2020年10月14日-16日，2020北京國際風能大會暨展覽會（CWP 2020）在北京新國展隆重召開。作為全球風電行業年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數千名國內外參會代表共同參與的風能盛會，再次登陸北京，本屆大會以“引領綠色復蘇，構筑更好未來”為主題，聚焦中國能源革命的未來。能見App全程直播本次大會。

　　

　　在15日下午召開的風資源精細化評估分論壇上，浙江運達風電股份有限公司副主任工程師劉勇發表《風電機組輕量化設計關鍵技術研究與應用》主題演講。

　　以下為發言實錄：劉勇：今天要跟大家分享的主題是風電機組清涼化設計關鍵技術的研究和應用。今天的分享包括下面幾個方面，首先我會為大家簡單介紹一下我們這個風電機組輕量化設計技術的一個概況，包括我們的技術需求，關鍵技術組成，以及應用這個技術所可能帶來的產出。接下來我會對其中幾項關鍵技術進行展開的介紹。包括一個結構智能仿真優化技術，新材料，技術傳動系統的聯合一體化設計技術，最后會為大家介紹一下到目前為止我們運達運用輕量化設計所得到的應用成果。

　　

　　首先我們為什么要研究風電機組的輕量化設計？那么最主要的一個原因就是來自于風電平價上網所帶來的成本挑戰，這個問題在前面我們同行分享中多次提到過，從2018年以來，到現在風機數量的變化趨勢，到現在我們的風機的售價已經跌回了2018年搶裝潮，2018年10月份左右3200元每千瓦的價格。而且預計到明年這個價格就會跌破到3000元以下，在政策方面，2015年5月20號國家發改委公布《關于2019年第一批風電光伏發電平價上網項目的通知》2021年1月1日全面實現平價上網，國家不再補，更低的度電成本挑戰，風機裝備的成本，首當其沖應對這個挑戰。

　　

　　那么這個長葉片大容量的發展趨勢，又會給我們帶來兩個方面挑戰，一個是我們風機越來越大，我們風機部件越來越大，那會對我們運輸和吊裝造成更大的成本壓力，目前我們行業內通常需要我們把風機的部件或者模塊控制在一百噸左右我們才能夠使用常規的裝備來完成它的運輸和吊裝，如果超過這個重量限制那么我們可選擇的裝備就會變得很少運輸和吊裝的成本就會集聚上升。工況會變得更加復雜，對我們可靠性提出更高的要求。大家可能會有疑問，為什么還要做輕量化設計，把風機變輕了你的可靠性還能達到嗎？確實這是一個非常實際的問題在邏輯上這也是非常正確的，為什么我們需要研究輕量化設計技術，研究這個技術的目的就是過技術手段來保證我們可以同時滿足成本和可靠性兩方面的需求，那么這里我列了三個方向的輕量化設計關鍵技術。這主要是運達目前比較關注的方面。并不代表是輕量化設計的全部技術在今天我們技術論壇前面有很多行業的專家分享了別的方向的技術，這里的話我就做一個拋磚引玉。

　　

　　第一個方向我們是從結構優化的角度出發，通過這個結構智能仿真優化技術來獲取一個等強度的一個輕量化的部件結構設計。第二個方向是從材料方向出發，采用性能更高的新材料來保證一個系統等強度的一個輕量化設計減重降本第三個是傳動系統一體化設計，通過這項技術使我們傳動系統得到更緊湊以及可靠性更高的關鍵系統設計。輕量化的產出也就是好處，第一個當然是我們減重，降低風機整體的設備成本。隨著風機的減重，那么我們的運輸和吊裝就有可能可以實施我們的性價比高的一些運輸吊裝方案，比如說模塊化運輸一體化吊裝，第三就是通過這些技術保證我們的這個風機設計仍然是具備高度的可靠性不會帶來額外的運維成本的增加。

　　

　　下面我展開介紹一下剛才提到的幾個核心技術，一個是結構智能仿真優化技術，這個技術主要針對的是我們風電機組的結構件的輕量化設計，比如說我們的輪轂主機架還有主軸等等，那么在我們風電行業的傳統的結構件設計通常是采用的一個經驗設計的模式，也就說當我們設計工程師設計一個新的部件的時候，往往是基于現有已經有的成熟設計，根據我們新的要求來進行一定的改變，來獲取一個滿足新部件長度要求的新設計。這種模式存在一定的不足，一個方面是它可能會產生大量的設計人員重復的人工迭代，不利于產品開發效率的提高在輕量化方面無法保證所得到的設計是最優的需要把我們部件減重多少，經過調整可以達到目標，他不知道這個目標能不能繼續往下，能不能得到一個最優的設計。

　　

　　我們結構智能仿真優化技術，可以應對這方面的不足，那這個技術其實是把結構優化的問題轉化成為一個以結構強度可靠性作為約束，以結構的輕量化作為目標的數學優化問題，數學優化算法，進行一個自主化智能尋優的技術。拓撲優化，形狀優化，尺寸優化，參數優化，結構的概念設計階段，可參數化設計結構的DOE設計探索學習與優化。

　　

　　目前我們運達運用這項技術首先我們對結構件設計的開發模式進行了一個革新由傳統的經驗設計模式轉變為了仿真驅動設計的模式，我們的仿真優化工作在產品設計開發初期可以進入。全程指導我們產品設計。一方面它大大提高了我們的產品設計開發的效率，另一方面在這些優化算法的支撐下，可以保證我們得到的輕量化設計是一個最優的結構，目前我們已經進行了輪轂的拓撲和形狀優化研究，那么對這些部件來講，我們已經實現了這些部件的減重效果可以達到5%到15%。

　　

　　經過輕量化設計的這些部件，我們會對它進行一個嚴格的可靠性校核，嚴格按照設計規范，強度方面的較核，與相關的部件，連接的軸承和螺栓進行嚴格的較核，輕量化設計無可靠性風險。

　　

　　新材料技術主要針對的鑄鐵材料，硅固溶，抗壓強度是得到顯著的增強，伸長率稍有減弱，在強度方面顯著增強用QT500部件的承載能力相應的得到一個顯著增強，從而可以達到一個有效控制部件重量的目的。目前我們已經著手研究把QT500應用在主軸的設計上，通過我們的研究發現與QT400、QT500重量上達到36.8，QT500材料，本身單價比QT400要貴，由于減重的程度，最終我們還是能夠得到28.3%的降本收益。對于QT500新材料的可靠性，我們主要關注的是它的斷裂性能，因為我前面那張表提到QT500在強度方面有很大提高在延展性方面有一定的降低，所以我們進行了基于斷力力學的評估，目前我們已經可以完成斷裂事件的定量計算結構勝于強度的分析，以及裂紋的擴展控制，總體目標提高我們使用新材料的可靠性。

　　

　　接下來是傳動系統聯合一體化設計，那么對于傳動系統的設計分析，我們傳統來說通常是按照部件單個的來孤立分析，傳動系統整體運行的情況通常有一定的偏差，分析的結果也會產生一定的誤差，因此我們研究了這個整機傳統鏈建模的方法，我們建立的風電機組傳動鏈動態仿真模型，是綜合考慮風輪的轉速、齒輪箱齒合頻率、連州器對中性、發電機支撐結構等因素，動力學仿真，引入虛擬加速度傳感器技術，通過監測齒輪箱輸入端發電機輸入端加速度。

　　

　　通過應用這些技術我們可以達到一個目標，參數、軸承、齒輪箱、得到更加好的匹配，使整個傳動系統更加緊湊和可靠。

　　

　　具體到傳動系統核心部件，軸承我們對它的分析也是考慮了軸承的主軸承的周邊連接結構，考慮可以更加準確計算滾道接觸應力，提高軸承可靠性，齒輪箱，開展行星輪系均載性，齒輪修型以及動態仿真研究。預防解決我們后期出現的問題，降低故障率提高我們機組的可靠性。

　　

　　最后給大家展示我們運用輕量化技術所取得的成果，我們運達從WD2500逐漸應用我剛才介紹的技術，這張圖這張表應用輕量化，單位千瓦WD2000，41.5公斤降低到了WD4500公斤26.7，輕量化控制在100噸，以便可以運用低成本的吊裝和運輸方案，目前我們的WD4500現在還沒有達到這個目標，因為我們還沒有把我們新材料這個目前還處于研究當中，還沒有完全的應用上來，那么如果把新材料技術用上來，我們WD4500機艙重量可以降低110噸以下，這樣我們這一系列的機型都有可能實施我們模塊化運輸，以及一體化吊裝的施工方案，從而為我們節省大量的運輸和吊裝方面的成本。以上就是我的今天的分享，謝謝大家。

　　

　　（根據速記整理，未經本人審核）