单机容量十几兆瓦，单支叶片百米长，风机大型化趋势下，一个又一个大型风机的诞生让人惊叹，但同时也不禁让人产生一个疑问——如何让这些巨无霸更可靠？金风科技风电产业集团首席技术官、总工程师刘河带来了答案。
“每个人都知道，要想了解设备是否稳定可靠，测试是最有效的验证手段。区别在于，我们是把机组放在实际环境下，花费几年甚至更长时间才能获得所需的各种性能测试结果，还是可以通过‘仿真模拟+整机传动实验平台’模拟所有风工况，用2-3个月完成所有验证。”刘河说，“答案是显而易见的。”正是因为这个简单的答案，在行业处于较大压力的2012年，金风科技下决心、开先河，投资建成了当时风电行业最大的实验平台——6~10MW级别整机传动实验平台，那时候国内市场主流装机机型是1.5-2MW机组。6~10MW整机传动实验平台建成意味着公司已经做好了下一代产品的实验验证准备。该实验凭平台至今已累计完成百余台次整机测试验证，形成上千条优化项，支持了各兆瓦级机组迭代优化实验验证。同时，依托实验的极限工况测试，探索突破了众多原有限制指标，并先后发布十余项企业和国家标准。随着风电技术的快速发展，尝到了实验平台助推产品创新、提升可靠性好处的金风科技又投资3亿多元，建成全球容量最大、检测功能最齐全的实验平台——六自由度16MW整机传动实验平台，可验证直驱、半直驱和双馈机组的传动系、发电机、变流器、电控系统和多域在环实时仿真系统，具备35MN*m扭矩测量和70MN*m弯矩测量、超过1000个通道实时在线测量、模块化可扩展测试系统和0-1.5kHz宽频电量测试等实验能力。“相比于集人类工业文明之大成的汽车行业，风电机组要求的实验测试更加严苛。汽车行业只对传动系统扭矩进行全方位的实验测试。风电整机传动系统所面临的不仅仅是扭矩，还包括弯矩、推力和径向力载荷等六个方向上的力和载荷，想要模拟风机运行的所有风工况，必须要有具备六自由度实验能力的平台。”刘河表示。让风机置身真实应用场景中，金风科技16MW整机传动实验平台能够模拟IEC标准风工况、GL标准风工况和实际风况。同时模拟出风机叶轮吸收的风能和作用在叶轮中心的扭矩，驱动测试机组旋转，并模拟作用在叶轮中心的弯矩、推力和径向力载荷，测试主轴轴承承载能力、疲劳特性、运行可靠性，发电机结构承受力、气隙变化等。 以发电机气隙变化为例，在发电机设计中，转子和定子之间的气隙设计非常关键，气隙越小，发电效率越高，同时可以节省铜和磁钢的材料成本。气隙的大小和弯矩有很大关系，考虑到变形，在仿真设计时通常会预留气隙余量，但是预留多少成为一个难题？预留小了，转子和定子可能会因过载变形而接触，造成发电机烧损；预留过大会造成大量冗余设计和浪费。借助16MW整机传动实验平台，这一问题迎刃而解。通过逐渐增加弯矩，金风科技的工程师们可以实时测量发电机的气隙变化，寻找到保障安全运行前提下最合适的气隙余量边界，实现最优设计。“随着实验测试精度的不断提高，16MW整机传动实验平台能够更好地将现场工况与仿真测试相结合，充分模拟机组现场运行状态，在大型化风机创新设计中识别出真正的短板，同时给真正富裕的地方减负，触达机组性能的真实边界。”刘河指出。16MW整机传动实验平台只是金风科技综合性清洁能源实验体系的一部分，再比如穿透至材料端为全尺寸叶片提供静力试验、疲劳试验及主要结构部件试验的叶片实验平台也是这一实验体系的重要组成部分，它们共同构成了金风科技贯穿零部件、子系统、整机、场网四级的完整实验体系，成为支撑创新与未来技术发展的核心动力。今天，该实验体系正在为风电产业链上的各环节企业提供实验验证支撑，促进整个行业健康高质量发展。CWEA