基于氣熱法對風(fēng)機葉片防冰除冰分析研究

呂 慶，寧立偉，顏 熹,曾夢偉

(1.湖南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南工程學(xué)院 風(fēng)電運維與測試技術(shù)湖南省工程實驗室，湘潭 411104)

?

基于氣熱法對風(fēng)機葉片防冰除冰分析研究

呂 慶1,2，寧立偉1,2，顏 熹1,2,曾夢偉1,2

(1.湖南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南工程學(xué)院 風(fēng)電運維與測試技術(shù)湖南省工程實驗室，湘潭 411104)

介紹了一種新型葉片除冰系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于氣熱法來進行設(shè)計的.通過地面實驗分析和在ANSYS中進行有限元分析來對該除冰系統(tǒng)的合理性進行分析，并且有限元分析結(jié)果與地面實驗數(shù)據(jù)十分接近，在誤差范圍內(nèi)，可以利用ANSYS來進行仿真該系統(tǒng)的地面實驗，從地面實驗和有限元分析數(shù)據(jù)表明隨著時間的推移葉片表面溫度會隨著上升，表明除冰效果明顯以及該除冰系統(tǒng)方案是合理的，為后續(xù)葉片氣熱除冰系統(tǒng)設(shè)計提供了參考依據(jù).

抗冰葉片；氣熱除冰；實驗驗證；有限元分析

隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對環(huán)境的要求越來越高，低碳、環(huán)保的理念深入人心.風(fēng)能作為一種清潔、綠色能源受到人們的普遍關(guān)注，而風(fēng)機葉片不僅是風(fēng)電機組最關(guān)鍵部件之一，也是風(fēng)能收集裝置，葉片的性能將會直接影響風(fēng)力發(fā)電的效率[1].我國南方地區(qū)屬于低溫高濕氣候，并且冬季經(jīng)常是霜雪天氣.風(fēng)力發(fā)電機組遇到低溫潮濕和霜雪天氣時，其部件將面臨結(jié)冰的問題，特別是裸露在外面的風(fēng)機葉片受到的影響更為嚴(yán)重，葉片表面覆冰將會有以下影響[2]：

(1)風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電效率將降低；

(2)風(fēng)力發(fā)電機組的壽命將會降低；

(3)對四周的人和設(shè)備等造成傷害.

目前，對于防冰除冰技術(shù)的研究主要集中在航空、航海、電力和交通部門[3]，特別是對飛行器表面和電路輸送線路.對于風(fēng)機葉片防冰除冰技術(shù)研究甚少，對于覆冰葉片一般采用停機處理.風(fēng)機葉片防冰除冰技術(shù)的研究主要在芬蘭、加拿大等國家[4]，而我國對于這方面的研究還處于起步階段.主要的防冰除冰技術(shù)有熱力除冰、機械除冰、涂層除冰等[5].

國內(nèi)外應(yīng)用的這些防除冰技術(shù)各有優(yōu)缺點，如涂料除冰操作簡單，但是涂料性能不穩(wěn)定.超聲波除冰技術(shù)不完善等等[6].加熱型是目前開展研究最多、經(jīng)驗證目前最具有商業(yè)價值的防冰除冰系統(tǒng),并且氣熱法除冰效率高、能耗低、維護起來比較簡單，所以利用氣熱法來進行除冰、防冰，具有重要的工程應(yīng)用價值.

1 氣熱除冰系統(tǒng)

1.1 氣熱除冰系統(tǒng)

氣熱除冰系統(tǒng)主要由鼓風(fēng)機、加熱器 、葉片加熱控制系統(tǒng)組成，其中鼓風(fēng)機參數(shù)如表1所示，加熱器參數(shù)如表2所示.

表1 鼓風(fēng)機的主要信息

表2 加熱器的主要信息

由于風(fēng)力發(fā)電機組主控系統(tǒng)額定容量為87 kW(400 V,125 A)，而葉片加熱系統(tǒng)額定容量為120 kW(690 V,100 A)，因此在原主控系統(tǒng)控制柜內(nèi)增加元器件已無空間，只能重新設(shè)計獨立的葉片加熱控制系統(tǒng).

1.2 葉片加熱控制系統(tǒng)1.2.1 葉片加熱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

葉片加熱控制系統(tǒng)基本沿用風(fēng)機主控拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模式結(jié)構(gòu).采用6柜結(jié)構(gòu)：塔基控制柜、機艙控制柜、電源分配箱、3個葉根控制柜；在原有的基礎(chǔ)上增加五個10環(huán)道，5個690 V動力環(huán)道(U、V、W、N、PE)載流量達(dá)100 A，2個230 V電源環(huán)道供(L、N)控制用，3個通訊用CANopen通訊環(huán)道(CAN+、CAN-、GND)；葉片加熱系統(tǒng)與主控系統(tǒng)相互獨立，葉片加熱系統(tǒng)退出方便，出現(xiàn)故障可不影響主控系統(tǒng)運行，不影響機組的可利用率，獨立的緊急切出回路.塔基控制柜、機艙控制柜設(shè)有硬件緊急切出按鈕，同時系統(tǒng)設(shè)有軟件自動控制切出點，確保機組的安全；其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 葉片加熱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 葉片加熱控制系統(tǒng)通訊方式

塔基控制柜與機艙控制柜內(nèi)配置光纖通訊模塊，它們之間采用光纖通訊；塔基控制柜PLC模塊通過以太網(wǎng)與主控塔基柜交換機連接，實現(xiàn)與主控PLC的通訊與控制，監(jiān)控HMI觸摸屏也通過交換機以太網(wǎng)口連接，同時交換機提供其它以太網(wǎng)口供便攜筆記本電腦連接監(jiān)控或調(diào)試；機艙控制柜配置CANopen通訊模塊，與滑環(huán)及其后子站通過CANopen通訊連接，同時配置一個以太網(wǎng)模塊，方便在機艙連接筆記本電腦監(jiān)控或調(diào)試；每個葉根控制柜配置一個CANopen通訊模塊，用于與機艙控制柜通訊.該控制系統(tǒng)的通訊結(jié)構(gòu)圖如2所示.

1.2.3 葉片加熱控制系統(tǒng)保護與監(jiān)控

塔基控制柜內(nèi)設(shè)有溫度監(jiān)控及柜內(nèi)自身加熱控制、動力及通訊防雷保護、總電流、電壓、功率監(jiān)控、缺相保護、緊急切斷保護、通訊監(jiān)控及通訊中斷切出.

機艙控制柜內(nèi)設(shè)有溫度監(jiān)控及柜內(nèi)自身加熱控制、動力及通訊防雷保護、結(jié)冰探測監(jiān)控、緊急切斷保護.

葉根控制柜設(shè)有溫度監(jiān)控及柜內(nèi)自身加熱控制、葉片3段溫度監(jiān)控(2.5 m通風(fēng)管入口溫度、10 m葉片內(nèi)壁溫度、15 m葉片內(nèi)部溫度三處溫度監(jiān)控)、鼓風(fēng)機缺相保護、動力及通訊防雷保護、鼓風(fēng)機與加熱電阻連鎖保護、單葉片加熱電阻電流、電壓、功率監(jiān)控及開路保護.

圖2 葉片加熱控制系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)圖

2 氣熱法除冰實驗裝置和地面實驗數(shù)據(jù)

2.1 氣熱除冰實驗裝置

由于本系統(tǒng)風(fēng)機葉片比較大，實驗困難，實驗成本高，本實驗對其進行簡化，不進行掛機實驗，進行地面試驗.實驗裝置有鼓風(fēng)機、加熱器、導(dǎo)熱管等，實驗裝置建模圖見圖3、實物圖見圖4.

圖3 實驗裝置建模圖

圖4 實驗裝置實物圖

2.2 地面實驗數(shù)據(jù)

利用上述實驗裝置進行地面實驗，在距離葉根10 m處的葉片內(nèi)腔、葉片表面、以及外界環(huán)境安裝三支熱電偶，得到環(huán)境溫度(為25.4)、葉片內(nèi)腔溫度(如表3所示)、葉片表面溫度(如表4所示)[7].

表3 葉片內(nèi)腔測量溫度

表4 葉片表面溫度

3 利用ANSYS對氣熱法除冰系統(tǒng)進行分析

3.1 氣熱法原理

氣熱法除冰屬于熱能除冰技術(shù)的一種，主要由鼓風(fēng)機、加熱器和導(dǎo)熱管以及加控制系統(tǒng)構(gòu)成，其工作原理為鼓風(fēng)機將加熱器加熱的熱空氣通過導(dǎo)管運送到葉片覆冰嚴(yán)重的部位，熱空氣將在葉片前緣與腹板之間流到葉片后緣與腹板之間，熱空氣從而覆蓋氣整個葉片內(nèi)腔，加熱的熱空氣以對流換熱的方式將熱量傳給葉片，葉片再以導(dǎo)熱的方式傳給冰塊，使冰塊融化，到達(dá)除冰的效果熱法原理圖如圖5所示.

圖5 氣熱法工作原理圖

3.2 對氣熱除冰葉片進行分析

本文利用實驗分析的葉片模型來建模分析，葉片半徑42 m，在UG中建立葉片三維殼體模型；將三維殼體模型導(dǎo)入ANSYS中，需要進行單元屬性設(shè)置，本文選用SHELL131；葉片進行材料屬性設(shè)置，材料屬性如表5所示.

表5 材料屬性

葉片進行鋪層處理，總共鋪10層，為了簡化每層信息都一樣，鋪層信息如圖6所示.

圖6 葉片鋪層信息

葉片進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示.

圖7 網(wǎng)格劃分

葉片邊界條件及載荷處理，環(huán)境溫度為25.4 ℃，設(shè)置溫度載荷如表3所示，計算并查表取對流換熱系數(shù)為 12.5 W/(m2·℃)，在施加溫度載荷時，選擇在風(fēng)電葉片的內(nèi)表面進行加載，對流換熱邊界條件時選擇在風(fēng)電葉片的外表面進行添加；最后設(shè)置分析類型為熱瞬態(tài)分析、步長為0.01 s，總時長為720 s，已經(jīng)完成了對模型的設(shè)置.

對設(shè)置好的模型來對葉片進行熱瞬態(tài)熱分析，在后處理模塊獲取240 s、480 s、720 s時葉片溫度場分布圖，如圖8、圖9、圖10所示.

ANSYS有限元熱分析完后提取距離葉根10 m出葉片表面的溫度數(shù)據(jù)，葉片表面溫度數(shù)據(jù)如表6所示.

圖8 240 s葉片表面溫度場分布

圖9 480 s葉片表面溫度場分布

圖10 720 s葉片表面溫度場分布

時間(s)溫度(℃)時間(s)溫度(℃)025.442028.76025.548029.112025.854029.518026.260030.024025.566030.230027.472030.436028.1

4 實驗結(jié)果及結(jié)論

根據(jù)有限元結(jié)果與實驗葉片表面溫度進行對比，其對比結(jié)果圖如圖11所示，實驗結(jié)果與有限元分析基本吻合，有限元分析結(jié)果前期比實驗數(shù)據(jù)低，原因在于有限元葉片鋪層與真實葉片鋪層存在差距，有限元分析結(jié)果后期比實驗數(shù)據(jù)高，原因在于熱電偶在高溫下測量受到影響.

圖11 有限元分析計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比

從以上計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比可得出以下結(jié)論：

(1)通過有限元分析和地面實驗,說明采用本文的新型葉片氣熱除冰系統(tǒng)方案是合理的.

(2)有限分析結(jié)果與地面實驗數(shù)據(jù)十分接近，在誤差范圍內(nèi)，可以利用ANSYS來進行仿真該系統(tǒng)的地面實驗，可作為設(shè)計新型葉片氣熱除冰系統(tǒng)的參考依據(jù),減少成本.

(3)本文為葉片防冰、除冰提供了一種解決方案，并為后續(xù)研究風(fēng)力發(fā)電機組提供了參考依據(jù).

[1] 陳 陽，薛浩鵬，郝志勇.風(fēng)電葉片除冰方法理論研究[J].天津科技，2015，42(7):29-30.

[2] 王 偉， 侯學(xué)杰， 管曉穎,等. 風(fēng)電葉片除冰技術(shù)的研究進展[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料，2014(1)： 90-93.

[3] 雷利斌.基于LabVIEW的風(fēng)力機葉片除冰系統(tǒng)研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[4] 許 斌，于靜梅.基于電加熱法的自控型防冰除冰葉片結(jié)構(gòu)研究[J].應(yīng)用能源技術(shù),2012(12):44-46.

[5] Chaoyi Peng，Suli Xing，et al. Preparation and Anti-icing of Superhydrophobic PVDF Coating on a Wind Turbine Blades[J]. Applied Surface Science，2012，259:764-768.

[6] Menini R，Ghalmi Z，F(xiàn)arzaneh M. Highly Resistant Icephobic Coatings on Aluminum Alloys[J].Cold Regions Science and Technology，2011，65(1):65-69.

[7] 盧 芳.風(fēng)機葉片覆冰監(jiān)測與防冰除冰試驗研究[D].湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

Analysis of Wind Turbine Blade De-icing Based on Gas and Heat Method

LV Qing1,2，NING Li-wei1,2，YAN Xi1,2，ZENG Meng-wei1,2

(1.College of Mechanical Engineering，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411104，China； 2.Wind Power Operation and Maintenance and Testing Technology Hunan Provincial Engineering Laboratory， Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411104， China)

This paper mainly introduces a new type blade deicing system. The system is based on gas thermal method to carry out the design. The ground experimental analysis and finite element analysis in the ANSYS are carried out to verify the deicing system rationality. The finite analysis results and experimental data are very close to the ground. In the error range. The simulation of the ground test system by using ANSYS is performed. The ground test and finite element analysis data show that the leaf surface temperature will increase with time, which prores that the deicing deicing system scheme is reasonable. It can provide a reference for the subsequent leaf gas thermal deicing system design.

anti ice blade； gas thermal de-icing； experimental verification finite element analysis

2016-12-15

湖南工程學(xué)院科技創(chuàng)新項目(Y16009).

呂 慶(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：風(fēng)力機智能監(jiān)控.

寧立偉(1964-)，男，教授，研究方向：風(fēng)力機智能監(jiān)控.

TH122

A

1671-119X(2017)02-0028-05