基于TRIZ系统论对海上风机叶片的分析

时间:2022-07-26 05:50:32

基于TRIZ系统论对海上风机叶片的分析

【摘要】在介绍海上风机发展前景及海上风机所面临技术问题的基础上,利用TRIZ系统分析工具对海上风机叶片的磨损进行了详细分析,并指出了解决风机叶片磨损的方向,最后给出最优解决方向,并进一步阐述了目前在最优解决方向上所做的努力及不足。

【关键词】TRIZ;系统分析;风机叶片;磨损

1.引言

2011年6月22日,国家能源局在江苏省南通市召的开“海上风电工作座谈会”上,国家能源局副局长刘琦表示,今年下半年将启动第二批海上风电特许权项目的招标准备工作,总建设规模将在150-200万千瓦。据悉,正在制定的“十二五”能源规划和可再生能源规划中,我国海上风电的发展目标是:2015年建成500万千瓦,到2020年建成海上风电3000万千瓦[1]。

尽管海上风电有着风资源好,沿海地区电网架构优越,紧邻负荷中心等优势,但其存在的风险也不容忽视,海上风电开发有高风险、高难度的特点,与陆上风电相比,海上风电运行环境更复杂,技术要求更高,施工难度更大[2]。

海上风电项目最早起步于欧洲,但其发展也不过是20年光景。即便在国外,海上风电技术仍不完善。风机制造方面,应对海上强风对风机的破坏性冲击,阻止强大的盐磨损性对风机的摧残,保障风机和零部件的使用寿命达到20年之久,依旧是诸多风机厂商追求的终极梦想[3]。

海上风力发电系统的整体结构组成与陆地类似,但海上风场要克服强风载荷、磨损和波浪冲击等一系列特殊环境的影响,并不能直接采用陆地风电技术。在风机设计装配、系统监测维护等诸多方面,海上风场的技术难度更高,面临挑战更大。因此,详细分析风机叶片磨损的原因,系统归纳相应的解决方案,是非常必要的。

2.TRIZ系统分析工具

TRIZ英文全称是Theory of the Solut-ion of Inventive Problems(发明问题解决理论)。该理论是前苏联科学家G.S.Altshul-ler及一批研究人员,在分析了世界各国250万件专利的基础上提出来的。他们从这些最有效的解中抽象出了TRIZ解决发明问题的基本方法,这些方法又可以普遍地适用于新出现的发明问题,协助人们获得这些发明问题的最有效解[4]。

系统分析是TRIZ中重要的分析工具之一,TRIZ首先将产品定义为技术系统,并在此基础上针对技术系统的功能影响、相互关系、结构构成,由技术系统的应用实现定义出超系统、系统、子系统;并在不同的时间段即过去、现在和将来分别进行分析,应用几个程式化的步骤来解决复杂问题。使用系统操作方法理解问题情况,以定义问题。

利用系统论定义问题的流程可总结归纳如下:

(1)定义问题,列举目前存在的问题。

(2)问题归纳。

(3)系统分析问题,找到问题产生的原因,提出新问题。

(4)定义分析问题后出现的顶层问题,绘制成“因果”图的形式。

(5)确定可完全消除其他问题或可生成部分解决方案的顶层问题。

(6)给出顶层问题的解决方案。

(7)方案选择,概念生成。

3.海上风机叶片的分析

海上风力发电机往往安装在海岸线附近,通过叶片的旋转将风能转换成机械能,然后转变为电能。风速较大时,叶片顶端的速率会很高,高速率的叶片与强力空气中的尘粒与水滴相互碰撞,势必加速叶片顶端的磨损,致使叶片顶端变形,从而降低风机的整体性能。因此风机叶片应该定期更换,但对海上风机叶片的更换需要付出高昂的成本代价。为了尽量避免风机叶片的频繁更换所付出的成本,下面利用TRIZ系统论对风机叶片进行分析。

3.1 基于系统对问题分析

基于系统定义以下问题:

(1)系统是什么?

答:在这个案例中,系统是风机叶片。

(2)系统的主要功能是什么?

答:叶片将风能转变为轮毂中心的机械能。

(3)需要解决什么问题?

答:空气中尘粒影响的磨损问题,空气中水粒影响的磨损问题,强风的影响。

因此,(1)需要找到解决尘粒磨损的方法。(2)需要找到解决水粒磨损的方法。(3)需要找到解决风速过大的方法。

带着“在系统中改变什么可改进解决方案,改进系统是否可达到使缺点变得微不足道或达到可容忍程度”两个问题分析系统。可得到以下论述。

(1)如果叶片是由一些耐磨损的物质制作的,问题就解决了。例如,如果叶片上有一些涂层,磨损问题就可以解决了。

(2)如果叶片可以很容易的被安装或拆除,也不存在上述所阐述问题了。

对以上论述进一步探讨。问题成为:(4)是否可找到低成本又可使叶片耐磨损的材料。(5)是否能找到使叶片耐磨损的涂层。(6)是否能找到使叶片容易拆装的方法。(7)是否能找到一种即可使叶片便宜,又可低成本更换他们的方法。

那么分析是否存在可提高产品性能的其他类似系统(或替代系统)以获得所需要的结果,或者是否存在转移到其他原理上的方法可降低、减弱甚至避免目前产品存在的缺陷。

通过类比发现可使用耐磨损的替代系统。例如,分析火箭、水翼船或涡轮的叶片材质及特点,发现水翼船上的冰涂层是一种可吸收磨损的极有弹性的材料,则(8)是否可找到在叶片上涂上冰层的方法。(9)是否找到使叶片具有弹性的方法。

如果在叶片安装之前对其使用预系统,那么预系统又将如何工作。可采用预系统避免造成磨损,例如抛丸和喷砂处理可涂覆硬质合金涂层达到所需效果。那么(10)是否可找到在叶片上涂覆硬质合金的方法。

其他系统或其他地方有类似的问题出现过吗?如果有,他们是如何处理的?

可否通过改变叶片的几何结构来实现,如果可以,那么(11)是否可找到能帮助解决磨损问题的合适几何结构。

3.2 基于超系统对问题分析

超系统是比系统高一级的系统,它由系统及其他部分系统组成以完成特定的功能。

同样,基于超系统我们可以定义:

(1)超系统是什么?

答:超系统是海上风力发电机。

(2)超系统的主要功能是什么?

答:将风能转变成为电能。

要探讨系统系统所属超系统。应充分考虑超系统的其他部分。如,风机轮毂、发电机、支撑塔、风流、大气层、电线、发电量等等。找到与超系统相互作用的其他超系统。充分考虑其他系统与此系统和它超系统相互作用,特别是关于人、信息、能量等的来源与作用过程。

围绕此系统和它的超系统所工作的条件或者说外部环境进行分析,应涉及到社会和心理环境,室内和室外环境等等方面。

分析环境中有哪些要素的改变可以尽量消除或减小风机叶片磨损这一问题的严重性。可分析发现,(12)是否可找到隔离空气中尘粒的方法。(13)是否可找到隔离空气中水份的方法。(14)是否可找到使用电能以避免尘粒和水滴磨损的方法。(15)是否可找到即使叶片有较高速率磨损也可以降低的方法。

另外从其他的超系统(备用系统或反作用系统)是否可以获得所需结果。反系统将高速流动的空气视为资源,例如压缩机。(16)是否可找到靠压缩空气避免磨损的方法。

3.3 基于子系统对问题分析

在系统的静止状态(未运行情况)下描述系统结构。系统包括所有子系统、重要元件和连接。如果必要,应绘制详细的系统布局图。从子系统的角度定义问题:

(1)子系统是什么?

答:风机叶片顶端,是风机叶片顶端的最先磨损造成的叶片变形。

(2)子系统的主要功能是什么?

答:形成叶片整体结构,协助叶片将风能转变为轮毂中心的机械能。

关于子系统面临的问题,可借助对系统的分析使用改进系统、替代系统、预系统、反系统等方面得出子系统的研究方向,以解决问题。(17)是否可找到改进叶片顶端不合适结构的方法。(18)是否可找到改进叶片顶端不合适曲率的方法。(19)是否可找到降低叶片顶端速率的方法。(20)是否可找到改变叶片顶端不合适材料的方法。(21)是否可找到消除或减少叶片顶端厚度的方法。(22)是否可在叶片的动态工作的情况下描述系统功能。列举每个子系统的功能并且描述其相互工作关系

3.4 建模分析

通过对叶片磨损的分析,可绘制如图1所示的叶片磨损因果关系图,以便解决问题。

根据所绘制因果关系图,可方便的得出叶片磨损的顶层问题,针对顶层问题,和上述对系统及超系统和子系统分析时所得到的22解决方向。可得出优先解决的方向。然后,画出确定的优先解决方向图,如图2所示。

根据图2所得,所陈述问题的优先解决方向为:

找到隔离水滴和尘粒的方法。

找到合适的几何结构和柔性结构。

找到减少叶片速度的方法。

4.结论

对于上述三种优先解决方案,目前国内已有相应的公司对其进行研究探讨,对于隔离水滴和尘粒的方法,中海油新能源投资有限责任公司的尚景宏等通过分析风机的构造提出了防腐专业在风电行业的发展前景,并重点分析了几种常用的防腐蚀方法在风电行业的应用[5],庞贝捷涂料上海有限公司的刘新在介绍了海上风电场腐蚀环境的基础上,推荐了海上风电场不同部位的防腐涂装配套方案[6]。风机叶片的具体防腐方法及涂装材质,仍是待深入研究的课题。

对于合适的几何结构方面,武汉理工大学、山东大学等国内高校都进行了相关研究[7-8],单叶片风机的提出对于风机抵抗海上强风,降低叶片运行速度、调整叶片风能捕获量等方面也是一个值得探讨的课题。

对于叶片合适的柔性结构,目前多采用新材料用于叶片制作的方法,以试图得到叶片合适的柔性。如木材、合金钢、玻璃纤维、碳纤维、环氧树脂、高性能环氧乙烯基酯树脂等材料在风机叶片上的应用。降低大型叶片材料的质量、提高其刚度和强度要求仍是将来叶片研究和发展的重要方向。

关于风机叶片磨损腐蚀问题的解决,包括所列举三个优先解决方向的方案探讨,目前国内的应用研究仍旧处于初步阶段。而非优先解决方向对于风机叶片磨损的应用可能性,将是下一步的重点研究方向。

参考文献

[1]陆宇.“海上风电工作座谈会”南通召开[N].中国能源报,2011-06-27(21).

[2]韩志强.海上风电支撑结构设计问题探讨[J].中国海洋平台,2011,26(4):7-10.

[3]刘潇.守望海上风电[J].中国船检,2011,7:43-45.

[4]G.S.Altshuller.The innovation algorithm, TRIZ,systematic innovation and technical creativity[M].Technical Innovation Center,INC.,Worcester,1999.

[5]尚景宏,罗锐.海上风力发电领域——防腐蚀专业的新战场[J].涂料技术与文摘,2009(10):16-21.

[6]刘新.海上风电场的防腐涂装[J].中国涂料,2009,24(11):17-25.

[7]李成良.风机叶片结构分析与优化设计[D].武汉:武汉理工大学材料学院,2008.

[8]王湛.双圆弧叶片多翼风机内流场的数值模拟及叶型研究[D].济南:山东大学能源与动力工程学院,2007.

基金项目:科技部科技型中小企业技术创新基金项目(11C26213705040);国家质检总局科技计划项目(2010QK248);菏泽学院科研基金项目(XY10BS04)。

作者简介:吕桂志(1984—),男,山东鄄城人,硕士,主要从事机电产品自动化等方面的研究。

上一篇:晋中联通BSC间切换问题分析 下一篇:建设图书馆特色数字资源知识库的研究