吉林重通成飞副总裁设计师、研发部部长张石强:《大型海上风电叶片关键技术及创新》

2019-04-12 东方风力发电网 点击:238
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   2019年4月11—12日,第五届中国国际风电复合材料高峰论坛(CWPC2019)于中国重庆隆重召开。在大会专题二:精雕细琢 巧夺天工——“智能设计、智慧制造”中,吉林重通成飞新材料股份公司副总裁设计师、研发部部长张石强先生做了题为《大型海上风电叶片关键技术及创新》的精彩演讲。

 

  以下为演讲实录:



 

  尊敬的各位来宾,各位同仁,今天非常荣幸,相聚在美丽的山城,我也非常荣幸代表公司向大家汇报一下近期我们在海上叶片方面做的一些工作。我汇报的题目是“大型海上风电叶片关键技术及创新”。

 

  首先介绍一下我们公司的背景,我们属于重庆市国资委下属的机电集团,总部在重庆市江津区,从2007年开始风电叶片的开发制造,现在年度产能为1000套左右,是国内叶片主要的配套企业。我们公司主要是来自业界航空领域相关的一些专家,博士、硕士等人员组成的研发团队,大概80人,硕士博士的占比大概50%左右,相关的核心人员都具有十多年的陆上和海上叶片开发的工作经验。我们也获得了省级的技术中心,国家发明专利有100余项,同时获得了三认证,材料实验室同时具备34种复合材料的测试能力。

 

  在海上叶片材料方面,我们深入掌握了碳纤维,包括碳纤关注等一些材料的性能,包括碳纤主梁,我们是一家具备碳纤维制造能力的公司,下面是我们公司生产的一些图片。我们公司从2007年开始85MW的开发,2013年初公司制定了“两海战略”2014年初以碳纤维为技术线路的大型海上风电叶片设计开发,新型碳纤维材料性能技术以及大型工艺装备研究及应用,2018年开发出国内最长的叶片产品。

 

  海上叶片技术存在以下几方面的挑战:

 

  首先从材料方面来说,需要有更高模量,更轻质量,性能稳定性需要有很高的耐腐蚀性、耐紫外性能。结构设计对于可靠性,以及关键部件的设计,以及稳定性,工艺方面部件预制技术,包括金属网的一些灌注工艺等,也是需要突破的点。防护方面包括碳纤维的防雷,前缘的防护都是相应的难点,跟陆上的叶片有很大的差别。

 

  叶片增强材料,从技术实施容易度和成本上比较,从碳纤和玻纤的分类,玻纤就是整体成本低,玻纤会带来叶片的减重。碳纤用的灌注技术来说,是技术难度比较低,比较成熟的,相应高纤维含量碳纤的技术,灌注难度更大一些,需要更高模量,在玻纤拉挤技术上的突破,工艺上也存在一些难度,但是性能稳定性更好一些。针对碳纤材料的应用,碳玻混、碳纤灌注,碳纤拉挤都有各自的优势和局限性。

 

  针对不同材料,不同工艺的价格因子和重量因子,做了一些量化上的粗略核算,从价格因子来说,一旦应用到碳纤,成本就会大大的提高,价格就会大大提高。碳纤的应用会带来重量上大幅降低,最后需要核算的是对综合成本的影响,包括重量降低之后,对于主机其他部件带来的重量和成本的降低,需要综合核算,不能单纯从叶片材料来核算。

 

  这里展示玻纤织物微观的情况,疲劳试验破坏的地方往往是在撑纱和捆绑纱之间。对应的就可以看到,在大克重玻纤布的应用,后面就面临着相应的一些挑战,需要解决疲劳性能,压缩性能、灌注性能,错层的影响。

 

  碳玻混织物,前面也有同仁做的一些介绍,也是高性能材料的一个方向。也存在一些局限性,不同材料之间玻纤是受热膨胀的,碳纤受热是收缩的,不同材料性能的影响,以及碳玻混的难点问题都是需要解决的。这里是碳纤布的情况,它的编织也存在很多核心技术,有细微的差别,最后就会对产品性能有较大的一个影响。这是碳纤预浸料的情况,这里有很多微小的褶皱,有一些相应的检测手段,也是应用新材料过程中,必须要解决的相应瓶颈的问题。

 

  拉挤片材应外,展示的是一个玻纤拉挤片材,我们做了垂型性的验证,整个梁的长度灌注的验证。这是我们开发出来海上83米的一个叶片,总量在26吨左右。大型叶片的开发,模具成本占比非常高,如果单独只兼顾一个型号,相应的投资回报期非常长,随着现在型号的发展,风电市场发展我们从一开始就考虑可控性,可以通过夜间的替换,把叶片的长度延长到91米左右,同时还可以实现不同接口的拓展,从而提高叶片系列的拓展设计。模具供应率要超过60%,在夜间替换可以达到80%,可以大大降低模具的成本。

 

  这是气动设计的分析失道分析,业态的分析,颤振分析。同时针对大叶片,现在的一些附加装置的设计,也进行的相应的研究和模拟,海上叶片的结构上,碳纤维材料的应用,我们做了初步的对比,如果用全玻材料,我们这款产品碳纤可以比纯玻应用,叶片总量可以降低30%,可以大大降低整机的综合成本。这是我们首席结构专家申请的专利,包括碳玻梁帽混用叶片结构,这是我们自主开发的预埋叶根技术,也是通过测试认证。后缘梁设计方面,应用了预制方面的技术,降低占模时间。主梁通过多次的灌注实验,完成160层的碳纤维灌注研究,解决灌注碳纤维的产品缺陷。

 

  我们开放了众多的辅助工装,解决大尺度下的运输吊装,以及储存的难题。海上涂层方面也做了高湿度,高腐蚀,抗变性,以及金属网设计,雷击实验,充分进行验证。关于其他方面的先进技术,现在只是提出来,需要各位同仁一块儿想办法去攻克,包括超声波检测,三维成像,结构健康监测,以及叶片的回收利用等方面,都需要大家一起努力,去解决相关的难题和关键问题。我的汇报到此结束,谢谢大家。

 

  (发言由现场速记整理,未经本人审阅)



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