CN112780507B - 应用于风力机桨叶的除冰方法 - Google Patents

应用于风力机桨叶的除冰方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于风力机桨叶的除冰方法，有益效果如下：1、基于夹心式换能器、超声波发生器搭配使用，采取非热力学、低功耗的除冰方式，即利用超声导波剪切应力实现除冰，不会对风力机桨叶造成热损坏。2、根据覆冰状态确定夹心式换能器的安装位置、安装间距，使换能器发挥最大的效用，提高除冰效率，减少功率消耗。3、合理的优化布置可以极大的提高除冰的效力，减少桨叶上的换能器布置数量减轻重量，降低除冰能耗。

Description

应用于风力机桨叶的除冰方法
技术领域
本发明属于除冰技术领域，尤其涉及一种应用于风力机桨叶的除冰方法。
背景技术
目前，风力机桨叶覆冰一直是一个严重的问题，风力机桨叶作为风力机组最核心的部件之一，覆冰会导致风力机组的发电效率降低，覆冰会导致风力机组的发电量远低于其额定发电量，风机不能正常使用增加运行成本，并且覆冰会增加风力机组的发生破损和故障的概率，进而导致停机，维修和检测成本将会大幅度的增加。每年因为覆冰问题造成的发电量损失会占到全国发电总量的30%。目前应用比较广泛比较成熟的是热力除冰技术，会消耗巨大的能量，能占到全年发电总量的10%~15%，并且长期加热会使桨叶表面温度过高，对桨叶表面造成损害，更为严重的是冰因为热融化成水并不能及时蒸发，会回流到其他不能被加热的区域，二次结冰，造成更大的损坏。
因此，现有技术有待于改善。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种应用于风力机桨叶的除冰方法，旨在解决背景技术中所提及的技术问题。
本发明的一种应用于风力机桨叶的除冰方法，包括以下步骤：
步骤S10，获取风力机桨叶上的覆冰状态；
步骤S20，根据覆冰状态确定夹心式换能器的数量；
步骤S30，根据覆冰状态利用数值仿真确定夹心式换能器的安装位置；
步骤S40，根据覆冰状态利用数值仿真确定相邻的夹心式换能器的安装间距；
步骤S50，根据安装位置和安装间距将夹心式换能器安装于风力机桨叶上；
步骤S60，将超声波发生器与夹心式换能器连接以进行除冰。
优选地，覆冰状态包括单块冰层局部覆盖、单块冰层全面覆盖和多块冰层范围覆盖。
优选地，在步骤S10中，当覆冰状态为单块冰层局部覆盖，则在步骤S20中，确定夹心式换能器的数量为1个。
优选地，在步骤S10中，当覆冰状态为单块冰层全面覆盖或者多块冰层范围覆盖，则在步骤S20中，确定夹心式换能器的数量为至少2个。
优选地，在步骤S10中，获取风力机桨叶的外表面的覆冰状态。
优选地，在步骤S30，安装位置包括风力机桨叶的内表面。
优选地，步骤S40具体包括：
步骤S41，任意选择一个安装间距，通过ansys数值仿真软件计算该安装间距所对应的剪切应力；
步骤S42，如果该剪切应力大于预设剪切应力阈值，则确定该剪切应力所对应的安装间距。
优选地，步骤S60具体包括：
步骤S61，超声波发生器输出正弦激励信号至夹心式换能器的输入端；
步骤S62，夹心式换能器输出高频振动以进行除冰。
优选地，夹心式换能器包括PZT压电陶瓷夹心式超声换能器。
本发明的应用于风力机桨叶的除冰方法，有益效果如下：
1、基于夹心式换能器、超声波发生器搭配使用，采取非热力学、低功耗的除冰方式，即利用超声导波剪切应力实现除冰，不会对风力机桨叶造成热损坏。
2、根据覆冰状态确定夹心式换能器的安装位置、安装间距，使换能器发挥最大的效用，提高除冰效率，减少功率消耗。
3、合理的优化布置可以极大的提高除冰的效力，减少桨叶上的换能器布置数量减轻重量，降低除冰能耗。
附图说明
图1为本发明应用于风力机桨叶的除冰方法的流程示意图；
图2为本发明中步骤S40的细化流程示意图；
图3为本发明中步骤S60的细化流程示意图；
图4为本发明覆冰状态中单块冰层局部覆盖的示意图；
图5为本发明覆冰状态中单块冰层全面覆盖的示意图；
图6为本发明覆冰状态中多块冰层范围覆盖的示意图；
图7为本发明中多个夹心式换能器安装于风力机桨叶内表面的示意图；
图8为本发明中超声波发生器、夹心式换能器的连接原理框图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要注意的是，相关术语如“第一”、“第二”等可以用于描述各种组件，但是这些术语并不限制该组件。这些术语仅用于区分一个组件和另一组件。例如，不脱离本发明的范围，第一组件可以被称为第二组件，并且第二组件类似地也可以被称为第一组件。术语“和/或”是指相关项和描述项的任何一个或多个的组合。
如图1所示，图1为本发明应用于风力机桨叶的除冰方法的流程示意图；本发明的一种应用于风力机桨叶的除冰方法，包括以下步骤：
步骤S10，获取风力机桨叶上的覆冰状态；
在步骤S10中，覆冰状态包括单块冰层局部覆盖（图4）、单块冰层全面覆盖（图5）和多块冰层范围覆盖（图6）。
如图4所示，单块冰层局部覆盖表示单块冰层88覆盖在风力机桨叶50的外表面10上，且单块冰层的表面积小于外表面10的表面积，因此属于局部覆盖。
如图5所示，单块冰层全面覆盖表示单块冰层88完全覆盖在风力机桨叶50的外表面10上；即且单块冰层的表面积大于等于外表面10的表面积，因此属于全面覆盖。
如图6所示，多块冰层范围覆盖表示多个单块冰层88覆盖在风力机桨叶50的外表面10上，且每个单块冰层的表面积小于外表面10的表面积，因此属于范围覆盖。
在执行完步骤S10之后，执行步骤S20：根据覆冰状态确定夹心式换能器20的数量；
在步骤S20中，当覆冰状态为单块冰层局部覆盖，确定夹心式换能器的数量为1个；单个夹心式换能器即可完成单块冰层局部覆盖的除冰。
在步骤S20中，当覆冰状态为单块冰层全面覆盖或者多块冰层范围覆盖，确定夹心式换能器的数量为至少2个；需要至少两个夹心式换能器才可完成除冰。
步骤S30，根据覆冰状态利用数值仿真确定夹心式换能器的安装位置；
在步骤S30中，如图7所示，安装位置包括风力机桨叶的内表面30。
步骤S40，根据覆冰状态利用数值仿真确定相邻的夹心式换能器的安装间距；
步骤S50，根据安装位置和安装间距将夹心式换能器安装于风力机桨叶上；
在步骤S50中，根据风力机桨叶的大小确定所需夹心式换能器总的数量；
步骤S60，将超声波发生器与夹心式换能器连接以进行除冰。
本发明的应用于风力机桨叶的除冰方法，有益效果如下：1、基于夹心式换能器、超声波发生器搭配使用，采取非热力学、低功耗的除冰方式，即利用超声导波剪切应力实现除冰，不会对风力机桨叶造成热损坏。2、根据覆冰状态确定夹心式换能器的安装位置、安装间距，使换能器发挥最大的效用，提高除冰效率，减少功率消耗，以及减轻安装在桨叶上的除冰装置的重量。
更具体地，如图2所示，步骤S40具体包括：
步骤S41，任意选择一个安装间距，通过ansys数值仿真软件计算该安装间距所对应的剪切应力；
步骤S42，如果该剪切应力大于预设剪切应力阈值，则确定该剪切应力所对应的安装间距。
选取合适的安装距离，产生最好的除冰效果，以及使换能器所能产生效用的面积足够大。通过ansys数值仿真软件的谐响应分析功能来实现。如图4所示，x轴和y轴构成的xy平面平行于风力机桨叶50的外表面10；z轴垂直于xy平面；xy平面的剪切应力是为冰层破裂负责的，zy和zx平面剪切应力是为分离负责的，最终关注的是冰层的脱落，因此以zy和zx平面剪切应力作为参考。查看在不同长度的基板下代表性节点的zy和zx平面应力幅值-频率曲线，根据应力幅值峰值确定最优频率，再根据最优频率查看在该节点下的在冰层上产生的剪切应力，大于1.52MPa（预设剪切应力阈值）视为可以除冰，通过该方法确定换能器能作用的最大的范围。
优选地，在步骤S10中，获取风力机桨叶的外表面10的覆冰状态。
如图3、图8所示，优选地，步骤S60具体包括：
步骤S61，将超声波发生器与夹心式换能器连接，超声波发生器输出正弦激励信号至夹心式换能器的输入端；
步骤S62，夹心式换能器输出高频振动以进行除冰。
显然，本发明的应用于风力机桨叶的除冰方法，利用超声导波剪切应力实现除冰，不会对风力机桨叶造成热损坏。即利用夹心式换能器产生的超声导波对风力机桨叶进行除冰，可以使其不用工作在结构的固有频率也能产生有效的除冰效果，对桨叶表面不会有损伤。
优选地，夹心式换能器包括PZT压电陶瓷夹心式超声换能器；利用压电陶瓷超声导波除冰具有高效，节能的优点，在实验中除冰的速度是远快于热除冰的，且不会有其他的明显的副作用。压电陶瓷超声导波可以产生剪切应力通过力学的方式进行除冰，同时压电陶瓷的高频振动也能产生足够的热量使覆冰融化，除冰时间小于结冰时间。压电陶瓷超声换能器导波可以和其高频振动产热都能增加雨雪在桨叶表面附着的难度，因此既可以起到防冰作用也能起到除冰作用。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种应用于风力机桨叶的除冰方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10，获取风力机桨叶上的覆冰状态，覆冰状态包括单块冰层局部覆盖、单块冰层全面覆盖和多块冰层范围覆盖；
步骤S20，根据覆冰状态确定夹心式换能器的数量；
步骤S30，根据覆冰状态利用数值仿真确定夹心式换能器的安装位置；
步骤S40，根据覆冰状态利用数值仿真确定相邻的夹心式换能器的安装间距；
步骤S40具体包括：
步骤S41，任意选择一个安装间距，通过ansys数值仿真软件计算该安装间距所对应的剪切应力；
步骤S42，如果该剪切应力大于预设剪切应力阈值，则确定该剪切应力所对应的安装间距；步骤S50，根据安装位置和安装间距将夹心式换能器安装于风力机桨叶上；
步骤S60，将超声波发生器与夹心式换能器连接以进行除冰。
2.如权利要求1所述应用于风力机桨叶的除冰方法，其特征在于，在步骤S10中，当覆冰状态为单块冰层局部覆盖，则在步骤S20中，确定夹心式换能器的数量为1个。
3.如权利要求1所述应用于风力机桨叶的除冰方法，其特征在于，在步骤S10中，当覆冰状态为单块冰层全面覆盖或者多块冰层范围覆盖，则在步骤S20中，确定夹心式换能器的数量为至少2个。
4.如权利要求1所述应用于风力机桨叶的除冰方法，其特征在于，在步骤S10中，获取风力机桨叶的外表面的覆冰状态。
5.如权利要求4所述应用于风力机桨叶的除冰方法，其特征在于，在步骤S30，安装位置包括风力机桨叶的内表面。
6.如权利要求1所述应用于风力机桨叶的除冰方法，其特征在于，步骤S60具体包括：
步骤S61，超声波发生器输出正弦激励信号至夹心式换能器的输入端；
步骤S62，夹心式换能器输出高频振动以进行除冰。
7.如权利要求1所述应用于风力机桨叶的除冰方法，其特征在于，夹心式换能器包括PZT压电陶瓷夹心式超声换能器。
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