風電機組設計與制造課程建設的探索與實踐

文 | 南京工業大學 薛惠芳，孫后環，譚劍鋒

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風電機組設計與制造課程建設的探索與實踐

文 | 南京工業大學 薛惠芳，孫后環，譚劍鋒

南京工業大學是國家首批入選 “2011計劃” 的14所高校之一，是江蘇省重點建設、教育部首批卓越工程師培養計劃試點高校。在新能源發展趨勢和人才需求大背景之下，我校創建了“新能源科學與工程（風能）”專業，依托自身傳統的機械學科基礎，專業主干課程風電機組設計與制造應運而生，經過兩年教學研究和實踐，初步取得了一些教學成果。

調查研究 培養方案定位明確

面對高速發展的新興專業，我校機械與動力工程學院領導和教師積極主動地開展調研工作， 多次參加全國性風能及新能源專業建設研討會，分別前往保定天威集團有限公司、金風科技股份有限公司的達坂城試驗風電場、北京金風科創風電設備有限公司、金風科技大豐海上風電產業基地以及上海電氣風電設備有限公司等進行實地考察，并與華北電力大學、沈陽工業大學、河海大學等專業課教師進行交流。經過廣泛而深入的調查研究， 獲取了適合新能源科學與工程專業建設的第一手資料，確立了風能與動力工程專業培養方案，并修訂成新能源科學與工程專業的培養計劃。

首先制定了專業培養目標，新能源科學與工程專業應面向新能源產業，培養具備熱學、力學、電學、自動控制、能源科學、系統工程等寬厚理論基礎，能從事清潔能源生產、新能源開發利用和裝備設計制造的跨學科復合型高級人才。結合我校扎實的機械學科基礎，明確定位：以培養能勝任風電機組設計與制造，風電機組檢測、控制與認證，風電場的運行維護與管理等專業人才為特色。

在培養目標確立之后，提出了新能源科學與工程專業的業務培養要求：學生應該具有本專業領域所必須的基礎理論與專業知識，如空氣動力學、風力發電原理、機械設計與制造、風電機組設計與制造等。為了使學生具有進行風電設備的設計、制造、運行、試驗研究和項目投資與管理的基本能力，并獲得本專業領域的工程實踐訓練，以風電機組設計與制造為主干課程，重點進行課程研究和建設。

綜合知識 課堂教學夯實質量

風電機組設計所涉及的學科領域和專業知識較多，設計人員必須具有系統的工程設計技術積累和豐富的設計實踐經驗。風電設備屬于動力機械類裝備，其種類繁多的零部件基本上遵循機械設計的一般原則，即載荷、材料和結構尺寸的關系應該遵循相應的強度、剛度、穩定性等準則；并且風電設備的零部件制造，同樣包括材料、制造工藝、裝配工藝、試驗調試等基礎知識。我校新能源科學與工程專業學生前期的基礎課在很大程度上雷同于機械工程專業，本著極強的責任心，任課教師既潛心研究專業課與基礎課的銜接問題，又注重在課堂教學中開拓創新，為此制定了科學合理的教學大綱和教學進程安排。

在課堂教學中，主要學習風輪與葉片設計、傳動與控制系統設計、塔架與基礎設計等。以普通機械設計為基礎，注重和風電機組設計之異同點，將機械設計課程中已經簡化的外載荷擴展到風電機組的外部條件：環境（風況）、電網（工況），將普通機械設計遵循的國家標準擴展到風電國家標準和國際標準；在齒輪傳動和行星輪系應用中突出風電軸承、增速箱等特色；將機械制造課程中的材料及特性具體到風電機組零部件制造的專用材料；在焊接基礎知識之上介紹在塔架制造工藝中的具體應用等等。

課堂討論中，帶領學生對專業教材缺乏的內容和教學中涉及到的工程問題進行深入學習。依照教學進度，給出葉片翼型、風電齒輪箱、風電軸承、塔架等關鍵詞，利用網絡優勢，指導學生查詢風電網站和論壇資料；查閱《機械設計手冊》中的材料力學性能、零件設計方法步驟、風電設備的國際和國家標準等。也是通過資料查閱和課堂討論，將現代設計方法引入教學環節，結合輪轂、塔架等零部件，實時演示Pro-E建模軟件、Matlab仿真計算軟件、Ansys靜動力學分析軟件、GH-blade風電機組專用設計軟件等，讓學生了解包括動載荷、振動穩定性等風電機組動特性分析，學習現代設計技術和方法。

結合工程 實踐環節加強訓練

實踐環節是培養學生創新能力的根本，只有科學合理的設計和安排實驗、實習和課程設計，充分體現理論知識和工程實際的有機結合，才能使之發揮相應的作用。

我校在課堂教學過程中穿插了風電機組模型測繪、變槳距、偏航、功率調節等試驗，使學生對風電機組外觀產生總體上的感性認識，學習和掌握風電機組的結構和工作原理；結合教材，安排了繪制風況模型、葉片翼型、風功率曲線以及風電機組載荷計算等上機內容，有利于學生接觸到風電設備的理論核心，加深對相關理論知識的理解。

在學校和院系領導大力支持和協調下，加強了新能源科學與工程專業與國內重點企業合作，建立了上海電氣、上海泰勝、上海玻鋼等一批穩定的校外實習基地，通過實地參觀學習機艙裝配工藝、塔架和葉片的制造工藝等，對提高學生的綜合設計能力和鞏固風電機組制造知識起到了積極的推進和強化作用。

本著培養學生現代工程設計能力的目的，以大型水平軸風電機組總體設計為任務， 將翼型、風速、功率等原始參數進行分組，要求學生每人獨立完成設計， 設計內容主要包括：確定風電機組的總體技術參數；確定所選定機型主要部件（齒輪箱、發電機、變流器、連軸器、偏航和變槳距電機等）的技術參數和型式；完成關鍵部件（葉片、風輪、主軸、連軸器和塔架等）氣動載荷的計算；繪制風電機組外觀圖、機組總體布置圖、齒輪箱布局圖、齒輪箱傳動簡圖、塔架受力圖；撰寫設計報告。綜合設計中要強調從書本知識過渡到工程實際，促使學生在參考與類比中突出創新，通過工程設計訓練，提高解決工程實際問題的能力，具備了一定的工程背景及實踐經驗。

通過以上連貫的實踐教學環節的實施，突破了風電機組設計與制造課堂學時的限制，開闊了學生對專業領域的視野，驗證了理論知識，訓練了科研能力，為畢業生未來專業發展奠定了扎實基礎。

結束語

風電機組設計與制造課程建設，是切實提高教學質量而進行的教學活動探索，在我校專業學士學位授權實地評審中起到了重要作用， 獲得了專家組的充分肯定和高度評價。文中所提出的若干觀點和方法，還需要在實踐中不斷提高與完善。