中材科技风电叶片鲁晓锋：大型叶片结构设计技术的五大发展趋势

当前风机主流还是两兆瓦，在这种条件下，大叶片设计材料仍然沿用了玻纤环氧的体系，另外结构形式基本上保持了不变。如何打破这个现状，这就涉及到结构设计的目标。从客户需求方面来说，客户需要什么样的叶片，一是高质量，二是快交付，三是低成本。10月17日，中材科技风电叶片股份有限公司大结构机械部经理鲁晓锋出席2018年北京国际风能大会暨展览会，并在“风电机组大型化技术论坛”中发表主旨演讲。北极星电力网对大会进行全程直播，如需了解更多会议直播，请联系微信号：13693626116。

鲁晓锋表示，结构设计未来的趋势是需要高性能低成本的材料，需要模块化和通用化的结构形式，需要参数化和差异化的刚度设计，需要精准化和精细化的强度校核以及需要层级化系统化的测试验证。

中材科技风电叶片股份有限公司大结构机械部经理鲁晓锋

以下为发言实录：

鲁晓锋：尊敬的各位嘉宾，还有业界的同仁大家下午好，很高兴能够有机会跟大家一起分享大叶片结构设计发展趋势，本次跟大家报告的内容主要是包含下面三个方面，一个是大叶片结构设计的背景和现状，第二个就是说结构设计的目标和挑战，第三个就是实现路径和趋势，因为这次题目主要就是讲趋势，所以我从下面5个方面对趋势一一做了分析。

讲大叶片的背景就是行业的背景，刚才包括前半场各位演讲嘉宾还有刚才上海电气的马总都讲到了，我这边就简单介绍一下，第一个就是整个行业风电行业发展势头还是相对比较平稳的，第二个就是大家一直在提到平价上网的问题，距离我们的目标越来越接近了，第三个就是刚才海装的侯总也提了，海上风电的推进，日益临近，对我们叶片提出了非常高的要求，前面马总讲的时候，一个很重要的指标单位千瓦的扫风面积，风电总是要配上一个大的叶轮，配上一个大的叶轮确实是需要我们有一个比较大的叶片。

说一下大叶片结构设计现状是一个什么样的。这个背景是需要一个大叶片，我们看看大叶片这些年到底都发生了什么变化，我们简单地以当前比较流行的两兆瓦，虽然说根据（英文）的预测，我们未来中国的市场在3兆瓦上，国外在4兆瓦上，但是主流还是两兆瓦，两兆瓦现在都是什么样的发展呢？首先就是从前几年，两兆瓦是一个93的风轮直径，我这里面提的系列也是我们发展的系列，它差不多是每隔5米就是一个台阶，两兆瓦发展到111是54米，121是59米，我们也有141的叶片用于两兆瓦，应该会在明年的时候大量上市了这样一个状态。

在这种条件下，我们大叶片设计是什么样的，我们材料方面仍然沿用了玻纤环氧的体系，这是中国市场上，前面有演讲嘉宾提到碳纤维的应用会怎么样，我们有一个分析。第二个就是结构形式基本上保持了不变，基本上做了尺寸的放大，我想可能不光光是叶片，其他的机组部件也是放大放大再放大，第三个是安全余量逐步降低，一个标志性就是极限应变是越来越大的，这个其实大家做技术都感同身受。第四个在我们测试验证方面，我们依然是采用了四个方向静力加上两个方向疲劳区域去做，下面是如何打破这个现状。

讲到结构设计，我们需要达成一个什么样的设计目标呢？前面马总讲了，要低的度电成本，实际上就是说在这里面我提的不光光就是说是低的度电成本，核心就是三个，从客户需求方面来的，客户要什么样的产品，要什么样的叶片，第一个就是高质量，第二个快交付，第三个是低成本，当然低成本是客户最看重的，质量是底线，特别是两海战略下面这个更是企业的生命线。交付上，大家都知道中国风电市场切换很频繁，变换也很频繁，所以大家都在讲要把我的供货能力要快速批产，这也是一个很重要的指标。

另外就是说基于这三个重要的指标，其实我们衍生出来对于大家都比较关心的，第一个我要比较轻的重量，大家关注于成本的时候通常都不会说我要一个多少钱的大叶片，我要一个12吨以下的，我要一个10吨以下的大叶片。第二个就是说需要多样化的，因为每一家都希望自己的产品是最优化的，还有一个就是基于快交付和低成本，大家都希望测试的时间那么长，能不能少一些测试呢？这个就是我们结构设计需要达成的目标，需要满足这些目标才能称得上是比较好的结构设计。

但是要满足这个设计目标我们存在着很多的挑战，这个挑战来自于哪里呢？首先就是我想定义一下为什么是大叶片有这样的一些挑战，什么样的叶片是大叶片，其实在这个里面，在整个领域里面没有一个人去定义我的叶片是不是叫大叶片，那从规范上讲，大于45米的叶片叫大叶片，但是现在看大家不愿意这样叫了。我从物理上讲大叶片是什么大，长度大，面积大，还有体积大，我觉得还是比较贴切的。我也统计了一些数据，给出了一些指标。第一个就是说长度大于60米的叫大叶片，第二个最大的弦长大于4米，投影面积大于130个平方，体积大于120个立方，或者净体积大于7个立方，这样造成我的叶片很难制造，很难运输，很难获得很高的质量，很难把重量减下来，很难去做一些更少的验证，很难进行各种各样的变种，所以在这个条件下，我们的挑战来自于四个方面。

第一个成型的占模周期时间长，上午我也和同行做了交流，说我们现在一个模具两天才能出一只叶片，正是因为叶片长度的增加，它的整个体积增加，导致了我们整个物料的投放会增加，会导致占模的时间会更长。第二个挑战是什么呢，我一次成型的质量比较低，因为叶片比较大以后，我们都知道叶片是真空灌注一体成型的，这样灌注出来或多或少有一些地方，比如说有一些地方因为尺寸的变化比较大，或者怎么样会有一些褶皱的产生，我也稍微呼吁一下，叶片一次成型出来有一些缺陷，它是很正常的行为，因为叶片是复合材料，它非常重要的优势就是可修复性，修复完了强度和刚度是非常非常高的。我们需要努力提升质量，但是我们也需要去正确地看待大型复合材料一体化成型本身所涵盖的一些质量缺陷。第三个就是说成本高，这个不多解释，大家都知道大叶片越卖越贵，第四个就是安全余度越来越低，基于这四个挑战，我们设计为制造，第二个就是设计为质量，第三个设计为成本，第四个设计为全生命周期，这是我们整个设计理念。基于这些目标和挑战我们去看，我们怎么样做大型结构的叶片设计和未来是在哪里呢？

讲到怎么样去做，我其实特别想跟大家分享一个方法论，就是QFD，质量功能展开有四个非常重要阶段，第一个将客户要求通过规划矩阵转化为特性，然后得到部件特性，第三个从部件特性得到工艺特性，第四个从工艺特性得到生产特性。我们结构设计主要就做了第二阶段的工作，就是将产品的特性转化为部件特性，并不意味着我们不做后面的所有工作，我们在策划阶段是按照QFD把所有的指标全部量化以后，结构设计主要是负责解决将产品的核心转化为部件的特性，实现了一个路径，我给了5个方面，是叶片结构设计的流程或者程序，这个程序不光光是适应于叶片的结构设计也适用于其他的零部件的设计，首先是材料的选择，第二个是构型的选择，第三个是刚度设计，第四个是强度分析，第五个测试验证。

具体的就是说，怎么样从产品的特性变成部件的特性，从产品的特性可以看到左边这一列就是产品的特性，然后我们上面这一横排是部件，左边是顾客需求，右边是产品特性，顾客最终需求是什么？就是低的度电成本，分母是什么？分母就是要发更多的电，我在这里不做发电量高的分解，因为这是一个气动设计重要指标。这底下就是说，我们从开发成本，材料成本、维修成本、运输成本、安装成本，全生命周期下我们进行了一个打分还有重要的产品特性，我们总结下来我这边列出了四个很重要的设计特征。从产品特征到部件特征，我把相关性也做了分析，具体来讲设计趋势，这5个方面为什么是重要趋势，第一个材料，材料核心指标就是说需要单位成本比刚度和比强度，我们不是看碳纤维性能高，我们就用它，是要看单位成本，以成本为核心。未来的趋势就是更高的模量的玻纤以及其他的。

树脂这一块也是，我们关注的是拉伸强度指标，未来趋势可能会有高韧性的环氧体系，还有聚氨指数值，还有一些快速固化体系还有一些其他的。

芯材要看比模量，这个要看性能，比如说纤维增强的芯材可以替代轻木，包括可回收。

梁结构更多是独立主梁结构将梁和疲的功能分离化，我把它总结为多梁弱疲型，叶片越来越大了，越来越宽了，我们增加了很多的腹板，这个时候做结构设计，设计为制造，舍己为质量的时候，设计为成本的时候，我们需要考虑尽可能减少，而不是越来越增加，这是对设计上非常好的解决途径，但是不是为制造也不是为成本。

刚才讲到分段叶片，我们未来可能不光光是说分段，我们要共享叶根或者共享叶间段，其他的就是个性化。还有多目标参数优化算法，另外还有一个对于刚度设计很重要的就是由纤维去提供的，纤维提供最重要就是优化纤维的角度，但是目前我们所用的玻纤都是市面上很规定的规格，三轴织物逐渐退出。

在刚度设计上另外一个就是考虑到载荷互动的情况，关于强度方面，做强度不是说单纯就是去满足安全，我这个东西算完了以后安全系数大于1，最重要的要做到的一点是精准不是安全，只有精准才知道安全的边界，第一目标就是精准，所以我们认为未来趋势是精细化的有限元是3D的准则会更多来应用到更多校核上，这也是叶片很多粘接开裂，这个时候对于未来来讲，我们需要用全局模型和子模型进行粘接胶的开裂分析。测试验证就是多层级的，就是会增加咱们部件测试和子结构测试，这是为了减少验证周期，减少验证成本，同时更精确了解叶片结构响应最佳的方法。

最后做一个总结，其实刚才讲了那么多，我觉得结构设计，未来的趋势是需要高性能低成本的材料，需要模块化和通用化的结构形式，需要参数化和差异化的刚度设计，以及精准化和精细化的强度校核，和层级化系统化的测试验证。

（发言为能见APP整理，未经本人审核）