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负压风机厂家风机控制工程发展现状及展望高效可逆风机的全三维正
2005年以来，我国风电装机以年均100%的速度快速发展，到2008年底，我国风电总装机容量达到了1215万千瓦，占世界风电总装机容量的10%左右，这是一个相当惊人的增长。目前，从装机容量来看，我国已成为亚洲第一、世界第四、风电装机容量超千万千瓦的风电大国。排在前三位的依次是美国、德国和西班牙，其装机容量分别为2517万、2390万和1675万千瓦。
需求的快速增长也带动了我国风电设备制造业的快速发展。2004年，我国风机整机制造企业仅6家，目前明确进入风机整机制造的企业已超过70家，另外还有一些公司正在开展进入风机整机制造的前期准备工作，呈现出“你未唱罢我登场，百家风企竞风流”这样一个喜忧参半的格局。喜的是经过这些年的发展，内资和合资企业的生产规模不断扩大、技术能力不断增强、市场占有率上升很快。2004年，内（合）资企业和外资企业占当年风电新增装机的比例分别为25%和75%，而到2008年这一比例正好颠倒了过来，内（合）资企业已经在风电市场上占据绝对主导地位。至于这些整机制造厂家带动的零部件生产企业究竟有多少，更是一个无法准确统计的数字。这些风机整机制造企业及零部件企业的发展壮大，有力地促进了我国风电制造业技术水平和生产规模的提高。忧的是这70余家风机企业的技术水平、生产规模、服务能力参差不齐，真正形成规模、比较有竞争能力的还只有寥寥几家，大多数企业对于未来面临的巨大风险都估计不足，这是我国目前风电设备制造业存在的一个突出问题。
从未来的发展形势来看，风电产业至少将有十多年的黄金发展期。从世界范围来看，美国、德国等工业发达国家为解决能源短缺和环境污染问题，都将大规模发展风力发电作为主要解决方案。在我国，情况也是如此。2008年底，1215万千瓦的风电装机容量占我国电力总装机容量的比例还仅为1.5%，预计到2020年这一比例将达到10%左右，即到2020年风电装机容量将达到1.4亿千瓦这样的水平，这是十分可观的数字。这表明，从宏观形势来看，风电行业大发展的高潮确实已经到来。
风机控制工程的发展现状
风机的控制工程是风机的重要组成部分，它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务，它主要由监控工程、主控工程、变桨控制工程以及变频工程（变频器）几部分组成。各部分的主要功能如下：
监控工程（SCADA）：监控工程实现对全风场风机状况的监视与启、停操作，它包括大型监控软件及完善的通讯网络。
主控工程：主控工程是风机控制工程的主体，它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。它对外的三个主要接口工程就是监控工程、变桨控制工程以及变频工程（变频器），它与监控工程接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制工程接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频工程（变频器）接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。
变桨控制工程：与主控工程配合，通过对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。目前来看，变桨控制工程的叶片驱动有液压和电气两种方式，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统。
变频工程（变频）器：与主控制工程接口，和发电机、电网连接，直接承担着保证供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。
从我国目前的情况来看，风机控制工程的上述各个组成部分的自主配套规模还相当不如人意，到目前为止对国外品牌的依赖仍然较大，仍是风电设备制造业中最薄弱的环节。而风机其它部件，包括叶片、齿轮箱、发电机、轴承等核心部件已基本实现国产化配套（尽管质量水平及运行状况还不能令人满意），之所以如此，原因主要有：
（1）我国在这一技术领域的起步较晚，尤其是对兆瓦级以上大功率机组变速恒频控制技术的研究，更是最近几年的事情，这比风机技术先进国家要落后二十年时间。前已述及，我国风电制造产业是从2005年开始的最近四年才得到快速发展的，国内主要风机制造厂家为了快速抢占市场，都致力于扩大生产规模，无力对控制工程这样的技术含量较高的产品进行自主开发，因此多直接从MITA、Windtec等国外公司采购产品或引进技术。
（2）就风机控制工程本身的要求来看，确有它的特殊性和复杂性。从硬件来讲，风机控制工程随风机一起安装在接近自然的环境中，工作有较大振动、大范围的温度变化、强电磁干扰这样的复杂条件下，因此其硬件要求比一般工程要高得多。从软件来讲，风机要实现完全的自动控制，必须有一套与之相适应的完善的控制软件。主控工程、变桨工程和变频器需要协同工作才能实现在较低风速下的最大风能捕获、在中等风速下的定转速以及在较大风速下的恒频、恒功运行，这需要在这几大部件中有一套先进、复杂的控制算法。国内企业要完全自主掌握确实需要一定时间。
（3）风机控制工程是与风机特性高度结合的工程，包括主控、变桨和变频器在内的控制软件不仅算法复杂，而且其各项参数的设定与风机本身联系紧密，风机控制工程的任务不仅仅是实现对风机的高度自动化监控以及向电网供电，而且还必须通过合适的控制实现风能捕获的最大化和载荷的最小化，一般的自动化企业即使能研制出样机，也很难得到验证，推广就更加困难。而中小规模的风机制造商又无力进行这样的开发。
即便如此，国内企业通过这几年的努力，已经在控制工程主要部件的开发上取得了积极进展，已基本形成了自主的技术开发能力，所欠缺的主要是产品的大规模投运业绩以及技术和经验积累。比如，作为风机控制工程中技术含量最高的主控工程和变频器，国内企业在自主开发上已取得重要进展。东方自控经过几年的努力，已成功开发出DWS5000风机控制工程，并已完成各种测试及风机运行验证，实现了规模化生产，基本形成了自主开发能力。科诺伟业也研制出了兆瓦级机组的控制工程。在变频器方面，东方自控、合肥阳光、清能华福、科诺伟业等一批企业也异军突起，开发出了大功率双馈及直驱机型的变频器，产品已有小批量在风场投运，呈献出可喜的发展势头。
随着国内企业所开发风机容量越来越大，风机控制技术必须不断发展才能满足这一要求，如叶片的驱动和控制技术、如更大容量的变频器开发，都是必须不断解决的新的课题，这里不进行详细阐述。当前，由于风力发电机组在我国电网中所占比例越来越大，风力发电方式的电网兼容性较差的问题也逐渐暴露出来，同时用户对不同风场、不同型号风机之间的联网要求也越来越高，这也对风机控制工程提出了新的任务。
（1）采用统一和开放的协议以实现不同风场、不同厂家和型号的风机之间的方便互联。目前，风机投资用户和电网调度中心对广布于不同地域的风场之间的联网要求越来越迫切，虽然各个风机制造厂家都提供了一定的手段实现风机互连，但是由于采用的方案不同，不同厂家的风机进行互联时还是会有很多问题存在，实施起来难度较大。因此，实现不同风机之间的方便互联是一个亟待解决的重要课题。
（2）需要进一步提高低电压穿越运行能力（LVRT）。风力发电机组，尤其是双馈型风机，抵抗电网电压跌落的能力本身较差。当发生电网电压跌落时，从前的做法是让风机从电网切出。当风机在电网中所占比例较小时，这种做法对电网的影响还可以忽略不计。但是，随着在网运行风机的数量越来越大，尤其是在风力发电集中的地区，如国家规划建设的六个千万千瓦风电基地，这种做法会对电网造成严重影响，甚至可能进一步扩大事故。欧洲很多国家，如德国、西班牙、丹麦等国家，早就出台了相关标准，要求在这种情况下风机能保持在网运行以支撑电网。风机具有的这种能力称为低电压穿越运行能力（LVRT），有的国家甚至要求当电网电压跌落至零时还能保持在网运行。我国也于今年8月由国家电网公司出台了《风电场接入电网技术规定》，其中规定了我国自己的低电压穿越技术要求，明确要求风电机组在并网点电压跌落至20%额定电压时能够保持并网运行625ms、当跌落发生3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电机组保持并网运行的低电压穿越运行要求。应该说，这还只是一个初步的、相对较低的运行要求。在今后可能还会出台更为严格的上网限制措施。这些要求的实现，主要靠控制工程中变频器算法及结构的改善，当然和主控和变桨工程也有密切联系。
（3）实现在功率预估条件下的风电场有功及无功功率自动控制。目前，风电机组都是运行在不调节的方式，也就是说，有多少风、发多少电，这在风电所占比例较小的情况下也没有多大问题。但是，随着风电上网电量的大幅度增加，在用电低谷段往往是风机出力最大的时段，造成电网调峰异常困难，电网频率、电压均易出现较大波动。当前，电网对这一问题已相当重视，要求开展建设风电场功率预测工程和风电出力自动控制工程，实现在功率预测基础上的有功功率和无功功率控制能力。事际上，这个工程的建设不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技术问题。但是，无论如何说，序幕已经拉开。
发展展望
从上面的叙述中可以看出，控制工程作为风电机组中最关键的核心零部件，目前仍是国内风电设备制造业中最薄弱的环节，也是国内目前唯一没有实现批量国产化的部件，其主要原因在第二部分中已经分析过。但是，我们也看到，以东方自控为代表的国内一些企业，已经在包括变频器在内的控制工程的自主研发方面迈出了重要的步伐，取得了很多成果。因此，预计再经过两到三年时间，将可实现风机控制工程的全面国产化配套，并具备如海上风机等更大型风电机组控制工程的自主研发能力，这样，风机国产化的最后一个瓶颈也将被
摘要：选择适合低风速的NACA63系列翼型，通过一定的成型方法，构造出完全对称的S型叶片。以三维雷诺平均Navier-Stokes方程为基础，应用正交优化方法，对S型叶片的叶型安装角沿径向的分布规律进行了正交优化设计。在满足风量、风压要求及叶片数较少、弦长较小的前提下，获得了最高的流动效率，取得了良好的设计效果。
关键词：可逆风机；S型叶片；三维正交优化设计
0引言
在很多场合下，如地铁、矿山和隧道等地下工程，对风机反向运行的气动性能与正向要求相当。在日常通风时风机正转，要求风机具有较高的气动效率和较低的噪声；而在火灾等紧急情况下风机反转，为了及时排出有毒有害气体，保护旅客或施工人员的生命安全，要求风机必须具有较大的风量和风压。
近十年来，国内不少学者对可逆风机开展过研究，S型叶片是可逆风机中比较常用的一种叶片，这种双向对称翼型使得风机具有完全相同的正反向气动性能，文献[1-2]对S形叶片进行了研究，取得了良好的效果，文献[3]对完全可逆的S型叶片上下游设置安装角度为90°的完全对称翼型的前后导叶，从而提高了气动性能。
然而，由于这类风机的应用量大面广，企业间的无序竞争导致相关产品利润空间非常小。在保证流动效率的前提下，简化机械结构，控制叶片数量与叶片弦长，成了降低制造成本、提高产品利润的关键。本文正是应某企业委托，在提高一定气动性能的前提下，将原φ2000的可逆风机，由14个叶片、320～340mm弦长改为12个叶片、280mm弦长。
1流场仿真与数值试验
在圆柱坐标系（r，θ，x）下，有限体积的三维雷诺平均Navier-Stokes方程，详见文献[4]。
2S型叶片构造、基本翼型选择、弦长及叶片数的比较
2.1 S翼型构造方法[5]
本设计是在文献[5]的基础进行的，文献[5]利用一种NACA4系列翼型见图1，其弦长为b，最大厚度T/b＝0.075，最大拱度δ为0.025，最大拱度位置a/b=0.5。
对图1所示的NACA4系列翼型，把后半部分擦掉，将前半部分叶型绕O点（水平方向中线与垂直方向中线的交点）旋转180°，可以得到图2所示的基本S型翼型。
文献[5]的研究表明，图2所示的基本S型翼型在做功能力等方面不能满足实际设计的需要，因此，文献[5]提出了将上述S型翼型叠加在一条“~”型的母线上，经过优化母线形状，得到图3所示的S型翼型。
2.2 基本翼型选择
根据常规可逆风机的特点，流速通常相对较低，相比NACA4系列，NACA63系列翼型应该具有更大的优势，因此，应用与文献[5]相同的方法，我们构造出基于NACA63系列翼型的新的S型翼型。经过数十个典型工况的数值模拟及分析与比较，发现在设计工况下，基于NACA63系列翼型的S型叶片比基于NACA4系列翼型的S型叶片，全压效率高2%～5%。
2.3 弦长及叶片数的比较
对上述以NACA63系列基本翼型构成的S型叶片，在合适的叶片几何安装角条件下，研究弦长分别为260mm、270mm、280mm、290mm、300mm、310mm、320mm，叶片数分别为8、9、10、11、12、13、14时的风量、全压及全压效率，结果表明弦长过小或叶片数过少时很难保证风量与全压，弦长较长而叶片数较多时，全压与风量都比较容易满足，但风机制造成本较大。为了保证风量与全压，又兼顾制造成本，最后选取了弦长280mm，12个叶片数作为该风机设计的基本参数。
3 目标函数
根据委托方的要求，该风机轮毂比为0.4，外径为1000mm。在S型翼型、弦长及叶片数确定后，给出了如下的优化目标函数：
N为根部到顶部选取的截面数，βi为i截面处的安装角，η为效率，G为风量，p2为风压。
4 正交优化方法
在风量及全压满足的条件下，叶片弦长及叶片数等给定，影响全压效率的参数主要是叶片的安装角沿径向的分布。沿径向取N个截面，根据速度三角形，初步决定每个截面上翼型的安装角，对于这样一个优化问题，有N个优化参数，用华罗庚教授提出的优选法（正交设计是最为简单、方便、有效的一种，采用正交优化思想，可以通过为数不多的实验，经过综合整理，得到全局最优解，能够大量减少实验次数。具体的正交设计思想可以参见文献[6]，这里就不再描述。
对每个影响效率的参数，分别在其对应的选值范围内，等间距分成N-1个水平，对本文这种情况，要是每个参数的各种水平之间一一搭配，全部实验，共需要（N-1）N次实验，才能找到一组最佳组合。但如果采用L（N-1）×（N-1）[（N-1）N]正交表，只要经过（N-1）×（N-1）次实验，就可以获得最佳的解，正交表的具体形式参见文献[6]。
第一次优化的选值范围较大，通常还需要对参数范围细化。在上面得到的最佳搭配附近的一定区间，用同样的方法，再分成N-1个水平，再进行（N-1）×（N-1）次数值实验，可以获得更佳的搭配。经过两次细化，就可以获得满足实际需要的最优解。
5设计结果与讨论
利用上述正交优化方法，得到了满足流量及风压要求，且叶片数仅为12个、弦长280mm的风机叶片，其全压效率高达到91%，结果见表1，图4给出了优化设计出来的风机转子三维造型图。
电机的支撑板选8个，制作成平板翼型，轴向安装在流道的下游，相当于该风机的出口导叶，由于空间的限制，进口不安装导叶，因此，在气动设计时，一定要保证气流的轴向进气。当风机反转时，轴向的电机支撑板相当于进口导叶，由于转子叶片采用了完全对称的S型叶片，经计算分析，正转与反转的气动性能相当。
图5～图7分别给出了展向15%、50%、85%处叶片表面上的压力分布，可以看出三个截面具有相似的压力分布，且都在弦向位置大概70%以前做正功，即空气被增压，正是这70%做正功的叶片，才保证了风机的风压要求得到满足；大概70%弦向位置以后做负功，即空气膨胀，对于这种S型风机叶片，由于对正向与反向进气的要求完全相同，只有近尾缘处做负功，才能保证反向运行时该段由尾缘变成前缘后具有很好的做功能力。
图8～图10分别给出了展向15%、50%、85%截面处的速度矢量图。应该讲，对于这种S型叶片，尤其是近尾缘的压力面，由于“凸”弧的存在，要保证从根部到顶部，没有流动分离，还是有一定的难度。本设计经过优化，最后获得的叶片从根部到顶部都不存在哪怕是很小的流动分离区。这也是为什么尽管叶片上有30%的部分做负功，但由于没有流动分离，流动效率还是能够保持很高的原因。
6 结论
通过本文的设计，得到如下结论：
（1） NACA63系列翼型作为常规风机设计的基础翼型，是非常有效的；
（2） 在弦长相对较短、叶片数相对较少时，通过优化叶片安装角沿叶高的分布，可以得到风量、风压满足要求，流动效率高的通流部分。
参考文献
［1］钟方源，杨波，欧阳华．可逆式轴流风机叶片设计新方案的探讨[J]．流体机械，2000，28（12）:13-17.
［2］席德科，张仲寅，陆森林，等．可逆风机叶片的翼型研究[J].机械科学与技术，1999，18（4）:628-630.
［3］李景银，陈魏巍，吕峰.带有前后导叶的新型可逆轴流风机数值研究[J].机械工程学报，2010，46（2）:139-144.
［4］黄典贵.蒸汽透平全三维粘性流场计算[J].热能动力工程，1998，13（6）：444－446.
［5］黄典贵.S型叶片可逆式轴流风机的全三维优化设计[J].机械工程学报，2005，41（12）:182-185.
［6］北京大学数学力学系数学专业概率统计组.正交设计——一种安排多因素试验的数学方法[M].北京:人民教育出版社，1976.
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风机控制工程的发展现状
风机的控制工程是风机的重要组成部分，它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务，它主要由监控工程、主控工程、变桨控制工程以及变频工程（变频器）几部分组成。各部分的主要功能如下：
监控工程（SCADA）：监控工程实现对全风场风机状况的监视与启、停操作，它包括大型监控软件及完善的通讯网络。
主控工程：主控工程是风机控制工程的主体，它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。它对外的三个主要接口工程就是监控工程、变桨控制工程以及变频工程（变频器），它与监控工程接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制工程接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频工程（变频器）接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。
变桨控制工程：与主控工程配合，通过对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。目前来看，变桨控制工程的叶片驱动有液压和电气两种方式，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统。
变频工程（变频）器：与主控制工程接口，和发电机、电网连接，直接承担着保证供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。
从我国目前的情况来看，风机控制工程的上述各个组成部分的自主配套规模还相当不如人意，到目前为止对国外品牌的依赖仍然较大，仍是风电设备制造业中最薄弱的环节。而风机其它部件，包括叶片、齿轮箱、发电机、轴承等核心部件已基本实现国产化配套（尽管质量水平及运行状况还不能令人满意），之所以如此，原因主要有：
（1）我国在这一技术领域的起步较晚，尤其是对兆瓦级以上大功率机组变速恒频控制技术的研究，更是最近几年的事情，这比风机技术先进国家要落后二十年时间。前已述及，我国风电制造产业是从2005年开始的最近四年才得到快速发展的，国内主要风机制造厂家为了快速抢占市场，都致力于扩大生产规模，无力对控制工程这样的技术含量较高的产品进行自主开发，因此多直接从MITA、Windtec等国外公司采购产品或引进技术。
（2）就风机控制工程本身的要求来看，确有它的特殊性和复杂性。从硬件来讲，风机控制工程随风机一起安装在接近自然的环境中，工作有较大振动、大范围的温度变化、强电磁干扰这样的复杂条件下，因此其硬件要求比一般工程要高得多。从软件来讲，风机要实现完全的自动控制，必须有一套与之相适应的完善的控制软件。主控工程、变桨工程和变频器需要协同工作才能实现在较低风速下的最大风能捕获、在中等风速下的定转速以及在较大风速下的恒频、恒功运行，这需要在这几大部件中有一套先进、复杂的控制算法。国内企业要完全自主掌握确实需要一定时间。
（3）风机控制工程是与风机特性高度结合的工程，包括主控、变桨和变频器在内的控制软件不仅算法复杂，而且其各项参数的设定与风机本身联系紧密，风机控制工程的任务不仅仅是实现对风机的高度自动化监控以及向电网供电，而且还必须通过合适的控制实现风能捕获的最大化和载荷的最小化，一般的自动化企业即使能研制出样机，也很难得到验证，推广就更加困难。而中小规模的风机制造商又无力进行这样的开发。
即便如此，国内企业通过这几年的努力，已经在控制工程主要部件的开发上取得了积极进展，已基本形成了自主的技术开发能力，所欠缺的主要是产品的大规模投运业绩以及技术和经验积累。比如，作为风机控制工程中技术含量最高的主控工程和变频器，国内企业在自主开发上已取得重要进展。东方自控经过几年的努力，已成功开发出DWS5000风机控制工程，并已完成各种测试及风机运行验证，实现了规模化生产，基本形成了自主开发能力。科诺伟业也研制出了兆瓦级机组的控制工程。在变频器方面，东方自控、合肥阳光、清能华福、科诺伟业等一批企业也异军突起，开发出了大功率双馈及直驱机型的变频器，产品已有小批量在风场投运，呈献出可喜的发展势头。
随着国内企业所开发风机容量越来越大，风机控制技术必须不断发展才能满足这一要求，如叶片的驱动和控制技术、如更大容量的变频器开发，都是必须不断解决的新的课题，这里不进行详细阐述。当前，由于风力发电机组在我国电网中所占比例越来越大，风力发电方式的电网兼容性较差的问题也逐渐暴露出来，同时用户对不同风场、不同型号风机之间的联网要求也越来越高，这也对风机控制工程提出了新的任务。
（1）采用统一和开放的协议以实现不同风场、不同厂家和型号的风机之间的方便互联。目前，风机投资用户和电网调度中心对广布于不同地域的风场之间的联网要求越来越迫切，虽然各个风机制造厂家都提供了一定的手段实现风机互连，但是由于采用的方案不同，不同厂家的风机进行互联时还是会有很多问题存在，实施起来难度较大。因此，实现不同风机之间的方便互联是一个亟待解决的重要课题。
（2）需要进一步提高低电压穿越运行能力（LVRT）。风力发电机组，尤其是双馈型风机，抵抗电网电压跌落的能力本身较差。当发生电网电压跌落时，从前的做法是让风机从电网切出。当风机在电网中所占比例较小时，这种做法对电网的影响还可以忽略不计。但是，随着在网运行风机的数量越来越大，尤其是在风力发电集中的地区，如国家规划建设的六个千万千瓦风电基地，这种做法会对电网造成严重影响，甚至可能进一步扩大事故。欧洲很多国家，如德国、西班牙、丹麦等国家，早就出台了相关标准，要求在这种情况下风机能保持在网运行以支撑电网。风机具有的这种能力称为低电压穿越运行能力（LVRT），有的国家甚至要求当电网电压跌落至零时还能保持在网运行。我国也于今年8月由国家电网公司出台了《风电场接入电网技术规定》，其中规定了我国自己的低电压穿越技术要求，明确要求风电机组在并网点电压跌落至20%额定电压时能够保持并网运行625ms、当跌落发生3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电机组保持并网运行的低电压穿越运行要求。应该说，这还只是一个初步的、相对较低的运行要求。在今后可能还会出台更为严格的上网限制措施。这些要求的实现，主要靠控制工程中变频器算法及结构的改善，当然和主控和变桨工程也有密切联系。
（3）实现在功率预估条件下的风电场有功及无功功率自动控制。目前，风电机组都是运行在不调节的方式，也就是说，有多少风、发多少电，这在风电所占比例较小的情况下也没有多大问题。但是，随着风电上网电量的大幅度增加，在用电低谷段往往是风机出力最大的时段，造成电网调峰异常困难，电网频率、电压均易出现较大波动。当前，电网对这一问题已相当重视，要求开展建设风电场功率预测工程和风电出力自动控制工程，实现在功率预测基础上的有功功率和无功功率控制能力。事际上，这个工程的建设不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技术问题。但是，无论如何说，序幕已经拉开。
发展展望
从上面的叙述中可以看出，控制工程作为风电机组中最关键的核心零部件，目前仍是国内风电设备制造业中最薄弱的环节，也是国内目前唯一没有实现批量国产化的部件，其主要原因在第二部分中已经分析过。但是，我们也看到，以东方自控为代表的国内一些企业，已经在包括变频器在内的控制工程的自主研发方面迈出了重要的步伐，取得了很多成果。因此，预计再经过两到三年时间，将可实现风机控制工程的全面国产化配套，并具备如海上风机等更大型风电机组控制工程的自主研发能力，这样，风机国产化的最后一个瓶颈也将被
摘要：选择适合低风速的NACA63系列翼型，通过一定的成型方法，构造出完全对称的S型叶片。以三维雷诺平均Navier-Stokes方程为基础，应用正交优化方法，对S型叶片的叶型安装角沿径向的分布规律进行了正交优化设计。在满足风量、风压要求及叶片数较少、弦长较小的前提下，获得了最高的流动效率，取得了良好的设计效果。
关键词：可逆风机；S型叶片；三维正交优化设计
0引言
在很多场合下，如地铁、矿山和隧道等地下工程，对风机反向运行的气动性能与正向要求相当。在日常通风时风机正转，要求风机具有较高的气动效率和较低的噪声；而在火灾等紧急情况下风机反转，为了及时排出有毒有害气体，保护旅客或施工人员的生命安全，要求风机必须具有较大的风量和风压。
近十年来，国内不少学者对可逆风机开展过研究，S型叶片是可逆风机中比较常用的一种叶片，这种双向对称翼型使得风机具有完全相同的正反向气动性能，文献[1-2]对S形叶片进行了研究，取得了良好的效果，文献[3]对完全可逆的S型叶片上下游设置安装角度为90°的完全对称翼型的前后导叶，从而提高了气动性能。
然而，由于这类风机的应用量大面广，企业间的无序竞争导致相关产品利润空间非常小。在保证流动效率的前提下，简化机械结构，控制叶片数量与叶片弦长，成了降低制造成本、提高产品利润的关键。本文正是应某企业委托，在提高一定气动性能的前提下，将原φ2000的可逆风机，由14个叶片、320～340mm弦长改为12个叶片、280mm弦长。
1流场仿真与数值试验
在圆柱坐标系（r，θ，x）下，有限体积的三维雷诺平均Navier-Stokes方程，详见文献[4]。
2S型叶片构造、基本翼型选择、弦长及叶片数的比较
2.1 S翼型构造方法[5]
本设计是在文献[5]的基础进行的，文献[5]利用一种NACA4系列翼型见图1，其弦长为b，最大厚度T/b＝0.075，最大拱度δ为0.025，最大拱度位置a/b=0.5。
对图1所示的NACA4系列翼型，把后半部分擦掉，将前半部分叶型绕O点（水平方向中线与垂直方向中线的交点）旋转180°，可以得到图2所示的基本S型翼型。
文献[5]的研究表明，图2所示的基本S型翼型在做功能力等方面不能满足实际设计的需要，因此，文献[5]提出了将上述S型翼型叠加在一条“~”型的母线上，经过优化母线形状，得到图3所示的S型翼型。
2.2 基本翼型选择
根据常规可逆风机的特点，流速通常相对较低，相比NACA4系列，NACA63系列翼型应该具有更大的优势，因此，应用与文献[5]相同的方法，我们构造出基于NACA63系列翼型的新的S型翼型。经过数十个典型工况的数值模拟及分析与比较，发现在设计工况下，基于NACA63系列翼型的S型叶片比基于NACA4系列翼型的S型叶片，全压效率高2%～5%。
2.3 弦长及叶片数的比较
对上述以NACA63系列基本翼型构成的S型叶片，在合适的叶片几何安装角条件下，研究弦长分别为260mm、270mm、280mm、290mm、300mm、310mm、320mm，叶片数分别为8、9、10、11、12、13、14时的风量、全压及全压效率，结果表明弦长过小或叶片数过少时很难保证风量与全压，弦长较长而叶片数较多时，全压与风量都比较容易满足，但风机制造成本较大。为了保证风量与全压，又兼顾制造成本，最后选取了弦长280mm，12个叶片数作为该风机设计的基本参数。
3 目标函数
根据委托方的要求，该风机轮毂比为0.4，外径为1000mm。在S型翼型、弦长及叶片数确定后，给出了如下的优化目标函数：
N为根部到顶部选取的截面数，βi为i截面处的安装角，η为效率，G为风量，p2为风压。
4 正交优化方法
在风量及全压满足的条件下，叶片弦长及叶片数等给定，影响全压效率的参数主要是叶片的安装角沿径向的分布。沿径向取N个截面，根据速度三角形，初步决定每个截面上翼型的安装角，对于这样一个优化问题，有N个优化参数，用华罗庚教授提出的优选法（正交设计是最为简单、方便、有效的一种，采用正交优化思想，可以通过为数不多的实验，经过综合整理，得到全局最优解，能够大量减少实验次数。具体的正交设计思想可以参见文献[6]，这里就不再描述。
对每个影响效率的参数，分别在其对应的选值范围内，等间距分成N-1个水平，对本文这种情况，要是每个参数的各种水平之间一一搭配，全部实验，共需要（N-1）N次实验，才能找到一组最佳组合。但如果采用L（N-1）×（N-1）[（N-1）N]正交表，只要经过（N-1）×（N-1）次实验，就可以获得最佳的解，正交表的具体形式参见文献[6]。
第一次优化的选值范围较大，通常还需要对参数范围细化。在上面得到的最佳搭配附近的一定区间，用同样的方法，再分成N-1个水平，再进行（N-1）×（N-1）次数值实验，可以获得更佳的搭配。经过两次细化，就可以获得满足实际需要的最优解。
5设计结果与讨论
利用上述正交优化方法，得到了满足流量及风压要求，且叶片数仅为12个、弦长280mm的风机叶片，其全压效率高达到91%，结果见表1，图4给出了优化设计出来的风机转子三维造型图。
电机的支撑板选8个，制作成平板翼型，轴向安装在流道的下游，相当于该风机的出口导叶，由于空间的限制，进口不安装导叶，因此，在气动设计时，一定要保证气流的轴向进气。当风机反转时，轴向的电机支撑板相当于进口导叶，由于转子叶片采用了完全对称的S型叶片，经计算分析，正转与反转的气动性能相当。
图5～图7分别给出了展向15%、50%、85%处叶片表面上的压力分布，可以看出三个截面具有相似的压力分布，且都在弦向位置大概70%以前做正功，即空气被增压，正是这70%做正功的叶片，才保证了风机的风压要求得到满足；大概70%弦向位置以后做负功，即空气膨胀，对于这种S型风机叶片，由于对正向与反向进气的要求完全相同，只有近尾缘处做负功，才能保证反向运行时该段由尾缘变成前缘后具有很好的做功能力。
图8～图10分别给出了展向15%、50%、85%截面处的速度矢量图。应该讲，对于这种S型叶片，尤其是近尾缘的压力面，由于“凸”弧的存在，要保证从根部到顶部，没有流动分离，还是有一定的难度。本设计经过优化，最后获得的叶片从根部到顶部都不存在哪怕是很小的流动分离区。这也是为什么尽管叶片上有30%的部分做负功，但由于没有流动分离，流动效率还是能够保持很高的原因。
6 结论
通过本文的设计，得到如下结论：
（1） NACA63系列翼型作为常规风机设计的基础翼型，是非常有效的；
（2） 在弦长相对较短、叶片数相对较少时，通过优化叶片安装角沿叶高的分布，可以得到风量、风压满足要求，流动效率高的通流部分。
参考文献
［1］钟方源，杨波，欧阳华．可逆式轴流风机叶片设计新方案的探讨[J]．流体机械，2000，28（12）:13-17.
［2］席德科，张仲寅，陆森林，等．可逆风机叶片的翼型研究[J].机械科学与技术，1999，18（4）:628-630.
［3］李景银，陈魏巍，吕峰.带有前后导叶的新型可逆轴流风机数值研究[J].机械工程学报，2010，46（2）:139-144.
［4］黄典贵.蒸汽透平全三维粘性流场计算[J].热能动力工程，1998，13（6）：444－446.
［5］黄典贵.S型叶片可逆式轴流风机的全三维优化设计[J].机械工程学报，2005，41（12）:182-185.
［6］北京大学数学力学系数学专业概率统计组.正交设计——一种安排多因素试验的数学方法[M].北京:人民教育出版社，1976.
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