平台等设备的协同配合,3支123米超长16兆瓦海上风机叶片完成吊装,当前世界最大的海上“大风车”开始迎风旋转。

123米,是约40层楼的高度,如此长的叶片能同时容纳300个成年人并肩站在上面。机组叶轮直径达到252米,相当于6架C919客机首尾相连,扫风面积相当于7个足球场。

除了长,风机叶片的内部主梁结构首次采用碳纤维材料,重量减轻了20%。此外,这款叶片96%以上的材料实现了国产化,拥有100%的自主知识产权……超长叶片的这些“过人之处”,为我国风电技术走向国际市场打下了坚实的基础。

定制化设计风机叶片

世界上没有完全相同的两片树叶,也没有完全相同的两组风机叶片。因为海域不同,风况各异,叶片翼型也各具特色。

“风机的叶片负责捕获风能并将风力传送到转子轴心。叶片的翼型设计、结构形式,直接影响机组的性能和功率。因此需要针对不同地区的风资源特点,对叶片进行定制化设计。”新疆金风科技股份有限公司(以下简称金风科技)研发中心叶片结构工程师袁渊告诉科技日报记者。

在福建省福州市平潭县,16兆瓦风机叶片的面内风速每秒差异最高可达5至10米,极端运行阵风(EOG)较国际电工委员会(IEC)标准超出50%。为了将风资源评估得更精准,金风科技的研发团队将国外的多源观测资料融合技术与国内首创的虚拟测风技术相结合,两套技术系统观测的结果互为参考,实现了对风资源数据的准确评估。

评估之后,动辄百米的叶片在真实环境下进行测试已然不可行,仿真模拟成为关键的替代方式。利用金风科技自主研发的“风匠”仿真平台,风场的物理现象可以实现高保真度和高精度的还原,风机叶片与机组载荷也可以实现高准确度的模拟,让工程师可以实时调整风机叶片的翼型,寻找安全运行前提下最合适的气隙余量边界,实现最优设计。

掌握自主制造知识产权

在江苏省盐城市,123米长的风机叶片在经历5道大工序、数百道小工序、历时22天后,从模具静置车间诞生。

就在1个月前,叶片的主腹板还躺在铺陈车间,由人工完成繁琐的铺陈工序,而后进行真空灌注。当腹板完成灌注之后,被放于两块主梁之间,形成一个完整的“工”字梁结构。袁渊表示,首先让两块主腹板与大腹板工装相连,确保主腹板的位置和间隙能够满足设计的要求,再连接主腹板与主梁,使主腹板起到支撑主梁的作用。

16兆瓦风机叶片特有的大厚度翼型设计,与传统的差值翼型大有不同。“其更好的结构友好性,会带来更高的机组可靠性;大肚子的钝尾缘设计,能够延缓流动分离,提高叶片升力,带来更好的发电性能……”袁渊告诉记者,这种独立知识产权的全新翼型,具有高升力、高颜值、高稳定性,能够满足机组12到17兆瓦以上的额定功率要求。

2022年7月19日,国际风电整机巨头维斯塔斯的碳纤维主梁叶片拉挤工艺专利到期,中国碳纤维风机叶片在破除专利障碍后迎来规模化制造热潮。彼时,16兆瓦风机叶片的研制正在攻坚,借助新的发展形势,制造团队选用碳纤维作为主梁材料,采用后掠设计,合理利用了超长柔性叶片的弯扭耦合效应,在降低约3%的叶根极限载荷的同时,叶片的重量相对传统叶片降低了20%以上,大大减轻了叶片的吊装和运输难度。

在叶片研发与制造阶段,尽管维斯塔斯的碳纤维拉挤工艺专利到期,但核心的灌浆技术专利仍在保护期内。灌浆是叶片主腹板制造的关键一步,要让树脂浆液逐步均匀分布在叶片的每个角落,需要精巧的线路设计与精细的灌注工艺。为了避免专利侵权,风机研制团队更换技术路线,形成自己的灌浆技术专利,保障了叶片在技术工艺上拥有100%的自主知识产权。

 

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