遠景為什么

　　從掌握風(fēng)電機組核心控制系統(tǒng)開始，這家公司一路向前，依次打開了變頻器、變槳、葉片、發(fā)電機和齒輪箱的黑匣子。而這，或?qū)⒁l(fā)連鎖反應(yīng)，加快中國風(fēng)電走向世界強國的步伐。

　　10 年前，業(yè)內(nèi)把掌握風(fēng)電整機的核心控制比作打開制約中國風(fēng)電發(fā)展的黑匣子，那時遠景已經(jīng)打開了這個黑匣子，但同時也意識到，打開變頻器等關(guān)鍵大部件的黑匣子并掌握其核心技術(shù)，才是持續(xù)推動中國風(fēng)電發(fā)展的根本所在。

　　到2017 年9 月，遠景已經(jīng)打開了風(fēng)電整機所有關(guān)鍵大部件的黑匣子，且將最先進的技術(shù)用于這些部件的設(shè)計和制造中——這無疑會為這家公司在風(fēng)電行業(yè)一路向前增加重量級砝碼，關(guān)鍵大部件技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域的重要作用或?qū)⒁l(fā)連鎖反應(yīng)，加快中國風(fēng)電走向世界強國的步伐。

　　為什么要打開變頻器的黑匣子

　　遠景早在2009 年10 月就開始自研風(fēng)電機組變頻器了，即便已經(jīng)量產(chǎn)實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用，也還是刻意在低調(diào)行事。事實上，這家公司研發(fā)和擴產(chǎn)變頻器的腳步從未停歇。

　　遠景能源副總經(jīng)理王曉宇博士回憶說，2010 年，中國市場上的風(fēng)電機組采用的變頻器大多來自外資品牌，它們掌握了中國風(fēng)電變頻器市場的話語權(quán)，而中國整機廠商也為此付出了較高的成本。但即便如此，變頻器故障率仍是整機廠商揮之不去的痛點。

　　遠景自研變頻器項目團隊在對國內(nèi)市場變頻器故障率及故障類型進行深度研究后，得出一個重要結(jié)論：變頻器與機組控制系統(tǒng)的協(xié)同不暢，不僅會誘發(fā)變頻器故障，還會影響機組的發(fā)電量。正是受此啟發(fā)，站在系統(tǒng)優(yōu)化的層面上，遠景不僅僅將變頻器定位成一個實現(xiàn)電能變換的獨立子部件，而是更多地考慮如何使其幫助提高系統(tǒng)性能和壽命。

　　2011 年3 月， 遠景自研的首臺1.5MW標(biāo)準變頻器樣品在啟東風(fēng)電場成功并網(wǎng)，后經(jīng)安徽魯山等風(fēng)電場的批量化運行業(yè)績驗證，遠景自研變頻器正式步入產(chǎn)業(yè)化進程。

　　來自遠景產(chǎn)品質(zhì)量部門的數(shù)據(jù)顯示，2014年，遠景自研變頻器導(dǎo)致的停機平均1 年2 次，到了2017 年，自研變頻器導(dǎo)致的停機平均3年才有1 次。遠景智慧電氣卓越中心負責(zé)人李磊博士解釋：“對自己的產(chǎn)品做改進能快速閉環(huán)，因為深入理解風(fēng)機和變頻器產(chǎn)品的機理，對系統(tǒng)的精準改善可以實現(xiàn)事半功倍。”

　　正是得益于從風(fēng)機整機系統(tǒng)層面對變頻功能組件的深刻理解，遠景的變頻器還擁有自行開發(fā)的壽命模型，可以對一系列關(guān)鍵子部件的壽命做出預(yù)測和實時狀態(tài)監(jiān)測，這些模型輸出的動態(tài)邊界能力不僅能夠最大程度地幫助風(fēng)機在過速過載等危險工況下安全運行和停機，更在機型設(shè)計之初即成為整機系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計不可分割的一部分。

　　“遠景在設(shè)計變頻器的同時，也自主開發(fā)了自動化仿真控制軟件平臺，其全息模型可以定義現(xiàn)場所有可能出現(xiàn)的電壓、電流、功率、頻率以及工況場景，仿真精度和現(xiàn)場運行實況完全吻合。先進的高精度全息仿真模型，為自研變頻器配置先進的控制算法提供了技術(shù)支持?！睆姆抡婺Ｐ偷慕嵌瘸霭l(fā)，遠景自研變頻器項目團隊王曉鈺博士解釋了自研變頻器高性能背后的技術(shù)邏輯。

　　實際上，遠景的高精度全息仿真系統(tǒng)為變頻器設(shè)計注入了優(yōu)質(zhì)基因，這就不難理解為什么自研變頻器具有協(xié)同機組優(yōu)化控制系統(tǒng)的能力——變頻器是距離發(fā)電機最近的智能單元，作為機組最底層的控制單元，其性能好壞和智能程度直接決定了機組能在何種場景及尺度下進行整機運行控制。

　　從設(shè)計層面看，作為控制單元，變頻器在執(zhí)行機組指令時的協(xié)同配合，不僅能實現(xiàn)電氣傳動鏈的效率優(yōu)化，也可從整體上保證遠景智能風(fēng)機控制策略的執(zhí)行。王曉鈺博士強調(diào)，“自研變頻器與風(fēng)機的集成設(shè)計，提高了風(fēng)機的并網(wǎng)友好性，減少了因涉網(wǎng)特性差導(dǎo)致的風(fēng)電場棄風(fēng)損失?！?br />
　　不止如此，遠景自研變頻器中的機組傳動鏈振蕩抑制算法，還可以更有效地抑制機組傳動鏈在運行過程中出現(xiàn)的低頻振蕩，防止傳動鏈部件疲勞，從而保證傳動鏈部件的使用壽命。在李磊博士看來，通過變頻器的控制算法保護傳動鏈部件全生命周期的安全，也是自研變頻器的價值所在。但他也強調(diào)，客戶對服務(wù)響應(yīng)更為敏感，由于自研變頻器不存在技術(shù)壁壘，研發(fā)人員可直接面對現(xiàn)場，并在3 小時內(nèi)給出解決方案、24 小時內(nèi)給出根因分析，不但能快速閉環(huán)，還可將一些現(xiàn)場問題輸入產(chǎn)品設(shè)計中，最終實現(xiàn)產(chǎn)品性能的優(yōu)化。

　　須提及的是，由于遠景自研變頻器與整機系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，在遠景機組內(nèi)，傳統(tǒng)分立的主控柜和變頻柜已合并成一個柜體，但更為重要的在于，從系統(tǒng)設(shè)計層面，傳統(tǒng)的主控柜和變頻器的邊界已經(jīng)模糊了，在軟件系統(tǒng)設(shè)計上，也已經(jīng)成為不可分割的整體。

　　那么，遠景自研變頻器的直接結(jié)果是什么呢？

　　據(jù)遠景電氣系統(tǒng)采購負責(zé)人許智強透露，2015 年以后，遠景陸上全系列機組已經(jīng)全部配備為遠景自主知識產(chǎn)權(quán)的變頻器。2018 年以后，遠景海上全系列機組也將全部配備遠景變頻器。許智強進一步說，“遠景通過掌握變頻器產(chǎn)品的全部知識產(chǎn)權(quán)，包括所有的軟硬件設(shè)計，然后通過發(fā)包給類似富士康這樣的代工企業(yè)生產(chǎn)，使得變頻器的采購成本得到了大幅的降低。”

　　更重要的在于，自研變頻器對整機的開發(fā)和演進產(chǎn)生更多可能的自由度。正是由于對變頻器技術(shù)完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，遠景的機組整機開發(fā)團隊才可以根據(jù)新的機組特性，在程序設(shè)計、參數(shù)設(shè)計等算法開發(fā)的核心環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)整合，更好更快地推出引領(lǐng)市場的創(chuàng)新機型。

　　遠景智能雙模機組和中壓機組都是基于其變頻器技術(shù)的創(chuàng)新。遠景2012 年7 月推出的雙模機組不但兼具直驅(qū)全功率和雙饋機組的優(yōu)勢，還有最好的風(fēng)能捕獲優(yōu)勢，在高風(fēng)速工況和低風(fēng)速工況下均有較高的發(fā)電效率。它是一款機型，也是一項應(yīng)用技術(shù)，已在多個風(fēng)電場批量應(yīng)用。從運行數(shù)據(jù)來看，經(jīng)雙模技術(shù)改造后，機組的年發(fā)電量比未改造的雙饋機組最高可提升近2%。

　　為什么要突破葉片技術(shù)理論

　　要知道，遠景設(shè)立在美國科羅拉多的全球葉片創(chuàng)新中心匯聚了全球葉片領(lǐng)域的頂尖人才，當(dāng)空氣動力學(xué)的資深科學(xué)家遇上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)學(xué)的頂尖工程師，下一代更輕更具捕風(fēng)效率的葉片就出現(xiàn)在人們的眼前——射陽風(fēng)電場就運行了這樣的葉片。

　　這款葉片采用了全三維葉片設(shè)計技術(shù)，從借鑒V22 魚鷹機翼設(shè)計理論到下一代風(fēng)機葉片技術(shù)突破，遠景付出了3 年的艱苦努力。

　　在遠景，中國葉片工程集成中心研發(fā)總監(jiān)、前LM 研發(fā)總監(jiān)Peter Grabau 先生曾經(jīng)主導(dǎo)開發(fā)了LM 近 1/3 的專利，美國全球葉片創(chuàng)新中心負責(zé)人、前西門子葉片研發(fā)中心首席工程師Kevin Standish 先生在葉片設(shè)計上的獨特建樹也為遠景最新的葉片技術(shù)注入了全球最新的研發(fā)思想。一份內(nèi)部文件顯示，遠景自研葉片團隊的全球頂級專家已達55 人，涉及葉片氣動、結(jié)構(gòu)設(shè)計及載荷、材料及工藝、測試與驗證等多個領(lǐng)域。

　　這是一個關(guān)乎風(fēng)電整機開發(fā)的本質(zhì)問題。

　　風(fēng)電整機設(shè)計開發(fā)，本質(zhì)上是一個基于葉片空氣動力學(xué)應(yīng)用的流體和結(jié)構(gòu)反復(fù)迭代尋優(yōu)的過程，其中機組結(jié)構(gòu)載荷、葉片氣動性能和核心控制手段是風(fēng)機設(shè)計尋優(yōu)的三大變量，也就是設(shè)計工程師所說的LAC 風(fēng)機設(shè)計尋優(yōu)。

　　關(guān)鍵在于，風(fēng)機設(shè)計工程師要真正掌控這些變量，而不是面對僅能輸出或輸入設(shè)計參數(shù)的黑匣子。也正因此，遠景執(zhí)意要打開葉片設(shè)計的黑匣子，讓葉片氣動成為一個可尋優(yōu)的變量。葉片是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機械能的核心部件，成本約占風(fēng)機成本的30%，其氣動載荷主導(dǎo)了風(fēng)機另外70% 的主要成本。這意味著，如果葉片通過自身的氣動外形卸掉某些風(fēng)況帶來的有害載荷，就會相應(yīng)降低傳動鏈上其他部件的載荷，那么降低整機用材成本也就水到渠成。

　　但這取決于遠景葉片研發(fā)團隊對葉片空氣動力學(xué)未知的認知程度。在遠景全球葉片創(chuàng)新中心負責(zé)人Kevin 先生看來，“這幾乎就是向葉片的基礎(chǔ)理論發(fā)起挑戰(zhàn)！”

　　專業(yè)人士知道，直到目前，對葉片的氣動性能分析還是基于格朗特在1935 年提出的葉素動量理論（BEM），可很多科技文獻和驗證結(jié)果已表明，在模擬葉尖速比較低的短葉片時，格朗特理論模型尚能近似符合風(fēng)洞實驗結(jié)果，而當(dāng)葉片越來越長時卻不能真實地體現(xiàn)風(fēng)輪在流場中的氣流形態(tài)。實際上，BEM 理論基本方法和模型已經(jīng)表明，在較高葉尖速比條件下，由于風(fēng)輪尾渦螺距變小，葉片的誘導(dǎo)速度分布十分復(fù)雜，而BEM 理論基于獨立平衡流管假設(shè)的計算準確性，會隨著葉尖速比升高而下降，直到不適用。

　　遠景注意到的一個變化是，隨著低風(fēng)速風(fēng)電場的開發(fā)，風(fēng)輪直徑不斷加大，最優(yōu)葉尖速比已高達10 甚至12。這表明，建立在較低葉尖速比假設(shè)基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)BEM 理論已不能準確模擬大葉片的實際氣動載荷，也不再適用對較高葉尖速比的大葉片進行氣動效率分析。

　　這樣的發(fā)現(xiàn)令遠景全球葉片研發(fā)團隊既興奮又焦慮：如果不能還原風(fēng)能在流場中的氣流形態(tài)，葉片未被認知的氣動效率豈不是永遠無法被喚醒？更現(xiàn)實的問題是，由格朗特修正經(jīng)驗公式推導(dǎo)而來的葉片氣動效率Cp 值的利用上限很可能被低估了。那么，葉片實際可利用效率的極限究竟在哪里？

　　如此本質(zhì)的問題可從航空航天業(yè)得到深刻的啟迪。

　　美國V22 魚鷹的旋翼采用全三維旋翼氣動外形設(shè)計技術(shù)，這其中就包括了基于自由渦運動理論的非定常氣動載荷求解技術(shù)。與固定翼飛機不同，直升機旋翼的流場與風(fēng)機葉輪的流場更接近。與BEM 理論相比，自由渦尾跡方法更接近物理實際，實際求解了尾渦的空間位置分布和強度分布，建立了葉片誘導(dǎo)速度徑向分布和尾渦分布的數(shù)學(xué)關(guān)系，具有更高的計算準確性，尤其是可以通過模擬葉片的渦流運動細節(jié)得到葉片非定常氣動載荷。遠景全球葉片團隊的研究顯示，在葉片處于最優(yōu)葉尖速比時，自由渦方法可以避免傳統(tǒng)的BEM 理論預(yù)測失效問題，獲得更準確的最優(yōu)功率系數(shù)和最優(yōu)葉尖速比。

　　“遠景全球葉片團隊將直升機旋翼設(shè)計中使用的自由渦尾跡方法應(yīng)用到遠景自研葉片的設(shè)計中，當(dāng)然也包括計算流體力學(xué)CFD 技術(shù)和全三維葉片氣動、結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化等技術(shù)?！边h景美國全球葉片創(chuàng)新中心葉片設(shè)計專家、前GE葉片高級工程師Mohamad Sultan 先生表示，有兩個維度的數(shù)據(jù)可以說明遠景葉片效率的突破：一個維度的數(shù)據(jù)是，葉片最佳捕獲段的氣動效率提升5% 以上；另一個維度的數(shù)據(jù)是，遠景葉片改變了傳統(tǒng)葉片設(shè)計中對剛度制約的上限，測試結(jié)果表明葉片整體剛度提升了10%。

　　出于商業(yè)上的考慮，Mohamad Sultan不愿意過多透露遠景葉片技術(shù)的設(shè)計細節(jié)，但是實際葉片在中國風(fēng)電場的運行還是引起國內(nèi)葉片制造廠商對遠景葉片技術(shù)的探究。

　　在射陽風(fēng)電場，一位精于葉片制造的專業(yè)人士看出了遠景121 葉片氣動外形的不同。“利用自開發(fā)的先進數(shù)字仿真平臺，實現(xiàn)了這款葉片的二維及三維氣動設(shè)計，再通過多目標(biāo)尋優(yōu)實現(xiàn)了性能、載荷、重量以及噪音的最優(yōu)設(shè)計。”遠景葉片測試與驗證專家、前美國新能源實驗室高級工程師Michael Desmond 先生在向這位專業(yè)人士提及這款葉片的設(shè)計時說，“全球葉片風(fēng)洞測試資源的整合利用，為這款葉片高效率翼型開發(fā)提供了數(shù)據(jù)支持?！?br />
　　值得一提的是，遠景葉片翼型是針對中國風(fēng)電場特點的定制化設(shè)計，其抗污染、低噪音以及更優(yōu)的氣動性能得益于和整機系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)、無縫對接，不僅實現(xiàn)了風(fēng)機的最優(yōu)發(fā)電性能，整機成本也下降了10%。

　　為什么用軟件定義自研發(fā)電機

　　發(fā)電機已是風(fēng)電大部件領(lǐng)域普通且成熟的產(chǎn)品，可遠景仍未停歇對它的不斷探索?；趯Πl(fā)電機的使用以及對失效模式的認知和理解，遠景匯聚了超過20 位全球發(fā)電機領(lǐng)域的高端人才，涉及電磁計算及仿真開發(fā)、機械有限元分析和驗證、CFD 流體仿真等多個領(lǐng)域。在這個全球化的自研發(fā)電機團隊中，Kurt Andersen 先生曾任Vattenfall CTO 和Siemens 風(fēng)電首席產(chǎn)品架構(gòu)師，他對發(fā)電機的研發(fā)有獨到見解。Jarkko Saramo 先生曾任ABB 芬蘭研發(fā)中心全球技術(shù)總監(jiān)，主導(dǎo)了ABB 雙饋風(fēng)力發(fā)電機在行業(yè)的領(lǐng)先地位。Deng Heng 博士在維斯塔斯、西門子丹麥研發(fā)中心工作超過10 年，作為西門子丹麥研發(fā)中心研發(fā)經(jīng)理以及電力電子與控制專家，他主導(dǎo)了西門子直驅(qū)發(fā)電機控制算法、風(fēng)機數(shù)字化仿真平臺、噪聲與振動控制算法以及變頻器與發(fā)電機調(diào)優(yōu)算法，是構(gòu)建西門子直驅(qū)核心技術(shù)的關(guān)鍵貢獻者。

　　事實上，2016 年年底，遠景2.X MW 發(fā)電機就已在多個風(fēng)電場運行了。而且，其更高性能的發(fā)電機也正在測試中，有望于2018 年上半年在風(fēng)電場小批量投入運行。

　　回到已在風(fēng)電場運行的遠景2.X MW 發(fā)電機上，專業(yè)人士可從它現(xiàn)有的技術(shù)亮點上感知到它的客戶價值?！斑@款發(fā)電機適用于2.1MW至2.5MW 的風(fēng)電機組，設(shè)計理論壽命超出22年，絕緣設(shè)計理論工作壽命遠超30 年，短時過載能力1.1 倍，極限工況下超發(fā)能力大于國內(nèi)主流電機產(chǎn)品，且能滿足電網(wǎng)正負10% 及無功工作需求?！?Kurt Andersen 先生透露，發(fā)電機總體損耗比常規(guī)發(fā)電機損耗減少約20%，整機年發(fā)電量預(yù)計可提高1%。在性能對比上，遠景發(fā)電機有5 項關(guān)鍵性能指標(biāo)優(yōu)于全球知名品牌的同功率發(fā)電機。

　　從風(fēng)電整機系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化的角度看，發(fā)電機應(yīng)當(dāng)是一個能與系統(tǒng)互動的大部件，而不是整機組裝中的一塊積木，“無論是機械傳動鏈的輕量化，還是電氣傳動鏈的效率提升，發(fā)電機都可以扮演關(guān)鍵角色。”在Kurt Andersen先生看來，“遠景認知發(fā)電機的最大價值在于，將發(fā)電機置于風(fēng)電場的風(fēng)頻分布場景，通過整機系統(tǒng)的優(yōu)化挖掘發(fā)電機的潛力?！?br />
　　也就是說，遠景發(fā)電機是風(fēng)電整機平臺上一個不斷被優(yōu)化的變量，發(fā)電機的認知與研發(fā)始終處于“平臺變量”這一縱向的維度中。比如，充分利用齒輪箱的變速比來抬高系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，以降低發(fā)電機的變頻器側(cè)電流，按照這樣的方法，即使在增加發(fā)電機功率的情況下，也能保證變頻器容量不需要發(fā)生變化，并可以在電網(wǎng)惡劣的工況下將發(fā)電機電流控制在足夠的水平?！皩崿F(xiàn)這一點，只需要用較少的成本改變發(fā)電機的短板部件即可，其更大價值在于，將齒輪箱和發(fā)電機做到最優(yōu)的選型和設(shè)計，就可以抬高整機的輸出功率，并能在大功率下使用低一個等級的變頻器機側(cè)單元，從而降低整個傳動鏈的成本或提高系統(tǒng)的整體發(fā)電輸出?！边h景自研發(fā)電機項目主任設(shè)計工程師、前ABB 發(fā)電機設(shè)計高級工程師、前Siemens 風(fēng)電電機亞太區(qū)負責(zé)人Yang Jian 這樣說道。

　　發(fā)電機是把機械能轉(zhuǎn)換成電能的大部件，發(fā)電量和成本的平衡是發(fā)電機設(shè)計優(yōu)化中最重要的考量因素，這在電磁設(shè)計環(huán)節(jié)尤為明顯。在這方面，遠景不但有全球頂尖的電磁設(shè)計團隊，還有自行開發(fā)的基于風(fēng)電場數(shù)據(jù)的發(fā)電機設(shè)計仿真工具，它可以產(chǎn)生多個電磁設(shè)計方案，“實際上，我們是在幾百個電磁設(shè)計方案中選擇一個最優(yōu)的方案，這就是軟件仿真的力量?！盌eng Heng 博士強調(diào)了軟件對發(fā)電機設(shè)計的價值。

　　實際上，用軟件來定義自研發(fā)電機貫穿了發(fā)電機的全壽命周期，除了基于功能的設(shè)計思路，更重要的是在推動設(shè)計朝著更大范圍滿足客戶風(fēng)電場風(fēng)況及特殊環(huán)境要求的方向演進，不但整機的核心控制系統(tǒng)要掌控發(fā)電機的運行行為，發(fā)電機也要知曉自身的邊界效率。遠景自研發(fā)電機項目模塊管理負責(zé)人Ballack Liu舉例說，“在開發(fā)這款發(fā)電機的過程中，自研團隊將動力電纜的損耗、變壓器的損耗模型以及變頻器的協(xié)同模型和低風(fēng)速風(fēng)電場的風(fēng)頻模型等，全都放到了整機系統(tǒng)軟件平臺上一同來進行發(fā)電機的設(shè)計優(yōu)化，也就是說，從發(fā)電機的角度選擇一個最優(yōu)的發(fā)電機設(shè)計方案。”

　　很微妙，發(fā)電機的設(shè)計是通過傳動鏈上的不同部件、不同模型來實現(xiàn)最優(yōu)發(fā)電量功能的，它不再是塊冷冰冰的積木，而是變得更有靈性。比如，遠景發(fā)電機可以根據(jù)自己對溫度的掌控情況，在某個風(fēng)速時段決定自己的超發(fā)時間，而又不影響自己的壽命，還可以根據(jù)絕緣性能算法來預(yù)測自己的絕緣壽命。

　　顯然，這是整機系統(tǒng)下軟件定義發(fā)電機設(shè)計的結(jié)果，這也反映在可靠性設(shè)計和壽命測試驗證環(huán)節(jié)中。在這款發(fā)電機可靠性設(shè)計上，自研團隊進行了超過45 項設(shè)計及工藝優(yōu)化，將各個子系統(tǒng)上的精細化做到了極致。“這款發(fā)電機經(jīng)歷了地面型式測試、加速老化測試和風(fēng)電場運行磨損驗證，完全印證了它的可靠性，我們堅信它的壽命會超過20 年！”提及發(fā)電機壽命測試，YangJian 列舉了一組數(shù)據(jù)：地面型式測試項目超過100 項，加速老化測試時間超過20000 小時，樣機在風(fēng)電場運行3 個月無一例故障。

　　稍微展開點說，通過對發(fā)電機、減震器和安裝支架系統(tǒng)層面進行的固有頻率多階仿真，以確保這款發(fā)電機的工作轉(zhuǎn)速頻內(nèi)沒有共振點，模態(tài)測試和整機的振動測試結(jié)果也表明了該發(fā)電機工作轉(zhuǎn)速下的極低振動幅值，這使得發(fā)電機具備更高的超速能力和更長的軸承壽命。

　　更需要補充的一點是，遠景自研發(fā)電機團隊通過3 種測試方式分別對3 臺發(fā)電機的剩余壽命進行了測試驗證，三組數(shù)據(jù)的比對情況足以成為這款發(fā)電機20 年使用壽命的例證。

　　為什么要登上齒輪箱設(shè)計的制高點

　　遠景要登上齒輪箱設(shè)計制高點的邏輯在于這家公司的人才優(yōu)勢。

　　遠景內(nèi)部文件顯示，全球齒輪箱領(lǐng)域里的15 位頂尖開發(fā)設(shè)計專家和30 位工藝質(zhì)量控制專家匯聚遠景，就是“為了開發(fā)制造行業(yè)領(lǐng)先的齒輪箱產(chǎn)品” 。

　　遠景自研齒輪箱項目經(jīng)理 Joey Fu表示，“正是全球化齒輪箱團隊的存在，遠景才在這一目標(biāo)的實現(xiàn)上信心十足?！眻F隊中可以透露的成員是Claus Kurt 和Jorget Nielsen，他們都有超過30 年的風(fēng)電行業(yè)經(jīng)驗，都是風(fēng)電齒輪箱和軸承專家，又都在全球知名公司擔(dān)任過傳動系統(tǒng)和齒輪箱技術(shù)負責(zé)人，取得過非凡的業(yè)績。比如Claus Kurt，2010 至2013 年間，他在英國LORC-Landoe Offshore Renewables Center 主持設(shè)計了當(dāng)時最大的海上10MW 風(fēng)電機組測試中心，引起全球關(guān)注。

　　Joey Fu曾任GE 風(fēng)電工程部齒輪箱團隊主任工程師，作為遠景自研齒輪箱項目開發(fā)設(shè)計團隊和工藝質(zhì)量控制團隊的“銜接者”，一直到2017 年8 月中旬遠景2.X MW 齒輪箱小批量交付運行以后，他才感到自研這事兒走到了一個比較明亮的時間節(jié)點。

　　值得關(guān)注的是，這款齒輪箱的兩個性能指標(biāo)，一個是高出行業(yè)產(chǎn)品20% 的變速比，這不但為結(jié)構(gòu)件、葉片和發(fā)電機降本提供了可能性，更重要的是擴大了機組發(fā)電風(fēng)速的區(qū)間，尤其對低風(fēng)速風(fēng)電場電量提升更顯著；另一個是高出行業(yè)產(chǎn)品10% 至15% 的功率密度，這意味著齒輪箱輕量化上的技術(shù)進步。

　　事實上，遠景自研齒輪箱是基于風(fēng)電發(fā)展趨勢的考慮。

　　齒輪箱是風(fēng)電機組的關(guān)鍵部件，隨著單機容量的逐漸增大，它不但可能會成為傳動鏈中可靠性相對薄弱的一個環(huán)節(jié)，而且齒輪箱的可靠性與輕量化之間的矛盾也日漸突出，需要更先進的設(shè)計理念和技術(shù)來解決當(dāng)下的矛盾，真正設(shè)計出又可靠又輕量的齒輪箱。作為低風(fēng)速風(fēng)電的開拓者和領(lǐng)導(dǎo)者，遠景通過大量低風(fēng)速風(fēng)電場案例數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，齒輪箱在低風(fēng)速風(fēng)機傳動鏈上的效率仍有潛力可挖，尤其在與高塔筒、大風(fēng)輪智能風(fēng)機系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化上也有較大空間，而現(xiàn)有齒輪箱在性能上有所不及，開發(fā)更高效率的齒輪箱是風(fēng)電趨勢所需。

　　一直以來，在齒輪箱的選擇上，遠景堅持使用全球知名品牌，但遺憾的是，外購難以打開的成本鏈以及在分享部件微觀參數(shù)上的受限，不但無法改進供應(yīng)鏈的成本管理，也不利于整機系統(tǒng)設(shè)計上的優(yōu)化，正因為如此，遠景必須要通過自研來徹底打開齒輪箱的黑盒子，進一步拉低齒輪箱在整機成本上的占比，提升整機系統(tǒng)的性能。

　　那么，選擇何種技術(shù)路線的齒輪箱以及進行哪些全生命周期的齒輪箱測試驗證才能保證遠景自研齒輪箱的可靠性，就成了項目團隊要解決的重大問題。遠景自研齒輪箱項目開發(fā)設(shè)計團隊核心成員、遠景整機機械總監(jiān)、前GE風(fēng)電工程部中國區(qū)總監(jiān)、前GE 風(fēng)電全球齒輪箱聯(lián)合開發(fā)項目技術(shù)負責(zé)人和首席工程師Jim Li 透露，“遠景在齒輪箱失效模式數(shù)據(jù)挖掘、成熟技術(shù)路線優(yōu)化和極嚴測試驗證這三個環(huán)節(jié)投入了大量的人力和財力，保障自研2.X MW齒輪箱的質(zhì)量可靠性和技術(shù)先進性?！?br />
　　可以說，遠景在齒輪箱失效模式數(shù)據(jù)挖掘上有其獨到的優(yōu)勢，除了通過使用全球知名品牌的齒輪箱直接獲得失效模式外，遠景智慧風(fēng)場平臺上還接入了巨量的風(fēng)電場資產(chǎn)，通過大數(shù)據(jù)分析可挖掘出齒輪箱的失效概率，形成最全面的潛在失效模式及后果分析，并在開發(fā)設(shè)計階段予以規(guī)避。

　　“失效模式的分析結(jié)果表明，成熟的技術(shù)路線是風(fēng)電齒輪箱可靠性的支撐?！盝im Li 說，“遠景自研齒輪箱采用最經(jīng)典、最成熟、應(yīng)用量最大、經(jīng)驗沉淀最豐厚的一級行星二級平行齒輪箱結(jié)構(gòu)，被優(yōu)化的齒輪參數(shù)和大重合度設(shè)計，進一步提升了齒輪箱的效率，而且降低了運行噪音，確保了最優(yōu)的整機運行工況和發(fā)電效率?！?br />
　　值得注意的是，這款自研2.X MW 齒輪箱的大速比和高功率密度比，在一定程度上成為了低風(fēng)速風(fēng)機系統(tǒng)大部件之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的催化劑，而更寬的發(fā)電風(fēng)速區(qū)間、更高的發(fā)電性能、更低的運行噪音，實際上是讓高塔筒、大風(fēng)輪風(fēng)機友好靠近城市和居民區(qū)的定制化設(shè)計。通常來講，大速比會造成齒輪箱體積增大，但通過先進的齒輪參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，不僅可以做到大速比，還可以減少齒輪箱的重量，提升功率密度比。不過，這就需要先進的齒輪箱設(shè)計技術(shù)了。

　　Jim Li 透露了兩點，一點是系統(tǒng)完善的設(shè)計，另一點是整機系統(tǒng)場景下的設(shè)計優(yōu)化，前者包括采用全球最先進的齒輪箱設(shè)計標(biāo)準以及軟件工具，后者包括整機系統(tǒng)多體動力學(xué)分析、傳動鏈整體有限元分析，也就是說，在遠景這里，齒輪箱設(shè)計不只是齒輪箱自己的事了，還要跟整機系統(tǒng)以及其他部件產(chǎn)生一番化學(xué)反應(yīng)，最終形成優(yōu)質(zhì)基因。實際上，遠景自研齒輪箱項目團隊把齒輪箱設(shè)計的邊界擴大了，被打開的黑盒子就在整機系統(tǒng)中有了話語權(quán)。當(dāng)制造出具體的齒輪箱產(chǎn)品后，遠景的項目團隊還對這款齒輪箱進行了極其嚴格的全生命周期的測試驗證，比如在+200% 到-183% 極限工況下的極限載荷測試，還進行了延伸壽命破壞性試驗，以此發(fā)掘齒輪箱的潛能。

　　在淡定的遠景全球齒輪箱研發(fā)團隊看來，遠景自研的齒輪箱就應(yīng)該如此。