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吉林重通成飛新材料劉立華:大型海上葉片關鍵技術研究_東方風力發電網
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吉林重通成飛新材料劉立華:大型海上葉片關鍵技術研究

放大字體  縮小字體 發布日期:2018-11-23   來源:能見APP  瀏覽次數:323
核心提示:吉林重通成飛新材料股份公司首席技術專家 劉立華發表題為《大型海上葉片關鍵技術研究》的主旨演講。
  以“創新驅動 智贏未來”為主題的“2018全國大型風能設備行業年會暨產業發展論壇”于11月22~23日在重慶召開,本次論壇由中國農業機械工業協會風力機械分會主辦,中國船舶重工集團海裝風電股份有限公司承辦。
  吉林重通成飛新材料股份公司首席技術專家 劉立華發表題為《大型海上葉片關鍵技術研究》的主旨演講。
  以下為演講實錄:
  劉立華:首先感謝主辦方給我這樣一個機會,來分享一下我們前幾年在海上葉片所做的一些工作。
  我就直接進入主題,簡短介紹一下我們公司,我們公司并不只是一個制作葉片的制造型企業,我們是一個比較大的研發和技術中心,我們的技術中心主要包括葉片的設計研發、葉片工藝開發以及材料開發和測試。我們這個團隊有比較豐富的葉片設計開發經驗,陸陸續續前后大概有20多款以上的葉片開發技術經驗。另外就是我們在葉片全生命周期相關的都能提供服務,包括葉片的預研、設計,工藝的開發、材料的開發等,就是整個葉片全生命周期我們都能提供相應的技術支持。我們的主要工作在葉片設計、測試,葉片的通風降噪、工藝開發以及葉片材料開發。
  這個表是一個不完全的統計,目前以及接下來3-5年我們可以看到海上風機的機型,從性能看主要是4兆瓦、5兆瓦、6兆瓦有一些比較密集的點,整機開發企業都在這個領域開發大型的海上風機。包括GE他們已經在開發12兆瓦更大型的海上整機。8-12兆瓦我預期在接下來的5-10年,這個區域現在有一些空白,我認為慢慢會有更多的機型出現在這個區域。
  從葉片的風輪直徑來看,主要集中在171、180,甚至160到將來200米以上的風輪直徑,所以也可以看到葉片是做得越來越大,而且越來越重。隨著葉片越來越大,海上葉片我感覺就像廣闊的海上一樣,有很多未知領域需要我們去創新探索,有很多挑戰。
  我們把海上也作為將來公司發展的重要戰略之一,這是當時83.6米葉片下線時搞的儀式,我們目前是國內第二家做的最大的葉片生產廠家。接下來我會分材料、氣動結構、工藝、防護等方面給大家簡單分享一下我們目前正在這些領域做的工作,大家交流一下。
  在材料方面,我們針對大葉片需要高模量、輕質,同時還要考慮經濟性,在氣動方面,由于葉間的間數比等一系列的問題,在設計階段就需要綜合考慮。在結構設計上,因為海上葉片維護成本相當貴,另外對于葉片的質量要求,從設計源頭就要考慮本身葉片結構具有更好的可靠性或者壟斷性,我們從設計源頭就要考慮這些問題。另外工藝設計,在工藝方面我們也需要做很多工作和嘗試,包括防護,因為海上的環境大家也知道,也需要很好的防護。
  大家看看材料,目前大家采用的海上葉片主要采用了7種主要的原材料,我主要是針對葉片的主要結構梁帽來說的。不同的材料對于減重降本的影響,縱坐標是說成型葉片梁帽的陳列程度。我羅列了不同材料的優劣勢,其實對于材料來說,大家追求的方向是盡量減少豎軸的含量,因為這樣能使成本降低、性能提高。對于材料本身,現在主要選擇的是玻纖和碳纖,不同的材料成型工藝纖維含量是不同的,不同的含量帶來的減重效果也是不一樣的。不要忘了我們一位追求纖維含量提高的同時,因為纖維含量會很大程度決定葉片材料的疲勞性,所以我們需要尋求一個比較恰當的均衡點,在力學疲勞性能以及工藝可實現性方面尋求一個平衡點,這也是最優點。
  這張圖就比較直觀比較了一下6-7種常見材料對葉片重量的影響影子和葉片成本的影響因子。可以看到左邊藍色的柱狀圖表示各種材料的價格成本因素,大家可以看常規玻纖、拉擠玻纖片才成本相對處在一個比較低的位置。可以看到拉擠、大克重相對于常規的玻纖有一定優勢。碳纖維的灌注、碳纖維的拉擠片材也有一定降低。黃色的曲線表現了重量的因子,我如果用碳的話重量可以降低到原來的30%-40%之間,如果用碳纖維拉擠的話可能是在30%以下,也就是說碳纖維對葉片梁帽的減重是非常顯著的,但價格也是成倍的上漲。
  接下來我就簡單說一下各種材料從技術上來說一些相關的問題,主要是問題。玻纖織物,包括碳纖織物,這是一個公開發表文章里做的研究,纖維在編織過程中其實對疲勞性是有影響的,通過實驗發現疲勞產生最開始的起源,因為編織有捆綁紗、襯紗,一般都是在這些區域會產生疲勞微裂網。
  大克重玻纖,隨著克重的增加,同樣的灌注工藝,我的纖維含量會逐步提高,相當于模量一般會從48-50Gpa的提高。隨著玻纖含量的提高,我的疲勞性能,大家可以看到紅色的是常規玻纖含量疲勞曲線,隨著纖維含量的提高,疲勞衰減得非常厲害,所以大克重這也是一個需要解決的問題。還有一個灌注性能,也就是說材料越厚的話,對灌注也有一定的挑戰性。還有一個需要解決的問題,克重大了以后,單層厚度厚了以后,所謂的錯層會形成一個豎軸的存在,這與整個層高板的疲勞性能會是一個比較大的影響。
  大家都在探索碳玻混,大家知道碳纖跟玻纖的系數是不一樣的,玻纖可能是熱脹冷縮,而碳纖可能是熱縮冷脹,大家知道在灌注的過程會經過一個加熱到放熱的過程,有的時候溫度會相當高,比如70、80度,隨著固化和冷卻的過程,纖維在固化過程中碳纖可能是收縮的過程,而玻纖可能是一個膨脹的過程,這之間肯定會帶來玻纖纖維間的殘余。這可能要引起大家的關注或者是需要做更多的基礎性研究,去看這個殘余率對葉片有多大的影響。同時織物間的混鋪也存在同樣的問題,比如一層是玻纖、一層是碳纖,我覺得這個影響可能會更大。
  碳纖維的灌注,大家可以看一下這兩卷碳纖維有什么不同,其實材料都是一樣的,編織基本是一樣的,但你可以看出左邊這個碳纖維,就是它的捆綁紗的粘力比較合適一點,這樣在微觀上來看基本上呈現比較直的自然狀態。如果看右邊圖,我的捆綁紗粘力加大一點,對碳纖維會產生微觀的捆綁作用,所以會造成微觀的不是那么直了。大家也知道碳纖維對于直線度的影響是非常大的,玻纖可能像這種情況影響還不是很大,但是碳纖維出現這種情況影響是非常大的,非常明顯的敏感度。
  預浸料也有一定的難點,主要是在工藝性,因為它是黏性的,你在鋪的過程中,一層跟一層布鋪完以后,一旦黏上以后,第一次沒有鋪平的話,很難像干的布一樣摸平。另外這是黏性的,層與層之間有氣化的,氣泡一般會鎖在層間。這也是預浸料對工藝的挑戰。
  現在我們看拉擠,拉擠的性能很優越,大家也都重要,從前面的比較也可以看出,對降本的優勢。拉擠葉片設計本身就要考慮,因為我們的葉片是有弧度的,比如你放在模具里是有弧度的,直線的片材跟有弧度的模具之間一定會產生間隙,拉擠需要從源頭考慮葉片外形的設計。另外一個隨型性,拉擠不像玻纖的材料是軟的,可以很好地隨著葉片模具的形變隨型,所以它的隨型性需要驗證一下。還有片與片才之間的結合性能也需要相關的技術手段處理,需保證片才之間的結合性能。
  碳纖和玻纖還有一個需要大家關注的問題,比如碳纖和玻纖之間的界面問題,因為畢竟是兩種不同的材料,所以對碳玻界面也需要更多的關注。
  下面講到氣動設計,結合83.6海上葉片,這是我們這款葉片氣動的參數,重量是在25。氣動設計從一開始,因為現在這么大的葉片,固定資產投資是相當大的,模具成本投資非常大。所以我們會考慮模具共用,就是我的氣動外形會考慮到將來擴展共用的設計。這是氣動設計的一些主要參數,為了提高發電效力,我們在夜間采用了模的異性。這是氣動設計的相關參數,包括時速分析、模態分析跟顫動分析,我們都做了很多分析,確保在運行過程中不會發生問題。再有在噪音要求比較高的區域,可能需要考慮鋸齒尾緣降噪,我們在這方面做了一些設計和開發工作,去模擬、去計算不同的尾緣設計對噪聲的影響。
  發電性能提升,大家可以看這個圖,葉片在運行過程中可以通過氣流在上面留下的灰塵軌跡可以看出,葉片特別在尾緣這段,會發生很大程度的分流現象,所以我們會采取發射器去引導氣流,把氣流分層線推遲,以提高效率。
  葉片結構設計,TE-LD分成兩步灌注成型,因為葉片這么大,為了提高模具的應用效率,縮短成型周期,所以我們一般分灌注和預制。腹板也是采用分段式的,這也是為了縮短周期。
  還有一個碳玻混的結構,這是我在2011年寫的一個專利,關于一邊是碳、一邊是玻的概念設計。
  預埋葉根技術,我們成飛自己也開發了預埋葉根技術,解決了葉跟輪轂連接的問題,同時我們也是國內首家跟SSP合作生產SSP葉邊的企業,而且也批量應用到行業中去。
  主梁預制,一百多層碳纖維的灌注,以前沒有達到這么厚的厚度,所以對于葉片來說這么厚的碳纖維灌注需要做很多工藝研發,才能完全解決碳纖維成型的問題。
  這是預浸料的灌注,如果工藝不好或者操作不當很容易形成皺褶,所以我們需要摸索一套工藝成型的方法,包括溫度控制、工裝的應用,才能最終生產出無缺陷的產品。
  這是碳纖維的梁帽,我們在這方面有相當多的經驗。對于海上葉片來說,如果用了碳纖維材料,金屬網防護也是一個問題,所以我們在金屬網的預制上也開發了很多相關的手段,去灌注這個金屬網。
  腹板,這么大的葉片腹板的定位,包括間隙的控制,我們需要采取相應的工裝去進行高質量的生產。
  工裝是保證葉片生產質量比較關鍵的工具,我們針對大型葉片開發了一系列的工裝,去保證生產過程中的質量控制。
  防雷系統設計我簡單過一下,這塊我們也是采用雙保的設計。防雷設計我們是經過一系列的防雷效果的檢測。包括葉片測試,我們的葉片是經過多種測試的。謝謝大家!
  (根據速記整理)
 
關鍵詞: 重通成飛
 
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