中车株洲高工王磊 ：低风速风电大叶片对整机的影响分析

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，中车株洲电力机车研究所有限公司高级工程师，高级主任设计师王磊带来“低风速风电大叶片对整机的影响分析”的主旨演讲。

以下为演讲内容：

王磊：各位同仁，各位专家，大家上午好。

我今天给大家汇报的主题是风电大叶片对整机的影响，因为我本人来说是整机设计和开发这块的工作，所以可能会更加倾向于整机一些，前面叶片相关的方面的一些考虑的话，前面两位前辈和专家已经讲过了，所以今天我重点内容就是整机方面的。

我的汇报分成三个部分，第一个就是我们长叶片对整机带来的优势和好处是什么？第二个整机厂可能考虑的方面，就是劣势，整机方面带来的影响，我们有什么解决方案。

首先对于长叶片对整机的优势是显而易见的，这个是投资方关注的，就是收益。

我们首先看一下，从时间轴上来看，2012年以前，我们风电行业大部分是1.5MW，到了2012年的时候主要2MW，到了2016年下半年，各个厂家逐渐推出了126，以及131这样的级别，不过功率级别从2MW，现在逐渐升到了X。所以最终会讨论到对整机的成本，也就是业主投资的收益问题，还有我们整机厂必须要考虑的利润问题。

这是我们公司从最开始的长叶片到现在做研发的状态，我们对叶片的发展性能大家很熟知的，但是这个东西大家太熟知了。我们可以看到，从最初的2兆瓦110，到现在130，单位兆瓦一直在持续增加，可适应的风量总级一直在增加，从最初的7.5米，到现在可开发的利润点能够达到5.5米的状态，使超低风速的地区开发价值逐渐增高，使我们可以开发的地方逐渐多一些。

这是简单的一些优势，所以我大概地过了一下，我们重点来分析对整机的劣势，对整机来说，随着叶片长度增加，重量增加是显而易见的，其次不管是重力载荷还是气动载荷，还有噪音成本都是显而易见的，这是下面重点分析的内容。

第一，随着叶片长度增加，对整机带来什么影响？

首先，刚才提到了我们的长度，随着我的长度增加之后，我的风电机组的塔筒肯定要增加的，塔筒投资要增加的，整个要考虑整个风场的COE的时候要加入的，这个是有改变的。

第二个是净空，一般来说大兆瓦的功率设计，设计都是按照IEC，对本身材料和工况都会有要求，所以对净空有要求。

第三，如果整机不进行改变，噪音会增加的，噪音来自于什么？就是速度，如果叶片增加之后，转速还是之前一样的话，整个风能的噪音是会增加的，这个会有详细介绍。

另外运速方面，在一些特殊方面，当你的叶片增加两三米的话，就会出现很大问题，那我修路的成本也会增加的，最终也是在成本里面。

第二个就是重量，重量的增加，根据我们过往研究，它的叶根螺栓也要做很大，随着研究深入，对也跟螺栓来说，对于重力，叶片摆放也会影响很大。

另外一方面，也是去年才逐渐意识到这个问题，以前很多技术是平台技术延伸的。随着风电叶片增加之后，叶片重量增加，或者风能重量增加更合理一些比如说轮毂本体，这都是重量主要原因。真正的重力FY、FZ对它的影响也是非常大的。

其次就是气动载荷，大家可能很熟知了，会影响叶片的方向，直接影响塔架的设计，同样的塔筒和部件都需要重点去载荷，去进行加载来满足要求。

所以最终落到部件影响整个成本，保证风机20年质量寿命的成本，也是增加的。

通过前面的一些梳理，我们把叶片变长之后的劣势梳理出来，一个是叶片变长带来的，一个是塔筒增高带来的，还有噪音增高和相应供应链带来的。

首先，我们来看一下叶片变长对叶根螺栓的影响，这个从1千瓦的77，我们国内可能从这个级别走来，可能93以上的机组可能生命周期很短了，这个地方我们就只写到了93。

然后从2兆的级别，121、121、130的级别，我们看到不同的叶片长度，质量增加和载荷的增加，都是向上走的，只不过有的我们看到的从105级别到116级别的时候，为什么有个别地方下降和平缓，是为了我们保证整机设计平台的时候，我们是刻意设计降低的，风场能适应等级会更窄一点，但是是成本考虑。

所以我们后面计算就发现，随着风轮直径的增加，1的时候，我们的螺栓寿命就是20年，我的螺栓大部分的时候还是用扳手这个状态，我需要涂抹相应的润滑剂，来保证相应的扭动系数，这时候可能寿命远远达不到20年，可能五六年就会断了，会与我们设计20年有偏差的。

但是这个项点对当前来说，因为叶片长度到了这个级别，这个重量肯定会增加的，所以这是很大风险在这里。

第二，叶片长度增加之后，转速会下降。

首先，风能的叶片长度的增加，为了保持噪音保持现有的状态，那我就要保持我的叶间的V达到80或者81，这时候我的R是增加的，我的风能转速是要下降的，我要维持功率的输出，我的额定力矩肯定要增加，整个传动部件的需求就增加。那么对我的成本这个是会有增加的。

第二个，就是叶片性能这一块的问题，刚才前面中材科技已经讲过了，我大概提一下，因为风轮转速，我们选择的时候会选择某个值来匹配，它的最佳的接触比是有一个值在这里，如果我的叶片在做别的匹配，或者加长的时候，我还是要保证我的叶间长度不变，额定降低之后，我的转速比会降低，叶片越长以后，风轮转速就降低。

第三个例子，就是我们的叶片长度带来的噪音，刚才前面两位专家都已经提到了，我稍微提一下。这个是风工程那本书里摘抄的，虽然是不同年代里的，但是风的增加对叶片的增加都是线性增加的。

书上的理论和实际现场安装做了对比，叶片的厚度，叶片后缘厚度噪音非常大，如果后缘厚度控制在物料需求里面，控制在比较均衡比较薄的时候，对整个机组噪音是有很大好处的。

所以这是一个前面带来的问题举的三个例子，当然后面会有相应的解决方案，进入第三个部分，针对这些重量、载荷、噪音，我们怎么解决它？

第一，降低叶片重量这一点，可能我们叶片厂会更加专业一些，比如说用碳纤维等，但是可能现在的碳纤维应用会在海上应用多一些，但是在陆上几乎是还没有用的，可能我们这个地方要考虑是什么？就是我整个风场的COE，我使用碳纤维长叶片之后，各种成本增加，但是对整机带来很好的优势。

另外一个，就是我要使用更优的翼型，大家都知道对于风电机组来说，就是简单的二分之一力法，我要叶片增常的话，翼型可能要改变，整个风场和COE优化，这个是一种考虑方向，因为当我考虑增加的时候，这是可以选择的一条道路。

第二个，就是载荷成本这方面，对于载荷来说，我们也不用说太多的点，因为风电发展了这么多年，各个部件载荷的性能，可能需要性能更好的叶片，可能我叶片湿度会大一点，载荷度大一点，性能和成本之间的矛盾点就需要找到一个平衡。

其次就是大家都在做的事情，就是我的控制参数，很多极端工况的时候，极限载荷会发现一些情况。叶片使用性能好、载荷优的设计，选用更优的控制参数，特定的控制策略，针对性的将在。

优化部件结构，使部件重量降低，部件承载能力不降低。

其次，新技术的应用，比如海上风机D128级别已经在应用的IPC，可应用目前D130，D141级别的陆上风机，整体成本最优。

第三个，就是噪音，噪音的话，因为为什么这个单独点放在最后？其实这个问题我们公司是吃过这方面亏的，毫不避讳地讲，早些年在南方的山区，这时候某些居民拆迁会遇到很大问题，这时候设计院和业主就会离居民很近，就会发现现场反馈回来，旁边的鸡都不下蛋了，这是现场人开玩笑反馈的。

后来我们做一系列的工作，国标那边是有一个要求的，在十米高度的地方，我的噪音要小于110分贝，就是我们拿的锯子在施工的状态，要求对居民生活来说其实是很低的要求了，但是因为挨得太近了，晚上夜深人静的时候就格外突出。

所以我们针对叶片的后缘，做了很多设计，最后发现噪音的降低还是非常明显的。

这个风场的状态还是不一样的，之前我们去测了，确实超标了，然后在天上安装之后，再进行测量，噪音下降很明显，它可以降低中低频的噪音。

同时这个点，我们从施工前后，对整个功率曲线的影响，基本上影响很小，或者我们看到没有明确数据表示。

国外的，站在他们塔筒下面，没有听到很明显气动带来的噪音，只是明显的电气部件，后来了解他们有低噪音的部件，但是我不知道国内应用是什么样的。

第二，是后缘厚度的控制，降低运行过程中长期噪音。这个是持续运行的，降低是长期的噪音。

其次是刚才讲的降噪的来源。

第四，就是风机机舱中的噪音源，比如我们的发动机，这时候它高转速的时候带来的噪音，以及齿轮啮合的时候的噪音，这时候我们加隔音棉，尽量把声音控制在密封舱里，对周围环境影响降低。

好，我的汇报就是这些，谢谢大家。

（发言为现场速记整理，未经本人审核）