大型風(fēng)電機(jī)組葉片吊裝工藝及專(zhuān)用吊具

黃國(guó)良，沈志春，烏建中，葉路明，梁奎

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海200032；2.同濟(jì)大學(xué)，上海200092）

大型風(fēng)電機(jī)組葉片吊裝工藝及專(zhuān)用吊具

黃國(guó)良1，沈志春1，烏建中2，葉路明1，梁奎1

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海200032；2.同濟(jì)大學(xué)，上海200092）

海上風(fēng)電技術(shù)正朝著風(fēng)電機(jī)機(jī)型大型化、葉片尺寸大型化、結(jié)構(gòu)輕型化的方向快速發(fā)展。通過(guò)分析風(fēng)電機(jī)組安裝施工葉片與輪轂組合安裝的各種工藝，指出采用5 MW以上大型機(jī)組后，巨大的葉輪已很難采用地面預(yù)組裝工藝。為保證安全、可靠、高效實(shí)施葉片在空中與輪轂直接裝配工藝，須采用葉片專(zhuān)用吊具。介紹了以擬建的某海上風(fēng)電工程為背景所開(kāi)展的某型6 MW機(jī)組LZ75-6.0葉片專(zhuān)用吊具的研究開(kāi)發(fā)工作成果。

海上風(fēng)電建設(shè)；5 MW以上大型海上風(fēng)電機(jī)組；風(fēng)機(jī)葉片吊裝工藝；風(fēng)機(jī)葉片吊裝專(zhuān)用吊具

0 引言

我國(guó)海上風(fēng)電事業(yè)從2008年上海東海大橋100 MW海上風(fēng)電示范項(xiàng)目（上海東海大橋海上風(fēng)電一期工程）開(kāi)工建設(shè)以來(lái)，經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)探索和工程示范階段，近年來(lái)出現(xiàn)了加快發(fā)展的趨勢(shì)。圍繞“海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模集約化”和“海上風(fēng)電機(jī)組大型化”兩大主題，海上風(fēng)電機(jī)技術(shù)朝著風(fēng)機(jī)機(jī)型大型化、葉片尺寸大型化、結(jié)構(gòu)輕型化的方向快速發(fā)展，給風(fēng)電機(jī)組的吊裝施工技術(shù)帶來(lái)了新的難題[1-4]。

1 葉片安裝工藝

1.1 吊裝作業(yè)

1）結(jié)構(gòu)分析

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要構(gòu)件，具有良好的氣動(dòng)外形，將所接受到的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，使風(fēng)機(jī)能繞其主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。葉片安裝于輪轂之上，葉片與輪轂組合合稱為葉輪，葉輪與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主軸以機(jī)械方式相聯(lián)接。

風(fēng)機(jī)葉片主要由復(fù)合材料制成。采用中空、薄殼、細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，橫斷面為流體滴水形，一般由根部、外殼和加強(qiáng)龍骨筋三部分組成，整體具有良好的氣動(dòng)外形。

風(fēng)機(jī)葉片工作時(shí)所受到的氣動(dòng)彎曲荷載和離心力是葉片承受的主要荷載，作用于葉片縱向軸線方向；橫向所受的剪切面與扭轉(zhuǎn)面上產(chǎn)生的剪力不大。構(gòu)成葉片殼體的復(fù)合材料縱向能承受很高的拉力，而在另外方向所能承受的力相對(duì)較小，適合葉片的承載要求。

另外，葉片后緣及葉尖部位的結(jié)構(gòu)薄弱，強(qiáng)度和剛度較低，在場(chǎng)內(nèi)搬運(yùn)、轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中易于受損。

2）吊裝作業(yè)特點(diǎn)

葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝作業(yè)工藝性最差的部件。

由于葉片擁有龐大的表面積，安裝時(shí)極易受風(fēng)荷載的干擾，因而風(fēng)機(jī)安裝施工過(guò)程中，凡涉及到葉片的部件吊裝風(fēng)速限制條件（≤8 m/s）最為嚴(yán)格。必須采取嚴(yán)格措施，有效控制并持續(xù)保持葉片在空中穩(wěn)定的作業(yè)姿態(tài)。

葉片設(shè)計(jì)為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，截面在全長(zhǎng)范圍內(nèi)連續(xù)變化，根據(jù)常識(shí)難以確定重心位置，必須嚴(yán)格按葉片廠方標(biāo)識(shí)的重心位置和相應(yīng)參數(shù)確定吊裝方案。

根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)、材料特性，發(fā)現(xiàn)其橫向強(qiáng)度、剛度薄弱，表面抗擠壓強(qiáng)度低；為滿足吊裝工藝要求，在固定結(jié)構(gòu)位置做局部加強(qiáng)，葉片吊裝索具只能系掛在上述位置。

1.2 安裝工藝

葉片與輪轂的組合安裝，可采用地面預(yù)組裝工藝或空中直接組裝工藝。葉片與輪轂的預(yù)組裝，由于輪轂定位基面的朝向，分成水平和豎直兩種工況。不同的葉片預(yù)組裝方式與輪轂和機(jī)艙的組裝方式相組合，形成葉片輪轂組裝的不同工藝。根據(jù)國(guó)內(nèi)外風(fēng)電工程的情況，常用的有以下三種工藝。

1）預(yù)裝三葉片工藝

工藝流程：輪轂水平置于地面→3片葉片順序與輪轂組合，形成葉輪組合件→水平起吊葉輪組件、空中翻身→輪轂安裝于塔架頂部→葉輪與輪轂空中完成組合。

3片葉片均在地面完成與輪轂的安裝聯(lián)接工藝難度最??；但葉輪組合件尺寸龐大，需要足夠大的組拼裝場(chǎng)地，組拼裝完成后移位轉(zhuǎn)運(yùn)困難。

葉輪組合件自身平衡性良好，采用起吊翻身安裝工藝，總體難度不大。葉根強(qiáng)度允許時(shí)，主吊索系于2片葉片的葉根位，翻身副索系于第三片葉片；也有對(duì)輪轂結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理后，在輪轂上設(shè)置2個(gè)主吊索吊耳。

2）預(yù)裝兩葉片工藝

工藝流程：機(jī)艙置于地面→輪轂與機(jī)艙組裝→兩片葉片順序與輪轂組合，（豎直面呈羊角狀）→起吊機(jī)艙輪轂加兩片葉片組合件，安裝于塔架頂→起吊第三片葉片與輪轂在空中直接組裝。

輪轂與機(jī)艙組裝在地面進(jìn)行，降低了安裝難度；兩片葉片在地面與輪轂進(jìn)行組裝，安裝難度增加不大，但需要風(fēng)機(jī)主軸能提供反轉(zhuǎn)矩以平衡葉片重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；安裝機(jī)艙、輪轂加2片葉片組合件和單獨(dú)安裝機(jī)艙相比較，難度有所增加；

為減少安裝工序，第三片葉片懸垂在空中直接進(jìn)行安裝，需要應(yīng)用專(zhuān)用葉片吊具，葉片安裝難度較大。

3）直裝三葉片工藝

機(jī)艙置于地面→輪轂與機(jī)艙組裝→起吊輪轂、機(jī)艙組合件安裝于塔架頂部→順序起吊3片葉片在空中與輪轂直接組裝。

輪轂與機(jī)艙組裝在地面進(jìn)行，安裝難度低于在空中進(jìn)行，在塔架頂部安裝機(jī)艙、輪轂組合件和單獨(dú)安裝機(jī)艙相比較，吊裝難度沒(méi)增加。3片葉片都要在空中與輪轂組合，難度最大，需要采用葉片專(zhuān)用吊具。第三片葉片完成安裝前，葉輪不能保持自身平衡，需要風(fēng)機(jī)主軸提供反轉(zhuǎn)矩以克服不完整葉輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

總結(jié)以上分析，可知葉片在地面與輪轂進(jìn)行預(yù)裝配，工藝難度最低，但要求有足夠大的拼裝場(chǎng)地；葉片在空中與輪轂直接裝配，難度較大。采用葉片專(zhuān)用吊具，有利于葉片吊裝作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，從而降低葉片吊裝過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)、提高安裝工效。

1.3 風(fēng)機(jī)大型化帶來(lái)的新難題

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大型化有利于提高風(fēng)能利用效率，減少塔架和基礎(chǔ)設(shè)施成本，從而降低風(fēng)力發(fā)電的總成本。由于風(fēng)電機(jī)組的輸出功率以及作用在風(fēng)輪上的軸向推力與葉片長(zhǎng)度近似成二次方關(guān)系，國(guó)內(nèi)外5 MW以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均采用長(zhǎng)葉片結(jié)構(gòu)。由于現(xiàn)代大型風(fēng)電機(jī)組葉片普遍采用細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，隨著葉片長(zhǎng)度的增加，剛度越來(lái)越小、柔性越來(lái)越大，葉尖強(qiáng)度與葉片整體在風(fēng)荷載作用下的氣動(dòng)彈性影響問(wèn)題不可忽視。另外因?yàn)槿~片重量與葉片長(zhǎng)度近似成三次方關(guān)系，隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化，葉片長(zhǎng)度、葉片重量必將不斷增加。而風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)葉片的重量產(chǎn)生交變荷載，使葉片及機(jī)組產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，葉片減重則可降低機(jī)組運(yùn)行荷載、提高壽命、增加發(fā)電量的輸出，還可相應(yīng)減小輪轂、機(jī)艙、塔架等結(jié)構(gòu)的尺寸及重量。因此葉片應(yīng)追求結(jié)構(gòu)的輕量化，盡量減重；但結(jié)構(gòu)輕量化卻使長(zhǎng)葉片的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等問(wèn)題更為突出。給葉片的運(yùn)輸和安裝帶來(lái)很大的困難。

5 MW以上大型風(fēng)電機(jī)組的葉輪直徑在130 m以上，受施工現(xiàn)場(chǎng)條件所限，如此龐大的葉輪很難采用地面預(yù)裝葉片的傳統(tǒng)工藝，而采用吊裝帶捆綁的吊裝作業(yè)方式也不能滿足葉片安裝過(guò)程的施工安全及工藝要求，因此采用葉片專(zhuān)用吊具是必然的選擇。

以某風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)為背景，三航局聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)等單位完成了某型6 MW風(fēng)電機(jī)組LZ75-6.0葉片直裝工藝專(zhuān)用吊具的開(kāi)發(fā)工作。

2 專(zhuān)用吊具技術(shù)指標(biāo)

2.1 目標(biāo)葉片參數(shù)

目標(biāo)葉片為L(zhǎng)Z75-6.0葉片（圖1），葉片長(zhǎng)度75 m，配重后質(zhì)量33 000 kg，重心位置22.35 m[5]。

圖1 葉片外形圖Fig.1Profile drawing of blade

2.2 使用要求

1）滿足單臺(tái)起重機(jī)吊裝大型葉片在空中進(jìn)行安裝微調(diào)的要求，具有開(kāi)合、夾持、俯仰、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

2）目標(biāo)葉片為L(zhǎng)Z75-6.0葉片，葉片長(zhǎng)度75 m，葉片配重后質(zhì)量33 000 kg，重心位置22.35 m；兼顧吊裝其它葉片的通用性。

3）葉片吊裝工況：限制風(fēng)力條件4級(jí)風(fēng)以下。

4）機(jī)械手從葉片前緣夾持，夾持位置距葉片重心兩側(cè)各5 m左右，夾持位置誤差≤±1 m。

5）起重機(jī)利用吊具安裝葉片能夠在空中呈0°～-40°俯仰姿態(tài)和±130°旋轉(zhuǎn)姿態(tài)進(jìn)行有效作業(yè)。

6）選擇合適的夾持方式、夾持力、夾持材料和夾持面積，使葉片承受合理的壓強(qiáng)而不破壞葉片表面結(jié)構(gòu)及表面涂層。

7）吊具動(dòng)作驅(qū)動(dòng)由地面380 V有線供電，動(dòng)作指令由地面無(wú)線遙控操作。

8）機(jī)械手俯仰和旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)角度通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)并在地面操縱器上顯示。

9）吊具的機(jī)械動(dòng)作具有閉鎖功能，以避免誤操作導(dǎo)致吊裝過(guò)程事故發(fā)生。

10）機(jī)械手各部分結(jié)構(gòu)可拆卸，以方便運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)拼裝。

2.3 專(zhuān)用吊具總體參數(shù)

1）總重量75 t。

2）外形尺寸25.5 m×10.2 m×8.6 m。

3）液壓泵站系統(tǒng)額定壓力25 MPa，液壓泵流量15 L/min。

3 吊具結(jié)構(gòu)

葉片吊具總體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2[6]。

圖2 葉片吊具總體結(jié)構(gòu)Fig.2Overall structure of lifting gear for blade

3.1 俯仰機(jī)構(gòu)

利用俯仰機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)吊具繞水平橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)，變換抱合機(jī)構(gòu)的俯仰姿態(tài)，方便吊具夾持葉片。

3.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

利用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)葉片繞水平縱軸的角度，可實(shí)現(xiàn)葉片在水平、垂直和120°三種情況下進(jìn)行安裝。

3.3 抱合機(jī)構(gòu)

控制機(jī)械手的閉合和打開(kāi)，以便吊具抱合葉片，并在安裝結(jié)束后脫離葉片。

3.4 夾持力

夾持機(jī)構(gòu)保持夾持板與葉片的貼合，提供合適的夾持力以克服葉片的重力并有效保護(hù)葉面。

3.5 配重

配置固定或可移動(dòng)的配重，以調(diào)節(jié)吊具和葉片的整體重心，便于改變?nèi)~片的姿態(tài)，并提高穩(wěn)定性。

3.6 液壓系統(tǒng)

1）液壓泵站

系統(tǒng)采用單個(gè)液壓泵站供油，采用電磁閥單獨(dú)控制各回路。

2）調(diào)速方案

采用變頻調(diào)速方案，通過(guò)調(diào)節(jié)油泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變液壓泵站的供油量，從而達(dá)到液壓機(jī)構(gòu)的執(zhí)行速度。

3）限速方案

在回路中串聯(lián)平衡閥進(jìn)行限速，防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)在承載狀況下動(dòng)作，出現(xiàn)過(guò)速現(xiàn)象。

4）限壓和安全方案

系統(tǒng)最大壓力由溢流閥調(diào)定，并限定工作壓力。夾持回路由減壓閥限壓。油路上安裝雙向液壓鎖，以保證需要鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.7 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

4 專(zhuān)用吊具吊裝葉片的工藝

采用葉片吊具進(jìn)行葉片吊裝的工藝及流程，如圖4所示。

圖3 控制系統(tǒng)方框圖Fig.3Block drawing of controlling system

圖4 吊裝工藝示意圖Fig.4Schematic drawing of lifting technology

5 葉片安裝工況受力分析

根據(jù)對(duì)葉片安裝工藝的分析，葉片安裝受力可歸納為3個(gè)工況：水平吊裝、豎直吊裝和介于這兩個(gè)工況之間的傾斜或旋轉(zhuǎn)工況[7]。

5.1 水平吊裝工況

處于水平工況時(shí)，葉片前緣向地面，尖部夾具的最下2塊夾板和大梁上的2塊夾板承擔(dān)整只葉片的絕大部分重力載荷。由大梁處施加壓力提供摩擦力，前緣提供支撐力，這對(duì)葉片受載來(lái)說(shuō)是比較合理的，可保證葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全。

5.2 豎直吊裝工況

處于豎直吊裝工況時(shí)，葉片的根部朝向天空，葉片被根部夾具卡住而不能滑落。葉片的形狀能形成自鎖，為保證機(jī)構(gòu)自鎖需要保持一定的壓力。在吊裝的過(guò)程中，應(yīng)該盡量減少葉片與夾具的相對(duì)滑移，即施加夾持壓力使根部夾具與葉片之間產(chǎn)生穩(wěn)定的自鎖。

5.3 旋轉(zhuǎn)或傾斜吊裝工況

處于傾斜位置或葉片和夾具同時(shí)旋轉(zhuǎn)中，葉片靠夾具表面的摩擦力和根部夾具提供的機(jī)械力而不能滑落。受力情況在水平以及豎直2個(gè)工況之間。

5.4 葉片局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

從上述分析可知，為確保吊具對(duì)葉片的可靠夾持，應(yīng)由夾持機(jī)構(gòu)液壓油缸施加定量的正壓力，但應(yīng)嚴(yán)格控制接觸比壓。另外，葉片被夾持位置應(yīng)進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著海上風(fēng)電工程集約化，風(fēng)電機(jī)組大容量化、葉片尺寸大型化和葉片結(jié)構(gòu)輕型化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的三葉片葉輪地面預(yù)裝工藝難以實(shí)施，須采用葉片專(zhuān)用吊具，以保證安全、可靠、高效實(shí)施葉片高空直裝工藝。瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)的海上風(fēng)電技術(shù)，以國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電為背景，進(jìn)行了大型葉片空中直裝工藝及相應(yīng)吊具工裝的創(chuàng)新性工作，為國(guó)內(nèi)5 MW以上大型海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝提供了可行的解決方案。

[1]陳宗來(lái)，陳余岳.大型風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片技術(shù)及進(jìn)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2005（3）：53-56. CHEN Zong-lai,CHEN Yu-yue.Large composite blades for wind turbines[J].Fiber Reinforced Plastics/Composites,2005(3):53-56.

[2]張曉明.風(fēng)力發(fā)電復(fù)合材料葉片的現(xiàn)狀與未來(lái)[J].纖維復(fù)合材料，2006（2）：60-63. ZHANG Xiao-ming.Current status and future of blade of composite material for wind power[J].Fiber Composites,2006(2):60-63.

[3]周紅麗，王紅，羅振，等.風(fēng)力發(fā)電復(fù)合材料葉片的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2012（3）：65-68. ZHOU Hong-li,WANG Hong,LUO Zhen,et al.Research process in composite material wind turbine blade[J].Materials Review,2012 (3):65-68.

[4]高克強(qiáng)，薛忠民，陳淳，等.復(fù)合材料風(fēng)電葉片技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2010（12）：4-7. GAO Ke-qiang,XUE Zhong-min,CHEN Chun,et al.Current status and development of blade technology of composite material for wind power[J].Advanced Materials Industry,2010(12):4-7.

[5]華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司.SL6000/155 HH110海上風(fēng)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)和吊具清單[R].2011. Sinovel Wind Group Co.,Ltd.The main technical parameters and lifting gear bills for wind power unit of SL6000/155 HH110[R]. 2011.

[6]同濟(jì)大學(xué).葉片裝拆機(jī)械手計(jì)算說(shuō)明[K].修訂版Ⅰ.2013. Tongji University.Statement of calculation for blade assembly/ disassembly manipulator[K].2013.

[7]連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司.LZ75-6.0葉片吊裝工況葉片結(jié)構(gòu)分析[R].2013. Lianyungang Zhongfu Lianzhong Composites Group Co.,Ltd.Analysis of working condition structure of LZ75-6.0 blade erection[R]. 2013.

Erection technology and specialized lifting gears for blades of heavy wind power unit

HUANG Guo-liang1,SHEN Zhi-chun1,WU Jian-zhong2,YE Lu-ming1,LIANG Kui1
（1.CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China;2.Tongji University,Shanghai 200092,China）

Offshore wind power technology is rapidly moving to the direction of heavy type and blade while light-weight structure.Through the analysis of various technologies on assembly of blade and hub,we pointed out that after adoption of heavy wind power unit with more than 5 MW,on-ground pre-assembly technology is hardly suitable to large impeller.In order to ensure the safe,reliable and high efficient assembly of blade and hub in the air,specialized lifting gears for blade shall be adopted.We introduced the achievement of research and development work for specialized lifting gears for LZ75-6.0 blade of some 6 MW wind power unit in the background of some proposed offshore wind power project.

offshore wind power construction;5 MW above heavy offshore wind power unit;erection technology for blades of wind power unit;specialized lifting gears for blades of wind power unit

U656.6

B

2095-7874（2017）07-0094-05

10.7640/zggwjs201707022

2016-11-11

2017-01-22

上海市科學(xué)委員會(huì)經(jīng)費(fèi)資助（13dz1202202）

黃國(guó)良（1960—），男，浙江寧海人，高級(jí)工程師，船舶機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)。E-mail：wanghu1983@126.com