123米超長海上風(fēng)機(jī)葉片是怎么做出來的？

123米風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)抵福建省福州市平潭縣指定海域。

新疆金風(fēng)科技股份有限公司供圖

6月28日的福建平潭外海域，隨著白鶴灘號海上風(fēng)電安裝平臺(tái)等設(shè)備的協(xié)同配合，3支123米超長16兆瓦海上風(fēng)機(jī)葉片完成吊裝，當(dāng)前世界最大的海上“大風(fēng)車”開始迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)。

123米，是約40層樓的高度，如此長的葉片能同時(shí)容納300個(gè)成年人并肩站在上面。機(jī)組葉輪直徑達(dá)到252米，相當(dāng)于6架C919客機(jī)首尾相連，掃風(fēng)面積相當(dāng)于7個(gè)足球場。

除了長，風(fēng)機(jī)葉片的內(nèi)部主梁結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，擁有100%的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)……超長葉片的這些“過人之處”，為我國風(fēng)電技術(shù)走向國際市場打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

定制化設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)葉片。因?yàn)楹Ｓ虿煌?，風(fēng)況各異，葉片翼型也各具特色。

“風(fēng)機(jī)的葉片負(fù)責(zé)捕獲風(fēng)能并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心。葉片的翼型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)形式，直接影響機(jī)組的性能和功率。因此需要針對不同地區(qū)的風(fēng)資源特點(diǎn)，對葉片進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。”新疆金風(fēng)科技股份有限公司(以下簡稱金風(fēng)科技)研發(fā)中心葉片結(jié)構(gòu)工程師袁淵告訴科技日報(bào)記者。

在福建省福州市平潭縣，16兆瓦風(fēng)機(jī)葉片的面內(nèi)風(fēng)速每秒差異最高可達(dá)5至10米，極端運(yùn)行陣風(fēng)(EOG)較國際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)超出50%。為了將風(fēng)資源評估得更精準(zhǔn)，金風(fēng)科技的研發(fā)團(tuán)隊(duì)將國外的多源觀測資料融合技術(shù)與國內(nèi)首創(chuàng)的虛擬測風(fēng)技術(shù)相結(jié)合，兩套技術(shù)系統(tǒng)觀測的結(jié)果互為參考，實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)資源數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確評估。

評估之后，動(dòng)輒百米的葉片在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行測試已然不可行，仿真模擬成為關(guān)鍵的替代方式。利用金風(fēng)科技自主研發(fā)的“風(fēng)匠”仿真平臺(tái)，風(fēng)場的物理現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)高保真度和高精度的還原，風(fēng)機(jī)葉片與機(jī)組載荷也可以實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的模擬，讓工程師可以實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)葉片的翼型，尋找安全運(yùn)行前提下最合適的氣隙余量邊界，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

掌握自主制造知識(shí)產(chǎn)權(quán)

在江蘇省鹽城市，123米長的風(fēng)機(jī)葉片在經(jīng)歷5道大工序、數(shù)百道小工序、歷時(shí)22天后，從模具靜置車間誕生。

就在1個(gè)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(jìn)行真空灌注。當(dāng)腹板完成灌注之后，被放于兩塊主梁之間，形成一個(gè)完整的“工”字梁結(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)葉片特有的大厚度翼型設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的差值翼型大有不同。“其更好的結(jié)構(gòu)友好性，會(huì)帶來更高的機(jī)組可靠性;大肚子的鈍尾緣設(shè)計(jì)，能夠延緩流動(dòng)分離，提高葉片升力，帶來更好的發(fā)電性能……”袁淵告訴記者，這種獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全新翼型，具有高升力、高顏值、高穩(wěn)定性，能夠滿足機(jī)組12到17兆瓦以上的額定功率要求。

2022年7月19日，國際風(fēng)電整機(jī)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(fēng)機(jī)葉片在破除專利障礙后迎來規(guī)?；圃鞜岢?。彼時(shí)，16兆瓦風(fēng)機(jī)葉片的研制正在攻堅(jiān)，借助新的發(fā)展形勢，制造團(tuán)隊(duì)選用碳纖維作為主梁材料，采用后掠設(shè)計(jì)，合理利用了超長柔性葉片的彎扭耦合效應(yīng)，在降低約3%的葉根極限載荷的同時(shí)，葉片的重量相對傳統(tǒng)葉片降低了20%以上，大大減輕了葉片的吊裝和運(yùn)輸難度。

在葉片研發(fā)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(shù)專利仍在保護(hù)期內(nèi)。灌漿是葉片主腹板制造的關(guān)鍵一步，要讓樹脂漿液逐步均勻分布在葉片的每個(gè)角落，需要精巧的線路設(shè)計(jì)與精細(xì)的灌注工藝。為了避免專利侵權(quán)，風(fēng)機(jī)研制團(tuán)隊(duì)更換技術(shù)路線，形成自己的灌漿技術(shù)專利，保障了葉片在技術(shù)工藝上擁有100%的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。