葉片數(shù)對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)冰分布影響風(fēng)洞試驗(yàn)

沈 賀，魏 搏，姜 禹，郭文峰, ，李 巖,,*

1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 哈爾濱 150030 2.寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030

0 引 言

在寒冷潮濕環(huán)境中運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)容易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象[1-2]，影響風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)特性和載荷分布，降低風(fēng)力機(jī)輸出功率，甚至引發(fā)安全事故[3-5]。風(fēng)力機(jī)結(jié)冰的研究方法主要包括結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬[6]。結(jié)冰情況復(fù)雜，相較于數(shù)值模擬而言，結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)方法更容易獲得與實(shí)際環(huán)境相似的結(jié)果[7]。當(dāng)前，水平軸風(fēng)力機(jī)是大型風(fēng)力機(jī)的主流機(jī)型，國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)力機(jī)的結(jié)冰研究主要集中于水平軸風(fēng)力機(jī)。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)Blasco等[8]研究了結(jié)冰粗糙度對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響。丹麥技術(shù)大學(xué)的Etemaddar等[9]模擬了風(fēng)力機(jī)葉片大氣積冰對(duì)其氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)的影響。中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的易賢、周志宏、李維浩等[10-13]對(duì)影響結(jié)冰的主要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了研究。這些都為大型風(fēng)力機(jī)結(jié)冰研究奠定了基礎(chǔ)。

在小型風(fēng)能利用領(lǐng)域，垂直軸風(fēng)力機(jī)占有一定的市場(chǎng)，研究垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)冰也具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。李巖等[14-15]利用風(fēng)洞試驗(yàn)初步研究了小型垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)冰分布。然而，垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)冰情況較水平軸風(fēng)力機(jī)更為復(fù)雜，尚有很多需要探明的問題。本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，研究了葉片數(shù)對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)冰分布的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用自然低溫和開口式風(fēng)洞搭建而成，包含有水霧噴射系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)和高速攝像機(jī)等。

圖1 結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of icing wi nd tunnel

風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為1.0 m×1.0 m，風(fēng)速范圍為0～20 m/s。水霧噴射系統(tǒng)由噴霧環(huán)、水泵、流量計(jì)、凈水器、PID溫度控制器和水箱等組成，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)由交流電機(jī)、變頻器、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)等組成。高速攝像機(jī)為Phantom v5.1，分辨率為1024 pixel×1024 pixel。高速攝像機(jī)安裝于風(fēng)輪上方，拍攝葉片的結(jié)冰過程。

圖2 水霧噴射系統(tǒng)Fig.2 Spray system

1.2 試驗(yàn)葉片

圖3為試驗(yàn)葉片樣件。葉片弦長為100 mm，翼展為20 mm，表面粗糙度為3.2 μm。鋁在小型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片中應(yīng)用最為廣泛，故本文選取鋁制葉片。NACA0018翼型葉片的功率系數(shù)較高，所以試驗(yàn)葉片選用NACA0018翼型。

圖3 試驗(yàn)葉片樣件Fig.3 Blade rotor used for experiment

圖4為風(fēng)輪示意圖。風(fēng)輪中心與出風(fēng)口中心高度一致，位于風(fēng)洞出口外2.5 m處。試驗(yàn)前打開安裝口，將試驗(yàn)葉片安裝在試驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)的懸臂梁上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑為0.3 m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谠囼?yàn)段風(fēng)道截面上的投影面積約為3.53×104mm2，試驗(yàn)段風(fēng)道截面積為1×106mm2，阻塞比約為3.53%，壁面效應(yīng)可以忽略，無需修正。

圖4 風(fēng)輪示意圖Fig.4 Diagram of wind rotor

1.3 試驗(yàn)方案

表1為試驗(yàn)條件。低尖速比為風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的初始或非工作階段。風(fēng)力機(jī)葉片在低尖速比條件下結(jié)冰會(huì)破壞葉片氣動(dòng)性能，使風(fēng)力機(jī)以非正常工作狀態(tài)運(yùn)行甚至停機(jī)，故本試驗(yàn)選取了3種典型低尖速比：λ= 0.2、0.6、1.0。葉片數(shù)按照實(shí)度成倍增加的原則選取了3種（1、2、4）。試驗(yàn)時(shí)間初選10 、15 和20 min，綜合初測(cè)試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)效率，最終選取15 min作為結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)長，采樣間隔5 min。

表1 試驗(yàn)條件Table 1 Experimental condition

根據(jù)前期研究成果，確定了1組不同尖速比條件和不同葉片數(shù)的試驗(yàn)方案，如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Experimental scheme

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片表面結(jié)冰分布與形狀

圖5為旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰分布。從圖中可以看出，工況1～工況9的葉片表面全部覆冰。在葉片表面結(jié)冰初期，由于鋁的導(dǎo)熱系數(shù)較高，來流中的過冷水滴在與葉片碰撞的瞬間完成熱交換，達(dá)到熱平衡，過冷水滴迅速結(jié)冰。隨著結(jié)冰時(shí)間增加，葉片表面輪廓增大，捕獲來流中過冷水滴的數(shù)量增多，導(dǎo)致葉片表面冰層厚度呈增大的變化趨勢(shì)。在低尖速比條件下，葉片結(jié)冰受離心力和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響較小，葉片表面粗糙的霜冰層阻止了過冷水滴在葉片表面的流動(dòng)，使葉片能夠保持其基本的氣動(dòng)外形輪廓。隨著尖速比增大，葉片在單位時(shí)間內(nèi)掠過的面積增加，與來流中過冷水滴碰撞的頻率增大，導(dǎo)致葉片表面冰層厚度也不斷增大。

圖5 葉片結(jié)冰分布Fig.5 Icing distribution of blade

2.2 冰層厚度分布

圖6為冰層厚度示意圖。為定量分析葉片表面的結(jié)冰分布特征，定義結(jié)冰厚度參數(shù)H。Hi為i（i=1、2、3、4、5、6、7、8、9）工況時(shí)葉片翼型表面任意點(diǎn)法線方向的冰層厚度。x軸代表葉片翼弦上某點(diǎn)距葉片前緣的距離，y軸代表葉片厚度。

圖6 冰層厚度示意圖Fig.6 Schematic diagram of ice thickness

圖7為葉片弦長相對(duì)位置圖。為定量對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果，本文將葉片弦長無量綱化并進(jìn)行位置標(biāo)注，圖中橫坐標(biāo)軸正向?yàn)槿~片內(nèi)側(cè)，負(fù)向?yàn)槿~片外側(cè)，c為葉片弦長，x/c為葉片弦長相對(duì)位置。

圖7 葉片弦長相對(duì)位置Fig.7 Relative position of the chord length

圖8為葉片冰層厚度圖。在工況1、2、3下，葉片內(nèi)外側(cè)冰層厚度由前緣至尾緣均呈先減后增的變化趨勢(shì)，冰層整體呈W型分布。隨著尖速比增大，在工況4～9下這一現(xiàn)象發(fā)生改變，葉片外側(cè)靠近尾緣處冰層凸起，而葉片內(nèi)側(cè)冰層呈滑梯狀，冰層厚度呈遞減趨勢(shì)。在所有工況下，多葉片風(fēng)輪的葉片冰層厚度大于單葉片風(fēng)輪，兩葉片風(fēng)輪的葉片冰層厚度大于四葉片風(fēng)輪。在葉片前緣區(qū)域，葉片外側(cè)冰層分布較內(nèi)側(cè)更陡峭，且隨著尖速比的增大這一現(xiàn)象愈發(fā)明顯。在工況8下，葉片表面冰層厚度顯著大于其他工況，最大冰層厚度為15.5 mm。

圖8 葉片冰層厚度Fig.8 The icing thickness of blade

圖9為葉片冰層平均厚度圖。在葉片弦長0～10%區(qū)域內(nèi)，葉片內(nèi)、外側(cè)冰層厚度差值較葉片其他區(qū)域最大，且隨著風(fēng)輪的葉片數(shù)增加，差值呈先增后減的變化趨勢(shì)。隨著尖速比增大，差值呈遞增趨勢(shì)。在工況8下，葉片內(nèi)、外側(cè)冰層厚度差值最大為3.5 mm，當(dāng)尖速比由0.6增至1.0時(shí)，葉片內(nèi)、外側(cè)冰層厚度差值增幅最大為1.9 mm。當(dāng)風(fēng)輪的葉片數(shù)由1變?yōu)?或4時(shí)，葉片弦長0～10%區(qū)域內(nèi)的冰層厚度增幅較葉片其他區(qū)域最大，且隨著尖速比增大冰層厚度增幅呈遞增趨勢(shì)。當(dāng)λ=1.0，葉片數(shù)由1變?yōu)?時(shí)，冰層厚度增幅最大為4.5 mm。

圖9 葉片冰層平均厚度Fig.9 The average ice thickness of blade

2.3 討論

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同條件下，隨著葉片數(shù)增加，風(fēng)輪周圍的流場(chǎng)發(fā)生變化，使來流中過冷水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，導(dǎo)致多葉片風(fēng)輪的葉片捕獲過冷水滴的能力強(qiáng)于單葉片風(fēng)輪的葉片，所以多葉片風(fēng)輪的葉片冰層厚度大于單葉片風(fēng)輪。但隨著葉片數(shù)增加，葉片間因“遮擋”而相互干擾的頻率增大，導(dǎo)致四葉片風(fēng)輪的葉片捕獲過冷水滴的能力弱于兩葉片風(fēng)輪的葉片，所以葉片冰層厚度呈先增后減的變化趨勢(shì)。隨著尖速比的增大，葉片受離心力和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響增強(qiáng)，葉片表面前緣至尾緣冰層厚度分布變化顯著，所以尖速比是影響葉片表面冰層厚度分布的主要因素。在不同工況下，葉片弦長0～10%區(qū)域捕獲過冷水滴的能力顯著大于葉片其他部位。當(dāng)λ=1.0，風(fēng)輪的葉片數(shù)由1增為2時(shí)，葉片冰層厚度的增幅顯著大于其他工況。在工況1～3下，由于尖速比較低，離心力和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)葉片表面結(jié)冰的影響較小，葉片內(nèi)、外側(cè)冰層厚度差值較小。隨著尖速比增大，離心力和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響增大。當(dāng)作用在過冷水滴上的離心力大于過冷水滴與冰層表面之間的黏附力時(shí)，水滴將會(huì)在離心力的作用下脫離葉片表面，導(dǎo)致葉片內(nèi)、外側(cè)冰層厚度差值增大。在本研究試驗(yàn)條件下，當(dāng)風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)為2、尖速比為1.0時(shí)，葉片表面冰層厚度顯著大于其他工況，對(duì)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行影響最大。

3 結(jié) 論

1）垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片表面結(jié)冰分布受葉片個(gè)數(shù)和尖速比的影響顯著，葉片內(nèi)外表面的結(jié)冰總體呈現(xiàn)非對(duì)稱分布特點(diǎn)，葉片表面的冰層厚度隨葉片數(shù)增加呈先增后減的變化趨勢(shì)，且多葉片風(fēng)輪的葉片冰層厚度大于單葉片風(fēng)輪。

2）隨葉片數(shù)增加，葉片弦長0～10%區(qū)域內(nèi)的冰層厚度增幅顯著大于葉片其他部位，最大增幅為4.5 mm；葉片內(nèi)外表面冰層厚度差值呈先增后減的變化趨勢(shì)，最大差值為3.5 mm。

3）隨尖速比增大，葉片前緣冰層厚度顯著大于葉片其他部位，最大冰層厚度為15.5 mm；葉片前緣內(nèi)外表面冰層厚度差值呈遞增的變化趨勢(shì)，最大增幅為1.9 mm。