CN114635831A - 利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置 - Google Patents
利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，包括微通道热辅助除冰系统和超声波除冰系统；微通道热辅助除冰系统包括温度传感器和两组微通道；两组微通道均内置在叶片壳体内，且均匀交错布设，水流方向相向；两组微通道均通过传热水管与冷却水通道相连；超声波除冰系统包括柔性基底、超声换能单元和冰层厚度传感器；冰层厚度传感器用于检测叶片上覆盖的冰层厚度；柔性基底设在叶片壳体内外壁面，超声换能单元布设在柔性基底上。本发明能有效预防叶片工作过程中表面结冰，超声波除冰系统能在降低冰层与叶片表面粘结力的同时，给微通道除冰提供了有利条件，减少了微通道融冰的时间，大大降低了能量消耗。
Description
技术领域
本发明涉及叶片防冰除冰技术领域，特别是一种利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置。
背景技术
风能具有清洁无污染、分布广泛、储存量大且取之无尽等优点，已被各国和地区作为新型能源开发利用。由于低温环境中过冷水滴的普遍存在性及冰的黏附性，冬季十分容易发生覆冰。覆冰不仅会增加能耗，对机械设备的正常运行及产生十分严重的危害，还会严重威胁现场工人员的生命安全，影响设备使用效率。因此需要研发出一种简单高效的防冻除冰技术来解决这一问题。
现有的除冰方式包括表面改性、防冻剂、电阻加热、热风循环、脉冲电热除冰等方法都有其局限性。
风电机组发热部件包括主轴承、联轴器等，目前，多采用冷却系统对发热部件进行降温操作，以避免发热部件周围温度过高。然而，冷却系统的应用使得发热部件产生的热量无法合理利用，造成能量损失同时需要消耗额外的电能，增加了风电机组运行的功耗。所以，如何合理利用风力发电机组的发热部件产生的热量成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，该利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置能够有效地预防叶片工作过程中表面结冰，本申请中的超声波除冰系统能在降低冰层与叶片表面粘结力的同时，给微通道除冰提供了有利条件，减少了微通道融冰的时间，大大降低了能量消耗。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，包括微通道热辅助除冰系统和超声波除冰系统。
风机包括机舱、散热器件、叶片转轴和叶片。
散热器件内置在机舱内，用于驱动叶片转轴旋转；散热器件上布设有冷却水通道。
叶片转轴从机舱头部伸出，形成伸出端；叶片转轴的伸出端沿周向均布有若干所述叶片；每片叶片均包括叶片壳体；
微通道热辅助除冰系统包括温度传感器和两组微通道。
温度传感器用于检测风机所处的环境温度。
两组微通道均内置在叶片壳体内，且均匀交错布设，两组微通道的水流方向相向。
两组微通道均通过传热水管与冷却水通道相连接。
超声波除冰系统包括柔性基底、超声换能单元和冰层厚度传感器。
冰层厚度传感器用于检测叶片上覆盖的冰层厚度。
柔性基底铺设在叶片壳体内外壁面，超声换能单元布设在柔性基底上。
叶片转轴为中空轴，传热水管内置在叶片转轴的中空腔内；超声换能单元通过连接线缆与散热器件电连接，连接线缆也内置在叶片转轴的中空腔内。
温度传感器设置在机舱顶部。
叶片壳体具有叶片头部和叶片尾部；两组微通道分别为头部微通道和尾部微通道，头部微通道的入水口设置在叶片头部，尾部微通道的入水口设置在叶片尾部。
头部微通道和尾部微通道均包括平行并列设置的两个通道。
传热水管上布设有通断阀。
传热水管上还布设有电磁流量阀。
超声换能单元包括若干个通过连接线缆相连接的超声换能器，超声换能器均布在叶片壳体外壁面内外壁面上。
超声换能器的个数为10~20个，每个超声换能器的形状均为矩形。
超声换能器为压电换能器，压电换能器为压电陶瓷和聚合物的两相复合材料。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明可以实时有效地预防结冰：微通道表面的温度可以使叶片表面难以结冰。
2、本发明可以实时有效地进行除冰：通过加入一定强度和频率的超声波，在叶片表面产生高频振荡，瞬间克服冰层和叶片的粘结力，使冰层脱落，从而有效地去除叶片表面的冰层。此外，超声波在除冰过程中降低了冰层与叶片之间的粘结力，给微通道除冰提供了有利条件，减少了微通道融冰时间，大大降低了能量消耗。另外，超声波除冰具有清除不同表面堆积的冰的潜力。在近距离和长距离的前沿都有效。与其他除冰系统相比非常节能。超声波具有压电效应，当给压电陶瓷施加高频电信号时，会产生超声波信号，冰层和叶片的接触界面通过超声波的振动作用，有助于冰层的振落。同时，超声波的空化效应能在局部微小区域有很大的压强，振落冰层。
3、本发明利用微通道和超声波协同作用，能够防除结合，单纯采用超声波除冰方法，不能完全除去冰层，影响风电机组正常运行，单纯采用热力除冰，起效时间长，能耗大。微通道和超声波协同作用可以有效规避上述缺陷。
4、本发明设备简单，重量轻，不会给风机叶片造成过多的负担，也不会影响风电机组正常工作。
附图说明
图1是本发明利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置的结构示意图。
图2是本发明的叶片的切面图。
图3是本发明的叶片表面局部微通道中的工质流向示意图。
图4是本发明的叶片表面超声换能器布置示意图。
图5是本发明利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰方法的流程图。
其中有：
10.风机；11.机舱；12.叶片转轴；13.散热器件；131.冷却水通道出口；14.叶片；
15.叶片壳体；151.叶片头部；152.叶片尖端；153.内壁面；154.外壁面；16.空心腔；
21.头部微通道；211.头部微通道入口；212.头部微通道出口；
22.尾部微通道；221.尾部微通道入口；212.尾部微通道出口；
23.传热水管；24.温度传感器；
31.柔性基底；32.超声换能单元；33.冰层厚度传感器；34.连接线缆。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，包括微通道热辅助除冰系统和超声波除冰系统。
风机包括机舱11、散热器件13、叶片转轴12和叶片14。
散热器件内置在机舱内，用于驱动叶片转轴旋转，具体包括电机、主轴承和联轴器等。
散热器件上布设有冷却水通道131，用于对散热器件进行冷却。
叶片转轴从机舱头部伸出，形成伸出端；叶片转轴的伸出端沿周向均布有若干叶片；每片叶片均包括叶片壳体15，具有中空腔16、叶片头部151、叶片尾部 152、内壁面153和外壁面154。
微通道热辅助除冰系统包括温度传感器24和两组微通道。
温度传感器用于检测风机所处的环境温度，优选设置在机舱顶部。
两组微通道均内置在叶片壳体内，且均匀交错布设，形成环绕叶片的结构；两组微通道的水流方向相向。
两组微通道均通过传热水管23与冷却水通道相连接。
进一步，叶片转轴优选为中空轴，传热水管优选内置在叶片转轴的中空腔内。
进一步，传热水管上优选布设有通断阀和电磁流量阀。通断阀用于控制对应微通道中水流的通断；电磁流量阀用于控制对应微通道中水流的流量大小。
如图2和图3所示，两组微通道分别为头部微通道21和尾部微通道22，头部微通道入水口211，设置在叶片头部，头部微通道出水口212设置在叶片尾部。
尾部微通道入水口221设置在叶片尾部，尾部微通道出水口222设置在叶片头部。
进一步，头部微通道和尾部微通道均包括平行并列设置的两个通道。每个通道均优选为矩形，矩形的其中一对平行边优选与叶片壳体的内壁面或外壁面相平行。每个通道的高度优选为l mm，宽度优选为0.5-2mm。
微通道换热器具有重量轻，换热性能高等优点，可满足更高的能效标准,而且具有优良的耐压性能，符合环保要求。相较于其他热力防冰方法，可以有效减小对风机叶片的负担，工质从散热器件外侧的冷却水通道受热蒸发形成蒸气，进入微通道入口处，蒸气携带热量流至微通道出口，蒸气冷凝为液态，放出热量，这样热量就从微通道入口段传递到了微通道出口段。微通道具有良好的等温性能，其温度高于结冰温度，优选为50℃~80℃。
进一步，微通道组在叶片上布置时随叶片曲面弯曲,微通道组在其截面高度方向上的中心面与叶片曲面具有相同的曲率,以保证微通道在高度方向上的中心面与叶片内壁面与外壁面间的中心面重合。
如图1和图4所示，超声波除冰系统包括柔性基底31、超声换能单元32和冰层厚度传感器33。
冰层厚度传感器用于检测叶片上覆盖的冰层厚度。
柔性基底铺设在叶片壳体内外壁面，超声换能单元布设在柔性基底上。
超声换能单元通过连接线缆34与散热器件电连接，连接线缆也内置在叶片转轴的中空腔内。超声换能单元包括若干个通过连接线缆相连接的超声换能器，超声换能器均布在叶片壳体外壁面内外壁面上。
进一步，超声换能器的个数优选为10~20个，采用矩形阵列模型；每个超声换能器的形状均优选为矩形。
进一步，超声换能器优选为压电换能器，压电换能器为压电陶瓷和聚合物的两相复合材料，可以有效贴合叶片表面形状，使超声波更均匀地在叶片表面传播，减少超声波能量损失。
进一步，本发明优选采用外置引下线的接闪系统。因增加接闪器数量对叶片雷击接闪过程影响较小，故本装置在叶片尖端装设1组接闪器的经济性更为突出。
如图5所示，一种利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰方法，优选包括如下步骤。
步骤1、温度及冰层厚度检测
温度传感器实时检测风机所处的环境温度，冰层厚度传感器实时检测叶片上覆盖的冰层厚度。
步骤2、微通道热辅助除冰
当检测环境温度低于设定温度且叶片表面无明显覆冰时，程序控制器利用微通道热辅助除冰系统使叶片保持冰点以上的温度，如50℃左右，叶片表面难以结冰，可以有效防冰，同时有效地控制微通道表面的温度，防止温度过高或过低。其中，设定温度不小于结冰温度。
进一步，程序控制器能根据检测环境温度与设定温度的偏离值大小，进而调节电磁流量阀中工质流量的大小，使得叶片表面快速达到冰点以上的温度，防止结冰。
步骤3、微通道和超声波协同除冰
当检测环境温度低于设定温度且叶片表面有明显覆冰时，通过间歇性超声振动将冰层除去，然后再启动热水泵为叶片加热，因为超声振动起效时间短，以秒为单位，热力除冰起效时间长，以分钟为单位，所以先利用超声除冰可以有效提高除冰效率，减少能耗。其中，明显覆冰是指冰层厚度传感器检测的冰层厚度不低于设定冰层厚度值。
另外，程序控制器能根据检测的冰层厚度值与设定冰层厚度值的偏离大小，进而调节超声波的振动频率大小和振幅、以及超声换能器的开启数量。其中，陶瓷压电换能器产生高频振荡，在叶片外表面与冰层之间产生巨大剪切力，克服冰层与叶片之间的粘结力，使冰层脱落，从而达到除冰的目的。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，其特征在于：包括微通道热辅助除冰系统和超声波除冰系统；
风机包括机舱、散热器件、叶片转轴和叶片；
散热器件内置在机舱内，用于驱动叶片转轴旋转；散热器件上布设有冷却水通道；
叶片转轴从机舱头部伸出，形成伸出端；叶片转轴的伸出端沿周向均布有若干所述叶片；每片叶片均包括叶片壳体；
微通道热辅助除冰系统包括温度传感器和两组微通道；
温度传感器用于检测风机所处的环境温度；
两组微通道均内置在叶片壳体内，且均匀交错布设，两组微通道的水流方向相向；
两组微通道均通过传热水管与冷却水通道相连接；
超声波除冰系统包括柔性基底、超声换能单元和冰层厚度传感器；
冰层厚度传感器用于检测叶片上覆盖的冰层厚度；
柔性基底铺设在叶片壳体内外壁面，超声换能单元布设在柔性基底上。
2.根据权利要求1所述的利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，其特征在于：叶片转轴为中空轴，传热水管内置在叶片转轴的中空腔内；超声换能单元通过连接线缆与散热器件电连接，连接线缆也内置在叶片转轴的中空腔内。
3.根据权利要求1所述的利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，其特征在于：温度传感器设置在机舱顶部。
4.根据权利要求1所述的利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，其特征在于：叶片壳体具有叶片头部和叶片尾部；两组微通道分别为头部微通道和尾部微通道，头部微通道的入水口设置在叶片头部，尾部微通道的入水口设置在叶片尾部。
5.根据权利要求4所述的利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，其特征在于：头部微通道和尾部微通道均包括平行并列设置的两个通道。
6.根据权利要求1所述的利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，其特征在于：传热水管上布设有通断阀。
7.根据权利要求6所述的利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，其特征在于：传热水管上还布设有电磁流量阀。
8.根据权利要求1所述的利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，其特征在于：超声换能单元包括若干个通过连接线缆相连接的超声换能器，超声换能器均布在叶片壳体外壁面内外壁面上。
9.根据权利要求8所述的利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，其特征在于：超声换能器的个数为10~20个，每个超声换能器的形状均为矩形。
10.根据权利要求8所述的利用超声振动与微通道热辅助结合的风机叶片防除冰装置，其特征在于：超声换能器为压电换能器，压电换能器为压电陶瓷和聚合物的两相复合材料。
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|---|---|---|---|---|
| CN116892490A (zh) * | 2023-09-08 | 2023-10-17 | 中北大学 | 风力发电机叶片的超声波除冰方法、控制器、系统及介质 |
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| CN116892490B (zh) * | 2023-09-08 | 2023-11-28 | 中北大学 | 风力发电机叶片的超声波除冰方法、控制器、系统及介质 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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