風電葉片氣熱循環(huán)系統(tǒng)的流場與溫度場研究

桂林電子科技大學(xué) 潘克強 梁才航

風力發(fā)電是一種可再生能源，近年來在我國和世界各國得到了越來越多的重視。風力發(fā)電機多設(shè)立在南方高山地帶或者邊疆地區(qū)。我國南方地區(qū)冬季雖然氣溫較高，但由于凍雨頻繁，加上凍雨多發(fā)生在高海拔山區(qū)，這些區(qū)域的風機葉片很容易結(jié)冰也極易受到葉片覆冰問題的困擾，使得風力發(fā)電機組的輸出功率大幅降低。嚴重的葉片覆冰現(xiàn)象對風機的危害極大：一是冰層會對葉片產(chǎn)生一個的不穩(wěn)定不對稱載荷，可能發(fā)生葉片折斷、風力發(fā)電機損毀等事故，直接危及風機的正常運行；二是覆冰后由于冰型表面粗糙，影響原本的葉片翼型，降低葉片氣動性能，進而對風機的發(fā)電效率產(chǎn)生不利影響；三是風電運行時葉片冰層會隨時甩落，對附近的人員有較大安全隱患。

1 風力發(fā)電機葉片覆冰危害及類型

1.1 風力發(fā)電機葉片覆冰危害

一般情況下，風力發(fā)電機葉片表面覆冰后葉片表面形狀發(fā)生改變，使葉片表面粗糙度增加，會使風力發(fā)電機葉片的阻力升高，隨之其氣動性能降低，最后會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低甚至保護停機，其風能可利用率會隨之下降，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行和企業(yè)的經(jīng)濟效益。隨著越來越多的風電綠色能源不斷投人生產(chǎn)和使用，葉片覆冰造成的機組不定期的停機或造成故障停機，這會影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

當葉片表面覆冰時，葉片在旋轉(zhuǎn)過程中會因局部覆冰質(zhì)量過重而導(dǎo)致葉片產(chǎn)生振動，從而使葉片產(chǎn)生很大的振幅，此外葉片的質(zhì)量增加還會改變?nèi)~片振動頻率，當振動頻率與設(shè)計頻率有較大偏差時，很可能會使整條葉片產(chǎn)生共振，使葉片的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，且葉片表面上冰層會對葉片產(chǎn)生一個不穩(wěn)定的不對稱載荷，使葉片在旋轉(zhuǎn)時可能發(fā)生葉片折斷、甚至發(fā)生風力發(fā)電機倒塔損毀等事故，嚴重危及風機的正常運行。

當環(huán)境溫度升高時，風力發(fā)電機葉片表面的覆冰的粘著力會逐漸減小，所以當風力發(fā)電機葉片在旋轉(zhuǎn)時會因為離心力和冰塊的重力共同作用下脫離葉片表面，被甩出的冰塊從約百米高的位置砸向地面，使周圍附近的設(shè)備造成嚴重損壞，同時對現(xiàn)場檢修的運維人員帶來較大的安全隱患。

1.2 風力發(fā)電機葉片覆冰類型

環(huán)境中的過冷卻水滴的黏性會因為環(huán)境的不同而存在較大差異，因此在風力發(fā)電機葉片上的覆冰也會存在很大區(qū)別，這會導(dǎo)致葉片上的覆冰形狀不一。不同的覆冰形狀會對風力發(fā)電機葉片的氣動性能產(chǎn)生不同的影響，覆冰的類型也會受到地區(qū)的環(huán)境、地形、風速等因素的影響，如果按照覆層表面的形狀進行分類，可以分為雨凇、霧凇、濕雪和混合凇四種類型；若按照冰層的形成機理分類，則可分為降水覆冰、云中覆冰和霜凍覆冰等。

雨凇。當環(huán)境溫度在0℃至-5℃范圍時，當風力發(fā)電機葉片與空氣中的過冷卻水滴發(fā)生碰撞時并沒有立刻結(jié)冰，此時沒有發(fā)生結(jié)冰的部分水滴會在離心力的作用下在葉片表面流動，在流動過程中發(fā)生結(jié)冰，最后的覆冰往往在尾部區(qū)域形成凸起形狀，則這種覆冰稱為雨凇。雨凇的黏附力很強，又因雨凇尾部是凸起形狀，就會改變風力發(fā)電機葉片表面的流場分布，從而葉片的升力系數(shù)減小、阻力增大，葉片的風能利用效率也隨之降低。

霧凇。是指云霧中的過冷水滴碰撞到0℃以下的葉片表面后，立即在葉片表凝結(jié)成的冰層。霧凇又可分為硬淞和軟淞，若液滴含水量高且尺寸較大，將會結(jié)成半透明或白色的硬淞，硬淞與物體表面的粘附力很強，這種覆冰較難于清除，如果水滴含量小且尺寸也較小時，就會凝結(jié)成雪花狀或針狀的軟淞，軟凇的冰層結(jié)構(gòu)較為松散，與物體的粘附力較低，較易清除。

降水覆冰。這種類型主要是因為風力發(fā)電機建立在高寒地區(qū)，且雨水或濕雪最容易出現(xiàn)在這種地區(qū)，雨雪天氣造成風力發(fā)電機葉片出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象也最為常見，當出現(xiàn)凍雨天氣，在高寒地區(qū)由于整體空氣低于零攝氏度，過冷的雨滴滴落在風機葉片上后含冰核的水層會瞬間凝結(jié)成冰，沒有含冰核的水因流動聚集的原因同樣會快速聚集成冰，這樣會快速形成雨凇，這類雨凇形成的覆冰情況往往擁有著較高附著力。

云中覆冰。主要是指在空氣溫度在零下時，云霧中攜帶了大量的過冷水滴，當云霧與風力發(fā)電機接觸時，由于風力發(fā)電機葉片在未加熱的時候溫度很低，所以這些云霧中的過冷水滴會在接觸葉片時快速形成覆冰；霜凍覆冰。在風力發(fā)電機組葉片結(jié)冰當中，霜凍覆冰主要是在貼近風力發(fā)電機組葉片的表面空氣受到了葉片冷卻的影響，所以在風力葉片發(fā)電在機組的葉片中形成了細密的晶體，這種白色晶體跟日常生活中的霜降有著共同之處，所以這種覆冰情況最容易清除掉。

2 葉片氣熱循環(huán)系統(tǒng)介紹

2.1 葉片氣熱循環(huán)系統(tǒng)原理

由于風機在運行時的結(jié)冰主要是出現(xiàn)在風機葉片上，因此風機運行防除冰結(jié)構(gòu)的核心是在風機葉片內(nèi)設(shè)置加熱系統(tǒng)，保證風機葉片上不出現(xiàn)結(jié)冰，根據(jù)風機葉片的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)腔被分割成了葉片前邊緣及葉片的后邊緣，前后邊緣在風機葉片葉尖的位置連通，在葉片根部的后葉片內(nèi)匯聚成一個氣流內(nèi)循環(huán)的通道。根據(jù)葉片內(nèi)部空間情況，決定在風機內(nèi)設(shè)置了加熱器、導(dǎo)風管、風機，加熱器發(fā)熱后由風機將熱氣流通過導(dǎo)風管送入到風機葉片的前緣通道內(nèi)，再通過風機葉片尖部的缺口送入到后緣通道內(nèi)，從而形成一個連續(xù)循環(huán)，實現(xiàn)對整個葉片表面的加熱（圖1）。

2.2 葉片氣熱循環(huán)系統(tǒng)控制

為滿足風機葉片在不同工況下的防除冰控制需求，氣熱循環(huán)系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括了結(jié)冰監(jiān)測、參數(shù)分析、數(shù)據(jù)處理、加熱除冰執(zhí)行控制四個部分。

結(jié)冰監(jiān)測模塊主要采用了雙光纖監(jiān)測傳感器，設(shè)置在風機葉片前側(cè)邊緣，能夠?qū)崟r對風機葉片上結(jié)冰厚度、結(jié)冰速度、結(jié)冰分布情況進行監(jiān)測并將監(jiān)測結(jié)果傳輸給控制中心；參數(shù)分析與處理單元主要是接收到結(jié)冰監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)信息，然后對風機整體的運行安全性進行判斷，當判斷需要除冰時系統(tǒng)便根據(jù)結(jié)冰參數(shù)制定合理的除冰方案；加熱除冰。系統(tǒng)接收到參數(shù)分析與處理單元的除冰參數(shù)信息后，開始啟動風機葉片內(nèi)的加熱器和鼓風機，進行強制循環(huán)熱空氣加熱除冰；在整個除冰控制過程中，系統(tǒng)自動對風機葉片表面的結(jié)冰情況進行監(jiān)測和反饋，從而實現(xiàn)風機葉片防除冰的動態(tài)反饋和調(diào)整，保證防除冰的效果和可靠性。

3 葉片內(nèi)部的流場與溫度場研究

幾何模型網(wǎng)格劃分：葉片的幾何模型利用Solidworks三維軟件進行建模，風力發(fā)電機葉片結(jié)構(gòu)具體如圖2（a）所示。葉片整體呈現(xiàn)扁平長條形形狀，長度約為40.2m，最寬的寬度約為2.8m，葉片最小厚度約為10mm，最大厚度約為313mm。葉片內(nèi)部設(shè)置有兩根剪切腹板，主要作用是加固葉片結(jié)構(gòu)和分隔內(nèi)部氣流使其能夠循環(huán)流動，如圖2（c）所示。葉尖是葉片最容易結(jié)冰的位置，尖端為實心，如圖2（d）所示。風機葉片內(nèi)部較為復(fù)雜，因此網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，并對葉片內(nèi)部腹板和葉片曲面等結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格加密處理，得到的網(wǎng)格單元數(shù)量約為一千萬個，網(wǎng)格劃分具體情況如圖2（b）所示，風機葉片內(nèi)部的網(wǎng)格進行了細化處理，網(wǎng)格的劃分能夠滿足葉片內(nèi)部流場和溫度場的計算需求。

計算邊界條件：數(shù)值計算采用k-e湍流模型，葉片前緣進口采用速度入口邊界條件，速度選取20m/s、25m/s和30m/s，入口進風溫度設(shè)置為90℃，出風口采用壓力出口邊界條件，相對壓力為零，風機的腹板和葉片外壁面均設(shè)置為wall壁面，參考文獻[3]提供的數(shù)據(jù)，壁面的對流換熱系數(shù)設(shè)為12.5W/(m2·K)，環(huán)境溫度設(shè)為-1℃。葉片及腹板的材料為玻璃鋼，其比熱容為1100J/(kg·K)，密度為1900kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.3W/(m·K)?；趕imple算法進行求解，對葉片流場及溫度場進行數(shù)值模擬計算，采用二階迎風格式進行離散，最終計算各物理量收斂良好。

計算結(jié)果：當進風溫度為90℃時，由進風速度為20m/s、25m/s和30m/s三種風速條件下的葉片內(nèi)部溫度場分布圖可知，葉片內(nèi)部的前緣內(nèi)腔溫度較高，而葉尖、腹板及出口位置的溫度較低，可看出這三個位置容易產(chǎn)生結(jié)冰。

綜上，本文闡述了葉片覆冰的危害及覆冰的類型，并對葉片氣熱循環(huán)系統(tǒng)的原理和控制進行介紹，利用Fluent軟件對風電葉片的氣熱循環(huán)系統(tǒng)進行流動及傳熱的模擬仿真分析，得到以下結(jié)論：風機葉片的葉尖、腹板端面及葉片出口位置的溫度較低，這三個位置產(chǎn)生的低溫現(xiàn)象不能單純通過提高氣熱循環(huán)系統(tǒng)的進風速度或進風溫度來緩解；通過仿真圖片可看出，提高葉片氣熱循環(huán)系統(tǒng)的進口風速，比提高葉片進口溫度這一措施對葉片的防除冰效果更好。