2005年以來(lái)，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)以年均100%的速度快速發(fā)展，到2008年底，我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到了1215萬(wàn)千瓦，占世界風(fēng)電總裝機(jī)容量的10%左右，這是一個(gè)相當(dāng)驚人的增長(zhǎng)。目前，從裝機(jī)容量來(lái)看，我國(guó)已成為亞洲第一、世界第四、風(fēng)電裝機(jī)容量超千萬(wàn)千瓦的風(fēng)電大國(guó)。排在前三位的依次是美國(guó)、德國(guó)和西班牙，其裝機(jī)容量分別為2517萬(wàn)、2390萬(wàn)和1675萬(wàn)千瓦。
需求的快速增長(zhǎng)也帶動(dòng)了我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)的快速發(fā)展。2004年，我國(guó)風(fēng)機(jī)整機(jī)制造企業(yè)僅6家，目前明確進(jìn)入風(fēng)機(jī)整機(jī)制造的企業(yè)已超過(guò)70家，另外還有一些公司正在開(kāi)展進(jìn)入風(fēng)機(jī)整機(jī)制造的前期準(zhǔn)備工作，呈現(xiàn)出“你未唱罷我登場(chǎng)，百家風(fēng)企競(jìng)風(fēng)流”這樣一個(gè)喜憂參半的格局。喜的是經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展，內(nèi)資和合資企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大、技術(shù)能力不斷增強(qiáng)、市場(chǎng)占有率上升很快。2004年，內(nèi)（合）資企業(yè)和外資企業(yè)占當(dāng)年風(fēng)電新增裝機(jī)的比例分別為25%和75%，而到2008年這一比例正好顛倒了過(guò)來(lái)，內(nèi)（合）資企業(yè)已經(jīng)在風(fēng)電市場(chǎng)上占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。至于這些整機(jī)制造廠家?guī)��?dòng)的零部件生產(chǎn)企業(yè)究竟有多少，更是一個(gè)無(wú)法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)的數(shù)字。這些風(fēng)機(jī)整機(jī)制造企業(yè)及零部件企業(yè)的發(fā)展壯大，有力地促進(jìn)了我國(guó)風(fēng)電制造業(yè)技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模的提高。憂的是這70余家風(fēng)機(jī)企業(yè)的技術(shù)水平、生產(chǎn)規(guī)模、服務(wù)能力參差不齊，真正形成規(guī)模、比較有競(jìng)爭(zhēng)能力的還只有寥寥幾家，大多數(shù)企業(yè)對(duì)于未來(lái)面臨的巨大風(fēng)險(xiǎn)都估計(jì)不足，這是我國(guó)目前風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)存在的一個(gè)突出問(wèn)題。
從未來(lái)的發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)至少將有十多年的黃金發(fā)展期。從世界范圍來(lái)看，美國(guó)、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家為解決能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題，都將大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電作為主要解決方案。在我國(guó)，情況也是如此。2008年底，1215萬(wàn)千瓦的風(fēng)電裝機(jī)容量占我國(guó)電力總裝機(jī)容量的比例還僅為1.5%，預(yù)計(jì)到2020年這一比例將達(dá)到10%左右，即到2020年風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到1.4億千瓦這樣的水平，這是十分可觀的數(shù)字。這表明，從宏觀形勢(shì)來(lái)看，風(fēng)電行業(yè)大發(fā)展的高潮確實(shí)已經(jīng)到來(lái)。
風(fēng)機(jī)控制工程的發(fā)展現(xiàn)狀
風(fēng)機(jī)的控制工程是風(fēng)機(jī)的重要組成部分，它承擔(dān)著風(fēng)機(jī)監(jiān)控、自動(dòng)調(diào)節(jié)、實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及保證良好的電網(wǎng)兼容性等重要任務(wù)，它主要由監(jiān)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(jiān)控工程（SCADA）：監(jiān)控工程實(shí)現(xiàn)對(duì)全風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)狀況的監(jiān)視與啟、停操作，它包括大型監(jiān)控軟件及完善的通訊網(wǎng)絡(luò)。
主控工程：主控工程是風(fēng)機(jī)控制工程的主體，它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)向、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)解列、故障自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)電纜解繞及自動(dòng)記錄與監(jiān)控等重要控制、保護(hù)功能。它對(duì)外的三個(gè)主要接口工程就是監(jiān)控工程、變槳控制工程以及變頻工程（變頻器），它與監(jiān)控工程接口完成風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制工程接口完成對(duì)葉片的控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運(yùn)行，與變頻工程（變頻器）接口實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率以及無(wú)功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
變槳控制工程：與主控工程配合，通過(guò)對(duì)葉片節(jié)距角的控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運(yùn)行，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行靈活性。目前來(lái)看，變槳控制工程的葉片驅(qū)動(dòng)有液壓和電氣兩種方式，電氣驅(qū)動(dòng)方式中又有采用交流電機(jī)和直流電機(jī)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(lái)形成的技術(shù)路線及傳統(tǒng)。
變頻工程（變頻）器：與主控制工程接口，和發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)連接，直接承擔(dān)著保證供電品質(zhì)、提高功率因素，滿足電網(wǎng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)等重要作用。
從我國(guó)目前的情況來(lái)看，風(fēng)機(jī)控制工程的上述各個(gè)組成部分的自主配套規(guī)模還相當(dāng)不如人意，到目前為止對(duì)國(guó)外品牌的依賴(lài)仍然較大，仍是風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)。而風(fēng)機(jī)其它部件，包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、軸承等核心部件已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化配套（盡管質(zhì)量水平及運(yùn)行狀況還不能令人滿意），之所以如此，原因主要有：
（1）我國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域的起步較晚，尤其是對(duì)兆瓦級(jí)以上大功率機(jī)組變速恒頻控制技術(shù)的研究，更是最近幾年的事情，這比風(fēng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家要落后二十年時(shí)間。前已述及，我國(guó)風(fēng)電制造產(chǎn)業(yè)是從2005年開(kāi)始的最近四年才得到快速發(fā)展的，國(guó)內(nèi)主要風(fēng)機(jī)制造廠家為了快速搶占市場(chǎng)，都致力于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，無(wú)力對(duì)控制工程這樣的技術(shù)含量較高的產(chǎn)品進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)，因此多直接從MITA、Windtec等國(guó)外公司采購(gòu)產(chǎn)品或引進(jìn)技術(shù)。
（2）就風(fēng)機(jī)控制工程本身的要求來(lái)看，確有它的特殊性和復(fù)雜性。從硬件來(lái)講，風(fēng)機(jī)控制工程隨風(fēng)機(jī)一起安裝在接近自然的環(huán)境中，工作有較大振動(dòng)、大范圍的溫度變化、強(qiáng)電磁干擾這樣的復(fù)雜條件下，因此其硬件要求比一般工程要高得多。從軟件來(lái)講，風(fēng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)控制，必須有一套與之相適應(yīng)的完善的控制軟件。主控工程、變槳工程和變頻器需要協(xié)同工作才能實(shí)現(xiàn)在較低風(fēng)速下的最大風(fēng)能捕獲、在中等風(fēng)速下的定轉(zhuǎn)速以及在較大風(fēng)速下的恒頻、恒功運(yùn)行，這需要在這幾大部件中有一套先進(jìn)、復(fù)雜的控制算法。國(guó)內(nèi)企業(yè)要完全自主掌握確實(shí)需要一定時(shí)間。
（3）風(fēng)機(jī)控制工程是與風(fēng)機(jī)特性高度結(jié)合的工程，包括主控、變槳和變頻器在內(nèi)的控制軟件不僅算法復(fù)雜，而且其各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定與風(fēng)機(jī)本身聯(lián)系緊密，風(fēng)機(jī)控制工程的任務(wù)不僅僅是實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的高度自動(dòng)化監(jiān)控以及向電網(wǎng)供電，而且還必須通過(guò)合適的控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲的最大化和載荷的最小化，一般的自動(dòng)化企業(yè)即使能研制出樣機(jī)，也很難得到驗(yàn)證，推廣就更加困難。而中小規(guī)模的風(fēng)機(jī)制造商又無(wú)力進(jìn)行這樣的開(kāi)發(fā)。
即便如此，國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)這幾年的努力，已經(jīng)在控制工程主要部件的開(kāi)發(fā)上取得了積極進(jìn)展，已基本形成了自主的技術(shù)開(kāi)發(fā)能力，所欠缺的主要是產(chǎn)品的大規(guī)模投運(yùn)業(yè)績(jī)以及技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累。比如，作為風(fēng)機(jī)控制工程中技術(shù)含量最高的主控工程和變頻器，國(guó)內(nèi)企業(yè)在自主開(kāi)發(fā)上已取得重要進(jìn)展。東方自控經(jīng)過(guò)幾年的努力，已成功開(kāi)發(fā)出DWS5000風(fēng)機(jī)控制工程，并已完成各種測(cè)試及風(fēng)機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了規(guī)�；�生產(chǎn)，基本形成了自主開(kāi)發(fā)能力。科諾偉業(yè)也研制出了兆瓦級(jí)機(jī)組的控制工程。在變頻器方面，東方自控、合肥陽(yáng)光、清能華福、科諾偉業(yè)等一批企業(yè)也異軍突起，開(kāi)發(fā)出了大功率雙饋及直驅(qū)機(jī)型的變頻器，產(chǎn)品已有小批量在風(fēng)場(chǎng)投運(yùn)，呈獻(xiàn)出可喜的發(fā)展勢(shì)頭。
隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)所開(kāi)發(fā)風(fēng)機(jī)容量越來(lái)越大，風(fēng)機(jī)控制技術(shù)必須不斷發(fā)展才能滿足這一要求，如葉片的驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)、如更大容量的變頻器開(kāi)發(fā)，都是必須不斷解決的新的課題，這里不進(jìn)行詳細(xì)闡述。當(dāng)前，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在我國(guó)電網(wǎng)中所占比例越來(lái)越大，風(fēng)力發(fā)電方式的電網(wǎng)兼容性較差的問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，同時(shí)用戶對(duì)不同風(fēng)場(chǎng)、不同型號(hào)風(fēng)機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)要求也越來(lái)越高，這也對(duì)風(fēng)機(jī)控制工程提出了新的任務(wù)。
（1）采用統(tǒng)一和開(kāi)放的協(xié)議以實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)場(chǎng)、不同廠家和型號(hào)的風(fēng)機(jī)之間的方便互聯(lián)。目前，風(fēng)機(jī)投資用戶和電網(wǎng)調(diào)度中心對(duì)廣布于不同地域的風(fēng)場(chǎng)之間的聯(lián)網(wǎng)要求越來(lái)越迫切，雖然各個(gè)風(fēng)機(jī)制造廠家都提供了一定的手段實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)互連，但是由于采用的方案不同，不同廠家的風(fēng)機(jī)進(jìn)行互聯(lián)時(shí)還是會(huì)有很多問(wèn)題存在，實(shí)施起來(lái)難度較大。因此，實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)機(jī)之間的方便互聯(lián)是一個(gè)亟待解決的重要課題。
（2）需要進(jìn)一步提高低電壓穿越運(yùn)行能力（LVRT）。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，尤其是雙饋型風(fēng)機(jī)，抵抗電網(wǎng)電壓跌落的能力本身較差。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，從前的做法是讓風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)切出。當(dāng)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)中所占比例較小時(shí)，這種做法對(duì)電網(wǎng)的影響還可以忽略不計(jì)。但是，隨著在網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)的數(shù)量越來(lái)越大，尤其是在風(fēng)力發(fā)電集中的地區(qū)，如國(guó)家規(guī)劃建設(shè)的六個(gè)千萬(wàn)千瓦風(fēng)電基地，這種做法會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重影響，甚至可能進(jìn)一步擴(kuò)大事故。歐洲很多國(guó)家，如德國(guó)、西班牙、丹麥等國(guó)家，早就出臺(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求在這種情況下風(fēng)機(jī)能保持在網(wǎng)運(yùn)行以支撐電網(wǎng)。風(fēng)機(jī)具有的這種能力稱(chēng)為低電壓穿越運(yùn)行能力（LVRT），有的國(guó)家甚至要求當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至零時(shí)還能保持在網(wǎng)運(yùn)行。我國(guó)也于今年8月由國(guó)家電網(wǎng)公司出臺(tái)了《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，其中規(guī)定了我國(guó)自己的低電壓穿越技術(shù)要求，明確要求風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至20%額定電壓時(shí)能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行625ms、當(dāng)?shù)�落發(fā)生3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行的低電壓穿越運(yùn)行要求。應(yīng)該說(shuō)，這還只是一個(gè)初步的、相對(duì)較低的運(yùn)行要求。在今后可能還會(huì)出臺(tái)更為嚴(yán)格的上網(wǎng)限制措施。這些要求的實(shí)現(xiàn)，主要靠控制工程中變頻器算法及結(jié)構(gòu)的改善，當(dāng)然和主控和變槳工程也有密切聯(lián)系。
（3）實(shí)現(xiàn)在功率預(yù)估條件下的風(fēng)電場(chǎng)有功及無(wú)功功率自動(dòng)控制。目前，風(fēng)電機(jī)組都是運(yùn)行在不調(diào)節(jié)的方式，也就是說(shuō)，有多少風(fēng)、發(fā)多少電，這在風(fēng)電所占比例較小的情況下也沒(méi)有多大問(wèn)題。但是，隨著風(fēng)電上網(wǎng)電量的大幅度增加，在用電低谷段往往是風(fēng)機(jī)出力最大的時(shí)段，造成電網(wǎng)調(diào)峰異常困難，電網(wǎng)頻率、電壓均易出現(xiàn)較大波動(dòng)。當(dāng)前，電網(wǎng)對(duì)這一問(wèn)題已相當(dāng)重視，要求開(kāi)展建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)工程和風(fēng)電出力自動(dòng)控制工程，實(shí)現(xiàn)在功率預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上的有功功率和無(wú)功功率控制能力。事際上，這個(gè)工程的建設(shè)不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技術(shù)問(wèn)題。但是，無(wú)論如何說(shuō)，序幕已經(jīng)拉開(kāi)。
發(fā)展展望
從上面的敘述中可以看出，控制工程作為風(fēng)電機(jī)組中最關(guān)鍵的核心零部件，目前仍是國(guó)內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)，也是國(guó)內(nèi)目前唯一沒(méi)有實(shí)現(xiàn)批量國(guó)產(chǎn)化的部件，其主要原因在第二部分中已經(jīng)分析過(guò)。但是，我們也看到，以東方自控為代表的國(guó)內(nèi)一些企業(yè)，已經(jīng)在包括變頻器在內(nèi)的控制工程的自主研發(fā)方面邁出了重要的步伐，取得了很多成果。因此，預(yù)計(jì)再經(jīng)過(guò)兩到三年時(shí)間，將可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)控制工程的全面國(guó)產(chǎn)化配套，并具備如海上風(fēng)機(jī)等更大型風(fēng)電機(jī)組控制工程的自主研發(fā)能力，這樣，風(fēng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化的最后一個(gè)瓶頸也將被

摘要：選擇適合低風(fēng)速的NACA63系列翼型，通過(guò)一定的成型方法，構(gòu)造出完全對(duì)稱(chēng)的S型葉片。以三維雷諾平均Navier-Stokes方程為基礎(chǔ)，應(yīng)用正交優(yōu)化方法，對(duì)S型葉片的葉型安裝角沿徑向的分布規(guī)律進(jìn)行了正交優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足風(fēng)量、風(fēng)壓要求及葉片數(shù)較少、弦長(zhǎng)較小的前提下，獲得了最高的流動(dòng)效率，取得了良好的設(shè)計(jì)效果。
關(guān)鍵詞：可逆風(fēng)機(jī)；S型葉片；三維正交優(yōu)化設(shè)計(jì)
0引言
　　在很多場(chǎng)合下，如地鐵、礦山和隧道等地下工程，對(duì)風(fēng)機(jī)反向運(yùn)行的氣動(dòng)性能與正向要求相當(dāng)。在日常通風(fēng)時(shí)風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)，要求風(fēng)機(jī)具有較高的氣動(dòng)效率和較低的噪聲；而在火災(zāi)等緊急情況下風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)，為了及時(shí)排出有毒有害氣體，保護(hù)旅客或施工人員的生命安全，要求風(fēng)機(jī)必須具有較大的風(fēng)量和風(fēng)壓。
　　近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)可逆風(fēng)機(jī)開(kāi)展過(guò)研究，S型葉片是可逆風(fēng)機(jī)中比較常用的一種葉片，這種雙向?qū)ΨQ(chēng)翼型使得風(fēng)機(jī)具有完全相同的正反向氣動(dòng)性能，文獻(xiàn)[1-2]對(duì)S形葉片進(jìn)行了研究，取得了良好的效果，文獻(xiàn)[3]對(duì)完全可逆的S型葉片上下游設(shè)置安裝角度為90°的完全對(duì)稱(chēng)翼型的前后導(dǎo)葉，從而提高了氣動(dòng)性能。
　　然而，由于這類(lèi)風(fēng)機(jī)的應(yīng)用量大面廣，企業(yè)間的無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)品利潤(rùn)空間非常小。在保證流動(dòng)效率的前提下，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制葉片數(shù)量與葉片弦長(zhǎng)，成了降低制造成本、提高產(chǎn)品利潤(rùn)的關(guān)鍵。本文正是應(yīng)某企業(yè)委托，在提高一定氣動(dòng)性能的前提下，將原φ2000的可逆風(fēng)機(jī)，由14個(gè)葉片、320～340mm弦長(zhǎng)改為12個(gè)葉片、280mm弦長(zhǎng)。
1流場(chǎng)仿真與數(shù)值試驗(yàn)
　　在圓柱坐標(biāo)系（r，θ，x）下，有限體積的三維雷諾平均Navier-Stokes方程，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

2S型葉片構(gòu)造、基本翼型選擇、弦長(zhǎng)及葉片數(shù)的比較
2.1　S翼型構(gòu)造方法[5]
　　本設(shè)計(jì)是在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)進(jìn)行的，文獻(xiàn)[5]利用一種NACA4系列翼型見(jiàn)圖1，其弦長(zhǎng)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(duì)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(diǎn)（水平方向中線與垂直方向中線的交點(diǎn)）旋轉(zhuǎn)180°，可以得到圖2所示的基本S型翼型。

文獻(xiàn)[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(shí)際設(shè)計(jì)的需要，因此，文獻(xiàn)[5]提出了將上述S型翼型疊加在一條“~”型的母線上，經(jīng)過(guò)優(yōu)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(jù)常規(guī)可逆風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，流速通常相對(duì)較低，相比NACA4系列，NACA63系列翼型應(yīng)該具有更大的優(yōu)勢(shì)，因此，應(yīng)用與文獻(xiàn)[5]相同的方法，我們構(gòu)造出基于NACA63系列翼型的新的S型翼型。經(jīng)過(guò)數(shù)十個(gè)典型工況的數(shù)值模擬及分析與比較，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)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(zhǎng)及葉片數(shù)的比較
　　對(duì)上述以NACA63系列基本翼型構(gòu)成的S型葉片，在合適的葉片幾何安裝角條件下，研究弦長(zhǎng)分別為260mm、270mm、280mm、290mm、300mm、310mm、320mm，葉片數(shù)分別為8、9、10、11、12、13、14時(shí)的風(fēng)量、全壓及全壓效率，結(jié)果表明弦長(zhǎng)過(guò)小或葉片數(shù)過(guò)少時(shí)很難保證風(fēng)量與全壓，弦長(zhǎng)較長(zhǎng)而葉片數(shù)較多時(shí)，全壓與風(fēng)量都比較容易滿足，但風(fēng)機(jī)制造成本較大。為了保證風(fēng)量與全壓，又兼顧制造成本，最后選取了弦長(zhǎng)280mm，12個(gè)葉片數(shù)作為該風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。
3　目標(biāo)函數(shù)
　　根據(jù)委托方的要求，該風(fēng)機(jī)輪轂比為0.4，外徑為1000mm。在S型翼型、弦長(zhǎng)及葉片數(shù)確定后，給出了如下的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

N為根部到頂部選取的截面數(shù)，βi為i截面處的安裝角，η為效率，G為風(fēng)量，p2為風(fēng)壓。
4　正交優(yōu)化方法
　　在風(fēng)量及全壓滿足的條件下，葉片弦長(zhǎng)及葉片數(shù)等給定，影響全壓效率的參數(shù)主要是葉片的安裝角沿徑向的分布。沿徑向取N個(gè)截面，根據(jù)速度三角形，初步?jīng)Q定每個(gè)截面上翼型的安裝角，對(duì)于這樣一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，有N個(gè)優(yōu)化參數(shù)，用華羅庚教授提出的優(yōu)選法（正交設(shè)計(jì)是最為簡(jiǎn)單、方便、有效的一種，采用正交優(yōu)化思想，可以通過(guò)為數(shù)不多的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)綜合整理，得到全局最優(yōu)解，能夠大量減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。具體的正交設(shè)計(jì)思想可以參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]，這里就不再描述。
　　對(duì)每個(gè)影響效率的參數(shù)，分別在其對(duì)應(yīng)的選值范圍內(nèi)，等間距分成N-1個(gè)水平，對(duì)本文這種情況，要是每個(gè)參數(shù)的各種水平之間一一搭配，全部實(shí)驗(yàn)，共需要（N-1）N次實(shí)驗(yàn)，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(jīng)過(guò)（N-1）×（N-1）次實(shí)驗(yàn)，就可以獲得最佳的解，正交表的具體形式參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。
　第一次優(yōu)化的選值范圍較大，通常還需要對(duì)參數(shù)范圍細(xì)化。在上面得到的最佳搭配附近的一定區(qū)間，用同樣的方法，再分成N-1個(gè)水平，再進(jìn)行（N-1）×（N-1）次數(shù)值實(shí)驗(yàn)，可以獲得更佳的搭配。經(jīng)過(guò)兩次細(xì)化，就可以獲得滿足實(shí)際需要的最優(yōu)解。
5設(shè)計(jì)結(jié)果與討論
　　利用上述正交優(yōu)化方法，得到了滿足流量及風(fēng)壓要求，且葉片數(shù)僅為12個(gè)、弦長(zhǎng)280mm的風(fēng)機(jī)葉片，其全壓效率高達(dá)到91%，結(jié)果見(jiàn)表1，圖4給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)出來(lái)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子三維造型圖。


電機(jī)的支撐板選8個(gè)，制作成平板翼型，軸向安裝在流道的下游，相當(dāng)于該風(fēng)機(jī)的出口導(dǎo)葉，由于空間的限制，進(jìn)口不安裝導(dǎo)葉，因此，在氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要保證氣流的軸向進(jìn)氣。當(dāng)風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，軸向的電機(jī)支撐板相當(dāng)于進(jìn)口導(dǎo)葉，由于轉(zhuǎn)子葉片采用了完全對(duì)稱(chēng)的S型葉片，經(jīng)計(jì)算分析，正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的氣動(dòng)性能相當(dāng)。
　　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(gè)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(fēng)機(jī)的風(fēng)壓要求得到滿足；大概70%弦向位置以后做負(fù)功，即空氣膨脹，對(duì)于這種S型風(fēng)機(jī)葉片，由于對(duì)正向與反向進(jìn)氣的要求完全相同，只有近尾緣處做負(fù)功，才能保證反向運(yùn)行時(shí)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(yīng)該講，對(duì)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(méi)有流動(dòng)分離，還是有一定的難度。本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)優(yōu)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(dòng)分離區(qū)。這也是為什么盡管葉片上有30%的部分做負(fù)功，但由于沒(méi)有流動(dòng)分離，流動(dòng)效率還是能夠保持很高的原因。


6　結(jié)論
　　通過(guò)本文的設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：
　�。�1）　NACA63系列翼型作為常規(guī)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)翼型，是非常有效的；
　　（2）　在弦長(zhǎng)相對(duì)較短、葉片數(shù)相對(duì)較少時(shí)，通過(guò)優(yōu)化葉片安裝角沿葉高的分布，可以得到風(fēng)量、風(fēng)壓滿足要求，流動(dòng)效率高的通流部分。
參考文獻(xiàn)
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［6］北京大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)概率統(tǒng)計(jì)組.正交設(shè)計(jì)——一種安排多因素試驗(yàn)的數(shù)學(xué)方法[M].北京:人民教育出版社，1976.

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