文 | 南京工業(yè)大學(xué) 薛惠芳，孫后環(huán)，譚劍鋒

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風(fēng)電機(jī)組設(shè)計與制造課程建設(shè)的探索與實(shí)踐

文 | 南京工業(yè)大學(xué) 薛惠芳，孫后環(huán)，譚劍鋒

南京工業(yè)大學(xué)是國家首批入選 “2011計劃” 的14所高校之一，是江蘇省重點(diǎn)建設(shè)、教育部首批卓越工程師培養(yǎng)計劃試點(diǎn)高校。在新能源發(fā)展趨勢和人才需求大背景之下，我校創(chuàng)建了“新能源科學(xué)與工程（風(fēng)能）”專業(yè)，依托自身傳統(tǒng)的機(jī)械學(xué)科基礎(chǔ)，專業(yè)主干課程風(fēng)電機(jī)組設(shè)計與制造應(yīng)運(yùn)而生，經(jīng)過兩年教學(xué)研究和實(shí)踐，初步取得了一些教學(xué)成果。

調(diào)查研究 培養(yǎng)方案定位明確

面對高速發(fā)展的新興專業(yè)，我校機(jī)械與動力工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和教師積極主動地開展調(diào)研工作， 多次參加全國性風(fēng)能及新能源專業(yè)建設(shè)研討會，分別前往保定天威集團(tuán)有限公司、金風(fēng)科技股份有限公司的達(dá)坂城試驗(yàn)風(fēng)電場、北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司、金風(fēng)科技大豐海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)基地以及上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司等進(jìn)行實(shí)地考察，并與華北電力大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、河海大學(xué)等專業(yè)課教師進(jìn)行交流。經(jīng)過廣泛而深入的調(diào)查研究， 獲取了適合新能源科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)的第一手資料，確立了風(fēng)能與動力工程專業(yè)培養(yǎng)方案，并修訂成新能源科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)計劃。

首先制定了專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，新能源科學(xué)與工程專業(yè)應(yīng)面向新能源產(chǎn)業(yè)，培養(yǎng)具備熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、自動控制、能源科學(xué)、系統(tǒng)工程等寬厚理論基礎(chǔ)，能從事清潔能源生產(chǎn)、新能源開發(fā)利用和裝備設(shè)計制造的跨學(xué)科復(fù)合型高級人才。結(jié)合我校扎實(shí)的機(jī)械學(xué)科基礎(chǔ)，明確定位：以培養(yǎng)能勝任風(fēng)電機(jī)組設(shè)計與制造，風(fēng)電機(jī)組檢測、控制與認(rèn)證，風(fēng)電場的運(yùn)行維護(hù)與管理等專業(yè)人才為特色。

在培養(yǎng)目標(biāo)確立之后，提出了新能源科學(xué)與工程專業(yè)的業(yè)務(wù)培養(yǎng)要求：學(xué)生應(yīng)該具有本專業(yè)領(lǐng)域所必須的基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識，如空氣動力學(xué)、風(fēng)力發(fā)電原理、機(jī)械設(shè)計與制造、風(fēng)電機(jī)組設(shè)計與制造等。為了使學(xué)生具有進(jìn)行風(fēng)電設(shè)備的設(shè)計、制造、運(yùn)行、試驗(yàn)研究和項(xiàng)目投資與管理的基本能力，并獲得本專業(yè)領(lǐng)域的工程實(shí)踐訓(xùn)練，以風(fēng)電機(jī)組設(shè)計與制造為主干課程，重點(diǎn)進(jìn)行課程研究和建設(shè)。

綜合知識 課堂教學(xué)夯實(shí)質(zhì)量

風(fēng)電機(jī)組設(shè)計所涉及的學(xué)科領(lǐng)域和專業(yè)知識較多，設(shè)計人員必須具有系統(tǒng)的工程設(shè)計技術(shù)積累和豐富的設(shè)計實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。風(fēng)電設(shè)備屬于動力機(jī)械類裝備，其種類繁多的零部件基本上遵循機(jī)械設(shè)計的一般原則，即載荷、材料和結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系應(yīng)該遵循相應(yīng)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等準(zhǔn)則；并且風(fēng)電設(shè)備的零部件制造，同樣包括材料、制造工藝、裝配工藝、試驗(yàn)調(diào)試等基礎(chǔ)知識。我校新能源科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生前期的基礎(chǔ)課在很大程度上雷同于機(jī)械工程專業(yè)，本著極強(qiáng)的責(zé)任心，任課教師既潛心研究專業(yè)課與基礎(chǔ)課的銜接問題，又注重在課堂教學(xué)中開拓創(chuàng)新，為此制定了科學(xué)合理的教學(xué)大綱和教學(xué)進(jìn)程安排。

在課堂教學(xué)中，主要學(xué)習(xí)風(fēng)輪與葉片設(shè)計、傳動與控制系統(tǒng)設(shè)計、塔架與基礎(chǔ)設(shè)計等。以普通機(jī)械設(shè)計為基礎(chǔ)，注重和風(fēng)電機(jī)組設(shè)計之異同點(diǎn)，將機(jī)械設(shè)計課程中已經(jīng)簡化的外載荷擴(kuò)展到風(fēng)電機(jī)組的外部條件：環(huán)境（風(fēng)況）、電網(wǎng)（工況），將普通機(jī)械設(shè)計遵循的國家標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到風(fēng)電國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)；在齒輪傳動和行星輪系應(yīng)用中突出風(fēng)電軸承、增速箱等特色；將機(jī)械制造課程中的材料及特性具體到風(fēng)電機(jī)組零部件制造的專用材料；在焊接基礎(chǔ)知識之上介紹在塔架制造工藝中的具體應(yīng)用等等。

課堂討論中，帶領(lǐng)學(xué)生對專業(yè)教材缺乏的內(nèi)容和教學(xué)中涉及到的工程問題進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。依照教學(xué)進(jìn)度，給出葉片翼型、風(fēng)電齒輪箱、風(fēng)電軸承、塔架等關(guān)鍵詞，利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，指導(dǎo)學(xué)生查詢風(fēng)電網(wǎng)站和論壇資料；查閱《機(jī)械設(shè)計手冊》中的材料力學(xué)性能、零件設(shè)計方法步驟、風(fēng)電設(shè)備的國際和國家標(biāo)準(zhǔn)等。也是通過資料查閱和課堂討論，將現(xiàn)代設(shè)計方法引入教學(xué)環(huán)節(jié)，結(jié)合輪轂、塔架等零部件，實(shí)時演示Pro-E建模軟件、Matlab仿真計算軟件、Ansys靜動力學(xué)分析軟件、GH-blade風(fēng)電機(jī)組專用設(shè)計軟件等，讓學(xué)生了解包括動載荷、振動穩(wěn)定性等風(fēng)電機(jī)組動特性分析，學(xué)習(xí)現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)和方法。

結(jié)合工程 實(shí)踐環(huán)節(jié)加強(qiáng)訓(xùn)練

實(shí)踐環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的根本，只有科學(xué)合理的設(shè)計和安排實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)和課程設(shè)計，充分體現(xiàn)理論知識和工程實(shí)際的有機(jī)結(jié)合，才能使之發(fā)揮相應(yīng)的作用。

我校在課堂教學(xué)過程中穿插了風(fēng)電機(jī)組模型測繪、變槳距、偏航、功率調(diào)節(jié)等試驗(yàn)，使學(xué)生對風(fēng)電機(jī)組外觀產(chǎn)生總體上的感性認(rèn)識，學(xué)習(xí)和掌握風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和工作原理；結(jié)合教材，安排了繪制風(fēng)況模型、葉片翼型、風(fēng)功率曲線以及風(fēng)電機(jī)組載荷計算等上機(jī)內(nèi)容，有利于學(xué)生接觸到風(fēng)電設(shè)備的理論核心，加深對相關(guān)理論知識的理解。

在學(xué)校和院系領(lǐng)導(dǎo)大力支持和協(xié)調(diào)下，加強(qiáng)了新能源科學(xué)與工程專業(yè)與國內(nèi)重點(diǎn)企業(yè)合作，建立了上海電氣、上海泰勝、上海玻鋼等一批穩(wěn)定的校外實(shí)習(xí)基地，通過實(shí)地參觀學(xué)習(xí)機(jī)艙裝配工藝、塔架和葉片的制造工藝等，對提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力和鞏固風(fēng)電機(jī)組制造知識起到了積極的推進(jìn)和強(qiáng)化作用。

本著培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代工程設(shè)計能力的目的，以大型水平軸風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計為任務(wù)， 將翼型、風(fēng)速、功率等原始參數(shù)進(jìn)行分組，要求學(xué)生每人獨(dú)立完成設(shè)計， 設(shè)計內(nèi)容主要包括：確定風(fēng)電機(jī)組的總體技術(shù)參數(shù)；確定所選定機(jī)型主要部件（齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變流器、連軸器、偏航和變槳距電機(jī)等）的技術(shù)參數(shù)和型式；完成關(guān)鍵部件（葉片、風(fēng)輪、主軸、連軸器和塔架等）氣動載荷的計算；繪制風(fēng)電機(jī)組外觀圖、機(jī)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(shè)計報告。綜合設(shè)計中要強(qiáng)調(diào)從書本知識過渡到工程實(shí)際，促使學(xué)生在參考與類比中突出創(chuàng)新，通過工程設(shè)計訓(xùn)練，提高解決工程實(shí)際問題的能力，具備了一定的工程背景及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

通過以上連貫的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施，突破了風(fēng)電機(jī)組設(shè)計與制造課堂學(xué)時的限制，開闊了學(xué)生對專業(yè)領(lǐng)域的視野，驗(yàn)證了理論知識，訓(xùn)練了科研能力，為畢業(yè)生未來專業(yè)發(fā)展奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

結(jié)束語

風(fēng)電機(jī)組設(shè)計與制造課程建設(shè)，是切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量而進(jìn)行的教學(xué)活動探索，在我校專業(yè)學(xué)士學(xué)位授權(quán)實(shí)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(diǎn)和方法，還需要在實(shí)踐中不斷提高與完善。