風(fēng)電機(jī)組葉片熱風(fēng)除冰數(shù)值分析與性能優(yōu)化研究

陳中亞 毛涵韜 劉欽東 羅勇水 任 靜 何俊尉

（浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310012）

風(fēng)電作為一種可再生的新能源，在我國的電力結(jié)構(gòu)中占有較高的地位。然而當(dāng)在冬季運(yùn)行時(shí)，葉片結(jié)冰給風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行安全和發(fā)電效益帶來了雙重困擾。葉片結(jié)冰破壞了氣動(dòng)外型，降低了機(jī)組風(fēng)能捕獲能力，加大了葉片的載荷和震動(dòng)。風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主迫切需要可以對(duì)結(jié)冰較嚴(yán)重的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行葉片裝配除冰的系統(tǒng)。熱鼓風(fēng)加熱除冰是一種葉片主動(dòng)抗冰凍技術(shù)，通過將加熱的空氣輸送到葉片內(nèi)腔中，熱空氣攜帶的熱量從葉片內(nèi)表面向外表面?zhèn)鬟f，從而融化葉片外表面的冰層。熱鼓風(fēng)加熱除冰具有運(yùn)行安全可靠、維護(hù)簡單易行以及系統(tǒng)成本較低等優(yōu)點(diǎn)。單純從傳熱流程來看，熱鼓風(fēng)除冰過程中的熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)流程并不復(fù)雜，可以通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬2 種方法研究其流動(dòng)與傳熱特性，但是試驗(yàn)條件較為苛刻，試驗(yàn)成本也較高。針對(duì)該問題，筆者針對(duì)某型號(hào)葉片結(jié)構(gòu)建立了簡化的有限元分析模型，分析了特定葉片外環(huán)境溫度和風(fēng)速條件下的葉片除冰性能，并針對(duì)該葉片結(jié)構(gòu)提出了一種葉片前緣腹板開孔的方法來優(yōu)化葉片內(nèi)腔流動(dòng)阻力，從而優(yōu)化選型鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)量和加熱器運(yùn)行功率。

1 槳葉熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)

典型的翼型截面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。前緣區(qū)域?yàn)橹饕挠L(fēng)區(qū)域，也是葉片結(jié)冰嚴(yán)重且結(jié)冰對(duì)葉片氣動(dòng)性能影響較大的區(qū)域。

圖1 典型的翼型截面結(jié)構(gòu)

熱鼓風(fēng)加熱除冰作為一種主動(dòng)抗冰凍技術(shù)，在國內(nèi)外基礎(chǔ)技術(shù)與工程應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)有許多相關(guān)研究。熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)、加熱器、通風(fēng)管道和葉片內(nèi)腔組成，一種典型的鼓風(fēng)機(jī)、加熱器、通風(fēng)管道及其安裝支架連接結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 鼓風(fēng)機(jī)、加熱器、通風(fēng)管及其安裝支架連接結(jié)構(gòu)示意圖

熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)安裝位置示意如圖3 所示，系統(tǒng)主要由鼓風(fēng)機(jī)、加熱器、通風(fēng)管、擋風(fēng)板及葉片組成，葉片主要包括前緣區(qū)域、后緣區(qū)域、2 塊腹板、2 塊腹板間區(qū)域和人孔板。以某型號(hào)葉片為例，利用Bladed 軟件計(jì)算槳葉承受風(fēng)能載荷的分布情況，發(fā)現(xiàn)距離葉根15 m 至葉尖區(qū)間的前緣區(qū)域捕獲的風(fēng)能將達(dá)到槳葉整體的80%以上?？紤]除去葉片整個(gè)表面覆冰既不高效也不現(xiàn)實(shí)，因此確定距離葉根15 m 至葉尖區(qū)間的前緣區(qū)域?yàn)槌P(guān)鍵區(qū)域。

圖3 熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)安裝位置示意圖

2 數(shù)值模擬方法

流動(dòng)傳熱過程受3 個(gè)最基本的物理規(guī)律的支配，即質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒。通過求解這些方程得到速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。在三維直角坐標(biāo)系中，對(duì)理想氣體工質(zhì)建立的守恒方程，質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程，如公式（1）～公式（3）所示。

式中：為密度；為速度矢量；為剪切力；為重力加速度；為溫度；為靜壓；為導(dǎo)熱系數(shù)；C為定壓比熱容。

采用商用CFD 軟件來完成葉片熱風(fēng)除冰數(shù)值分析與性能優(yōu)化研究工作。數(shù)值分析計(jì)算主要步驟如下：1）建立控制方程。2）確定初始條件及邊界條件。3）劃分計(jì)算網(wǎng)格。4）建立離散方程。5）離散初始條件和邊界條件。6）給定求解控制參數(shù)。7）求解離散方程。8）判斷解的收斂性。9）顯示和輸出計(jì)算結(jié)果。數(shù)值分析計(jì)算流程如圖4 所示。

圖4 數(shù)值分析計(jì)算流程圖

3 有限元模型介紹

3.1 三維簡化

某型號(hào)葉片SolidWorks 簡化建模如圖5 所示。筆者建立了包括腹板的葉片殼體的三維模型，根據(jù)距葉根不同距離的葉片截面尺寸和葉尖關(guān)鍵流通截面尺寸選擇關(guān)鍵建模尺寸。

圖5 SolidWorks 簡化建模

葉片從葉根到葉尖、從前緣到后緣鋪層的厚度和材料并不均勻，該研究假設(shè)葉片距葉根相同距離同截面葉片的厚度均勻，不同葉片截面殼體和腹板厚度見表1。

表1 不同葉片截面殼體和腹板厚度

將SolidWorks 建立的葉片殼體（包括腹板）簡化模型導(dǎo)入ANSYS ICEM 軟件，建立葉片內(nèi)、外流場(chǎng)通風(fēng)模型，如圖6 所示。

圖6 葉片內(nèi)、外流場(chǎng)通風(fēng)模型

內(nèi)流場(chǎng)新建?250 mm 通風(fēng)管道、通風(fēng)管隔板（距葉根15 m）及封堵隔板，葉片內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)風(fēng)口為Inlet，出風(fēng)口為Outlet，葉片外流場(chǎng)進(jìn)風(fēng)口Inlet，出風(fēng)口為Outlet。

3.2 網(wǎng)格劃分

首先，進(jìn)行高質(zhì)量的ANSYS ICEM 三角形面網(wǎng)格劃分，如圖7 所示。其次，將面網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT Meshing 劃分為以六面體為核心的多面體網(wǎng)格，如圖8 所示。葉片內(nèi)外壁面、管道及腹板等壁面劃分5 層邊界層，通過網(wǎng)格獨(dú)立性考核，最終確定總網(wǎng)格數(shù)量為593 萬，網(wǎng)格質(zhì)量較高，滿足計(jì)算要求。

圖7 ANSYS ICEM 三角形面網(wǎng)格劃分

圖8 FLUENT Meshing 以六面體為核心的多面體網(wǎng)格劃分

3.3 求解設(shè)置

該研究采用FLUENT 軟件進(jìn)行數(shù)值分析，空氣密度設(shè)置為不可壓縮理想氣體，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε 兩方程湍流模型，不考慮壁面間的輻射換熱，采用SIMPLE 算法求解。

3.4 邊界條件

主要邊界條件設(shè)置如圖9 所示，葉片內(nèi)腔進(jìn)風(fēng)口為速度入口，出口為壓力出口；葉片外建立六面長方體外流場(chǎng)，前緣迎風(fēng)面進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度入口，后緣出風(fēng)口設(shè)置為壓力出口，其余4 個(gè)面設(shè)置為對(duì)稱邊界。葉片和腹板內(nèi)外壁面溫度自動(dòng)耦合求解。

圖9 邊界條件設(shè)置

4 結(jié)果分析

4.1 熱風(fēng)除冰性能分析

在葉片外環(huán)境氣溫為-5 ℃、葉片前緣迎風(fēng)風(fēng)速為10 m/s且通風(fēng)管道進(jìn)口空氣溫度為70 ℃的條件下，除冰區(qū)域玻璃鋼區(qū)域內(nèi)、外壁平均溫度隨空氣流量變化而變化的關(guān)系如圖10所示。葉片總散熱功率約為25 kW。

由圖10 可知，隨著空氣流量的增大，除冰區(qū)域區(qū)域內(nèi)、外壁的平均溫度逐漸升高，當(dāng)空氣流量分別為1 500 m/h、2 000 m/h、2 500 m/h、3 000 m/h 以及3 500 m/h 時(shí)，對(duì)應(yīng)的除冰區(qū)域葉片外壁平均溫度分別為-0.6 ℃、0.8 ℃、2.0 ℃、2.8 ℃以及3.6 ℃。當(dāng)葉片外壁溫度越高（高出冰的融化溫度0 ℃越多）時(shí)，與葉片接觸的冰層越容易融化成水膜，然后整個(gè)冰層在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)離心力的作用下脫落。但是葉片外壁溫度越高，其所需的熱空氣流量就越大，從而導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量和加熱器功率升高、體積變大，綜合考慮除冰系統(tǒng)的熱氣循環(huán)系統(tǒng)空氣流量定為2 500 m/h。在葉片外環(huán)境氣溫為-5 ℃、葉片前緣迎風(fēng)風(fēng)速為10 m/s且通風(fēng)管道進(jìn)口空氣溫度為70 ℃的條件下，葉片加熱到熱平衡時(shí)除冰區(qū)域玻璃鋼區(qū)域葉片外壁平均溫度大約為2 ℃，具有除冰、防冰的能力。

圖10 除冰區(qū)域內(nèi)、外壁平均溫度隨空氣流量變化而變化的關(guān)系

4.2 熱風(fēng)流阻性能優(yōu)化

根據(jù)除冰系統(tǒng)已選型鼓風(fēng)機(jī)特性曲線，如果要保證系統(tǒng)通風(fēng)量大于或等于2 500 m/h，就需要保證達(dá)到該流量時(shí)葉片內(nèi)腔流動(dòng)阻力大約為2 700 Pa。葉片內(nèi)腔流動(dòng)阻力優(yōu)化方法如下：1） 縮短前緣腹板。2） 前緣腹板向后緣偏移。3） 前緣腹板靠近葉尖區(qū)域開孔。由于葉片腹板可縮短尺寸太小，對(duì)葉尖前緣與腹板終止截面積影響不大，因此，采用腹板開孔的方法來優(yōu)化葉片內(nèi)腔流動(dòng)阻力。

根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求（開孔須為圓孔，且孔的位置盡量靠近葉尖），開孔直徑不超過開孔截面腹板高度的50%，孔間距大于孔徑的2 倍。通過ANSYS FLUENT 仿真建模比較從前緣腹板葉片向葉根方向依次開0 個(gè)、3 個(gè)、6 個(gè)、9個(gè)和12個(gè)孔的葉片內(nèi)腔流動(dòng)阻力及開孔數(shù)量對(duì)葉尖流速的影響，開孔直徑為60 mm，靠近葉尖第一個(gè)孔距離前緣腹板終止點(diǎn)1 500 mm，孔間距500 mm，葉片前緣腹板開孔仿真計(jì)算物理模型如圖11 所示。

圖11 葉片前緣腹板開孔仿真計(jì)算物理模型（單位：mm）

開孔數(shù)量對(duì)葉片內(nèi)腔流動(dòng)阻力的影響如圖12 所示。隨著開孔數(shù)量的增加，葉片內(nèi)腔流動(dòng)阻力逐漸降低，當(dāng)開孔數(shù)量為9 個(gè)時(shí)，與優(yōu)化前相比，葉片內(nèi)腔流動(dòng)阻力由7 500 Pa 大約降至2 700 Pa，因此，當(dāng)開孔數(shù)量大于或等于9 時(shí)，除冰系統(tǒng)搭載某型號(hào)葉片可實(shí)現(xiàn)大于或等于2 500 m/h 的通風(fēng)量。

圖12 開孔數(shù)量對(duì)葉片內(nèi)腔流動(dòng)阻力的影響

開孔數(shù)量對(duì)前緣腹板終止點(diǎn)截面平均流速的影響如圖13 所示。隨著開孔數(shù)量的增加，該截面平均流速逐漸降低，這是開孔產(chǎn)生分流導(dǎo)致的。當(dāng)開孔數(shù)量為9 個(gè)時(shí)，與優(yōu)化前相比，該截面流速由118 m/s 降至35 m/s，即通過葉尖區(qū)域的流量由2 500 m/h 降至740 m/h，優(yōu)化后葉尖截面空氣流速依然較高，可滿足葉尖區(qū)域的除冰要求。

圖13 開孔數(shù)量對(duì)前緣腹板終止點(diǎn)截面平均流速的影響

在流量為2 500 m/h、開9 個(gè)孔的條件下，葉尖區(qū)域速度場(chǎng)如圖14 所示。開孔區(qū)域的分流明顯降低了葉尖與前緣、后緣腹板終止點(diǎn)截面的流速，從而降低了系統(tǒng)流動(dòng)阻力，同時(shí)降低熱氣流對(duì)葉尖區(qū)域的載荷沖擊。

圖14 在流量為2 500 m3/h、開9 個(gè)孔的條件下葉尖區(qū)域速度場(chǎng)

4.3 鼓風(fēng)機(jī)、加熱器設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果可知，在環(huán)境比較惡劣的條件（葉片外環(huán)境氣溫為-5 ℃、前緣迎風(fēng)風(fēng)速為10 m/s）下，當(dāng)通風(fēng)管進(jìn)口空氣溫度為70 ℃時(shí)，如果使除冰區(qū)域外壁平均溫度達(dá)到2 ℃以上，就需要鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大于2 500 m/h，加熱器功率大于25 kW。針對(duì)該葉片選型的鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流量為4 400 m/h、壓力為2 000 Pa 且電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 930 r/min。除冰系統(tǒng)流動(dòng)阻力曲線與鼓風(fēng)機(jī)特性曲線交點(diǎn)即為除冰系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)，如圖15 所示。由圖15 可知，除冰系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況流量為2 667 m/h，壓力為2 530 Pa。

圖15 除冰系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)示意圖

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果可知，除冰系統(tǒng)加熱器功率定為25 kW。當(dāng)加熱器功率為25 kW、鼓風(fēng)機(jī)流量為2 667 m/h 時(shí)，加熱器進(jìn)出口空氣溫升為32 ℃。為了降低除冰系統(tǒng)運(yùn)行過程中加熱器啟停時(shí)出口空氣溫度的熱慣性，25 kW 的加熱器分為2 個(gè)模塊控制（15 kW 和10 kW）。當(dāng)啟動(dòng)除冰系統(tǒng)時(shí)，2 個(gè)模塊均啟動(dòng)；當(dāng)加熱器出口溫度將要超過70 ℃時(shí)，通過控制10 kW 加熱模塊的啟停來控制加熱器出口溫度（大約維持在70 ℃）。鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)加熱器空氣溫升與加熱功率的關(guān)系如圖16 所示。由圖16 可知，單獨(dú)啟動(dòng)15 kW 加熱模塊時(shí)加熱器進(jìn)出口溫升為19.2 ℃，單獨(dú)啟動(dòng)10 kW 加熱模塊時(shí)加熱器進(jìn)出口溫升為12.8 ℃。

圖16 鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)加熱器空氣溫升與加熱功率的關(guān)系

5 結(jié)語

該文采用數(shù)值分析的方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片熱風(fēng)除冰的性能進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)優(yōu)化。針對(duì)某型號(hào)葉片結(jié)構(gòu)建立了簡化的有限元分析模型，分析了特定葉片外環(huán)境溫度和風(fēng)速條件下的葉片除冰性能，并提出了一種在葉片前緣腹板開孔的設(shè)計(jì)方法來減小葉片內(nèi)腔的流動(dòng)阻力，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)量和加熱器運(yùn)行功率。具體結(jié)論如下：1）對(duì)所研究型號(hào)的葉片來說，在葉片外環(huán)境溫度為-5 ℃、前緣迎風(fēng)風(fēng)速為10 m/s 的條件下，需要選型功率高于25 kW 的加熱器以及運(yùn)行流量高于2 500 m/h 的鼓風(fēng)機(jī)。2）在葉片前緣腹板開孔后，有效降低了氣流的流動(dòng)阻力，增大了鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，減少了對(duì)葉尖區(qū)域的載荷。3）為了降低除冰系統(tǒng)運(yùn)行過程中加熱器啟停時(shí)出口空氣溫度的熱慣性，可用多個(gè)模塊對(duì)加熱器進(jìn)行控制。4）在葉片外環(huán)境溫度為-5 ℃、前緣迎風(fēng)風(fēng)速為10 m/s 的條件下，選型的鼓風(fēng)機(jī)和加熱器可以使除冰區(qū)域外壁平均溫度大約為2 ℃ ，與環(huán)境溫度-5 ℃相比，平均溫升為7 ℃，除冰區(qū)域外壁最高溫度達(dá)到9 ℃，與環(huán)境溫度-5 ℃相比，最高溫升為19 ℃，系統(tǒng)具備較好的除冰能力。如果除冰系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的葉片外環(huán)境溫度大于-5 ℃且葉片前緣迎風(fēng)小于10 m/s，那么除冰區(qū)域外壁的溫度會(huì)更高，除冰效率也會(huì)更高。

該文所設(shè)計(jì)的除冰系統(tǒng)性能優(yōu)化和設(shè)計(jì)選型方案適用于冬季機(jī)組結(jié)冰時(shí)環(huán)境溫度大于或等于-5 ℃、風(fēng)速小于或等于10 m/s 的風(fēng)場(chǎng)。由于風(fēng)機(jī)葉片型號(hào)的不同，葉片散熱面積和內(nèi)腔流動(dòng)阻力均不相同，而葉片的散熱面積和內(nèi)腔流動(dòng)阻力直接影響到鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和加熱器的功率，因此，還需要在獲取葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)后進(jìn)一步仿真計(jì)算分析和優(yōu)化，從而確定該熱氣循環(huán)系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)方案對(duì)其他型號(hào)葉片的適用性。