【专家故事】孙如林：从旋翼到风轮-北极星风力发电网

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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。"

这是我国风电机组首次进入风洞试验。此后该样机安装在福建平潭岛风电场，进行运行测试，其结果也达到了攻关任务书的要求。

实际上，北方单位研制的3千瓦样机也装在平潭岛风电场，其机型为失速型，但由于启动等方面出现了问题，仅将中国直升机所得科研成果列为推广生产项目。

“按边防哨所、海岛和邮电局话务中转站需求生产20余台，其中在珠海桂山岛安装3台。桂山岛设有东南亚各国与中国话务中转站，由于当时无法连接内陆电网，只能使用风能和太阳能。”孙如林回忆。

读到3千瓦机组研制项目的收获，孙如林认为主要体现在两方面。首先是培养了一批人才，其次是积累了运维经验。但该机组也并不是完美无缺的。气动部分虽获得了一致的好评，但电控系统却屡屡出现原件老化现象，经常需要更换零部件。

“当时我就深有体会，我们之所以走不下去，主要是电控系统、电子元件不过关，经常坏。直升机是进口的，可以不计成本，风电机组上的是民品，只能买国产的，但当时国产元件确实不过关。”孙如林总结到。

理论联系实际

在完成3千瓦机组的可研工作后，我国引进了比利时生产的200千瓦风电机组。此次合作项目的内容包括比利时为我国培养风电相关专业的研究生。于是，孙如林受国家科委委派，于1985年底赴比利时布鲁塞尔自由大学学习风电机组设计，成为我国最早被公派出国搞风电机组设计的访问学者。

在比利时最初的3个月，孙如林并没有得到教授安排的科研任务，而是踏踏实实地在图书馆翻看关于风电机组的资料。直到3个月后，查尔斯赫思教授找到孙如林，安排其设计200千瓦风轮叶片的气动外形，然后计算其气动荷载。孙如林为达到设计要求，有时需要通宵达旦，直到如今，但凡提起比利时发明的吗丁啉，孙如林仍是赞不绝口，起因便是他在研究200千瓦项目时，累到屡犯胃病，直至吃了该药才有所缓解。

第二年，孙如林开始做垂直轴风电机组的气弹稳定性研究。虽然课题难度更大，但由于此前已有3个月的理论积累和9个月的研究经验，其精神压力有所减小。“承担气弹稳定性研究课题的同时有两个人，其中我负责垂直轴的，另一个英国学者负责水平轴的。我们也经常沟通，并达成互相交换论文的约定。”孙如林回忆，“英国留学生双休日一般不学习、不工作，但我多半利用双休日上机。当我的研究完成并审查通过时，那位英国学者只完成了方程式推导。即便如此，我们仍做了论文交换。”

“八五”（1991-1995）期间，孙如林参与了由中国风能中心组织，以浙江省机电研究所院、杭州发电设备厂、上海玻璃钢研究所、杭州齿轮箱厂等8家单位承担的“200千瓦风力发电机组研制”项目。在消化吸收国外技术的基础上，自主设计研发出风轮直径24米的失速型200千瓦风电机组。此后，也参与了对该机组的改型——250千瓦机组的部分工作。

为实现以市场换技术、立足于高起点发展我国风力发电机制造业的目标，国家计委于1996年3月提出了“乘风计划”。作为专家组成员，总体设计主要技术负责人，孙如林将不少时间和精力投在该项目上。“经过这次攻关，关键部件的生产、设计能力都有提高。”孙如林回忆，“‘九五’、‘十五’期间好多单位的设计和生产能力的建立，很多得益于那5年的成果。例如，之前我们不舍得买国外叶片，而从内蒙古买一个600千瓦桨尖遭雷击损坏的叶片，花了130万元。后来我们生产的价格也就是它的70%。80多万元。”孙如林说。

同时他还认为，掌握自主技术对国家或企业引进新技术也有一定的好处。例如他在1996年离开直升机研究所前，预研了一副升力系统。“之后与外国合作搞旋翼系统，本来要价特别高，但过去一谈，对方发现我们知道好多关键技术，价格就便宜了不少。风电也一样，自己知道的越多，买技术就越便宜。有了‘乘风计划’的成果，我们买国外的东西就便宜多了。”

但孙如林也提到，自己能有这样的思路，并不是灵光一现的结果。“我们做了很多工作都不是盲目的，是国家全局性考虑后所赋予我们的使命。”“乘风计划”最初是由国家计委组织，之后改至国家发改委，后期由国家科委承担，在风电机组的国产化过程中，“这些单位都是功不可没的”。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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