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123米超長海上風機葉片是怎么做出來的?

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6月28日的福建平潭外海域,隨著白鶴灘號海上風電安裝平臺等設備的協同配合,3支123米超長16兆瓦海上風機葉片完成吊裝,當前世界最大的海上“大風車”開始迎風旋轉。

  123米,是約40層樓的高度,如此長的葉片能同時容納300個成年人并肩站在上面。機組葉輪直徑達到252米,相當于6架C919客機首尾相連,掃風面積相當于7個足球場。

  除了長,風機葉片的內部主梁結構首次采用碳纖維材料,重量減輕了20%。此外,這款葉片96%以上的材料實現了國產化,擁有100%的自主知識產權……超長葉片的這些“過人之處”,為我國風電技術走向國際市場打下了堅實的基礎。

  定制化設計風機葉片

  世界上沒有完全相同的兩片樹葉,也沒有完全相同的兩組風機葉片。因為海域不同,風況各異,葉片翼型也各具特色。

  “風機的葉片負責捕獲風能并將風力傳送到轉子軸心。葉片的翼型設計、結構形式,直接影響機組的性能和功率。因此需要針對不同地區的風資源特點,對葉片進行定制化設計。”新疆金風科技股份有限公司(以下簡稱金風科技)研發中心葉片結構工程師袁淵告訴科技日報記者。

  在福建省福州市平潭縣,16兆瓦風機葉片的面內風速每秒差異最高可達5至10米,極端運行陣風(EOG)較國際電工委員會(IEC)標準超出50%。為了將風資源評估得更精準,金風科技的研發團隊將國外的多源觀測資料融合技術與國內首創的虛擬測風技術相結合,兩套技術系統觀測的結果互為參考,實現了對風資源數據的準確評估。

  評估之后,動輒百米的葉片在真實環境下進行測試已然不可行,仿真模擬成為關鍵的替代方式。利用金風科技自主研發的“風匠”仿真平臺,風場的物理現象可以實現高保真度和高精度的還原,風機葉片與機組載荷也可以實現高準確度的模擬,讓工程師可以實時調整風機葉片的翼型,尋找安全運行前提下最合適的氣隙余量邊界,實現最優設計。

  掌握自主制造知識產權

  在江蘇省鹽城市,123米長的風機葉片在經歷5道大工序、數百道小工序、歷時22天后,從模具靜置車間誕生。

  就在1個月前,葉片的主腹板還躺在鋪陳車間,由人工完成繁瑣的鋪陳工序,而后進行真空灌注。當腹板完成灌注之后,被放于兩塊主梁之間,形成一個完整的“工”字梁結構。袁淵表示,首先讓兩塊主腹板與大腹板工裝相連,確保主腹板的位置和間隙能夠滿足設計的要求,再連接主腹板與主梁,使主腹板起到支撐主梁的作用。

  16兆瓦風機葉片特有的大厚度翼型設計,與傳統的差值翼型大有不同。“其更好的結構友好性,會帶來更高的機組可靠性;大肚子的鈍尾緣設計,能夠延緩流動分離,提高葉片升力,帶來更好的發電性能……”袁淵告訴記者,這種獨立知識產權的全新翼型,具有高升力、高顏值、高穩定性,能夠滿足機組12到17兆瓦以上的額定功率要求。

  2022年7月19日,國際風電整機巨頭維斯塔斯的碳纖維主梁葉片拉擠工藝專利到期,中國碳纖維風機葉片在破除專利障礙后迎來規模化制造熱潮。彼時,16兆瓦風機葉片的研制正在攻堅,借助新的發展形勢,制造團隊選用碳纖維作為主梁材料,采用后掠設計,合理利用了超長柔性葉片的彎扭耦合效應,在降低約3%的葉根極限載荷的同時,葉片的重量相對傳統葉片降低了20%以上,大大減輕了葉片的吊裝和運輸難度。

  在葉片研發與制造階段,盡管維斯塔斯的碳纖維拉擠工藝專利到期,但核心的灌漿技術專利仍在保護期內。灌漿是葉片主腹板制造的關鍵一步,要讓樹脂漿液逐步均勻分布在葉片的每個角落,需要精巧的線路設計與精細的灌注工藝。為了避免專利侵權,風機研制團隊更換技術路線,形成自己的灌漿技術專利,保障了葉片在技術工藝上擁有100%的自主知識產權。

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