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孫如林:從旋翼到風輪

2012-09-05 來源:《風能》 瀏覽數:1771

  旋翼和風輪, 這兩種分別運用在直升機和風電機組上的空氣動力產生裝置,組成了孫如林一生的學習、研究、工作線索。雖然他們時常交織一處,又偶爾各有偏重, 但沿著這條脈絡我們可以清晰地管窺到,風電技術是如何從軍工惠澤于民用,由保護家園向造福人類蛻變的。

  接觸風電事業
  將孫如林的注意力,從平行地面旋轉的直升機旋翼和槳葉,引入到垂直地面旋轉的風電機組風輪和葉片上的一次“標志性事件”,是1978 年,福建省電力局想用直升機退役旋翼槳葉改為風電機組風輪葉片。
  彼時的孫如林正在中國直升機設計研究所(以下簡稱中國直升機所)總師系統辦公室任副總師。按矩陣管理模式,縱向分工負責預先性課題研究,即預研總師;橫向按專業能力負責直升機旋翼系統技術把關。
  1978 年以前,我國還難以自主研制專用于風電機組的葉片,因此,福建省電力局研制FD21- 55 千瓦風電機組時,希望能夠利用直升機退役槳葉改為葉片,這項任務由中國直升機所承擔。
 作為國家“六五”科技計劃科研項目的FD21-55 千瓦風電機組于1982 年5月在福建平潭風力發電試驗站并網運行成功。這款機組由福建省電力中心實驗所、福建省機械研究所等單位聯合設計,福州發電設備廠完成樣機試制。該機組最明顯的特征是高16.2 米的水泥制塔架,另一明顯的特征是葉片。它的風輪為水平軸下風向布置,自動調速調向。葉片采用直- 5 型直升機退役槳葉,并由孫如林通過計算,將風輪直徑由21 米改為18 米。
  “實驗結果是可以發電,但是Cp 值很低,只有0.22。因為直升機旋翼是受發動機驅動旋轉產生需要的氣動力,而風輪是吸收風能而旋轉帶動發電機旋轉。從軸向動量理論看,氣流穿過旋翼后是收斂的,而風輪是發散的,所以選用直升機槳葉做風輪葉片效率較低。”孫如林解釋。
  但直升機卻有一種飛行狀態,即當直升機發動機出現故障不能工作時,旋翼旋轉是利用下降的相對氣流,使用自轉產生升力平衡直升機重量緩慢下降,這種狀態稱直升機自轉下滑狀態,即風車狀態。孫如林認為,正是由于該狀態與風輪氣動原理是相同的,都是從風中獲取能量。所以在技術上,直升機專業人員進入風電葉片行業較為容易。
  “六五”期間(1981 年至1985 年),國家科學技術委員會(以下簡稱國家科委)安排了對3 千瓦風電機組的科研攻關、推廣工作,并采用招標方式,確定攻關單位。中標單位最終確定為兩個,北方中標的是太原一家企業,南方則是中國直升機所。中國直升機所任命孫如林為該攻關項目總設計師。他的團隊共用近3 年時間,完全按照直升機設計流程自主完成了3 千瓦機組的設計、制造,以及主要部件的地面試驗、整機吹風實驗和外場運轉測試。
  “設計采用水平軸,上風向型式,風輪直徑6.6 米,塔高分別為10 米、12 米。采用離心變距系統,大風保護采用折尾系統。完成地面試驗后,整機安裝在四川29 基地低速風動所,8 乘6 米風洞進行1 個月吹風試驗。受到時任低風速所長賀德馨的不少幫助和支持,吹風經費由國家科委直接支付。”孫如林回憶,“經過測試,該機組風輪的Cp 值等于0.44,并能夠在不到每秒3 米的風速下啟動。各種試驗工況機組平穩,變距系統、變槳過程的性能達到設計要求。其風洞實驗最大風速達每秒18 米,大風保護系統達到設計要求。”

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