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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”。
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