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負壓風機廠家風機控制工程發展現狀及展望高效可逆風機的全三維正
2005年以來，我國風電裝機以年均100%的速度快速發展，到2008年底，我國風電總裝機容量達到了1215萬千瓦，占世界風電總裝機容量的10%左右，這是一個相當驚人的增長。目前，從裝機容量來看，我國已成為亞洲第一、世界第四、風電裝機容量超千萬千瓦的風電大國。排在前三位的依次是美國、德國和西班牙，其裝機容量分別為2517萬、2390萬和1675萬千瓦。
需求的快速增長也帶動了我國風電設備制造業的快速發展。2004年，我國風機整機制造企業僅6家，目前明確進入風機整機制造的企業已超過70家，另外還有一些公司正在開展進入風機整機制造的前期準備工作，呈現出“你未唱罷我登場，百家風企競風流”這樣一個喜憂參半的格局。喜的是經過這些年的發展，內資和合資企業的生產規模不斷擴大、技術能力不斷增強、市場占有率上升很快。2004年，內（合）資企業和外資企業占當年風電新增裝機的比例分別為25%和75%，而到2008年這一比例正好顛倒了過來，內（合）資企業已經在風電市場上占據絕對主導地位。至于這些整機制造廠家帶動的零部件生產企業究竟有多少，更是一個無法準確統計的數字。這些風機整機制造企業及零部件企業的發展壯大，有力地促進了我國風電制造業技術水平和生產規模的提高。憂的是這70余家風機企業的技術水平、生產規模、服務能力參差不齊，真正形成規模、比較有競爭能力的還只有寥寥幾家，大多數企業對于未來面臨的巨大風險都估計不足，這是我國目前風電設備制造業存在的一個突出問題。
從未來的發展形勢來看，風電產業至少將有十多年的黃金發展期。從世界范圍來看，美國、德國等工業發達國家為解決能源短缺和環境污染問題，都將大規模發展風力發電作為主要解決方案。在我國，情況也是如此。2008年底，1215萬千瓦的風電裝機容量占我國電力總裝機容量的比例還僅為1.5%，預計到2020年這一比例將達到10%左右，即到2020年風電裝機容量將達到1.4億千瓦這樣的水平，這是十分可觀的數字。這表明，從宏觀形勢來看，風電行業大發展的高潮確實已經到來。
風機控制工程的發展現狀
風機的控制工程是風機的重要組成部分，它承擔著風機監控、自動調節、實現最大風能捕獲以及保證良好的電網兼容性等重要任務，它主要由監控工程、主控工程、變槳控制工程以及變頻工程（變頻器）幾部分組成。各部分的主要功能如下：
監控工程（SCADA）：監控工程實現對全風場風機狀況的監視與啟、停操作，它包括大型監控軟件及完善的通訊網絡。
主控工程：主控工程是風機控制工程的主體，它實現自動啟動、自動調向、自動調速、自動并網、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監控等重要控制、保護功能。它對外的三個主要接口工程就是監控工程、變槳控制工程以及變頻工程（變頻器），它與監控工程接口完成風機實時數據及統計數據的交換，與變槳控制工程接口完成對葉片的控制，實現最大風能捕獲以及恒速運行，與變頻工程（變頻器）接口實現對有功功率以及無功功率的自動調節。
變槳控制工程：與主控工程配合，通過對葉片節距角的控制，實現最大風能捕獲以及恒速運行，提高了風力發電機組的運行靈活性。目前來看，變槳控制工程的葉片驅動有液壓和電氣兩種方式，電氣驅動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來形成的技術路線及傳統。
變頻工程（變頻）器：與主控制工程接口，和發電機、電網連接，直接承擔著保證供電品質、提高功率因素，滿足電網兼容性標準等重要作用。
從我國目前的情況來看，風機控制工程的上述各個組成部分的自主配套規模還相當不如人意，到目前為止對國外品牌的依賴仍然較大，仍是風電設備制造業中最薄弱的環節。而風機其它部件，包括葉片、齒輪箱、發電機、軸承等核心部件已基本實現國產化配套（盡管質量水平及運行狀況還不能令人滿意），之所以如此，原因主要有：
（1）我國在這一技術領域的起步較晚，尤其是對兆瓦級以上大功率機組變速恒頻控制技術的研究，更是最近幾年的事情，這比風機技術先進國家要落后二十年時間。前已述及，我國風電制造產業是從2005年開始的最近四年才得到快速發展的，國內主要風機制造廠家為了快速搶占市場，都致力于擴大生產規模，無力對控制工程這樣的技術含量較高的產品進行自主開發，因此多直接從MITA、Windtec等國外公司采購產品或引進技術。
（2）就風機控制工程本身的要求來看，確有它的特殊性和復雜性。從硬件來講，風機控制工程隨風機一起安裝在接近自然的環境中，工作有較大振動、大范圍的溫度變化、強電磁干擾這樣的復雜條件下，因此其硬件要求比一般工程要高得多。從軟件來講，風機要實現完全的自動控制，必須有一套與之相適應的完善的控制軟件。主控工程、變槳工程和變頻器需要協同工作才能實現在較低風速下的最大風能捕獲、在中等風速下的定轉速以及在較大風速下的恒頻、恒功運行，這需要在這幾大部件中有一套先進、復雜的控制算法。國內企業要完全自主掌握確實需要一定時間。
（3）風機控制工程是與風機特性高度結合的工程，包括主控、變槳和變頻器在內的控制軟件不僅算法復雜，而且其各項參數的設定與風機本身聯系緊密，風機控制工程的任務不僅僅是實現對風機的高度自動化監控以及向電網供電，而且還必須通過合適的控制實現風能捕獲的最大化和載荷的最小化，一般的自動化企業即使能研制出樣機，也很難得到驗證，推廣就更加困難。而中小規模的風機制造商又無力進行這樣的開發。
即便如此，國內企業通過這幾年的努力，已經在控制工程主要部件的開發上取得了積極進展，已基本形成了自主的技術開發能力，所欠缺的主要是產品的大規模投運業績以及技術和經驗積累。比如，作為風機控制工程中技術含量最高的主控工程和變頻器，國內企業在自主開發上已取得重要進展。東方自控經過幾年的努力，已成功開發出DWS5000風機控制工程，并已完成各種測試及風機運行驗證，實現了規�；a，基本形成了自主開發能力。科諾偉業也研制出了兆瓦級機組的控制工程。在變頻器方面，東方自控、合肥陽光、清能華福、科諾偉業等一批企業也異軍突起，開發出了大功率雙饋及直驅機型的變頻器，產品已有小批量在風場投運，呈獻出可喜的發展勢頭。
隨著國內企業所開發風機容量越來越大，風機控制技術必須不斷發展才能滿足這一要求，如葉片的驅動和控制技術、如更大容量的變頻器開發，都是必須不斷解決的新的課題，這里不進行詳細闡述。當前，由于風力發電機組在我國電網中所占比例越來越大，風力發電方式的電網兼容性較差的問題也逐漸暴露出來，同時用戶對不同風場、不同型號風機之間的聯網要求也越來越高，這也對風機控制工程提出了新的任務。
（1）采用統一和開放的協議以實現不同風場、不同廠家和型號的風機之間的方便互聯。目前，風機投資用戶和電網調度中心對廣布于不同地域的風場之間的聯網要求越來越迫切，雖然各個風機制造廠家都提供了一定的手段實現風機互連，但是由于采用的方案不同，不同廠家的風機進行互聯時還是會有很多問題存在，實施起來難度較大。因此，實現不同風機之間的方便互聯是一個亟待解決的重要課題。
（2）需要進一步提高低電壓穿越運行能力（LVRT）。風力發電機組，尤其是雙饋型風機，抵抗電網電壓跌落的能力本身較差。當發生電網電壓跌落時，從前的做法是讓風機從電網切出。當風機在電網中所占比例較小時，這種做法對電網的影響還可以忽略不計。但是，隨著在網運行風機的數量越來越大，尤其是在風力發電集中的地區，如國家規劃建設的六個千萬千瓦風電基地，這種做法會對電網造成嚴重影響，甚至可能進一步擴大事故。歐洲很多國家，如德國、西班牙、丹麥等國家，早就出臺了相關標準，要求在這種情況下風機能保持在網運行以支撐電網。風機具有的這種能力稱為低電壓穿越運行能力（LVRT），有的國家甚至要求當電網電壓跌落至零時還能保持在網運行。我國也于今年8月由國家電網公司出臺了《風電場接入電網技術規定》，其中規定了我國自己的低電壓穿越技術要求，明確要求風電機組在并網點電壓跌落至20%額定電壓時能夠保持并網運行625ms、當跌落發生3s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電機組保持并網運行的低電壓穿越運行要求。應該說，這還只是一個初步的、相對較低的運行要求。在今后可能還會出臺更為嚴格的上網限制措施。這些要求的實現，主要靠控制工程中變頻器算法及結構的改善，當然和主控和變槳工程也有密切聯系。
（3）實現在功率預估條件下的風電場有功及無功功率自動控制。目前，風電機組都是運行在不調節的方式，也就是說，有多少風、發多少電，這在風電所占比例較小的情況下也沒有多大問題。但是，隨著風電上網電量的大幅度增加，在用電低谷段往往是風機出力最大的時段，造成電網調峰異常困難，電網頻率、電壓均易出現較大波動。當前，電網對這一問題已相當重視，要求開展建設風電場功率預測工程和風電出力自動控制工程，實現在功率預測基礎上的有功功率和無功功率控制能力。事際上，這個工程的建設不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技術問題。但是，無論如何說，序幕已經拉開。
發展展望
從上面的敘述中可以看出，控制工程作為風電機組中最關鍵的核心零部件，目前仍是國內風電設備制造業中最薄弱的環節，也是國內目前唯一沒有實現批量國產化的部件，其主要原因在第二部分中已經分析過。但是，我們也看到，以東方自控為代表的國內一些企業，已經在包括變頻器在內的控制工程的自主研發方面邁出了重要的步伐，取得了很多成果。因此，預計再經過兩到三年時間，將可實現風機控制工程的全面國產化配套，并具備如海上風機等更大型風電機組控制工程的自主研發能力，這樣，風機國產化的最后一個瓶頸也將被
摘要：選擇適合低風速的NACA63系列翼型，通過一定的成型方法，構造出完全對稱的S型葉片。以三維雷諾平均Navier-Stokes方程為基礎，應用正交優化方法，對S型葉片的葉型安裝角沿徑向的分布規律進行了正交優化設計。在滿足風量、風壓要求及葉片數較少、弦長較小的前提下，獲得了最高的流動效率，取得了良好的設計效果。
關鍵詞：可逆風機；S型葉片；三維正交優化設計
0引言
在很多場合下，如地鐵、礦山和隧道等地下工程，對風機反向運行的氣動性能與正向要求相當。在日常通風時風機正轉，要求風機具有較高的氣動效率和較低的噪聲；而在火災等緊急情況下風機反轉，為了及時排出有毒有害氣體，保護旅客或施工人員的生命安全，要求風機必須具有較大的風量和風壓。
近十年來，國內不少學者對可逆風機開展過研究，S型葉片是可逆風機中比較常用的一種葉片，這種雙向對稱翼型使得風機具有完全相同的正反向氣動性能，文獻[1-2]對S形葉片進行了研究，取得了良好的效果，文獻[3]對完全可逆的S型葉片上下游設置安裝角度為90°的完全對稱翼型的前后導葉，從而提高了氣動性能。
然而，由于這類風機的應用量大面廣，企業間的無序競爭導致相關產品利潤空間非常小。在保證流動效率的前提下，簡化機械結構，控制葉片數量與葉片弦長，成了降低制造成本、提高產品利潤的關鍵。本文正是應某企業委托，在提高一定氣動性能的前提下，將原φ2000的可逆風機，由14個葉片、320～340mm弦長改為12個葉片、280mm弦長。
1流場仿真與數值試驗
在圓柱坐標系（r，θ，x）下，有限體積的三維雷諾平均Navier-Stokes方程，詳見文獻[4]。
2S型葉片構造、基本翼型選擇、弦長及葉片數的比較
2.1 S翼型構造方法[5]
本設計是在文獻[5]的基礎進行的，文獻[5]利用一種NACA4系列翼型見圖1，其弦長為b，最大厚度T/b＝0.075，最大拱度δ為0.025，最大拱度位置a/b=0.5。
對圖1所示的NACA4系列翼型，把后半部分擦掉，將前半部分葉型繞O點（水平方向中線與垂直方向中線的交點）旋轉180°，可以得到圖2所示的基本S型翼型。
文獻[5]的研究表明，圖2所示的基本S型翼型在做功能力等方面不能滿足實際設計的需要，因此，文獻[5]提出了將上述S型翼型疊加在一條“~”型的母線上，經過優化母線形狀，得到圖3所示的S型翼型。
2.2 基本翼型選擇
根據常規可逆風機的特點，流速通常相對較低，相比NACA4系列，NACA63系列翼型應該具有更大的優勢，因此，應用與文獻[5]相同的方法，我們構造出基于NACA63系列翼型的新的S型翼型。經過數十個典型工況的數值模擬及分析與比較，發現在設計工況下，基于NACA63系列翼型的S型葉片比基于NACA4系列翼型的S型葉片，全壓效率高2%～5%。
2.3 弦長及葉片數的比較
對上述以NACA63系列基本翼型構成的S型葉片，在合適的葉片幾何安裝角條件下，研究弦長分別為260mm、270mm、280mm、290mm、300mm、310mm、320mm，葉片數分別為8、9、10、11、12、13、14時的風量、全壓及全壓效率，結果表明弦長過小或葉片數過少時很難保證風量與全壓，弦長較長而葉片數較多時，全壓與風量都比較容易滿足，但風機制造成本較大。為了保證風量與全壓，又兼顧制造成本，最后選取了弦長280mm，12個葉片數作為該風機設計的基本參數。
3 目標函數
根據委托方的要求，該風機輪轂比為0.4，外徑為1000mm。在S型翼型、弦長及葉片數確定后，給出了如下的優化目標函數：
N為根部到頂部選取的截面數，βi為i截面處的安裝角，η為效率，G為風量，p2為風壓。
4 正交優化方法
在風量及全壓滿足的條件下，葉片弦長及葉片數等給定，影響全壓效率的參數主要是葉片的安裝角沿徑向的分布。沿徑向取N個截面，根據速度三角形，初步決定每個截面上翼型的安裝角，對于這樣一個優化問題，有N個優化參數，用華羅庚教授提出的優選法（正交設計是最為簡單、方便、有效的一種，采用正交優化思想，可以通過為數不多的實驗，經過綜合整理，得到全局最優解，能夠大量減少實驗次數。具體的正交設計思想可以參見文獻[6]，這里就不再描述。
對每個影響效率的參數，分別在其對應的選值范圍內，等間距分成N-1個水平，對本文這種情況，要是每個參數的各種水平之間一一搭配，全部實驗，共需要（N-1）N次實驗，才能找到一組最佳組合。但如果采用L（N-1）×（N-1）[（N-1）N]正交表，只要經過（N-1）×（N-1）次實驗，就可以獲得最佳的解，正交表的具體形式參見文獻[6]。
第一次優化的選值范圍較大，通常還需要對參數范圍細化。在上面得到的最佳搭配附近的一定區間，用同樣的方法，再分成N-1個水平，再進行（N-1）×（N-1）次數值實驗，可以獲得更佳的搭配。經過兩次細化，就可以獲得滿足實際需要的最優解。
5設計結果與討論
利用上述正交優化方法，得到了滿足流量及風壓要求，且葉片數僅為12個、弦長280mm的風機葉片，其全壓效率高達到91%，結果見表1，圖4給出了優化設計出來的風機轉子三維造型圖。
電機的支撐板選8個，制作成平板翼型，軸向安裝在流道的下游，相當于該風機的出口導葉，由于空間的限制，進口不安裝導葉，因此，在氣動設計時，一定要保證氣流的軸向進氣。當風機反轉時，軸向的電機支撐板相當于進口導葉，由于轉子葉片采用了完全對稱的S型葉片，經計算分析，正轉與反轉的氣動性能相當。
圖5～圖7分別給出了展向15%、50%、85%處葉片表面上的壓力分布，可以看出三個截面具有相似的壓力分布，且都在弦向位置大概70%以前做正功，即空氣被增壓，正是這70%做正功的葉片，才保證了風機的風壓要求得到滿足；大概70%弦向位置以后做負功，即空氣膨脹，對于這種S型風機葉片，由于對正向與反向進氣的要求完全相同，只有近尾緣處做負功，才能保證反向運行時該段由尾緣變成前緣后具有很好的做功能力。
圖8～圖10分別給出了展向15%、50%、85%截面處的速度矢量圖。應該講，對于這種S型葉片，尤其是近尾緣的壓力面，由于“凸”弧的存在，要保證從根部到頂部，沒有流動分離，還是有一定的難度。本設計經過優化，最后獲得的葉片從根部到頂部都不存在哪怕是很小的流動分離區。這也是為什么盡管葉片上有30%的部分做負功，但由于沒有流動分離，流動效率還是能夠保持很高的原因。
6 結論
通過本文的設計，得到如下結論：
�。�1） NACA63系列翼型作為常規風機設計的基礎翼型，是非常有效的；
�。�2） 在弦長相對較短、葉片數相對較少時，通過優化葉片安裝角沿葉高的分布，可以得到風量、風壓滿足要求，流動效率高的通流部分。
參考文獻
［1］鐘方源，楊波，歐陽華．可逆式軸流風機葉片設計新方案的探討[J]．流體機械，2000，28（12）:13-17.
［2］席德科，張仲寅，陸森林，等．可逆風機葉片的翼型研究[J].機械科學與技術，1999，18（4）:628-630.
［3］李景銀，陳魏巍，呂峰.帶有前后導葉的新型可逆軸流風機數值研究[J].機械工程學報，2010，46（2）:139-144.
［4］黃典貴.蒸汽透平全三維粘性流場計算[J].熱能動力工程，1998，13（6）：444－446.
［5］黃典貴.S型葉片可逆式軸流風機的全三維優化設計[J].機械工程學報，2005，41（12）:182-185.
［6］北京大學數學力學系數學專業概率統計組.正交設計——一種安排多因素試驗的數學方法[M].北京:人民教育出版社，1976.
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從未來的發展形勢來看，風電產業至少將有十多年的黃金發展期。從世界范圍來看，美國、德國等工業發達國家為解決能源短缺和環境污染問題，都將大規模發展風力發電作為主要解決方案。在我國，情況也是如此。2008年底，1215萬千瓦的風電裝機容量占我國電力總裝機容量的比例還僅為1.5%，預計到2020年這一比例將達到10%左右，即到2020年風電裝機容量將達到1.4億千瓦這樣的水平，這是十分可觀的數字。這表明，從宏觀形勢來看，風電行業大發展的高潮確實已經到來。
風機控制工程的發展現狀
風機的控制工程是風機的重要組成部分，它承擔著風機監控、自動調節、實現最大風能捕獲以及保證良好的電網兼容性等重要任務，它主要由監控工程、主控工程、變槳控制工程以及變頻工程（變頻器）幾部分組成。各部分的主要功能如下：
監控工程（SCADA）：監控工程實現對全風場風機狀況的監視與啟、停操作，它包括大型監控軟件及完善的通訊網絡。
主控工程：主控工程是風機控制工程的主體，它實現自動啟動、自動調向、自動調速、自動并網、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監控等重要控制、保護功能。它對外的三個主要接口工程就是監控工程、變槳控制工程以及變頻工程（變頻器），它與監控工程接口完成風機實時數據及統計數據的交換，與變槳控制工程接口完成對葉片的控制，實現最大風能捕獲以及恒速運行，與變頻工程（變頻器）接口實現對有功功率以及無功功率的自動調節。
變槳控制工程：與主控工程配合，通過對葉片節距角的控制，實現最大風能捕獲以及恒速運行，提高了風力發電機組的運行靈活性。目前來看，變槳控制工程的葉片驅動有液壓和電氣兩種方式，電氣驅動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來形成的技術路線及傳統。
變頻工程（變頻）器：與主控制工程接口，和發電機、電網連接，直接承擔著保證供電品質、提高功率因素，滿足電網兼容性標準等重要作用。
從我國目前的情況來看，風機控制工程的上述各個組成部分的自主配套規模還相當不如人意，到目前為止對國外品牌的依賴仍然較大，仍是風電設備制造業中最薄弱的環節。而風機其它部件，包括葉片、齒輪箱、發電機、軸承等核心部件已基本實現國產化配套（盡管質量水平及運行狀況還不能令人滿意），之所以如此，原因主要有：
（1）我國在這一技術領域的起步較晚，尤其是對兆瓦級以上大功率機組變速恒頻控制技術的研究，更是最近幾年的事情，這比風機技術先進國家要落后二十年時間。前已述及，我國風電制造產業是從2005年開始的最近四年才得到快速發展的，國內主要風機制造廠家為了快速搶占市場，都致力于擴大生產規模，無力對控制工程這樣的技術含量較高的產品進行自主開發，因此多直接從MITA、Windtec等國外公司采購產品或引進技術。
（2）就風機控制工程本身的要求來看，確有它的特殊性和復雜性。從硬件來講，風機控制工程隨風機一起安裝在接近自然的環境中，工作有較大振動、大范圍的溫度變化、強電磁干擾這樣的復雜條件下，因此其硬件要求比一般工程要高得多。從軟件來講，風機要實現完全的自動控制，必須有一套與之相適應的完善的控制軟件。主控工程、變槳工程和變頻器需要協同工作才能實現在較低風速下的最大風能捕獲、在中等風速下的定轉速以及在較大風速下的恒頻、恒功運行，這需要在這幾大部件中有一套先進、復雜的控制算法。國內企業要完全自主掌握確實需要一定時間。
（3）風機控制工程是與風機特性高度結合的工程，包括主控、變槳和變頻器在內的控制軟件不僅算法復雜，而且其各項參數的設定與風機本身聯系緊密，風機控制工程的任務不僅僅是實現對風機的高度自動化監控以及向電網供電，而且還必須通過合適的控制實現風能捕獲的最大化和載荷的最小化，一般的自動化企業即使能研制出樣機，也很難得到驗證，推廣就更加困難。而中小規模的風機制造商又無力進行這樣的開發。
即便如此，國內企業通過這幾年的努力，已經在控制工程主要部件的開發上取得了積極進展，已基本形成了自主的技術開發能力，所欠缺的主要是產品的大規模投運業績以及技術和經驗積累。比如，作為風機控制工程中技術含量最高的主控工程和變頻器，國內企業在自主開發上已取得重要進展。東方自控經過幾年的努力，已成功開發出DWS5000風機控制工程，并已完成各種測試及風機運行驗證，實現了規�；a，基本形成了自主開發能力。科諾偉業也研制出了兆瓦級機組的控制工程。在變頻器方面，東方自控、合肥陽光、清能華福、科諾偉業等一批企業也異軍突起，開發出了大功率雙饋及直驅機型的變頻器，產品已有小批量在風場投運，呈獻出可喜的發展勢頭。
隨著國內企業所開發風機容量越來越大，風機控制技術必須不斷發展才能滿足這一要求，如葉片的驅動和控制技術、如更大容量的變頻器開發，都是必須不斷解決的新的課題，這里不進行詳細闡述。當前，由于風力發電機組在我國電網中所占比例越來越大，風力發電方式的電網兼容性較差的問題也逐漸暴露出來，同時用戶對不同風場、不同型號風機之間的聯網要求也越來越高，這也對風機控制工程提出了新的任務。
（1）采用統一和開放的協議以實現不同風場、不同廠家和型號的風機之間的方便互聯。目前，風機投資用戶和電網調度中心對廣布于不同地域的風場之間的聯網要求越來越迫切，雖然各個風機制造廠家都提供了一定的手段實現風機互連，但是由于采用的方案不同，不同廠家的風機進行互聯時還是會有很多問題存在，實施起來難度較大。因此，實現不同風機之間的方便互聯是一個亟待解決的重要課題。
（2）需要進一步提高低電壓穿越運行能力（LVRT）。風力發電機組，尤其是雙饋型風機，抵抗電網電壓跌落的能力本身較差。當發生電網電壓跌落時，從前的做法是讓風機從電網切出。當風機在電網中所占比例較小時，這種做法對電網的影響還可以忽略不計。但是，隨著在網運行風機的數量越來越大，尤其是在風力發電集中的地區，如國家規劃建設的六個千萬千瓦風電基地，這種做法會對電網造成嚴重影響，甚至可能進一步擴大事故。歐洲很多國家，如德國、西班牙、丹麥等國家，早就出臺了相關標準，要求在這種情況下風機能保持在網運行以支撐電網。風機具有的這種能力稱為低電壓穿越運行能力（LVRT），有的國家甚至要求當電網電壓跌落至零時還能保持在網運行。我國也于今年8月由國家電網公司出臺了《風電場接入電網技術規定》，其中規定了我國自己的低電壓穿越技術要求，明確要求風電機組在并網點電壓跌落至20%額定電壓時能夠保持并網運行625ms、當跌落發生3s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電機組保持并網運行的低電壓穿越運行要求。應該說，這還只是一個初步的、相對較低的運行要求。在今后可能還會出臺更為嚴格的上網限制措施。這些要求的實現，主要靠控制工程中變頻器算法及結構的改善，當然和主控和變槳工程也有密切聯系。
（3）實現在功率預估條件下的風電場有功及無功功率自動控制。目前，風電機組都是運行在不調節的方式，也就是說，有多少風、發多少電，這在風電所占比例較小的情況下也沒有多大問題。但是，隨著風電上網電量的大幅度增加，在用電低谷段往往是風機出力最大的時段，造成電網調峰異常困難，電網頻率、電壓均易出現較大波動。當前，電網對這一問題已相當重視，要求開展建設風電場功率預測工程和風電出力自動控制工程，實現在功率預測基礎上的有功功率和無功功率控制能力。事際上，這個工程的建設不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技術問題。但是，無論如何說，序幕已經拉開。
發展展望
從上面的敘述中可以看出，控制工程作為風電機組中最關鍵的核心零部件，目前仍是國內風電設備制造業中最薄弱的環節，也是國內目前唯一沒有實現批量國產化的部件，其主要原因在第二部分中已經分析過。但是，我們也看到，以東方自控為代表的國內一些企業，已經在包括變頻器在內的控制工程的自主研發方面邁出了重要的步伐，取得了很多成果。因此，預計再經過兩到三年時間，將可實現風機控制工程的全面國產化配套，并具備如海上風機等更大型風電機組控制工程的自主研發能力，這樣，風機國產化的最后一個瓶頸也將被
摘要：選擇適合低風速的NACA63系列翼型，通過一定的成型方法，構造出完全對稱的S型葉片。以三維雷諾平均Navier-Stokes方程為基礎，應用正交優化方法，對S型葉片的葉型安裝角沿徑向的分布規律進行了正交優化設計。在滿足風量、風壓要求及葉片數較少、弦長較小的前提下，獲得了最高的流動效率，取得了良好的設計效果。
關鍵詞：可逆風機；S型葉片；三維正交優化設計
0引言
在很多場合下，如地鐵、礦山和隧道等地下工程，對風機反向運行的氣動性能與正向要求相當。在日常通風時風機正轉，要求風機具有較高的氣動效率和較低的噪聲；而在火災等緊急情況下風機反轉，為了及時排出有毒有害氣體，保護旅客或施工人員的生命安全，要求風機必須具有較大的風量和風壓。
近十年來，國內不少學者對可逆風機開展過研究，S型葉片是可逆風機中比較常用的一種葉片，這種雙向對稱翼型使得風機具有完全相同的正反向氣動性能，文獻[1-2]對S形葉片進行了研究，取得了良好的效果，文獻[3]對完全可逆的S型葉片上下游設置安裝角度為90°的完全對稱翼型的前后導葉，從而提高了氣動性能。
然而，由于這類風機的應用量大面廣，企業間的無序競爭導致相關產品利潤空間非常小。在保證流動效率的前提下，簡化機械結構，控制葉片數量與葉片弦長，成了降低制造成本、提高產品利潤的關鍵。本文正是應某企業委托，在提高一定氣動性能的前提下，將原φ2000的可逆風機，由14個葉片、320～340mm弦長改為12個葉片、280mm弦長。
1流場仿真與數值試驗
在圓柱坐標系（r，θ，x）下，有限體積的三維雷諾平均Navier-Stokes方程，詳見文獻[4]。
2S型葉片構造、基本翼型選擇、弦長及葉片數的比較
2.1 S翼型構造方法[5]
本設計是在文獻[5]的基礎進行的，文獻[5]利用一種NACA4系列翼型見圖1，其弦長為b，最大厚度T/b＝0.075，最大拱度δ為0.025，最大拱度位置a/b=0.5。
對圖1所示的NACA4系列翼型，把后半部分擦掉，將前半部分葉型繞O點（水平方向中線與垂直方向中線的交點）旋轉180°，可以得到圖2所示的基本S型翼型。
文獻[5]的研究表明，圖2所示的基本S型翼型在做功能力等方面不能滿足實際設計的需要，因此，文獻[5]提出了將上述S型翼型疊加在一條“~”型的母線上，經過優化母線形狀，得到圖3所示的S型翼型。
2.2 基本翼型選擇
根據常規可逆風機的特點，流速通常相對較低，相比NACA4系列，NACA63系列翼型應該具有更大的優勢，因此，應用與文獻[5]相同的方法，我們構造出基于NACA63系列翼型的新的S型翼型。經過數十個典型工況的數值模擬及分析與比較，發現在設計工況下，基于NACA63系列翼型的S型葉片比基于NACA4系列翼型的S型葉片，全壓效率高2%～5%。
2.3 弦長及葉片數的比較
對上述以NACA63系列基本翼型構成的S型葉片，在合適的葉片幾何安裝角條件下，研究弦長分別為260mm、270mm、280mm、290mm、300mm、310mm、320mm，葉片數分別為8、9、10、11、12、13、14時的風量、全壓及全壓效率，結果表明弦長過小或葉片數過少時很難保證風量與全壓，弦長較長而葉片數較多時，全壓與風量都比較容易滿足，但風機制造成本較大。為了保證風量與全壓，又兼顧制造成本，最后選取了弦長280mm，12個葉片數作為該風機設計的基本參數。
3 目標函數
根據委托方的要求，該風機輪轂比為0.4，外徑為1000mm。在S型翼型、弦長及葉片數確定后，給出了如下的優化目標函數：
N為根部到頂部選取的截面數，βi為i截面處的安裝角，η為效率，G為風量，p2為風壓。
4 正交優化方法
在風量及全壓滿足的條件下，葉片弦長及葉片數等給定，影響全壓效率的參數主要是葉片的安裝角沿徑向的分布。沿徑向取N個截面，根據速度三角形，初步決定每個截面上翼型的安裝角，對于這樣一個優化問題，有N個優化參數，用華羅庚教授提出的優選法（正交設計是最為簡單、方便、有效的一種，采用正交優化思想，可以通過為數不多的實驗，經過綜合整理，得到全局最優解，能夠大量減少實驗次數。具體的正交設計思想可以參見文獻[6]，這里就不再描述。
對每個影響效率的參數，分別在其對應的選值范圍內，等間距分成N-1個水平，對本文這種情況，要是每個參數的各種水平之間一一搭配，全部實驗，共需要（N-1）N次實驗，才能找到一組最佳組合。但如果采用L（N-1）×（N-1）[（N-1）N]正交表，只要經過（N-1）×（N-1）次實驗，就可以獲得最佳的解，正交表的具體形式參見文獻[6]。
第一次優化的選值范圍較大，通常還需要對參數范圍細化。在上面得到的最佳搭配附近的一定區間，用同樣的方法，再分成N-1個水平，再進行（N-1）×（N-1）次數值實驗，可以獲得更佳的搭配。經過兩次細化，就可以獲得滿足實際需要的最優解。
5設計結果與討論
利用上述正交優化方法，得到了滿足流量及風壓要求，且葉片數僅為12個、弦長280mm的風機葉片，其全壓效率高達到91%，結果見表1，圖4給出了優化設計出來的風機轉子三維造型圖。
電機的支撐板選8個，制作成平板翼型，軸向安裝在流道的下游，相當于該風機的出口導葉，由于空間的限制，進口不安裝導葉，因此，在氣動設計時，一定要保證氣流的軸向進氣。當風機反轉時，軸向的電機支撐板相當于進口導葉，由于轉子葉片采用了完全對稱的S型葉片，經計算分析，正轉與反轉的氣動性能相當。
圖5～圖7分別給出了展向15%、50%、85%處葉片表面上的壓力分布，可以看出三個截面具有相似的壓力分布，且都在弦向位置大概70%以前做正功，即空氣被增壓，正是這70%做正功的葉片，才保證了風機的風壓要求得到滿足；大概70%弦向位置以后做負功，即空氣膨脹，對于這種S型風機葉片，由于對正向與反向進氣的要求完全相同，只有近尾緣處做負功，才能保證反向運行時該段由尾緣變成前緣后具有很好的做功能力。
圖8～圖10分別給出了展向15%、50%、85%截面處的速度矢量圖。應該講，對于這種S型葉片，尤其是近尾緣的壓力面，由于“凸”弧的存在，要保證從根部到頂部，沒有流動分離，還是有一定的難度。本設計經過優化，最后獲得的葉片從根部到頂部都不存在哪怕是很小的流動分離區。這也是為什么盡管葉片上有30%的部分做負功，但由于沒有流動分離，流動效率還是能夠保持很高的原因。
6 結論
通過本文的設計，得到如下結論：
�。�1） NACA63系列翼型作為常規風機設計的基礎翼型，是非常有效的；
�。�2） 在弦長相對較短、葉片數相對較少時，通過優化葉片安裝角沿葉高的分布，可以得到風量、風壓滿足要求，流動效率高的通流部分。
參考文獻
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［2］席德科，張仲寅，陸森林，等．可逆風機葉片的翼型研究[J].機械科學與技術，1999，18（4）:628-630.
［3］李景銀，陳魏巍，呂峰.帶有前后導葉的新型可逆軸流風機數值研究[J].機械工程學報，2010，46（2）:139-144.
［4］黃典貴.蒸汽透平全三維粘性流場計算[J].熱能動力工程，1998，13（6）：444－446.
［5］黃典貴.S型葉片可逆式軸流風機的全三維優化設計[J].機械工程學報，2005，41（12）:182-185.
［6］北京大學數學力學系數學專業概率統計組.正交設計——一種安排多因素試驗的數學方法[M].北京:人民教育出版社，1976.
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