风电机组设计与制造课程建设的探索与实践

2016-07-05南京工业大学薛惠芳孙后环谭剑锋

风能 2016年3期

文 | 南京工业大学薛惠芳，孙后环，谭剑锋

风电机组设计与制造课程建设的探索与实践

文 | 南京工业大学薛惠芳，孙后环，谭剑锋

南京工业大学是国家首批入选 “2011计划” 的14所高校之一，是江苏省重点建设、教育部首批卓越工程师培养计划试点高校。在新能源发展趋势和人才需求大背景之下，我校创建了“新能源科学与工程（风能）”专业，依托自身传统的机械学科基础，专业主干课程风电机组设计与制造应运而生，经过两年教学研究和实践，初步取得了一些教学成果。

调查研究培养方案定位明确

面对高速发展的新兴专业，我校机械与动力工程学院领导和教师积极主动地开展调研工作，多次参加全国性风能及新能源专业建设研讨会，分别前往保定天威集团有限公司、金风科技股份有限公司的达坂城试验风电场、北京金风科创风电设备有限公司、金风科技大丰海上风电产业基地以及上海电气风电设备有限公司等进行实地考察，并与华北电力大学、沈阳工业大学、河海大学等专业课教师进行交流。经过广泛而深入的调查研究，获取了适合新能源科学与工程专业建设的第一手资料，确立了风能与动力工程专业培养方案，并修订成新能源科学与工程专业的培养计划。

首先制定了专业培养目标，新能源科学与工程专业应面向新能源产业，培养具备热学、力学、电学、自动控制、能源科学、系统工程等宽厚理论基础，能从事清洁能源生产、新能源开发利用和装备设计制造的跨学科复合型高级人才。结合我校扎实的机械学科基础，明确定位：以培养能胜任风电机组设计与制造，风电机组检测、控制与认证，风电场的运行维护与管理等专业人才为特色。

在培养目标确立之后，提出了新能源科学与工程专业的业务培养要求：学生应该具有本专业领域所必须的基础理论与专业知识，如空气动力学、风力发电原理、机械设计与制造、风电机组设计与制造等。为了使学生具有进行风电设备的设计、制造、运行、试验研究和项目投资与管理的基本能力，并获得本专业领域的工程实践训练，以风电机组设计与制造为主干课程，重点进行课程研究和建设。

综合知识课堂教学夯实质量

风电机组设计所涉及的学科领域和专业知识较多，设计人员必须具有系统的工程设计技术积累和丰富的设计实践经验。风电设备属于动力机械类装备，其种类繁多的零部件基本上遵循机械设计的一般原则，即载荷、材料和结构尺寸的关系应该遵循相应的强度、刚度、稳定性等准则；并且风电设备的零部件制造，同样包括材料、制造工艺、装配工艺、试验调试等基础知识。我校新能源科学与工程专业学生前期的基础课在很大程度上雷同于机械工程专业，本着极强的责任心，任课教师既潜心研究专业课与基础课的衔接问题，又注重在课堂教学中开拓创新，为此制定了科学合理的教学大纲和教学进程安排。

在课堂教学中，主要学习风轮与叶片设计、传动与控制系统设计、塔架与基础设计等。以普通机械设计为基础，注重和风电机组设计之异同点，将机械设计课程中已经简化的外载荷扩展到风电机组的外部条件：环境（风况）、电网（工况），将普通机械设计遵循的国家标准扩展到风电国家标准和国际标准；在齿轮传动和行星轮系应用中突出风电轴承、增速箱等特色；将机械制造课程中的材料及特性具体到风电机组零部件制造的专用材料；在焊接基础知识之上介绍在塔架制造工艺中的具体应用等等。

课堂讨论中，带领学生对专业教材缺乏的内容和教学中涉及到的工程问题进行深入学习。依照教学进度，给出叶片翼型、风电齿轮箱、风电轴承、塔架等关键词，利用网络优势，指导学生查询风电网站和论坛资料；查阅《机械设计手册》中的材料力学性能、零件设计方法步骤、风电设备的国际和国家标准等。也是通过资料查阅和课堂讨论，将现代设计方法引入教学环节，结合轮毂、塔架等零部件，实时演示Pro-E建模软件、Matlab仿真计算软件、Ansys静动力学分析软件、GH-blade风电机组专用设计软件等，让学生了解包括动载荷、振动稳定性等风电机组动特性分析，学习现代设计技术和方法。

结合工程实践环节加强训练

实践环节是培养学生创新能力的根本，只有科学合理的设计和安排实验、实习和课程设计，充分体现理论知识和工程实际的有机结合，才能使之发挥相应的作用。

我校在课堂教学过程中穿插了风电机组模型测绘、变桨距、偏航、功率调节等试验，使学生对风电机组外观产生总体上的感性认识，学习和掌握风电机组的结构和工作原理；结合教材，安排了绘制风况模型、叶片翼型、风功率曲线以及风电机组载荷计算等上机内容，有利于学生接触到风电设备的理论核心，加深对相关理论知识的理解。

在学校和院系领导大力支持和协调下，加强了新能源科学与工程专业与国内重点企业合作，建立了上海电气、上海泰胜、上海玻钢等一批稳定的校外实习基地，通过实地参观学习机舱装配工艺、塔架和叶片的制造工艺等，对提高学生的综合设计能力和巩固风电机组制造知识起到了积极的推进和强化作用。

本着培养学生现代工程设计能力的目的，以大型水平轴风电机组总体设计为任务，将翼型、风速、功率等原始参数进行分组，要求学生每人独立完成设计，设计内容主要包括：确定风电机组的总体技术参数；确定所选定机型主要部件（齿轮箱、发电机、变流器、连轴器、偏航和变桨距电机等）的技术参数和型式；完成关键部件（叶片、风轮、主轴、连轴器和塔架等）气动载荷的计算；绘制风电机组外观图、机组总体布置图、齿轮箱布局图、齿轮箱传动简图、塔架受力图；撰写设计报告。综合设计中要强调从书本知识过渡到工程实际，促使学生在参考与类比中突出创新，通过工程设计训练，提高解决工程实际问题的能力，具备了一定的工程背景及实践经验。

通过以上连贯的实践教学环节的实施，突破了风电机组设计与制造课堂学时的限制，开阔了学生对专业领域的视野，验证了理论知识，训练了科研能力，为毕业生未来专业发展奠定了扎实基础。