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通風(fēng)降溫方案_涉足風(fēng)機(jī)葉片 金風(fēng)科技提高零部件自給率基于雙頭反

   近日，金風(fēng)科技發(fā)布公告稱，公司將以不超過(guò)2億元人民幣的價(jià)格向協(xié)鑫集團(tuán)收購(gòu)協(xié)鑫江蘇85%股權(quán)和協(xié)鑫錫林25%股權(quán)，并向上海國(guó)能投資收購(gòu)協(xié)鑫江蘇15%股權(quán)，此項(xiàng)收購(gòu)?fù)瓿珊螅緦⒊钟袇f(xié)鑫江蘇和協(xié)鑫錫林100%的股權(quán)。據(jù)悉，協(xié)鑫江蘇和協(xié)鑫錫林主要生產(chǎn)、組裝和銷售1.5兆瓦及以上風(fēng)機(jī)葉片。

    中投顧問(wèn)高級(jí)研究員李勝茂指出，當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要風(fēng)機(jī)企業(yè)都在積極完善自身的風(fēng)機(jī)業(yè)務(wù)，提高風(fēng)機(jī)關(guān)鍵零部件的自給率，此次金風(fēng)科技進(jìn)軍風(fēng)電葉片領(lǐng)域正是這一戰(zhàn)略的具體體現(xiàn)。近年來(lái)，與華銳風(fēng)電相比，金風(fēng)科技的最大短板在于其風(fēng)電整機(jī)的關(guān)鍵零部件的自給率相對(duì)較低，這一方面推高了其采購(gòu)成本，攤薄了風(fēng)電整機(jī)業(yè)務(wù)的利潤(rùn)率；另一方面也不利于增強(qiáng)其對(duì)風(fēng)電整機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量控制能力。

    風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最重要的零部件之一，造價(jià)高昂，金風(fēng)科技如果能夠在該領(lǐng)域內(nèi)取得突破，那么其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力將得到顯著增強(qiáng)。一方面，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)和關(guān)鍵零部件一體化設(shè)計(jì)和制造，是目前業(yè)內(nèi)最優(yōu)的運(yùn)營(yíng)模式。當(dāng)前世界風(fēng)機(jī)設(shè)備企業(yè)中最具實(shí)力的幾大國(guó)際巨頭，均是風(fēng)電整機(jī)關(guān)鍵零部件自給率較高的企業(yè)，它們大多采用風(fēng)機(jī)和關(guān)鍵零部件同步設(shè)計(jì)制造的方式，這就最大限度的保證了所產(chǎn)風(fēng)電整機(jī)的專業(yè)性。

    另一方面，金風(fēng)科技一旦能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電葉片的大規(guī)模自產(chǎn)，那么其成本控制能力會(huì)得到顯著提升。當(dāng)前國(guó)內(nèi)風(fēng)電葉片行業(yè)的利潤(rùn)率非常高，而很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，金風(fēng)科技都需要向中復(fù)聯(lián)眾和LM采購(gòu)風(fēng)電葉片，將大量的利潤(rùn)貢獻(xiàn)給了這些企業(yè)。如果通過(guò)此次股權(quán)收購(gòu)，金風(fēng)科技能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電葉片的自給，那么該領(lǐng)域內(nèi)的利潤(rùn)就不會(huì)外溢,負(fù)壓風(fēng)機(jī)報(bào)價(jià)，公司的利潤(rùn)率將得到顯著提升。

    中投顧問(wèn)最近發(fā)布的《2010-2016年中國(guó)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)投資分析及前景預(yù)測(cè)報(bào)告》指出，金風(fēng)科技能否助推協(xié)鑫江蘇和協(xié)鑫錫林這兩家企業(yè)在風(fēng)電葉片領(lǐng)域內(nèi)獲得長(zhǎng)足發(fā)展也還具有較大的不確定性。隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)單機(jī)容量大型化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，市場(chǎng)上主流的風(fēng)電葉片也必然會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，這就對(duì)風(fēng)電葉片企業(yè)的研發(fā)實(shí)力提出了更高的要求，如果這兩家風(fēng)電葉片生產(chǎn)企業(yè)在相關(guān)技術(shù)方面不能做到迅速提升，那么未來(lái)其主營(yíng)業(yè)務(wù)可能會(huì)出現(xiàn)萎縮。

    中投顧問(wèn)研究總監(jiān)張硯霖認(rèn)為，近年來(lái)國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)的市場(chǎng)價(jià)格下降很快，如果風(fēng)機(jī)企業(yè)生產(chǎn)成本的下降幅度不能與之合拍，那么將很快會(huì)被擠出市場(chǎng)。2008年以來(lái)，國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)的價(jià)格保持著每年1000元/千瓦的下降幅度，這給國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)企業(yè)在成本控制方面帶來(lái)了巨大的壓力，近期金風(fēng)科技加速在風(fēng)機(jī)關(guān)鍵零部件領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行布局，正是發(fā)生在這一背景下。


摘要：選用由 Clark Y 翼型構(gòu)成的雙頭反對(duì)稱翼型,車間降溫風(fēng)機(jī)，在不同的攻角取值下得到不同的平面葉柵，并對(duì)這些平面葉柵進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，攻角的增大導(dǎo)致翼背漩渦的增大，而正是這些漩渦的作用，促使流過(guò)平面葉柵的氣流發(fā)生折轉(zhuǎn)。通過(guò)分析計(jì)算，得到了攻角取值與氣流折轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖，并由此找到了符合設(shè)計(jì)要求的攻角取值。

關(guān)鍵詞：雙頭反對(duì)稱翼型；平面葉柵；漩渦；攻角

中圖分類號(hào)：TH432.1 　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(fēng)機(jī)又稱正反轉(zhuǎn)軸流通風(fēng)機(jī)，廣泛運(yùn)用于礦山、隧道、地鐵和地下工程等，在日常通風(fēng)時(shí)風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)，特殊場(chǎng)合還需要完全的反風(fēng)能力。為了使風(fēng)機(jī)獲得優(yōu)良的反風(fēng)性能，雙頭反對(duì)稱翼型可作為一種合理的選擇，文獻(xiàn)[1]構(gòu)造了兩種雙頭反對(duì)稱翼型，并通過(guò)試驗(yàn)證明雙向反對(duì)稱翼型的選用能滿足雙向可逆風(fēng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)通風(fēng)要求。平面葉柵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于攻角的選取，而當(dāng)選用雙頭反對(duì)稱翼型進(jìn)行平面葉柵設(shè)計(jì)時(shí)，攻角的選取是一個(gè)非常特殊的問(wèn)題，它不同于常規(guī)翼型的單向風(fēng)機(jī)，往往需要較大的攻角取值才能滿足加功量需求。然而現(xiàn)在很少有對(duì)于上述問(wèn)題的研究，因此，本文利用 FLUENT 這款 CFD 軟件在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的顯著優(yōu)勢(shì) [2] ，通過(guò)大量的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，以期尋求合適的攻角來(lái)滿足雙向可逆風(fēng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)通風(fēng)要求。

1　 試驗(yàn)背景與葉片成型

　　在以正反向全壓p1 、p2 為1kPa；正反向風(fēng)量qv1、qv2為60m3/s；額定功率P≤100kW為設(shè)計(jì)條件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，選取均徑處的平面葉柵作為試驗(yàn)對(duì)象來(lái)研究最佳攻角的選取。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算得到葉片的設(shè)計(jì)弦長(zhǎng)b為24.42cm，采用文獻(xiàn)[3]中S型翼型成型的方法，以ClarkY葉型作為構(gòu)造母體，以設(shè)計(jì)弦長(zhǎng)b為葉片弦長(zhǎng)得到了如圖1的雙頭反對(duì)稱翼型。文獻(xiàn)[4]已對(duì)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(fēng)機(jī)中氣流是在較低的馬赫數(shù)下流動(dòng)，本例中約為0.2馬赫數(shù)，故完全可作為不可壓流動(dòng)，其控制方程為

       

3 　數(shù)值計(jì)算及結(jié)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(gè)攻角取值下得到對(duì)應(yīng)的平面葉柵，再對(duì)每個(gè)葉柵進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算中，所有平面葉柵采用類似的計(jì)算區(qū)域，計(jì)算區(qū)域設(shè)成四邊形區(qū)域， 前部邊界距翼型頭部1倍弦長(zhǎng)，后部邊界距翼型頭部3倍弦長(zhǎng)，上下邊界為葉柵通道內(nèi)一對(duì)相互平行且相距為一個(gè)柵距的平行線。

　　由于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有生產(chǎn)速度快、質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，故計(jì)算采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。每個(gè)攻角取值對(duì)應(yīng)的平面葉柵采用類似的網(wǎng)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(wǎng)格。攻角等于18°時(shí)翼型頭部附近網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

   

　　計(jì)算時(shí)進(jìn)口邊界設(shè)為速度進(jìn)口，出口邊界設(shè)為壓力出口，上下邊界設(shè)為周期性邊界，翼型上下表面設(shè)為無(wú)滑移固體壁面條件。初始條件與設(shè)計(jì)時(shí)的初始條件相同，進(jìn)口速度為葉柵進(jìn)口相對(duì)速度，其方向與額線方向成19.18°（進(jìn)氣角β１），大小為 76.90m/s ；出口靜壓為一個(gè)大氣壓。計(jì)算中認(rèn)為殘差小于10 -4 ，且進(jìn)口和出口邊界的出入質(zhì)量流量差小于 0.5%時(shí)計(jì)算結(jié)果收斂。

　　通過(guò)模擬計(jì)算得到了以上各攻角取值對(duì)應(yīng)的平面葉柵的流場(chǎng)。圖3列出了攻角i=4°，i=12°，i=20°時(shí)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(qū)域出現(xiàn)了分離。攻角較小時(shí)僅翼型背面靠近尾部區(qū)域出現(xiàn)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(kuò)散到整個(gè)翼背，最后導(dǎo)致漩渦占據(jù)了平面葉柵通道中的大塊區(qū)域。

　　對(duì)出口邊界上各點(diǎn)處沿葉柵額線方向的速度分量按動(dòng)量平均，對(duì)各點(diǎn)處垂直于葉柵額線方向的速度分量按質(zhì)量流量平均，得到了兩個(gè)速度平均值。前者可作為葉柵出口相對(duì)速度的切向分速度ω2u 值；后者可作為葉柵出口相對(duì)速度的軸向分速度ω2a 值。圖4給出了各攻角取值時(shí)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(kuò)大的漩渦有關(guān)，漩渦的擴(kuò)大促使翼背尾部氣流進(jìn)一步往翼型下表面一側(cè)折轉(zhuǎn)，從而使得出口ω2u 減小。

　　通過(guò)計(jì)算、插值、繪圖得到了一定范圍內(nèi)攻角i和氣流折轉(zhuǎn)角Δβ的關(guān)系圖，見(jiàn)圖5。在軸流通風(fēng)機(jī)中，Δβ是影響葉輪對(duì)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(duì)氣體的做功量 [5] 。從圖5可知,負(fù)壓風(fēng)機(jī)維修，要增加 Δβ以提升葉輪做功量，需增大攻角到較大的數(shù)值。設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)圖5選取攻角以確定平面葉柵。

 

4　　 結(jié)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(kuò)散到整個(gè)翼背，而正是該漩渦的作用，使出口氣流發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

　�。�2）模擬計(jì)算表明，攻角i的增大，使得出口ω2u 減小，而氣流折轉(zhuǎn)角Δβ增加。在本例中，設(shè)計(jì)需要ω2u 值為 58.98m/s ，此時(shí)的理論Δβ值為4.01°，由圖4或圖5可知，攻角為18°時(shí)能滿足設(shè)計(jì)需要，根據(jù)此攻角可得到設(shè)計(jì)需要的平面葉柵。

　　（3）通過(guò)數(shù)值計(jì)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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