CN113819014A - 一种具有优化除冰流道的叶片除冰系统及其流道设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种具有优化除冰流道的叶片除冰系统及其流道设计方法，属于风力发电技术领域。包括热风生成系统、挡风板和若干优化流道；优化流道设在叶片中段的叶片前缘与腹板之间、腹板与腹板之间和腹板与叶片尾缘之间；挡风板设在叶片前缘与腹板之间，优化流道入口设在挡风板上，优化流道的入口与热风生成系统连接；优化流道包括交错布置的若干流道挡板，热风沿若干流道挡板迂回流动，同时在流道挡板底部形成不同旋向的回流区。本发明优化了除冰系统的传热特性，使热气流速在叶片中部流道内得到提升，湍流度也相应增加，提高了热气流与厚叶片间的换热效果。

Description

一种具有优化除冰流道的叶片除冰系统及其流道设计方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种具有优化除冰流道的叶片除冰系统及其流道设计方法。

背景技术

在南方低风速地区与部分高风速地区的风电场中，在冬季及春季普遍存在着较为严重的冰冻问题。风电机组叶片上出现覆冰，将改变叶片的气动外形与重量分布，打破叶片的载荷平衡，导致叶片和风轮的振动等问题，对机组运行与电力生产的经济性和安全性有直接影响。

气热除冰技术是现阶段比较常用的风电机组叶片除冰方法，将热空气通入叶片内部，对叶片表面进行加热，使得过冷水滴不易在表面结冰或将覆冰层融化并脱落，起到防除冰的效果。对于叶片的气热除冰技术，需要考虑叶片结构安全对温度的要求(如热气流温度不超过70℃)和系统的热耗，即不能一味地通入高温热气流实现防除冰。

实际上，风电机组处于易凝冻的气候与地形环境，在叶片覆冰情况严重时，当气热除冰运行时，会出现整个长风机叶片无法实现均匀除冰的效果，即在热气流的输送管出口部分与叶片部分可有效除冰的情况下，长叶片的中段因为叶片厚度较大，接触的热气流已对输气管下游叶片部分加热导致温度下降，并不能被有效加热，从而导致覆冰的形成与发展，将产生不良影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有优化除冰流道的叶片除冰系统及其流道设计方法，优化了除冰系统的传热特性，使热气流速在叶片中部流道内得到提升，湍流度也相应增加，提高了热气流与厚叶片间的换热效果。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种具有优化除冰流道的叶片除冰系统，包括热风生成系统、挡风板和若干优化流道；优化流道设在叶片中段的叶片前缘与腹板之间、腹板与腹板之间和腹板与叶片尾缘之间；挡风板设在叶片前缘与腹板之间，挡风板上开设有通孔，通孔与热风生成系统连接；优化流道包括交错布置的若干流道挡板，热风沿若干流道挡板迂回流动，同时在流道挡板底部形成不同旋向的回流区。

优选地，热风生成系统包括鼓风机、加热器、通风管和控制器，通风管的一端与鼓风机连接，另一端与挡风板上的通孔连接，加热器设在通风管上，控制器分别与鼓风机和加热器连接；鼓风机和加热器设在叶根内。

进一步优选地，加热器出口处设有第一热电偶，腹板与叶片尾缘的优化流道出口处设有第二热电偶，第一热电偶和第二热电偶分别连接至控制器。

优选地，腹板包括第一腹板和第二腹板，第一腹板靠近叶片前缘设置，第二腹板靠近叶片尾缘设置；挡风板设在叶片前缘与第一腹板之间并与第一腹板垂直；优化流道设在叶片中段的叶片前缘与第一腹板之间、第一腹板与第二腹板之间、第二腹板与叶片尾缘之间和叶尖侧的第一腹板与叶片尾缘之间。

优选地，叶片内表面或腹板上固定有若干安装基板，流道挡板与安装基板可拆卸的连接。

优选地，流道挡板的面积为流道挡板所处流道截面积的2/5～2/3。

优选地，流道挡板的端部为圆滑曲面。

优选地，腹板与叶片尾缘的优化流道出口通过连接管路与热风生成系统连接，连接管路上设有引风机。

优选地，流道挡板底部开设有若干通流孔。

本发明公开的上述具有优化除冰流道的叶片除冰系统的流道设计方法，包括：

根据优化流道所处位置的翼形，确定流道挡板的高度和形状；通过调节流道挡板之间的间距，使流道挡板之间的通流面积等于优化流道入口的面积；通过模拟实验，对流道挡板的高度、形状，以及各流道挡板之间间距进行优化调整，使系统在提升叶片加热效果与降低流动阻力间取得平衡，使热风在优化流道内的平均流速恒定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种具有优化除冰流道的叶片除冰系统，在叶片中段增加了优化流道结构，通过交错布置的若干流道挡板，形成迂回的流道，使热风沿流道挡板迂回流动，构建了U型流场。该结构改善了热气流在叶片内部流道温度分布不均的缺陷，提升了热气流在优化流道内的流速，即提升了气流的湍流度，增强了热气流与叶片中段厚叶片间的换热效果；同时，在流道挡板底部形成不同旋向的回流区，回流区与热气流主流区进行质量、能量与动量交换，参与并促进了对厚叶片的加热。优化流道减少了热气流的流动阻力，在提升叶片加热效果与减低流动阻力(即减少热风生成系统功耗)之间取得平衡，有利于降低整套系统的功耗。本发明可实现风机叶片从前端、中段到叶尖的整体相对一致的除冰效果。

进一步地，鼓风机和加热器设在叶根内，能够减少叶片的重量，且叶根处空间较大，便于维护。

更进一步地，通过第一热电偶和第二热电偶对加热器出口和优化流道出口的温度进行检测并反馈给控制器，能够实时调整鼓风机的风量和加热器的功率，保证叶片的均匀加热，同时节约能耗。

进一步地，对于有两个腹板的叶片结构，优化流道分别设在叶片中段的相应位置，针对性地提高了除冰效果。

进一步地，叶片内表面或腹板上固定有若干安装基板，流道挡板与安装基板可拆卸的连接，便于风机叶片的维护。

进一步地，流道挡板的面积为流道挡板所处流道截面积的2/5～2/3，能够保证热气流流速与阻力的平衡，因为流速越高，换热效果越好，但由于阻力与流速平方成正比，流速过高会导致整个叶片内部的流动阻力过大。

进一步地，流道挡板的端部为圆滑曲面，有利于热空气流动。

进一步地，腹板与叶片尾缘的优化流道出口通过连接管路与热风生成系统连接，连接管路上设有引风机，能够将优化流道出口的热空气引回热风生成系统，并由引风机为系统提供额外的流动风压，保证系统正常运行。

进一步地，流道挡板底部开设有若干通流孔，能够使流道挡板底部形成的回流区部分通流，更新部分热气流，提升加热效果。

本发明公开的上述具有优化除冰流道的叶片除冰系统的流道设计方法，考虑了热气流的流速与阻力间的平衡，同时考虑到沿着叶片展向方向，叶片截面不断发生变化，通过调整流道挡板之间的间距，使热气流在流道挡板间的通流面积接近于优化流道入口的面积，保持热气流流速的相对恒定，减少因流道截面积的渐缩或渐扩导致额外的流动阻力。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的A-A截面的尺寸示意图；

图3为图1的B-B截面的尺寸示意图；

图4为优化流道的设计尺寸图；

图5为热气流在优化流道内的U型流动与回流区的示意图；

图6为基板与腹板/叶片内表面固定安装示意图；

图7为流道挡板底部通流孔的位置示意图。

图中：1、叶根；2、鼓风机；3、加热器；4、第一热电偶；5、通风管；6、挡风板；7、叶片前缘；8、叶尖；9、流道挡板；10、优化流道；11、控制器；12、第二热电偶；13、第一腹板；14、第二腹板；15、叶片尾缘；16、第一挡板；17、第二挡板；18、安装基板；19、第一入口；20、第二入口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：

如图1，为本发明的具有优化除冰流道的叶片除冰系统，在叶片内部构建气热除冰系统，鼓风机2输出气流进入加热器3，加热器3内部布置有电热丝，空气与通电发热的电热丝充分接触被加热成温度适宜(不超过70℃)的热气流，在加热器3出口处布置有第一热电偶4用以测量热气流的温度。

由于叶根1及附近区域的叶片除冰需求较小，热气流通过通风管5被送至除冰需求较大的叶片段。由于叶片内部为封闭空间，叶片的吸力面与压力面间设置有垂直布置的若干腹板，如靠近叶片前缘7的第一腹板13和靠近叶片尾缘15的第二腹板14。在叶片前缘7和第一腹板13的合适位置布置挡风板6，挡风板6与第一腹板13垂直，并在挡风板6靠近第一腹板13的合适位置挖出与通风管5外径相同的圆孔，使其与通风管5直接连接。通风管5通过管箍等部件固定于第一腹板13上，鼓风机2与加热器3等固定于叶根1内表面。

热气流被送入挡风板6下游的流道空间，流至叶尖后折回至第二腹板14处被分成两股气流，并回流至叶根1处。同样地，在叶根1处设置控制器11，对鼓风机2的风量及加热器3的功率进行控制。

热气流通过通风管5被送入叶片内腔室，在回流至叶根1的过程中与叶片内表面进行换热。在靠近挡风板6的区域，由于热风温度高，加热效果好，而在叶尖8处，虽然热风经长距离的换热，温度下降，但由于叶尖处厚度小，此处叶片的加热效果同样较好，相比之下，挡风板6与叶尖8区域的中段，由于叶片厚度较高，而热气流相比挡风板6入口温度已有下降，且挡风板6的出风口靠近第一腹板13，热风向下游流动的过程中，其温度分布均匀性不佳，即在叶片的弦向截面上，在叶片前缘7与第一腹板13间的空间内，靠近第一腹板13的区域温度较高，这3个因素的存在，导致了叶片中段热气加热效果不佳。

参照挡风板6的设置，对需要提升加热效果的叶片中段进行热气流道设计。结合叶片厚度的数据变化，选定叶片中段的合适位置，加装数量不定的优化流道10，如图1的虚线框所示。

如图4所示，优化流道10由两块开口错开的流道挡板9构成，具体地，包括与第一腹板13固定连接的第一挡板16和与叶片前缘7或是叶片尾缘15固定连接的第二挡板17。在图4中，从第一挡板16与叶片前缘7间的气流入口、第一挡板16与第二挡板17间的内部空间、以及下一个第一挡板16与叶片前缘7间的气流出口，共同构成了一个优化流道10的内部流场结构。

如图1所示，叶片中段的叶片前缘7与第一腹板13之间空间、第一腹板13与第二腹板14之间空间、第二腹板14与叶片尾缘15之间空间，以及在靠近叶尖方向的第一腹板13与叶片尾缘15之间的空间，可定制化布置数量不等的优化流道10，形成叶片中段的用以提升叶片被热气流加热效果的流道结构。

如图5所示，当热气流从流道挡板9(在图5中，具体指第一挡板16)与叶片前缘7的入口进入优化流道10后，由于第二挡板17的存在，热气流将改变流动方向，即朝下流动。通过第二挡板17与第一腹板13间的通道，由于下一个第一挡板16的存在，又将改变方向形成向上的流动，即热气流的主体在优化流道10内总体上呈U型流动(或是由于优化流道10的布置方向而呈倒U型流动，统称为U型流动)。同时，在流道挡板9与叶片前缘7或第一腹板13直接连接形成的局部区域，将形成旋向不同的回流区(参见图5)，回流区内的气体与热气流主流区进行了质量、动量与能量的交换。即中段叶片被U型流动的热气流加热外，在局部区域形成的回流区热气流同样对叶片亦进行加热。相比之下，若未设置流道挡板9，热气流的主体气流区靠近于腹板，对更多的结冰发生区域(叶片前缘等)的加热效果一般。

优化流道10的具体尺寸可结合所安装位置的叶片情况进行定制化设计，如图2和图3所示。主要参数为第一挡板16的高度L1(对应第一挡板16的面积Sb1)、第二挡板17的高度L2(对应第二挡板17的面积Sb2)、第一挡板16与叶片前缘7的距离d1(为该挡板距离叶片前缘的最长距离)(对应第一入口19的面积Sr1)以及第二挡板17与第一腹板13间距离d2(对应第二入口20的面积Sr2)。

为了提升热气流对叶片中段的加热效果，需要在流速与阻力间取得平衡，因为流速越高，换热效果越好，但由于阻力与流速平方成正比，流速过高会导致整个叶片内部的流动阻力过大。通常地，热气流通过第一入口19和第二入口20的平均速度为热气流在无挡板区域平均流速的1.5～2.5倍，通常可取2倍，即Sr1/(Sr1+Sb1)＝1/2且Sr2/(Sr2+Sb2)＝1/2。热气流在优化流道10内的平均流速应保持相对恒定，以尽量减少因流道的减缩或渐扩导致额外的流动阻力，即结合叶片结构分别调整挡板间距W1和W2，使得热气流在流道挡板9间的通流面积接近于Sr1。沿着叶片展向方向，叶片截面不断发生变化，即需要对各个优化流道10的尺寸进行设计调整。

将定制化设计的优化流道10在叶片内部进行布置，可使用数值模拟方法对热气流在多个优化流道10组成的流道内的流动与换热进行模拟观察，并进行参数的优化调整。确定设计后，可将定制化设计的多个优化流道10在叶片内进行安装。对于热气流流经叶尖返向后在第一腹板13与第二腹板14间以及第二腹板14与叶片尾缘15间的流道设计，与上述方法类似。

最后，在图1中热气流完成整个叶片中段的加热后的优化流道10的出口附近安装第二热电偶12，并将信号反馈至控制器11，结合第一热电偶11和第二热电偶12的测量温度数据，以及叶片表面安装的传感器传回的数据(如叶片外表面温度等)对气热系统的运行参数进行调节控制，包括鼓风机2的输出风量以及加热器3的功率，使其输出的热气流能完成整个叶片的相对均匀的加热任务。

出于风机叶片维护的需求，将叶片中段的各个优化流道10的流道挡板9设置成可拆卸形式。如图6所示，在叶片的腹板或是叶片内表面固定安装小尺寸的安装基板18，以螺栓或是其它连接形式将流道挡板9固定于安装基板18上，方便维修时拆卸。为了减少流道的设置对叶片及机组载荷的影响，流道挡板9及安装基板18应选择密度小、强度大且相对耐热的材料。

作为一个优选的方案，腹板与叶片尾缘15的优化流道10出口通过连接管路与热风生成系统连接，连接管路上设有引风机。

作为一个优选的方案，流道挡板9的端部可以为便于热空气流动的圆滑曲面。

作为一个优选的方案，可以在流道挡板底部开设若干通流孔，通流孔的面积不宜过大，所有通流孔的总过流量为对应的第一入口19或第二入口20的5％～10％，避免影响流道内正常的U型流场。进一步的，通流孔可以设计为斜孔，通流孔的轴线的倾斜方向与热气流上游侧的回流区旋向方向一致，如图7，能够最大限度的避免影响流道内正常的U型流场，同时可供回流区通流持续更新能量。

以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。

Claims (10)

1.一种具有优化除冰流道的叶片除冰系统，其特征在于，包括热风生成系统、挡风板(6)和若干优化流道(10)；优化流道(10)设在叶片中段的叶片前缘(7)与腹板之间、腹板与腹板之间和腹板与叶片尾缘(15)之间；挡风板(6)设在叶片前缘(7)与腹板之间，挡风板(6)上开设有通孔，通孔与热风生成系统连接；优化流道(10)包括交错布置的若干流道挡板(9)，热风沿若干流道挡板(9)迂回流动，同时在流道挡板(9)底部形成不同旋向的回流区。

2.根据权利要求1所述的具有优化除冰流道的叶片除冰系统，其特征在于，热风生成系统包括鼓风机(2)、加热器(3)、通风管(5)和控制器(11)，通风管(5)的一端与鼓风机(2)连接，另一端与挡风板(6)上的通孔连接，加热器(3)设在通风管(5)上，控制器(11)分别与鼓风机(2)和加热器(3)连接；鼓风机(2)和加热器(3)设在叶根(1)内。

3.根据权利要求2所述的具有优化除冰流道的叶片除冰系统，其特征在于，加热器(3)出口处设有第一热电偶(4)，腹板与叶片尾缘(15)的优化流道(10)出口处设有第二热电偶(12)，第一热电偶(4)和第二热电偶(12)分别连接至控制器(11)。

4.根据权利要求1所述的具有优化除冰流道的叶片除冰系统，其特征在于，腹板包括第一腹板(13)和第二腹板(14)，第一腹板(13)靠近叶片前缘(7)设置，第二腹板(14)靠近叶片尾缘(15)设置；挡风板(6)设在叶片前缘(7)与第一腹板(13)之间并与第一腹板(13)垂直；优化流道(10)设在叶片中段的叶片前缘(7)与第一腹板(13)之间、第一腹板(13)与第二腹板(14)之间、第二腹板(14)与叶片尾缘(15)之间和叶尖(8)侧的第一腹板(13)与叶片尾缘(15)之间。

5.根据权利要求1所述的具有优化除冰流道的叶片除冰系统，其特征在于，叶片内表面或腹板上固定有若干安装基板(18)，流道挡板(9)与安装基板(18)可拆卸的连接。

6.根据权利要求1所述的具有优化除冰流道的叶片除冰系统，其特征在于，流道挡板(9)的面积为流道挡板(9)所处流道截面积的2/5～2/3。

7.根据权利要求1所述的具有优化除冰流道的叶片除冰系统，其特征在于，流道挡板(9)的端部为圆滑曲面。

8.根据权利要求1所述的具有优化除冰流道的叶片除冰系统，其特征在于，腹板与叶片尾缘(15)的优化流道(10)出口通过连接管路与热风生成系统连接，连接管路上设有引风机。

9.根据权利要求1所述的具有优化除冰流道的叶片除冰系统，其特征在于，流道挡板(9)底部开设有若干通流孔。

10.根据权利要求1～9任意一项所述的具有优化除冰流道的叶片除冰系统的流道设计方法，其特征在于，包括：

根据优化流道(10)所处位置的翼形，确定流道挡板(9)的高度和形状；通过调节流道挡板(9)之间的间距，使流道挡板(9)之间的通流面积等于优化流道(10)入口的面积；通过模拟实验，对流道挡板(9)的高度、形状，以及各流道挡板(9)之间间距进行优化调整，使系统在提升叶片加热效果与降低流动阻力间取得平衡，使热风在优化流道(10)内的平均流速恒定。

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