风机叶片气动脉冲除冰结构脱冰计算模型及试验验证_于周.pdf

2023 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.13 第 38 卷第 13 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220520 风机叶片气动脉冲除冰结构脱冰计算模型及试验验证 于 周 舒立春 胡 琴 蒋兴良 李汉湘（输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）重庆 400044）摘要 随着低碳型电力系统建设的发展，风力发电系统的发展速度进一步提升。山地风能资源丰富，然而建设于此的风力发电机在冬季极易覆冰。为减少覆冰造成的风机出力损失，保证风电场电力调度稳定，对风力发电机应用防/除冰技术十分重要。该文提出一种适用于风机叶片的气动脉冲除冰结构，并基于此结构建立相关脱冰计算模型。为了验证该结构的除冰效果和脱冰计算模型的准确性，在人工气候试验室开展了不同温度和冰层厚度下的覆冰与除冰试验。结果表明：随着冰层厚度的增加和覆冰温度的降低，平均除冰气压呈现增加趋势，脱冰面积比出现减小趋势；经验证，该文建立的脱冰计算模型可信度高，基于该模型可知，适当提高变形层的弹性模量和厚度可以增加脱冰面积比。关键词：风力发电机 覆冰 脱冰计算模型 气动脉冲除冰 中图分类号：TM315 0 引言 随着世界各国对能源安全、生态环境以及气候变化等问题的日益重视，加快发展绿色新能源发电已经成为国际社会推动能源转型发展、应对全球气候变化的普遍共识。风能作为清洁可再生能源，在实现化石能源体系向低碳能源体系的转变过程中扮演重要角色1-4。随着电力规划设计总院对关于“十三五”时期能源、电力发展的相关报告进行发布，未来风电对“建设清洁低碳、安全高效的能源体系”起着至关重要的作用5-6。我国疆域广阔，地势多变，风电场的建设主要集中在东北、华北、西北等山地以及部分近海岸区域。在这些区域中每年将近有四分之一的时间处于寒冷、潮湿气候条件，风力发电机覆冰现象十分普遍7-8。冰层的存在改变了风机叶片原有的气动结构，导致升力减小，阻力增加，从而降低风力发电机输出功率。同时，风力机叶片的不均匀覆冰会使自身结构的固有频率发生改变，导致风机叶片在运行中产生共振响应9。因此，对覆冰区域工作的风机叶片安装防/除冰设施十分重要。风机的防/除冰方法分为主动式与被动式10。被动式方法主要包括光热涂层11、超疏水涂层12-13；主动式方法主要包括电加热14、热空气加热15和电脉冲除冰16。光热涂层仅能在阳光充足的白天进行覆冰防护，应用受限；超疏水涂层在覆冰前期具有良好的防冰效果，然而一旦表面结冰，其特性将完全丧失；电加热和热空气加热方法虽然防/除冰效果显著，但是能耗相对较大；电脉冲除冰方法则存在引雷问题9。因此，提出一种能耗低、除冰效率高的除冰方法对于维护风电场在冬季的安全稳定运行和提高经济效益方面意义重大。目前，机械式除冰方法效果最为显著，气动除冰方法就是其中之一。该方法是在 20 世纪末由GoodRich 公司提出17，其主要是用于除掉飞机机翼前缘冰层，保证飞机安全飞行。该技术是将聚氨酯等有机高分子材料做成的弹性管状气囊粘贴在机翼前缘或防冰部位，其除冰原理是当防冰部位覆冰达到一定厚度时，通过向气囊内部充入高压气体，使气囊表面产生较大形变，表面冰层将在弯曲力和剪切应力的作用下破裂和脱落，并被高速气流带走。然而，由于气囊变形产生的挠度在 610 mm18，所以该方法更多地应用于小型飞机，鲜有应用于风机除冰的相关报道。国家自然科学基金资助项目（52077020,51977016）。收稿日期 2022-04-06 改稿日期 2022-05-25 第 38 卷第 13 期 于 周等 风机叶片气动脉冲除冰结构脱冰计算模型及试验验证 3631 本文以传统的气动除冰方法为基础，摒弃了将气囊粘贴在外表面的结构布置，取而代之的是将充气管道设计在被保护表面内部，并用弹性材料将其包裹，形成新型的气动脉冲除冰结构。同时，本文基于此结构提出脱冰计算模型，用于指导后续除冰结构的参数优化与设计工作。为了验证该结构的除冰效果和脱冰计算模型的可信度，在人工气候试验室开展了不同工况下的覆冰与除冰试验。试验结果证明该结构拥有良好的除冰效果，脱冰计算模型具有较高可信度。1 气动脉冲除冰样板结构设计 1.1 除冰样板结构及除冰原理 气动脉冲除冰样板的底板材料为玻纤增强环氧树脂，该材料与风机叶片材质相同，其外观与内部结构如图 1 所示。图 1 除冰样板示意图 Fig.1 The diagram of de-icing sample board 环氧树脂板的整体尺寸为 300 mm80 mm20 mm，其上表面开有 300 mm60 mm3.5 mm 的矩形凹槽，用于充气管道的布置。充气管道采用尼龙材料编制而成，整体呈扁平状。管道内部涂有热塑性聚氨酯，目的是防止管道漏气和后续弹性层浇注材料的渗入。管道的整体厚度不超过 0.5 mm，并通过结构胶将其沿凹槽中心线固定。之后，用改性的水性环氧树脂将充气管道浇注在凹槽内部，树脂固化后会形成具有一定韧性的弹性层。为了防止弹性层的老化，在除冰样板最外层贴有厚度为 0.1 mm 的铝合金蒙皮。除冰样板的工作原理如图 2 所示。在样板表面结冰后，通过向扁平管道充入高压气体使其膨胀。膨胀后的管道通过弹性层使铝合金蒙皮表面产生微小挠度。当表面挠度达到一定程度时，冰层会在弯曲力和剪切应力的作用下破碎和脱落。在停止充气后，过剩的高压气体会从充气管道两端逸出到大气中，除冰样板表面会在弹性层的作用下恢复平整状态，整个过程持续时间不超过 1 s。图 2 除冰样板的工作原理 Fig.2 The operating principle of de-icing sample board 除冰样板在气动脉冲作用下的表面挠度变化可采用动力体系的运动方程表示，其表达式为 ()202d()d()()()ddw tw tmqfw tS p tptt+=（1）式中，m 为样板变形段质量；q 为样板变形段阻尼常数；f 为样板变形段弹性系数；w(t)为表面挠度；S 为受力面积；p(t)为充气管道内壁作用气压；p0为外界大气压。由式（1）可知，除冰样板管道内壁的作用气压越大，样板变形产生的最大挠度也相应增加，且样板表面挠度变化的初始加速度也会越大。当样板表面存在冰层时，较大的挠度可以增加冰层所受弯曲力以及冰层与蒙皮之间的剪切应力，使冰层更容易破碎和脱落；较大的初始加速度可以使剥落碎冰块更容易在自身惯性的作用下被弹离样板表面。1.2 除冰样板脱冰计算模型 由于充气管道厚度相对于弹性层厚度要薄很多，在进行理论分析时可以将其忽略；虽然铝合金蒙皮厚度也远远小于弹性层厚度，但是其弹性模量很大，因此铝合金蒙皮对弹性层弹性模量的影响不可忽略；本文假设弹性层与铝合金蒙皮为统一整体，称两者为“变形层”且整体厚度为3 mm。样板除冰过程简化模型如图3所示。基于以上假设，可以将样板除冰过程简化成在等效集中力 Fc作用下的复合梁弯曲模型。其中，复合梁是由变形层和冰层组成，而等效集中力的提出是为了简化计算模型，在 3632 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 其作用下样板产生的最大挠度与实际在气压作用下的效果相同。图 3 样板除冰过程简化模型 Fig.3 The simplified model of de-icing for sample board 1）复合梁中性层的确定 根据GB/T 223152008标准19测得变形层的整体弹性模量范围为4.04.8 GPa，根据文献20以及本文采用的覆冰方法，利用三点弯曲法测得不同覆冰温度下的冰层弹性模量均小于1.5 GPa。因此，当冰层厚度不超过变形层厚度时，复合梁中性层的位置均在变形层内部。设中性层到铝合金蒙皮表面的距离为 hn，根据梁内部轴向力为0的条件21，可确定中性层位置为 iidd0E SE S+=（2）ninidhhhScy y+=（3）ndnddhhhScy y=（4）式中，Ei为冰层的弹性模量；Ed为变形层的弹性模量；Si为冰层对中性层的静矩；Sd为变形层对中性层的静矩；hi为冰层厚度；hd为变形层厚度；c 为梁厚度。2）等效集中力的求取 等效集中力的获取是计算复合梁弯矩分布的关键参数。由于等效集中力无法直接测量，本文拟通过测量变形层在充气时产生的最大挠度来间接获得等效集中力。其中，最大挠度的测量是在不覆冰条件下进行的，但施加的充气气压为冰层脱落时的气压值。采取上述做法的主要原因为：（1）本文是采用位移计来测量样板的最大挠度。当测量样板覆冰时，由式（1）可知，冰层破裂的一瞬间会在自身惯性的作用下向前弹射，由于除冰样板的挠度变化非常小，而冰层弹射距离波动较大，弹射的冰层会影响位移计测量结果的准确性与稳定性，其往往会使样板最大挠度测量结果偏大。（2）当采用位移计测量不带冰样板的最大挠度时，该方法虽然忽略了冰层对除冰样板最大挠度变化的细微影响，但测量的结果更加准确、稳定。同时，由于变形层的弹性模量是本文冰层弹性模量的48倍，可以将不覆冰时样板产生的最大挠度测量结果近似认为与覆冰时的最大挠度相同。因此，根据此方法求取等效集中力的表达式可写为 ddmaxc348E I wFb=（5）式中，dI为变形层对中性层的惯性矩；cF为等效集中力；b 为有效除冰区间宽度；maxw为表面挠度最大值。3）弯矩的分布 由于复合梁所受弯矩 M 沿 z 轴对称分布，其表达式可以写为 cc 22()()22FbzzM zFbbzzb=0 （6）4）铝合金蒙皮与冰层交界面的正应力差 由于变形层和冰层的弹性模量不同，在铝合金蒙皮与冰层交界面会产生正应力差，如图 4 所示。图 4 正应力分布 Fig.4 The distribution of normal stress 当正应力差大于冰层和铝合金蒙皮之间的切向粘接应力时，即可将冰层从铝合金蒙皮表面剥离。该正应力差 d可以表示为 d12()()()zzz=（7）n1dddii()()M z hzEE IE I=+（8）n2iddii()()M z hzEE IE I=+（9）式中，1为变形层上表面的正应力；2为冰层下表面的正应力。联合式（2）式（9）求得最大正应 第 38 卷第 13 期 于 周等 风机叶片气动脉冲除冰结构脱冰计算模型及试验验证 3633 力差为 ddmaxdmax226(1)(1)E h wAb B k=+（10）其中 63524243222443463 11Akkkkkkkk=+（）42324641Bkkkk=+（12）式中，为变形层和冰层弹性模量的比值；k 为变形层和冰层厚度的比值。正应力差沿 z 轴对称分布，其可以表示为 dmaxddmax2 02()2()2bzzbzbzbbzb=（13）2 试验设计 2.1 试验平台 除冰样板的覆冰与除冰试验在重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室的人工低温低气压试验室展开，人工气候试验室如图 5 所示。试验室整体长度为 3.8 m，腔体内径为 2.0 m。通过制冷系统降温可达到的最低气温为-36，同时在腔体顶端安装喷淋系统，其喷头均采用 IEC 标准。图 5 人工气候试验室 Fig.5 Artificial climate laboratory 2.2 覆冰条件 试验中，覆冰厚度包括 1 mm、2 mm 和 3 mm三种工况，而覆冰温度包括4、8和12三种工况。覆冰采用间歇式喷淋方式，在喷淋 3 min 后，进行冷冻 15 min，往复循环直至达到要求覆冰厚度。2.3 除冰设备及参数测量 1）除冰设备 在除冰样板覆冰结束后，使其在规定温度下继续冷冻 30 min，即可开始除冰试验。样板除冰所需高压气体由 2.2 kW 的高压气泵产生，并储存于含气压表的碳纤维集气瓶内。采用高压电磁阀作为充气动作开关，其阀门为常闭型，并通过 24 V 直流电源供电。电源与电磁阀之间采用点控开关连接，在进行除冰操作时，按下开关并立刻释放，电磁阀门打开后瞬间闭合，高