通風降溫方案_涉足風機葉片 金風科技提高零部件自給率基于雙頭反

   近日，金風科技發布公告稱，公司將以不超過2億元人民幣的價格向協鑫集團收購協鑫江蘇85%股權和協鑫錫林25%股權，并向上海國能投資收購協鑫江蘇15%股權，此項收購完成后，公司將持有協鑫江蘇和協鑫錫林100%的股權。據悉，協鑫江蘇和協鑫錫林主要生產、組裝和銷售1.5兆瓦及以上風機葉片。

    中投顧問高級研究員李勝茂指出，當前國內主要風機企業都在積極完善自身的風機業務，提高風機關鍵零部件的自給率，此次金風科技進軍風電葉片領域正是這一戰略的具體體現。近年來，與華銳風電相比，金風科技的最大短板在于其風電整機的關鍵零部件的自給率相對較低，這一方面推高了其采購成本，攤薄了風電整機業務的利潤率；另一方面也不利于增強其對風電整機產品的質量控制能力。

    風機葉片是風力發電機組最重要的零部件之一，造價高昂，金風科技如果能夠在該領域內取得突破，那么其市場競爭力將得到顯著增強。一方面，實現風機和關鍵零部件一體化設計和制造，是目前業內最優的運營模式。當前世界風機設備企業中最具實力的幾大國際巨頭，均是風電整機關鍵零部件自給率較高的企業，它們大多采用風機和關鍵零部件同步設計制造的方式，這就最大限度的保證了所產風電整機的專業性。

    另一方面，金風科技一旦能夠實現風電葉片的大規模自產，那么其成本控制能力會得到顯著提升。當前國內風電葉片行業的利潤率非常高，而很長一段時間內，金風科技都需要向中復聯眾和LM采購風電葉片，將大量的利潤貢獻給了這些企業。如果通過此次股權收購，金風科技能夠實現風電葉片的自給，那么該領域內的利潤就不會外溢,負壓風機報價，公司的利潤率將得到顯著提升。

    中投顧問最近發布的《2010-2016年中國風力發電行業投資分析及前景預測報告》指出，金風科技能否助推協鑫江蘇和協鑫錫林這兩家企業在風電葉片領域內獲得長足發展也還具有較大的不確定性。隨著國內風機單機容量大型化的趨勢越來越明顯，市場上主流的風電葉片也必然會越來越長，這就對風電葉片企業的研發實力提出了更高的要求，如果這兩家風電葉片生產企業在相關技術方面不能做到迅速提升，那么未來其主營業務可能會出現萎縮。

    中投顧問研究總監張硯霖認為，近年來國內風機的市場價格下降很快，如果風機企業生產成本的下降幅度不能與之合拍，那么將很快會被擠出市場。2008年以來，國內風機的價格保持著每年1000元/千瓦的下降幅度，這給國內風機企業在成本控制方面帶來了巨大的壓力，近期金風科技加速在風機關鍵零部件領域內進行布局，正是發生在這一背景下。

摘要：選用由 Clark Y 翼型構成的雙頭反對稱翼型,車間降溫風機，在不同的攻角取值下得到不同的平面葉柵，并對這些平面葉柵進行數值模擬。數值計算結果表明，攻角的增大導致翼背漩渦的增大，而正是這些漩渦的作用，促使流過平面葉柵的氣流發生折轉。通過分析計算，得到了攻角取值與氣流折轉角的關系圖，并由此找到了符合設計要求的攻角取值。

關鍵詞：雙頭反對稱翼型；平面葉柵；漩渦；攻角

中圖分類號：TH432.1 　　　文獻標識碼： B

Study on Design Method for Cascade Based on Double-head Reverse Symmetric Airfoil

Abstract : A series of plane cascades based on double-head reverse symmetric airfoil transformed from Clark Y are obtained with different angles of attack, and the cascade flows are simulated using numerical method. Numerical results show that attack angle with increasing value leads to expand eddy on the pressure surface of airfoil, which makes the deflection of the flow through cascade. The graph of the relation between attack angle and deflection angle are gained through analyzing and computing, and therefore the value of attack angle satisfying the designing requirement is produced.

Key words: double-head reverse symmetric airfoil ； plane cascade ； eddy ； attack angle

0　 引言

　　雙向可逆軸流通風機又稱正反轉軸流通風機，廣泛運用于礦山、隧道、地鐵和地下工程等，在日常通風時風機正轉，特殊場合還需要完全的反風能力。為了使風機獲得優良的反風性能，雙頭反對稱翼型可作為一種合理的選擇，文獻[1]構造了兩種雙頭反對稱翼型，并通過試驗證明雙向反對稱翼型的選用能滿足雙向可逆風機的正反轉通風要求。平面葉柵設計的關鍵在于攻角的選取，而當選用雙頭反對稱翼型進行平面葉柵設計時，攻角的選取是一個非常特殊的問題，它不同于常規翼型的單向風機，往往需要較大的攻角取值才能滿足加功量需求。然而現在很少有對于上述問題的研究，因此，本文利用 FLUENT 這款 CFD 軟件在風機設計中的顯著優勢 [2] ，通過大量的數值模擬實驗和數據分析，以期尋求合適的攻角來滿足雙向可逆風機的正反轉通風要求。

1　 試驗背景與葉片成型

　　在以正反向全壓p1 、p2 為1kPa；正反向風量qv1、qv2為60m3/s；額定功率P≤100kW為設計條件的設計過程中，選取均徑處的平面葉柵作為試驗對象來研究最佳攻角的選取。通過設計計算得到葉片的設計弦長b為24.42cm，采用文獻[3]中S型翼型成型的方法，以ClarkY葉型作為構造母體，以設計弦長b為葉片弦長得到了如圖1的雙頭反對稱翼型。文獻[4]已對該翼型性能作了一定的研究，本文將在此直接使用。

2 　　控制方程與湍流模型

　　風機中氣流是在較低的馬赫數下流動，本例中約為0.2馬赫數，故完全可作為不可壓流動，其控制方程為

       

3 　數值計算及結果分析

　　為尋找合適攻角，依次取攻角i等于0°,4°,8°,10°,12°,14°,16°,18°,20°,24°。在每個攻角取值下得到對應的平面葉柵，再對每個葉柵進行數值模擬。計算中，所有平面葉柵采用類似的計算區域，計算區域設成四邊形區域， 前部邊界距翼型頭部1倍弦長，后部邊界距翼型頭部3倍弦長，上下邊界為葉柵通道內一對相互平行且相距為一個柵距的平行線。

　　由于結構化網格具有生產速度快、質量好的優點，故計算采用結構化網格劃分。每個攻角取值對應的平面葉柵采用類似的網格劃分，為了使葉型表面有較好的正交性，采用了分塊劃分，得到了比較理想的網格。攻角等于18°時翼型頭部附近網格劃分見圖2。

   

　　計算時進口邊界設為速度進口，出口邊界設為壓力出口，上下邊界設為周期性邊界，翼型上下表面設為無滑移固體壁面條件。初始條件與設計時的初始條件相同，進口速度為葉柵進口相對速度，其方向與額線方向成19.18°（進氣角β１），大小為 76.90m/s ；出口靜壓為一個大氣壓。計算中認為殘差小于10 -4 ，且進口和出口邊界的出入質量流量差小于 0.5%時計算結果收斂。

　　通過模擬計算得到了以上各攻角取值對應的平面葉柵的流場。圖3列出了攻角i=4°，i=12°，i=20°時的渦量等值線圖和速度矢量圖。

   

　　從上面的兩組圖中看到，翼型表面部分區域出現了分離。攻角較小時僅翼型背面靠近尾部區域出現較小的漩渦，隨著攻角的不斷增大，漩渦不斷增大，從翼背尾部逐漸擴散到整個翼背，最后導致漩渦占據了平面葉柵通道中的大塊區域。

　　對出口邊界上各點處沿葉柵額線方向的速度分量按動量平均，對各點處垂直于葉柵額線方向的速度分量按質量流量平均，得到了兩個速度平均值。前者可作為葉柵出口相對速度的切向分速度ω2u 值；后者可作為葉柵出口相對速度的軸向分速度ω2a 值。圖4給出了各攻角取值時ω2u 的值。從圖中看到，隨著攻角取值的增大，ω2u不斷減小，即△ωu與△cu不斷增加。其原因和上面提到的翼背表面不斷擴大的漩渦有關，漩渦的擴大促使翼背尾部氣流進一步往翼型下表面一側折轉，從而使得出口ω2u 減小。

　　通過計算、插值、繪圖得到了一定范圍內攻角i和氣流折轉角Δβ的關系圖，見圖5。在軸流通風機中，Δβ是影響葉輪對氣體做功大小的重要因素，在其他條件不變的情況下，增大Δβ可增加葉輪對氣體的做功量 [5] 。從圖5可知,負壓風機維修，要增加 Δβ以提升葉輪做功量，需增大攻角到較大的數值。設計時可通過圖5選取攻角以確定平面葉柵。

 

4　　 結論

　�。�1）攻角的增大，使得平面葉柵中翼背表面分離加劇，漩渦從翼背尾部逐漸擴散到整個翼背，而正是該漩渦的作用，使出口氣流發生偏轉。

　　（2）模擬計算表明，攻角i的增大，使得出口ω2u 減小，而氣流折轉角Δβ增加。在本例中，設計需要ω2u 值為 58.98m/s ，此時的理論Δβ值為4.01°，由圖4或圖5可知，攻角為18°時能滿足設計需要，根據此攻角可得到設計需要的平面葉柵。

　�。�3）通過數值計算和分析方法，得到一定葉柵的平面葉柵正常特性曲線。

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