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孙如林:从旋翼到风轮

2012-09-05 来源:《风能》 浏览数:1518

  旋翼和风轮, 这两种分别运用在直升机和风电机组上的空气动力产生装置,组成了孙如林一生的学习、研究、工作线索。虽然他们时常交织一处,又偶尔各有偏重, 但沿着这条脉络我们可以清晰地管窥到,风电技术是如何从军工惠泽于民用,由保护家园向造福人类蜕变的。

  接触风电事业
  将孙如林的注意力,从平行地面旋转的直升机旋翼和桨叶,引入到垂直地面旋转的风电机组风轮和叶片上的一次“标志性事件”,是1978 年,福建省电力局想用直升机退役旋翼桨叶改为风电机组风轮叶片。
  彼时的孙如林正在中国直升机设计研究所(以下简称中国直升机所)总师系统办公室任副总师。按矩阵管理模式,纵向分工负责预先性课题研究,即预研总师;横向按专业能力负责直升机旋翼系统技术把关。
  1978 年以前,我国还难以自主研制专用于风电机组的叶片,因此,福建省电力局研制FD21- 55 千瓦风电机组时,希望能够利用直升机退役桨叶改为叶片,这项任务由中国直升机所承担。
 作为国家“六五”科技计划科研项目的FD21-55 千瓦风电机组于1982 年5月在福建平潭风力发电试验站并网运行成功。这款机组由福建省电力中心实验所、福建省机械研究所等单位联合设计,福州发电设备厂完成样机试制。该机组最明显的特征是高16.2 米的水泥制塔架,另一明显的特征是叶片。它的风轮为水平轴下风向布置,自动调速调向。叶片采用直- 5 型直升机退役桨叶,并由孙如林通过计算,将风轮直径由21 米改为18 米。
  “实验结果是可以发电,但是Cp 值很低,只有0.22。因为直升机旋翼是受发动机驱动旋转产生需要的气动力,而风轮是吸收风能而旋转带动发电机旋转。从轴向动量理论看,气流穿过旋翼后是收敛的,而风轮是发散的,所以选用直升机桨叶做风轮叶片效率较低。”孙如林解释。
  但直升机却有一种飞行状态,即当直升机发动机出现故障不能工作时,旋翼旋转是利用下降的相对气流,使用自转产生升力平衡直升机重量缓慢下降,这种状态称直升机自转下滑状态,即风车状态。孙如林认为,正是由于该状态与风轮气动原理是相同的,都是从风中获取能量。所以在技术上,直升机专业人员进入风电叶片行业较为容易。
  “六五”期间(1981 年至1985 年),国家科学技术委员会(以下简称国家科委)安排了对3 千瓦风电机组的科研攻关、推广工作,并采用招标方式,确定攻关单位。中标单位最终确定为两个,北方中标的是太原一家企业,南方则是中国直升机所。中国直升机所任命孙如林为该攻关项目总设计师。他的团队共用近3 年时间,完全按照直升机设计流程自主完成了3 千瓦机组的设计、制造,以及主要部件的地面试验、整机吹风实验和外场运转测试。
  “设计采用水平轴,上风向型式,风轮直径6.6 米,塔高分别为10 米、12 米。采用离心变距系统,大风保护采用折尾系统。完成地面试验后,整机安装在四川29 基地低速风动所,8 乘6 米风洞进行1 个月吹风试验。受到时任低风速所长贺德馨的不少帮助和支持,吹风经费由国家科委直接支付。”孙如林回忆,“经过测试,该机组风轮的Cp 值等于0.44,并能够在不到每秒3 米的风速下启动。各种试验工况机组平稳,变距系统、变桨过程的性能达到设计要求。其风洞实验最大风速达每秒18 米,大风保护系统达到设计要求。”

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