大型风电机组叶片吊装工艺及专用吊具

大型风电机组叶片吊装工艺及专用吊具

黄国良1，沈志春1，乌建中2，叶路明1，梁奎1

（1.中交第三航务工程局有限公司，上海200032；2.同济大学，上海200092）

摘要：海上风电技术正朝着风电机机型大型化、叶片尺寸大型化、结构轻型化的方向快速发展。通过分析风电机组安装施工叶片与轮毂组合安装的各种工艺，指出采用5 MW以上大型机组后，巨大的叶轮已很难采用地面预组装工艺。为保证安全、可靠、高效实施叶片在空中与轮毂直接装配工艺，须采用叶片专用吊具。介绍了以拟建的某海上风电工程为背景所开展的某型6 MW机组LZ75-6.0叶片专用吊具的研究开发工作成果。

关键词：海上风电建设；5 MW以上大型海上风电机组；风机叶片吊装工艺；风机叶片吊装专用吊具

0 引言

我国海上风电事业从2008年上海东海大桥100 MW海上风电示范项目（上海东海大桥海上风电一期工程）开工建设以来，经历了较长时间的技术探索和工程示范阶段，近年来出现了加快发展的趋势。围绕“海上风电场规模集约化”和“海上风电机组大型化”两大主题，海上风电机技术朝着风机机型大型化、叶片尺寸大型化、结构轻型化的方向快速发展，给风电机组的吊装施工技术带来了新的难题[1-4]。

1 叶片安装工艺

1.1 吊装作业

1）结构分析

叶片是风力发电机组的重要构件，具有良好的气动外形，将所接受到的风能转换为机械能，使风机能绕其主轴转动，带动发电机产生电能。叶片安装于轮毂之上，叶片与轮毂组合合称为叶轮，叶轮与风力发电机的主轴以机械方式相联接。

风机叶片主要由复合材料制成。采用中空、薄壳、细长结构，横断面为流体滴水形，一般由根部、外壳和加强龙骨筋三部分组成，整体具有良好的气动外形。

风机叶片工作时所受到的气动弯曲荷载和离心力是叶片承受的主要荷载，作用于叶片纵向轴线方向；横向所受的剪切面与扭转面上产生的剪力不大。构成叶片壳体的复合材料纵向能承受很高的拉力，而在另外方向所能承受的力相对较小，适合叶片的承载要求。

另外，叶片后缘及叶尖部位的结构薄弱，强度和刚度较低，在场内搬运、转场运输和现场安装过程中易于受损。

2）吊装作业特点

叶片的结构特点决定了叶片是风力发电机组安装作业工艺性最差的部件。

由于叶片拥有庞大的表面积，安装时极易受风荷载的干扰，因而风机安装施工过程中，凡涉及到叶片的部件吊装风速限制条件（≤8 m/s）最为严格。必须采取严格措施，有效控制并持续保持叶片在空中稳定的作业姿态。

叶片设计为细长结构，截面在全长范围内连续变化，根据常识难以确定重心位置，必须严格按叶片厂方标识的重心位置和相应参数确定吊装方案。

根据叶片结构、材料特性，发现其横向强度、刚度薄弱，表面抗挤压强度低；为满足吊装工艺要求，在固定结构位置做局部加强，叶片吊装索具只能系挂在上述位置。

1.2 安装工艺

叶片与轮毂的组合安装，可采用地面预组装工艺或空中直接组装工艺。叶片与轮毂的预组装，由于轮毂定位基面的朝向，分成水平和竖直两种工况。不同的叶片预组装方式与轮毂和机舱的组装方式相组合，形成叶片轮毂组装的不同工艺。根据国内外风电工程的情况，常用的有以下三种工艺。

1）预装三叶片工艺

工艺流程：轮毂水平置于地面→3片叶片顺序与轮毂组合，形成叶轮组合件→水平起吊叶轮组件、空中翻身→轮毂安装于塔架顶部→叶轮与轮毂空中完成组合。

3片叶片均在地面完成与轮毂的安装联接工艺难度最小；但叶轮组合件尺寸庞大，需要足够大的组拼装场地，组拼装完成后移位转运困难。

叶轮组合件自身平衡性良好，采用起吊翻身安装工艺，总体难度不大。叶根强度允许时，主吊索系于2片叶片的叶根位，翻身副索系于第三片叶片；也有对轮毂结构加强处理后，在轮毂上设置2个主吊索吊耳。

2）预装两叶片工艺

工艺流程：机舱置于地面→轮毂与机舱组装→两片叶片顺序与轮毂组合，（竖直面呈羊角状）→起吊机舱轮毂加两片叶片组合件，安装于塔架顶→起吊第三片叶片与轮毂在空中直接组装。

轮毂与机舱组装在地面进行，降低了安装难度；两片叶片在地面与轮毂进行组装，安装难度增加不大，但需要风机主轴能提供反转矩以平衡叶片重力产生的转矩；安装机舱、轮毂加2片叶片组合件和单独安装机舱相比较，难度有所增加；

为减少安装工序，第三片叶片悬垂在空中直接进行安装，需要应用专用叶片吊具，叶片安装难度较大。

3）直装三叶片工艺

机舱置于地面→轮毂与机舱组装→起吊轮毂、机舱组合件安装于塔架顶部→顺序起吊3片叶片在空中与轮毂直接组装。

轮毂与机舱组装在地面进行，安装难度低于在空中进行，在塔架顶部安装机舱、轮毂组合件和单独安装机舱相比较，吊装难度没增加。3片叶片都要在空中与轮毂组合，难度最大，需要采用叶片专用吊具。第三片叶片完成安装前，叶轮不能保持自身平衡，需要风机主轴提供反转矩以克服不完整叶轮产生的转矩。

总结以上分析，可知叶片在地面与轮毂进行预装配，工艺难度最低，但要求有足够大的拼装场地；叶片在空中与轮毂直接装配，难度较大。采用叶片专用吊具，有利于叶片吊装作业的标准化程度，从而降低叶片吊装过程的安全风险、提高安装工效。

1.3 风机大型化带来的新难题

风力发电机组的大型化有利于提高风能利用效率，减少塔架和基础设施成本，从而降低风力发电的总成本。由于风电机组的输出功率以及作用在风轮上的轴向推力与叶片长度近似成二次方关系，国内外5 MW以上风力发电机组均采用长叶片结构。由于现代大型风电机组叶片普遍采用细长结构，随着叶片长度的增加，刚度越来越小、柔性越来越大，叶尖强度与叶片整体在风荷载作用下的气动弹性影响问题不可忽视。另外因为叶片重量与叶片长度近似成三次方关系，随着风电机组的大型化，叶片长度、叶片重量必将不断增加。而风机运行时叶片的重量产生交变荷载，使叶片及机组产生疲劳应力，叶片减重则可降低机组运行荷载、提高寿命、增加发电量的输出，还可相应减小轮毂、机舱、塔架等结构的尺寸及重量。因此叶片应追求结构的轻量化，尽量减重；但结构轻量化却使长叶片的刚度、强度、稳定性等问题更为突出。给叶片的运输和安装带来很大的困难。

5 MW以上大型风电机组的叶轮直径在130 m以上，受施工现场条件所限，如此庞大的叶轮很难采用地面预装叶片的传统工艺，而采用吊装带捆绑的吊装作业方式也不能满足叶片安装过程的施工安全及工艺要求，因此采用叶片专用吊具是必然的选择。

以某风电场建设为背景，三航局联合同济大学等单位完成了某型6 MW风电机组LZ75-6.0叶片直装工艺专用吊具的开发工作。

2 专用吊具技术指标

2.1 目标叶片参数

目标叶片为LZ75-6.0叶片（图1），叶片长度75 m，配重后质量33 000 kg，重心位置22.35 m[5]。

图1 叶片外形图
Fig.1Profile drawing of blade

2.2 使用要求

1）满足单台起重机吊装大型叶片在空中进行安装微调的要求，具有开合、夹持、俯仰、旋转等动作。

2）目标叶片为LZ75-6.0叶片，叶片长度75 m，叶片配重后质量33 000 kg，重心位置22.35 m；兼顾吊装其它叶片的通用性。

3）叶片吊装工况：限制风力条件4级风以下。

4）机械手从叶片前缘夹持，夹持位置距叶片重心两侧各5 m左右，夹持位置误差≤±1 m。

5）起重机利用吊具安装叶片能够在空中呈0°～-40°俯仰姿态和±130°旋转姿态进行有效作业。

6）选择合适的夹持方式、夹持力、夹持材料和夹持面积，使叶片承受合理的压强而不破坏叶片表面结构及表面涂层。

7）吊具动作驱动由地面380 V有线供电，动作指令由地面无线遥控操作。

8）机械手俯仰和旋转的绝对角度通过传感器监测并在地面操纵器上显示。

9）吊具的机械动作具有闭锁功能，以避免误操作导致吊装过程事故发生。

10）机械手各部分结构可拆卸，以方便运输和现场拼装。

2.3 专用吊具总体参数

1）总重量75 t。

2）外形尺寸25.5 m×10.2 m×8.6 m。

3）液压泵站系统额定压力25 MPa，液压泵流量15 L/min。

3 吊具结构

叶片吊具总体结构参见图2[6]。

图2 叶片吊具总体结构
Fig.2Overall structure of lifting gear for blade

3.1 俯仰机构

利用俯仰机构调节吊具绕水平横轴转动，变换抱合机构的俯仰姿态，方便吊具夹持叶片。

3.2 旋转机构

利用旋转机构调节叶片绕水平纵轴的角度，可实现叶片在水平、垂直和120°三种情况下进行安装。

3.3 抱合机构

控制机械手的闭合和打开，以便吊具抱合叶片，并在安装结束后脱离叶片。

3.4 夹持力

夹持机构保持夹持板与叶片的贴合，提供合适的夹持力以克服叶片的重力并有效保护叶面。

3.5 配重

配置固定或可移动的配重，以调节吊具和叶片的整体重心，便于改变叶片的姿态，并提高稳定性。

3.6 液压系统

1）液压泵站

系统采用单个液压泵站供油，采用电磁阀单独控制各回路。

2）调速方案

采用变频调速方案，通过调节油泵电动机的转速，改变液压泵站的供油量，从而达到液压机构的执行速度。

3）限速方案

在回路中串联平衡阀进行限速，防止执行机构在承载状况下动作，出现过速现象。

4）限压和安全方案

系统最大压力由溢流阀调定，并限定工作压力。夹持回路由减压阀限压。油路上安装双向液压锁，以保证需要锁紧执行机构。

3.7 控制系统

控制系统见图3。

4 专用吊具吊装叶片的工艺

采用叶片吊具进行叶片吊装的工艺及流程，如图4所示。

图3 控制系统方框图
Fig.3Block drawing of controlling system

图4 吊装工艺示意图
Fig.4Schematic drawing of lifting technology

5 叶片安装工况受力分析

根据对叶片安装工艺的分析，叶片安装受力可归纳为3个工况：水平吊装、竖直吊装和介于这两个工况之间的倾斜或旋转工况[7]。

5.1 水平吊装工况

处于水平工况时，叶片前缘向地面，尖部夹具的最下2块夹板和大梁上的2块夹板承担整只叶片的绝大部分重力载荷。由大梁处施加压力提供摩擦力，前缘提供支撑力，这对叶片受载来说是比较合理的，可保证叶片结构强度安全。

5.2 竖直吊装工况

处于竖直吊装工况时，叶片的根部朝向天空，叶片被根部夹具卡住而不能滑落。叶片的形状能形成自锁，为保证机构自锁需要保持一定的压力。在吊装的过程中，应该尽量减少叶片与夹具的相对滑移，即施加夹持压力使根部夹具与叶片之间产生稳定的自锁。

5.3 旋转或倾斜吊装工况

处于倾斜位置或叶片和夹具同时旋转中，叶片靠夹具表面的摩擦力和根部夹具提供的机械力而不能滑落。受力情况在水平以及竖直2个工况之间。

5.4 叶片局部结构加强

从上述分析可知，为确保吊具对叶片的可靠夹持，应由夹持机构液压油缸施加定量的正压力，但应严格控制接触比压。另外，叶片被夹持位置应进行局部结构加强处理。

6 结语

随着海上风电工程集约化，风电机组大容量化、叶片尺寸大型化和叶片结构轻型化的快速发展，传统的三叶片叶轮地面预装工艺难以实施，须采用叶片专用吊具，以保证安全、可靠、高效实施叶片高空直装工艺。瞄准国际先进的海上风电技术，以国内海上风电为背景，进行了大型叶片空中直装工艺及相应吊具工装的创新性工作，为国内5 MW以上大型海上风力发电机组的安装提供了可行的解决方案。

参考文献：

[1]陈宗来，陈余岳.大型风力机复合材料叶片技术及进展[J].玻璃钢/复合材料，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]张晓明.风力发电复合材料叶片的现状与未来[J].纤维复合材料，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]周红丽，王红，罗振，等.风力发电复合材料叶片的研究进展[J].材料导报，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]高克强，薛忠民，陈淳，等.复合材料风电叶片技术的现状与发展[J].新材料产业，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]华锐风电科技（集团）股份有限公司.SL6000/155 HH110海上风电机组主要技术参数和吊具清单[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]同济大学.叶片装拆机械手计算说明[K].修订版Ⅰ.2013. Tongji University.Statement of calculation for blade assembly/ disassembly manipulator[K].2013.

[7]连云港中复连众复合材料集团有限公司.LZ75-6.0叶片吊装工况叶片结构分析[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）

Abstract：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.

Key words：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

中图分类号：U656.6

文献标志码：B

文章编号：2095-7874（2017）07-0094-05

doi：10.7640/zggwjs201707022

收稿日期：2016-11-11

修回日期：2017-01-22

基金项目：上海市科学委员会经费资助（13dz1202202）

作者简介：黄国良（1960—），男，浙江宁海人，高级工程师，船舶机械工程专业。E-mail：[e-mail]