通风降温方案_涉足风机叶片 金风科技提高零部件自给率基于双头反

   近日，金风科技发布公告称，公司将以不超过2亿元人民币的价格向协鑫集团收购协鑫江苏85%股权和协鑫锡林25%股权，并向上海国能投资收购协鑫江苏15%股权，此项收购完成后，公司将持有协鑫江苏和协鑫锡林100%的股权。据悉，协鑫江苏和协鑫锡林主要生产、组装和销售1.5兆瓦及以上风机叶片。

    中投顾问高级研究员李胜茂指出，当前国内主要风机企业都在积极完善自身的风机业务，提高风机关键零部件的自给率，此次金风科技进军风电叶片领域正是这一战略的具体体现。近年来，与华锐风电相比，金风科技的最大短板在于其风电整机的关键零部件的自给率相对较低，这一方面推高了其采购成本，摊薄了风电整机业务的利润率；另一方面也不利于增强其对风电整机产品的质量控制能力。

    风机叶片是风力发电机组最重要的零部件之一，造价高昂，金风科技如果能够在该领域内取得突破，那么其市场竞争力将得到显著增强。一方面，实现风机和关键零部件一体化设计和制造，是目前业内最优的运营模式。当前世界风机设备企业中最具实力的几大国际巨头，均是风电整机关键零部件自给率较高的企业，它们大多采用风机和关键零部件同步设计制造的方式，这就最大限度的保证了所产风电整机的专业性。

    另一方面，金风科技一旦能够实现风电叶片的大规模自产，那么其成本控制能力会得到显著提升。当前国内风电叶片行业的利润率非常高，而很长一段时间内，金风科技都需要向中复联众和LM采购风电叶片，将大量的利润贡献给了这些企业。如果通过此次股权收购，金风科技能够实现风电叶片的自给，那么该领域内的利润就不会外溢,负压风机报价，公司的利润率将得到显著提升。

    中投顾问最近发布的《2010-2016年中国风力发电行业投资分析及前景预测报告》指出，金风科技能否助推协鑫江苏和协鑫锡林这两家企业在风电叶片领域内获得长足发展也还具有较大的不确定性。随着国内风机单机容量大型化的趋势越来越明显，市场上主流的风电叶片也必然会越来越长，这就对风电叶片企业的研发实力提出了更高的要求，如果这两家风电叶片生产企业在相关技术方面不能做到迅速提升，那么未来其主营业务可能会出现萎缩。

    中投顾问研究总监张砚霖认为，近年来国内风机的市场价格下降很快，如果风机企业生产成本的下降幅度不能与之合拍，那么将很快会被挤出市场。2008年以来，国内风机的价格保持着每年1000元/千瓦的下降幅度，这给国内风机企业在成本控制方面带来了巨大的压力，近期金风科技加速在风机关键零部件领域内进行布局，正是发生在这一背景下。

摘要：选用由 Clark Y 翼型构成的双头反对称翼型,车间降温风机，在不同的攻角取值下得到不同的平面叶栅，并对这些平面叶栅进行数值模拟。数值计算结果表明，攻角的增大导致翼背漩涡的增大，而正是这些漩涡的作用，促使流过平面叶栅的气流发生折转。通过分析计算，得到了攻角取值与气流折转角的关系图，并由此找到了符合设计要求的攻角取值。

关键词：双头反对称翼型；平面叶栅；漩涡；攻角

中图分类号：TH432.1 　　　文献标识码： 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

　　双向可逆轴流通风机又称正反转轴流通风机，广泛运用于矿山、隧道、地铁和地下工程等，在日常通风时风机正转，特殊场合还需要完全的反风能力。为了使风机获得优良的反风性能，双头反对称翼型可作为一种合理的选择，文献[1]构造了两种双头反对称翼型，并通过试验证明双向反对称翼型的选用能满足双向可逆风机的正反转通风要求。平面叶栅设计的关键在于攻角的选取，而当选用双头反对称翼型进行平面叶栅设计时，攻角的选取是一个非常特殊的问题，它不同于常规翼型的单向风机，往往需要较大的攻角取值才能满足加功量需求。然而现在很少有对于上述问题的研究，因此，本文利用 FLUENT 这款 CFD 软件在风机设计中的显著优势 [2] ，通过大量的数值模拟实验和数据分析，以期寻求合适的攻角来满足双向可逆风机的正反转通风要求。

1　 试验背景与叶片成型

　　在以正反向全压p1 、p2 为1kPa；正反向风量qv1、qv2为60m3/s；额定功率P≤100kW为设计条件的设计过程中，选取均径处的平面叶栅作为试验对象来研究最佳攻角的选取。通过设计计算得到叶片的设计弦长b为24.42cm，采用文献[3]中S型翼型成型的方法，以ClarkY叶型作为构造母体，以设计弦长b为叶片弦长得到了如图1的双头反对称翼型。文献[4]已对该翼型性能作了一定的研究，本文将在此直接使用。

2 　　控制方程与湍流模型

　　风机中气流是在较低的马赫数下流动，本例中约为0.2马赫数，故完全可作为不可压流动，其控制方程为

       

3 　数值计算及结果分析

　　为寻找合适攻角，依次取攻角i等于0°,4°,8°,10°,12°,14°,16°,18°,20°,24°。在每个攻角取值下得到对应的平面叶栅，再对每个叶栅进行数值模拟。计算中，所有平面叶栅采用类似的计算区域，计算区域设成四边形区域， 前部边界距翼型头部1倍弦长，后部边界距翼型头部3倍弦长，上下边界为叶栅通道内一对相互平行且相距为一个栅距的平行线。

　　由于结构化网格具有生产速度快、质量好的优点，故计算采用结构化网格划分。每个攻角取值对应的平面叶栅采用类似的网格划分，为了使叶型表面有较好的正交性，采用了分块划分，得到了比较理想的网格。攻角等于18°时翼型头部附近网格划分见图2。

   

　　计算时进口边界设为速度进口，出口边界设为压力出口，上下边界设为周期性边界，翼型上下表面设为无滑移固体壁面条件。初始条件与设计时的初始条件相同，进口速度为叶栅进口相对速度，其方向与额线方向成19.18°（进气角β１），大小为 76.90m/s ；出口静压为一个大气压。计算中认为残差小于10 -4 ，且进口和出口边界的出入质量流量差小于 0.5%时计算结果收敛。

　　通过模拟计算得到了以上各攻角取值对应的平面叶栅的流场。图3列出了攻角i=4°，i=12°，i=20°时的涡量等值线图和速度矢量图。

   

　　从上面的两组图中看到，翼型表面部分区域出现了分离。攻角较小时仅翼型背面靠近尾部区域出现较小的漩涡，随着攻角的不断增大，漩涡不断增大，从翼背尾部逐渐扩散到整个翼背，最后导致漩涡占据了平面叶栅通道中的大块区域。

　　对出口边界上各点处沿叶栅额线方向的速度分量按动量平均，对各点处垂直于叶栅额线方向的速度分量按质量流量平均，得到了两个速度平均值。前者可作为叶栅出口相对速度的切向分速度ω2u 值；后者可作为叶栅出口相对速度的轴向分速度ω2a 值。图4给出了各攻角取值时ω2u 的值。从图中看到，随着攻角取值的增大，ω2u不断减小，即△ωu与△cu不断增加。其原因和上面提到的翼背表面不断扩大的漩涡有关，漩涡的扩大促使翼背尾部气流进一步往翼型下表面一侧折转，从而使得出口ω2u 减小。

　　通过计算、插值、绘图得到了一定范围内攻角i和气流折转角Δβ的关系图，见图5。在轴流通风机中，Δβ是影响叶轮对气体做功大小的重要因素，在其他条件不变的情况下，增大Δβ可增加叶轮对气体的做功量 [5] 。从图5可知,负压风机维修，要增加 Δβ以提升叶轮做功量，需增大攻角到较大的数值。设计时可通过图5选取攻角以确定平面叶栅。

 

4　　 结论

　　（1）攻角的增大，使得平面叶栅中翼背表面分离加剧，漩涡从翼背尾部逐渐扩散到整个翼背，而正是该漩涡的作用，使出口气流发生偏转。

　　（2）模拟计算表明，攻角i的增大，使得出口ω2u 减小，而气流折转角Δβ增加。在本例中，设计需要ω2u 值为 58.98m/s ，此时的理论Δβ值为4.01°，由图4或图5可知，攻角为18°时能满足设计需要，根据此攻角可得到设计需要的平面叶栅。

　　（3）通过数值计算和分析方法，得到一定叶栅的平面叶栅正常特性曲线。

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