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《风能》杂志 | 海上最长“叶子”诞生记
时间:2022-07-13  作者:王芳  来源:风能专委会CWEA  点击:626

5月7日,运达股份与中复连众合作制造的YD110海上风电叶片在江苏连云港成功下线。凭借110米的长度,YD110成为了国内同期已下线的最长风电叶片。这支悬于海天之间的叶片是如何诞生的?它有哪些独特的“气质”与“个性”?带着这些疑问,《风能》采访了制造企业相关负责人,为您讲述叶片背后的故事。


刷新最长叶片纪录

一个标准篮球场的长度是28米,110米接近4个篮球场的长度,这样一支叶片是名副其实的海上“巨无霸”,值得秀一秀“肌肉”——风轮直径可以达到225米,最大风轮扫风面积超过3.9万平方米,相当于5.5个标准足球场的面积。单台机组一年可发电3600万千瓦时。“它是目前国内同等容量单位千瓦扫风面积最大的抗台型机组,发电性能可提升15%,性价比非常高。”运达股份总经理陈棋介绍。据悉,这款叶片将匹配运达股份最新发布的8~10MW海上风电机组平台,在沿海地区运行。“在研发首款海上风电叶片的过程中,运达股份选择与中复连众合作,既是基于与中复连众长期的合作,更是看中了中复连众在大型叶片的设计制造、质量控制和试验检测等方面的基础与能力。”中复连众副总经理刘卫生向《风能》介绍。中复连众董事长乔光辉表示,本次YD110的成功下线,在促进我国海上风电装备制造向“自动化、智能化、精细化”升级的同时,也将进一步丰富海上风电系列平价产品与整体解决方案,带动深远海风电发展。

高级气质“拉满”

与其他同类产品相比,YD110叶片采用了哪些先进的技术?机组大型化是降低风电项目初始投资和度电成本的有效途径,特别是在我国低风速风能资源区,通过使用更长叶片扩大风轮的扫风面积,有助于提升不同风速下机组的发电功率。叶片长度的增加自然会带来一系列挑战。“叶片越长,柔性愈大,刚性愈。逃衅德试降,气弹问题越突出,对设计绝对是个挑战。通过研发部门的不懈努力,中复连众在材料体系筛选、片材设计、细节结构设计上做了优化和创新,使它既拥有高Cp(风轮风能利用系数)、抗失速等优良的气动性能,又具有高可制造性、可靠性和性价比。”刘卫生表示。在材料方面,与玻璃纤维相比,采用碳纤维可以大大降低叶片重量,但成本较高。中复连众创造性地根据叶片受力特点,在PS面(迎风面)和SS面(背风面)分别采用碳纤维与玻璃纤维增强材料的结构设计,充分发挥两种材料的性能优势,兼顾减重和成本控制,达到材料的最佳性价比。在工艺创新上,拉挤工艺是目前复合材料工艺中效率最高、成本最低的,且纤维含量高,质量稳定,连续成型易于自动化,适用于大批量生产。叶片大梁由碳纤维拉挤片材组装而成,铺层工艺简单,能够有效解决真空灌注工艺材料性能偏低、易出现褶皱和灌注不良等缺陷问题,且制作时间只有灌注工艺的一半,组装后的叶片大梁可以与叶片壳体一体灌注,对提高风电叶片质量、减重降载发挥关键作用;2019年,中复连众在国内率先将玻璃纤维拉挤板成功批量应用于40米叶片上,110米叶片则沿用了中复连众在这一技术上积累的经验。“有了材料与拉挤工艺的结合,生产过程中,设备对纤维的牵引形成预紧力,纤维的强度和模量转化率更高。你可以把它想象成钢筋,非常结实。”中复连众生产总监院秀芝向《风能》解释。考虑到叶片的长度和重量,不同于以往的“主梁+后缘辅梁”结构,YD110叶片采用了“主梁+小梁+后缘铺梁”结构及同步预制技术,减少了大面积多种类纤维布铺放对主模具的占用,同时提升了现场铺层质量的稳定性。海上风电叶片大型化导致叶片重量的增加,叶根需要承受越来越大的载荷,提高叶根连接强度可以减少螺栓数量、缩小根部直径,实现叶片的减重和降本,并具有高可靠性。通过与国外机构合作,对多项制造工差及影响因素进行研究,中复连众在全球首次完成生产安全因子γm3=1.0的风电叶片根部连接设计、测试评价方法研究以及部件认证,采用根部预埋螺栓套自动缠纱技术,有效控制了缠纱张力和外形尺寸,大幅提升叶根质量和预埋螺栓套的承载力,为未来更大的海上风电叶片开发奠定了基础。此外,在模具设计制造技术创新方面,YD110叶片所用到的水加热模具也创造了最长纪录,在确保可靠性高、温差小的同时,实现了分区、分段控温和自动控制。具有良好力学性能、耐高温、成本低等优势的PET新型泡沫材料也被应用于这款叶片之中,实现了对进口PVC和巴沙木的替代。

用智慧战胜“难处”

令人惊叹的是,如此巨大却又科技感满满的叶片,仅用10天就制作完成。这背后,考验的是项目技术人员的智慧。受疫情影响,部件到货延迟,制造时间只剩下240小时,中间还有五一假期。同期,还有两条81米长的模具在生产,只能保障两个班组核心人员40名,比计划少了25人。时间紧、任务重、人员少,但有利的条件是,技术人员抗压能力强,经验丰富。通常,新品在制造前会先制作一个工艺产品的腹板来验证产品尺寸的匹配性。技术团队经过仔细研究,决定采用高精度腹板组装、安装一体工装,配合3D扫描方式验证模具的外形尺寸,与腹板的模具进行匹配性验证,从而保障了尺寸的设计精度;合模工序采用多腹板集成安装工艺,完成多腹板的高精度整体定位;用3D仿真技术精确测量粘接间隙,提高腹板和合模粘接质量。新技术的应用和工艺流程的改进,使工期缩减了至少3天。小梁层数多,铺设位置倾斜度大,铺设难度较大。现场技术主管刘洋带领技术团队多次模拟操作,根据实际操作场景反复验证铺设方案,与工装组协同设计辅助工装,优化工艺路线,并根据验证后的方案制造样件,实现了从工艺设计到实物制作的有效验证,保证了产品制造的可靠性。一体工装与腹板匹配安装工作是现场施工难度大、时效性要求最高的工作。叶片技术部工装工程师朱琼杰负责此项工作的策划及跟踪执行,作为一名90后工程师,她多次召集各子项目负责人讨论迭代计划方案,现场协调,遇到问题组织大家积极讨论,指导施工操作。在团队的连续奋战下,实现了一体工装36小时下线的目标。


为了最长叶片的诞生,拼了

想象一下,这支110米长的叶片要在大海上飞旋至少25年,制作过程的每一个环节都必须精心把控,几十人协作完成,其高品质也体现着每个能工巧匠的手上功夫,需要极高的专注、耐力、配合……4月30日,车间准备第二天放假。制造部主管韩刚却表示他已经与班组成员交流过,5月1日加班。这个“五一”假日被真正过成了劳动节。全体管理人员与一线员工承担了高负荷的工作任务,几乎每天工作时长达到16小时。在首制品生产的8天中,员工在工序间隔时间,甚至坐在椅子上睡着了,但一旦开工,又立即投入工作之中。5月2日,车间办公室里突然出现了一束鲜花,以后数天里,鲜花每天更换,直到5月7日产品下线。原来,鲜花是团队里两名女员工带来的。在冷峻的机械车间,那娇艳欲滴、全力绽放的花朵正如工人们奋斗的身影。5月4日是整个项目最艰苦的一天,原计划增加1个班组在后半夜接替原班组完成最后的合模作业,但合模班组主动请求独自啃下这块“硬骨头”。虽然面临超过20小时的作业时长,但项目组全体人员全程在岗,与一线员工共同奋斗在一线。“员工们在高强度的工作之下,仍能热情不减,自我激励,对产品充满着荣誉感、自豪感。他们,很了不起!”院秀芝的赞叹和骄傲溢于言表。“上下同欲,目标感强,行动统一。”院秀芝认为,团队的凝聚力、战斗力,离不开成员之间的相互信任。这种信任得益于公司的企业文化。公开才能公平、公正。在中复连众,管理人员、职能人员的岗位工资系数,一线员工的工资总额,所有人员的工作绩效、评优评先结果,完全公开,接受全体员工监督。信息的公开充分保障了绩效的公正性,确保薪酬体系的公平,使员工的付出和所得相对等,也拉近了员工们的距离,增进相互间的信任。通过实践,这一做法被推广到其他基地,效果不错。为了激发员工们的创新能力,中复连众制定了各项人才的“选育用留”,根据职业规划,制定人才培养方案,消除职业困惑和未来发展的迷茫;在使用人才方式上建立竞争上岗、激励保障的长效机制;量化人才评价体系,形成技术创新的环境和鼓励创新的氛围……这些制度培养了员工们共同的价值取向,以及以目标为导向的思维。开展丰富多彩的文化活动,则成为员工们之间的粘合剂。五分厂自2021年10月成立文体委员会以来,启动月度文体活动,组织拔河、接力赛、技能比武等,虽然奖品并不丰厚,但员工们有了更多释放压力、增进情感交流的场景。

进化出更强的竞争力

从2008年启动第一个项目以来,中复连众在海上风电叶片研制上已经走过15个年头。叶片长度从44米增加到110米;工艺从碳纤维预浸料到拉挤技术;制造装备不断向自动化、智能化、精细化发展,如开发主梁铺放设备、遥控自动翻转设备、智能化根部端面打磨机;测试技术从2009年国内首个5MW全自动叶片全尺寸试验平台到2014年国内首个12MW全自动叶片测试平台,再到正在建设的20MW全自动叶片全尺寸测试平台,不断升级。目前,中复连众已经建成江苏省海上风电叶片设计与制造技术重点实验室,形成设计、制造、检测、运维等全产业链的解决方案,努力助力行业发展。作为风电整机中的大部件,叶片研制离不开上下游企业的协同联动。“中复连众已与上下游企业形成互相拉动的良好合作关系,借助客户与科研院所的力量,最大化利用合作伙伴特有的优势资源,弥补企业自身不足,不断提升自身认知的深度和广度。”中复连众营销部经理孙运亮向《风能》表示。

白羽轻扬,枕海听风。未来,大尺寸、轻量化、高可靠性、易运输、可回收等都是海上风电叶片发展的方向。而上述业绩和经验的积累,大胆创新、小心求证、开放包容的态度,都将有助于不断突破深远海风电开发的边界,聚合为企业在海上风电市场上的核心竞争力,也会推动风电产业不断迭代进化。

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