風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰量化分析及其應(yīng)用

胡 琴 王 歡 邱 剛 舒立春 蔣興良

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰量化分析及其應(yīng)用

胡 琴1王 歡1邱 剛2舒立春1蔣興良1

（1. 重慶大學(xué)雪峰山能源裝備安全國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站 重慶 400044 2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院 南京 211103）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰量化分析是認(rèn)識(shí)和解決覆冰問(wèn)題的基礎(chǔ)?？紤]到目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此鮮有研究，該文在多功能人工氣候?qū)嶒?yàn)室中對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行人工覆冰試驗(yàn)，獲取雨凇、硬霧凇和軟霧凇三種覆冰條件下的葉片覆冰冰型，并對(duì)覆冰結(jié)果進(jìn)行深入分析；同時(shí)，給出了較為完善的葉片覆冰標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片覆冰的量化分析，進(jìn)而對(duì)其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：覆冰集中于葉片的前緣區(qū)域，且在截面翼型表面駐點(diǎn)附近的覆冰范圍大約為葉片弦長(zhǎng)的11%；覆冰在葉片展向上呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，大約占據(jù)葉片長(zhǎng)度的70%，且在靠近葉尖處約30%～40%的葉片長(zhǎng)度區(qū)域上覆冰較為明顯。因而，可將靠近葉尖處約30%～40%的葉片長(zhǎng)度且占據(jù)葉片弦長(zhǎng)11%的截面翼型表面所形成的前緣區(qū)域作為重點(diǎn)研究區(qū)域，即在實(shí)際應(yīng)用中可將其設(shè)計(jì)為最佳覆冰防護(hù)區(qū)域及葉片覆冰厚度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)定區(qū)域。該文研究結(jié)果可為解決風(fēng)機(jī)覆冰問(wèn)題提供數(shù)據(jù)參考。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片 人工覆冰 覆冰冰型 覆冰標(biāo)定方法 量化分析 實(shí)際應(yīng)用

0 引言

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電因具有清潔性和可再生性[1]，成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。但在我國(guó)高濕寒冷地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在冬季時(shí)常遭受覆冰災(zāi)害，影響葉片的氣動(dòng)性能，甚至停機(jī)[2]，給風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)威脅[3-6]。

當(dāng)前，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰問(wèn)題，F(xiàn)u Ping等采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)霧凇環(huán)境下的風(fēng)機(jī)葉片積冰過(guò)程的3D仿真模擬[7]；Shu Lichun等在人工氣候?qū)嶒?yàn)室中對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)開展了覆冰特性和輸出性能的試驗(yàn)研究[8]；O. Fakorede等對(duì)現(xiàn)有的防除冰方案的特點(diǎn)、效率進(jìn)行了比較分析，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行了評(píng)估[9]；P. Suke對(duì)風(fēng)機(jī)葉片采用電加熱和熱空氣的方式實(shí)現(xiàn)防冰的熱傳遞過(guò)程開展了研究，認(rèn)為防冰功率由電加熱系統(tǒng)決定，而熱空氣的方式難以實(shí)現(xiàn)防冰[10]；M. Etemaddar等仿真研究了風(fēng)機(jī)葉片因覆冰而對(duì)其氣動(dòng)性能及動(dòng)態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生的影響，得出低于額定風(fēng)速時(shí)，功率損失達(dá)到35%，在額定風(fēng)速下，推力下降14%[11]；Han Yiqiang等采用改進(jìn)的Ruff方法對(duì)旋轉(zhuǎn)下的風(fēng)機(jī)葉片的覆冰條件進(jìn)行了標(biāo)定，并通過(guò)試驗(yàn)研究和分析了攻角、溫度、液態(tài)水含量和覆冰時(shí)間等對(duì)冰型的影響[12]；A. G. Kraj等對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行了覆冰實(shí)驗(yàn)，以積冰率為結(jié)冰階段的分類依據(jù)，分析比較了涂層、熱處理及其組合等防冰策略對(duì)雨凇冰和霧凇冰的防冰效果[13]；C. Mayer等在不同覆冰條件下，僅考慮葉片表面的對(duì)流換熱，在風(fēng)洞中對(duì)NACA 63415型風(fēng)機(jī)葉片的電熱除冰系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[14]；M. S. Virk等考慮霧凇和雨凇環(huán)境，根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)，對(duì)NREL 5MW風(fēng)機(jī)葉片的五個(gè)截面進(jìn)行了數(shù)值分析，認(rèn)為葉片根部覆冰有限，葉片中心至葉尖處積冰明顯，且與環(huán)境溫度有關(guān)，并證明了優(yōu)化葉片的幾何外形可緩解其覆冰程度[15]。

綜上所述，現(xiàn)有研究成果缺乏以試驗(yàn)的方式對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰特性進(jìn)行研究，進(jìn)而給實(shí)際應(yīng)用提供幫助。因此，本文以小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，首先考慮不同覆冰時(shí)間和覆冰類型，在多功能人工氣候?qū)嶒?yàn)室對(duì)葉片進(jìn)行人工覆冰，并根據(jù)給出的冰型獲取方法實(shí)現(xiàn)冰型的重構(gòu)；其次給出了覆冰標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)葉片覆冰的量化分析；最后對(duì)試驗(yàn)及量化分析結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析。該文的研究結(jié)果可為解決風(fēng)機(jī)葉片覆冰問(wèn)題提供幫助。

1 葉片覆冰試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

本文對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的人工覆冰試驗(yàn)在多功能人工氣候?qū)嶒?yàn)室內(nèi)完成，如圖1所示。該氣候室的內(nèi)徑和凈空高度分別為7.8m、11.6m，可通過(guò)凈水系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)及風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)配合模擬自然環(huán)境下的覆冰情況。在精度為±1℃的PID控制器的調(diào)節(jié)下，室內(nèi)溫度最低可調(diào)至(-45±1)℃[16]。室內(nèi)裝備有滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)的噴頭，共兩排，每排7個(gè)；通過(guò)調(diào)節(jié)噴頭水流、氣流的壓力，可得到水滴中值直徑為20～120μm的過(guò)冷卻水霧[17]。并且，在風(fēng)速調(diào)節(jié)范圍為1～12m/s的風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用下，可使室內(nèi)溫度及過(guò)冷卻水滴的分布相對(duì)均勻。

圖1 多功能人工氣候?qū)嶒?yàn)室

結(jié)合圖1所示的實(shí)驗(yàn)室條件，為真實(shí)模擬出自然條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的具體覆冰情況，本文選取型號(hào)為NE—100的小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為試驗(yàn)研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，裝配3支長(zhǎng)度為0.75m的葉片，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見表1。

圖2 100W風(fēng)力發(fā)電機(jī)

表1 100W風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

Tab.1 Main parameters of 100W wind turbine

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文的目的是實(shí)現(xiàn)葉片覆冰冰型的準(zhǔn)確獲取并對(duì)其進(jìn)行量化分析，進(jìn)而為葉片覆冰問(wèn)題的相關(guān)研究提供指導(dǎo)。因此，為獲得雨凇、硬霧凇和軟霧凇三種覆冰類型和不同覆冰程度下的葉片覆冰冰型，本文在圖1所示的氣候室中對(duì)圖2所示的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行人工覆冰試驗(yàn)。因風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)不同覆冰類型的承受能力不同，且雨凇、硬霧凇和軟霧凇的覆冰時(shí)間間隔存在差異，因而設(shè)計(jì)了不同覆冰類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)覆冰試驗(yàn)，見表2。需要說(shuō)明的是，雨凇覆冰對(duì)葉片氣動(dòng)特性的破壞十分迅速，故而僅設(shè)計(jì)了三組。

表2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)覆冰試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Tab.2 Experiment arrangement of wind turbine icing

1.3 試驗(yàn)方法

為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)自然覆冰環(huán)境下葉片覆冰特性的人工模擬，進(jìn)而精確地獲取葉片覆冰冰型，經(jīng)過(guò)前期多次試探性試驗(yàn)，得到了科學(xué)的人工覆冰試驗(yàn)方法和葉片覆冰冰型獲取方法。

1.3.1 人工覆冰試驗(yàn)

本文采用的人工覆冰試驗(yàn)方法如下：

（1）前期準(zhǔn)備。試驗(yàn)前先將水凈化處理以去除雜質(zhì)，防止噴頭堵塞；其次，將水溫降至3～4℃。

（2）覆冰環(huán)境模擬。設(shè)定人工氣候室的各項(xiàng)參數(shù)，起動(dòng)制冷與噴霧系統(tǒng)，形成所需的覆冰環(huán)境。

（3）覆冰開始。將100W風(fēng)力發(fā)電機(jī)放置于氣候室內(nèi)并開啟軸流式鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，待起動(dòng)完成（約15s）后計(jì)時(shí)開始。

（4）記錄葉片冰型。達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)的覆冰時(shí)間后，關(guān)閉軸流式鼓風(fēng)機(jī)，檢查葉片上的冰型是否完好。若完好則記錄；反之，則放棄記錄。

（5）后續(xù)工作。將葉片表面已有的積冰完全清除，并用紙巾擦去水分使其表面盡量干燥，為重新開始下一組試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

1.3.2 葉片覆冰冰型獲取

本文采用的葉片覆冰冰型獲取的方法如下：

（1）考慮到葉尖區(qū)域覆冰最為嚴(yán)重且對(duì)其氣動(dòng)性能造成明顯的影響，故選擇距葉片根部0.9（為葉片長(zhǎng)度）處的截面冰型及截面翼型作為葉片覆冰冰型，如圖2所示。

（2）采用放置于熱水中數(shù)秒后取出并擦干的美工刀刀片將圖2所示的冰型截取處的積冰割開，并將靠近葉尖處的積冰迅速、完整地剝離，如圖3a所示。而后使用游標(biāo)卡尺測(cè)量葉片冰層的弦向覆冰長(zhǎng)度，如圖3b所示。

圖3 冰型參數(shù)的測(cè)量

（3）從正視的角度，利用相機(jī)分別記錄留存于葉片上和剝離下來(lái)且互為左右鏡像的覆冰冰型，前者稱為正向記錄，如圖4a所示，后者稱為反向記錄，如圖4b所示。

圖4 冰型的記錄

（4）根據(jù)正、反向記錄的冰型照片與測(cè)量的相應(yīng)參數(shù)，結(jié)合PhotoShop、Visio及AutoCAD等軟件繪制冰型，以實(shí)現(xiàn)覆冰葉片幾何外形的準(zhǔn)確重構(gòu)。

2 葉片覆冰標(biāo)定方法

鑒于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰的多樣性和隨機(jī)性，對(duì)其所有特征進(jìn)行全面表征是一項(xiàng)非常困難的工作。因此，本文從風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片防除冰的實(shí)際需求出發(fā)，根據(jù)文獻(xiàn)[18]所提出的方法，給出了描述葉片覆冰的主要參數(shù)，用于量化和評(píng)價(jià)葉片覆冰的分布特征。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)覆冰主要參數(shù)的定義如圖5所示，葉片正對(duì)著來(lái)流方向的表面稱為迎風(fēng)面，而另一面則稱為背風(fēng)面。前緣為翼型在旋轉(zhuǎn)方向上的最前端，尾緣為翼型在旋轉(zhuǎn)方向上的最后端，并以前緣區(qū)域代指前緣附近的葉片區(qū)域。對(duì)于潔凈的葉片，高速氣流由于撞擊在葉片前緣區(qū)域內(nèi)的某一點(diǎn)而分為兩股子流，氣流在此點(diǎn)處的速度為零，而靜壓值達(dá)到最大，該點(diǎn)被稱為氣流的駐點(diǎn)，簡(jiǎn)稱駐點(diǎn)。圖5中加粗（綠）線表示截面翼型表面駐點(diǎn)附近的覆冰范圍。本文選用以描述葉片覆冰特征的主要參數(shù)有：①弦向覆冰長(zhǎng)度，以葉片駐點(diǎn)為起始點(diǎn)，沿葉片弦長(zhǎng)方向上的最大覆冰高度；②弦向迎風(fēng)面覆冰長(zhǎng)度p，以葉片駐點(diǎn)為起始點(diǎn)，沿迎風(fēng)面的覆冰長(zhǎng)度；③弦向背風(fēng)面覆冰長(zhǎng)度s，以葉片駐點(diǎn)為起始點(diǎn)，沿背風(fēng)面的覆冰長(zhǎng)度；④覆冰生長(zhǎng)角，覆冰生長(zhǎng)方向與葉片弦長(zhǎng)方向的夾角。其中，將沿葉片弦長(zhǎng)方向上的最大覆冰高度點(diǎn)與駐點(diǎn)的連接線并指向最大覆冰高度點(diǎn)的方向視為覆冰生長(zhǎng)方向。

圖5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)覆冰主要參數(shù)的定義

此外，為了表征前緣覆冰在葉片展向上的覆蓋情況，選用以葉尖處為起始點(diǎn)，沿葉片前緣的展向覆冰長(zhǎng)度r進(jìn)行描述。

考慮到對(duì)于不同型號(hào)、尺寸的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，應(yīng)用上述參數(shù)無(wú)法進(jìn)行覆冰程度的橫向?qū)Ρ?。因此，以葉片弦長(zhǎng)或葉片長(zhǎng)度作為基準(zhǔn)量對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，則有

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 葉片覆冰試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 雨凇

根據(jù)1.3節(jié)所述內(nèi)容，獲得了不同覆冰程度的葉片雨凇覆冰冰型，如圖6所示。圖中，第一排為采用正向拍攝記錄的冰型，而第二排為由葉尖處切割、剝離下來(lái)的冰層的反向記錄，二者在幾何上互為左右鏡像。結(jié)合正向與反向記錄，對(duì)試驗(yàn)得到的冰型進(jìn)行較為精確的繪制，所得繪制結(jié)果如圖7所示。

圖7展示了不同覆冰程度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片雨凇覆冰冰型，其總體表現(xiàn)出典型的不規(guī)則、非流線形的覆冰特點(diǎn)。這是由于雨凇覆冰過(guò)程中，碰撞至冰層駐點(diǎn)附近的過(guò)冷卻水滴無(wú)法及時(shí)凍結(jié)，而將在氣動(dòng)力和慣性的作用下向葉片兩側(cè)流動(dòng)并逐漸釋放潛熱。因此，雨凇覆冰將在冰層駐點(diǎn)的兩側(cè)形成不規(guī)則的雙角狀冰。鑒于試驗(yàn)中所采用的100W風(fēng)力發(fā)電機(jī)承受雨凇覆冰的能力有限，在9min雨凇覆冰時(shí)間內(nèi)僅形成了雙角狀冰的雛形。

圖6 不同覆冰程度的葉片雨凇覆冰

圖7 不同覆冰程度的葉片雨凇覆冰冰型

3.1.2 硬霧凇

根據(jù)1.3節(jié)所述內(nèi)容，獲得了不同覆冰程度的葉片硬霧凇覆冰冰型，如圖8所示。其中，5min、10min及15min的冰型以正向記錄形式給出，20min、25min及30min的冰型以反向記錄形式給出。

圖8 不同覆冰程度的葉片硬霧凇覆冰

圖9給出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片前緣硬霧凇覆冰的冰型情況。與雨凇覆冰完全不同，硬霧凇覆冰總體表現(xiàn)出沿葉片弦長(zhǎng)方向生長(zhǎng)的流線形外形。其原因在于，硬霧凇覆冰條件下，周圍環(huán)境溫度較低，具備良好的散熱條件，過(guò)冷卻水滴在流場(chǎng)的作用下碰撞在冰層外表面并立即凍結(jié)，從而形成流線形外形。

圖9 不同覆冰程度的葉片硬霧凇覆冰冰型

3.1.3 軟霧凇

根據(jù)1.3節(jié)所述內(nèi)容，獲得了不同覆冰程度的葉片軟霧凇覆冰冰型，如圖10所示。其中，10min、20min及30min的冰型以正向記錄形式給出，40min、50min及60min的冰型以反向記錄形式給出。

圖10 不同覆冰程度的葉片軟霧凇覆冰

圖11給出了不同覆冰程度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片軟霧凇覆冰冰型。相比于硬霧凇，軟霧凇的生長(zhǎng)速率明顯較慢。在兩倍覆冰時(shí)間的作用下，軟霧凇的覆冰程度仍小于硬霧凇情況，其原因在于軟霧凇覆冰環(huán)境中存在的液體水含量遠(yuǎn)小于硬霧凇情況。但是由于兩種覆冰環(huán)境中的水滴中值直徑均較小，所以在覆冰外形上，軟霧凇與硬霧凇表現(xiàn)出一致的流線形特點(diǎn)。

圖11 不同覆冰程度的葉片軟霧凇覆冰冰型

3.2 葉片覆冰量化分析

根據(jù)第2節(jié)所述內(nèi)容，本節(jié)利用葉片覆冰標(biāo)定方法對(duì)圖7、圖9和圖11所描繪的不同覆冰程度下的雨凇、硬霧凇和軟霧凇冰型進(jìn)行定量分析。

3.2.1 覆冰生長(zhǎng)角

圖12給出了硬霧凇和軟霧凇的覆冰生長(zhǎng)角的變化趨勢(shì)，圖中的覆冰序列為零的點(diǎn)代表未覆冰時(shí)的葉片相關(guān)特性。需要說(shuō)明的是，雨凇由于其凍結(jié)特性而多呈現(xiàn)為角狀冰結(jié)構(gòu)，不具有像霧凇一般規(guī)則的類流線型外形。因此，難以定義其覆冰生長(zhǎng)角，故圖12未給出雨凇條件下的覆冰生長(zhǎng)角變化趨勢(shì)。

圖12 覆冰生長(zhǎng)角的變化趨勢(shì)

由圖12可知，在霧凇覆冰條件下，隨著覆冰時(shí)間的增長(zhǎng)，覆冰生長(zhǎng)角大體呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著葉片前緣覆冰量的增加，葉片重量不斷增大，與此同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體氣動(dòng)特性逐漸下降，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。在來(lái)流速度保持不變的情況下，葉片圓周運(yùn)動(dòng)速度的下降將使得冰型尖端逐漸向迎風(fēng)側(cè)偏轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，葉片覆冰將逐漸偏向來(lái)流方向生長(zhǎng)。但就其數(shù)值大小而言，當(dāng)試驗(yàn)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到運(yùn)行極限時(shí)，也才僅增長(zhǎng)到4°。

從相反的角度，覆冰生長(zhǎng)角的變化也反映出了試驗(yàn)時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)比軟霧凇與硬霧凇的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，硬霧凇覆冰生長(zhǎng)角的變化速度近似于線性，說(shuō)明硬霧凇的積累對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降起著至關(guān)重要的作用。而軟霧凇覆冰生長(zhǎng)角在前期的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)均接近于零，說(shuō)明軟霧凇的積累速度較慢且對(duì)氣動(dòng)性能的破壞較小，只有在積累了一定程度的覆冰之后才會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的驟降。

3.2.2 弦向覆冰長(zhǎng)度

弦向覆冰長(zhǎng)度是表征葉片表面覆冰嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)。圖13展示了經(jīng)歸一化后的三種覆冰條件下的弦向覆冰長(zhǎng)度情況。

圖13 葉片弦向覆冰長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)

由圖13可知，隨著覆冰程度的增長(zhǎng)，硬霧凇與軟霧凇的弦向覆冰長(zhǎng)度呈現(xiàn)出相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但硬霧凇表現(xiàn)出更強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭?？紤]到軟霧凇試驗(yàn)的時(shí)間間隔是硬霧凇的兩倍，因此在相同的覆冰時(shí)間長(zhǎng)度下，硬霧凇將對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生更嚴(yán)重的影響。同樣地，雨凇情況下的覆冰長(zhǎng)度也增長(zhǎng)較為迅速，考慮到時(shí)間間隔的區(qū)別，其增長(zhǎng)速度應(yīng)是三者之最。

3.2.3 弦向迎風(fēng)面與背風(fēng)面覆冰長(zhǎng)度

該模式是社會(huì)資本方與金融機(jī)構(gòu)成立專項(xiàng)PPP基金，投資PPP項(xiàng)目公司的股權(quán)，業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)基本與政府方的投資基金相同。常見的業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖14和圖15分別給出了在雨凇、硬霧凇和軟霧凇條件下的弦向迎風(fēng)面和背風(fēng)面積冰覆蓋占比的變化趨勢(shì)。

圖14 迎風(fēng)面積冰覆蓋占比的變化趨勢(shì)

圖15 背風(fēng)面積冰覆蓋占比的變化趨勢(shì)

由圖14可知，對(duì)于迎風(fēng)面而言，無(wú)論何種覆冰，葉片前緣積冰覆蓋占比隨著覆冰程度的增長(zhǎng)而表現(xiàn)出不斷提高的趨勢(shì)，但其增長(zhǎng)速度有限。由圖15可知，對(duì)于背風(fēng)面而言，覆冰時(shí)間的增長(zhǎng)幾乎并未給其帶來(lái)影響，無(wú)論何種覆冰冰型都一致地維持在相同的水平上。具體而言，迎風(fēng)面與背風(fēng)面前緣的積冰覆蓋占比均保持在0.11及以下水平。也就是說(shuō)，在截面翼型表面駐點(diǎn)附近的覆冰范圍很大程度上不會(huì)超過(guò)葉片弦長(zhǎng)的11%。

將三種冰型迎風(fēng)面與背風(fēng)面的積冰覆蓋占比進(jìn)行比較分析，所得結(jié)果如圖16所示。由圖16可知，無(wú)論何種覆冰類型，葉片迎風(fēng)面的前緣積冰覆蓋率普遍高于背風(fēng)面，這是因?yàn)樵陲L(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，葉片總會(huì)以一個(gè)較小的正攻角切割空氣從而積累覆冰。此外，相比于硬霧凇與軟霧凇，雨凇情況下迎風(fēng)面和背風(fēng)面的冰層覆蓋占比差異最大。對(duì)于防覆冰區(qū)域的選擇而言，為了確保葉片前緣區(qū)域免受覆冰的影響，可選擇前緣迎風(fēng)面積冰覆蓋率作為設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

圖16 迎風(fēng)面與背風(fēng)面積冰覆蓋占比對(duì)比

3.2.4 展向覆冰長(zhǎng)度

圖17給出了前緣覆冰在葉片伸展方向上的分布情況。

圖17 展向覆冰長(zhǎng)度占比的變化趨勢(shì)

從圖17可知，在覆冰程度較輕的階段，雨凇與硬霧凇在展向分布上均表現(xiàn)出了快速的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，而軟霧凇分布的增長(zhǎng)則顯得較為緩慢。此后，當(dāng)覆冰程度處于較高水平時(shí)，硬霧凇和軟霧凇在展向上的分布基本不再增長(zhǎng)，大約維持在70%的水平。因此，在葉片展向上，最全面的防護(hù)選擇是將靠近葉尖處約70%的葉片長(zhǎng)度前緣區(qū)域設(shè)置為覆冰防護(hù)區(qū)域。這樣的設(shè)計(jì)基本可以保持在任何覆冰條件下葉片前緣均能得到有效防護(hù)。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，葉片前緣覆冰沿著葉根至葉尖方向呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，近葉根處的覆冰雖肉眼可見卻并不顯著，其對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響也極為有限。

3.3 實(shí)際應(yīng)用分析

3.3.1 葉片覆冰防護(hù)區(qū)域設(shè)計(jì)

雖然對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)外表面采取全防護(hù)設(shè)計(jì)可使葉片的任何部位無(wú)論在何種覆冰天氣下都免遭積冰的侵害，但其缺點(diǎn)在于防護(hù)的經(jīng)濟(jì)性較低。以重慶大學(xué)雪峰山野外站內(nèi)的300kW中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，單支葉片表面積約為38m2，若采用全防護(hù)設(shè)計(jì)，三支葉片共需防護(hù)的總面積高達(dá)114m2。當(dāng)采用電加熱的方式防冰時(shí)，所需臨界融冰功率為1kW/m2量級(jí)[19]，則整機(jī)需要114kW，占其額定發(fā)電功率的38%。且當(dāng)需快速融、防冰時(shí)，其能耗將更大，導(dǎo)致防護(hù)的經(jīng)濟(jì)性較低。因此，從節(jié)約能源消耗以提高覆冰防護(hù)的經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，可以考慮舍棄對(duì)葉根處等非顯著覆冰區(qū)域的防護(hù)。

通過(guò)本文的試驗(yàn)結(jié)果及量化分析可知，相比于其他區(qū)域，葉片前緣是覆冰最為嚴(yán)重的區(qū)域。即在截面翼型表面駐點(diǎn)附近的覆冰范圍約為葉片弦長(zhǎng)的11%；而在葉片展向上，顯著覆冰區(qū)域只存在于近葉尖處約占葉片全長(zhǎng)30%～40%的前緣區(qū)域。因此，可將上述區(qū)域設(shè)計(jì)為重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域，以提升覆冰防護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，如圖18所示。這與文獻(xiàn)[20]認(rèn)為近葉尖處的1/3葉片長(zhǎng)度區(qū)域的出力最大，對(duì)此區(qū)域進(jìn)行覆冰防護(hù)可保持原有氣動(dòng)性能的90%較為吻合。同時(shí)，本課題組已在文獻(xiàn)[2,19]中將距葉尖的1/3葉片長(zhǎng)度的前緣區(qū)域作為電加熱防冰區(qū)域，并現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)了防冰的有效性。

圖18 葉片覆冰重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域

3.3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰監(jiān)測(cè)

根據(jù)本文的分析結(jié)果可知，葉尖前緣處覆冰最為嚴(yán)重。因此，可在上述提及的重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域內(nèi)選擇某點(diǎn)對(duì)覆冰程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以重慶大學(xué)雪峰山野外站內(nèi)的300kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，選擇在距葉片根部0.95處的背風(fēng)面設(shè)定標(biāo)記塊，并在停機(jī)狀態(tài)下拍攝標(biāo)記塊處的葉片覆冰圖像，進(jìn)而根據(jù)圖像法原理，計(jì)算得到葉片前緣覆冰厚度，具體過(guò)程詳見文獻(xiàn)[21]。在自然環(huán)境下對(duì)300kW風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行五組覆冰試驗(yàn)，其環(huán)境參數(shù)以覆冰期內(nèi)的平均值給出，根據(jù)所拍攝覆冰圖像計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的覆冰厚度見表3。同時(shí)，第4、5組的覆冰圖像如圖19所示。

該實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景驗(yàn)證了本文研究得到的覆冰集中于靠近葉尖處約占葉片全長(zhǎng)30%～40%的前緣區(qū)域，可將其作為重點(diǎn)研究區(qū)域。需要說(shuō)明的是，可在重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域中按間距相等或服從等比分布選取多個(gè)點(diǎn)設(shè)定標(biāo)記塊，進(jìn)而計(jì)算得到多個(gè)點(diǎn)的覆冰厚度并求取平均值，可得到更為可信的覆冰厚度來(lái)表征覆冰程度。

表3 不同環(huán)境參數(shù)下對(duì)應(yīng)的覆冰厚度

Tab.3 Corresponding icing thickness under different environmental parameters

圖19 300kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的自然覆冰圖像

4 結(jié)論

本文通過(guò)人工覆冰試驗(yàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰的量化分析及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1）在不同覆冰時(shí)間和覆冰類型條件下，葉片的冰型差異明顯且不規(guī)則，覆冰時(shí)間越長(zhǎng)，覆冰量越多，覆冰量集中在葉尖前緣處。

2）葉片弦長(zhǎng)方向上，覆冰集中于葉片截面翼型表面的駐點(diǎn)附近，覆冰范圍約為葉片弦長(zhǎng)的11%；葉片展向上，覆冰呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，約占據(jù)葉片全長(zhǎng)的70%，其中較為顯著的覆冰出現(xiàn)在靠近葉尖處約30%～40%葉片長(zhǎng)度的前緣區(qū)域。

3）將靠近葉尖處約30%～40%的葉片長(zhǎng)度且占據(jù)葉片截面翼型表面的駐點(diǎn)附近約11%葉片弦長(zhǎng)的前緣區(qū)域作為重點(diǎn)研究區(qū)域，在實(shí)際應(yīng)用中，可將其設(shè)計(jì)為最佳覆冰防護(hù)區(qū)域以及覆冰監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)定區(qū)域。此外，該區(qū)域還可以作為研究葉片覆冰其他問(wèn)題的基礎(chǔ)。

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Quantitative Analysis of Wind Turbine Blade Icing and Its Application

Hu Qin1Wang Huan1Qiu Gang2Shu Lichun1Jiang Xingliang1

（1. Xuefeng Mountain Energy Equipment Safety National Observation and Research Station of Chongqing University Chongqing 400044 China 2. Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co. Ltd Nanjing 211103 China）

The quantitative analysis of wind turbine blade icing is the basis of understanding and solving the icing problem. Considering that there is little research on this at home and abroad, in this paper, the artificial icing test of small wind turbine is carried out in the multi-functional artificial climate laboratory, the blade icing types under three icing conditions such as rime, hard rime and soft rime are obtained, and the icing results are deeply analyzed; At the same time, a relatively perfect blade icing calibration method is given to realize the quantitative analysis of blade icing, and then its practical application is analyzed. The results show that the icing is concentrated in the leading edge of the blade, and the icing range near the stagnation point of the airfoil surface is about 11% of the chord length of the blade; The icing showed a linear growth trend in the blade span-wise direction, accounting for about 70% of the blade length, and the icing was more obvious in the area of about 30%～40% of the blade length near the blade tip. Therefore, the leading edge area formed by the section airfoil surface near the blade tip with about 30%～40% of the blade length and occupying 11% of the blade chord length can be taken as the key research area, that is, in practical application, it can be designed as the best icing protection area and the setting area of blade icing thickness monitoring points. The research results of this paper can provide data reference for solving the problem of fan icing.

Wind turbine blade, artificial icing, icing type, icing calibration method, quantitative analysis, practical application

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211234

TM315

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51977016，52077020，51637002）。

2021-08-11

2021-10-11

胡 琴 男，1981年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槌馗邏狠斪冸娂夹g(shù)、外絕緣與災(zāi)害防御。E-mail：huqin@cqu.edu.cn（通信作者）

王 歡 男，1993年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)及風(fēng)電場(chǎng)防冰減災(zāi)。E-mail：1173394186@qq.com

（編輯 李冰）