CN116292153B - 一种高效率的桨叶气热除冰装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电领域，具体涉及一种高效率的桨叶气热除冰装置，包括机舱、轮毂和多个叶片，机舱连接轮毂，多个叶片设置在轮毂上，叶片包括壳体、设置在壳体的叶片前缘的叶片前缘腹板和设置在壳体的叶片后缘的叶片后缘腹板，进风通道的头部安装有鼓风机，鼓风机的入风口安装有加热器，进风通道的尾部设有多个扰流板，叶片前缘腹板的尾部设有多个叶片前缘腹板通气孔。通过设置叶片前缘腹板通气孔，减少了除冰系统流动阻力；扰流板设置在叶片前缘的关键除冰区域，强化关键除冰区域叶片外壁温升。

Description

一种高效率的桨叶气热除冰装置

技术领域

本发明涉及风电领域，具体涉及一种高效率的桨叶气热除冰装置。

背景技术

风电作为一种可再生的新能源，在我国的电力结构中占有较高的地位。然而当在冬季运行时，叶片结冰给风电场的运行安全和发电效益带来了双重困扰。叶片结冰破坏了气动外型，降低了机组风能捕获能力，加大了叶片的载荷和震动。风电场业主迫切需要可以对结冰较严重的风电场进行叶片装配除冰的系统。热鼓风加热除冰是一种叶片主动抗冰冻技术，通过将加热的空气输送到叶片内腔中，热空气携带的热量从叶片内表面向外表面传递，从而融化叶片外表面的冰层。热鼓风加热除冰具有运行安全可靠、维护简单易行以及系统成本较低等优点。单纯从传热流程来看，热鼓风除冰主要有热对流和热传导两种传热过程。

专利号为2022113917418的一种风力发电机的叶片除冰性能优化方法及系统，参看图3，前缘区域为主要的迎风区域，也是叶片结冰严重且结冰对叶片气动性能影响较大的区域。热鼓风加热除冰是一种主动抗冰冻技术，热风循环系统由鼓风机、加热器、通风管道和叶片内腔组成。上述的缺点如下：

1.需要额外设置有通风管，且需分段安装，安装固定和后期维护更换均较麻烦，影响叶片的厂内生产效率，设计成本高。

2.前缘腹板无开孔，叶尖流动截面积小，流动阻力大，导致鼓风机选型较大，重量较重。

3.后缘腹板无挡风板，导致后缘非关键除冰区域散热损失大，降低除冰效率。

4.前缘关键区域无扰流板，导致前缘内腔壁面热气流流速较低，对流传热系数较小，热阻较大。

5.系统循环温升慢，除冰耗时长。

6加热器出口温度控制未设置在叶片壁面，无法充分提高加热器出口风温，除冰性能差。

有鉴于此，本发明提供一种高效率的桨叶气热除冰装置。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高效率的桨叶气热除冰装置。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种高效率的桨叶气热除冰装置，包括机舱、轮毂和多个叶片，所述机舱连接轮毂，多个所述叶片设置在所述轮毂上，所述叶片包括壳体、设置在壳体的叶片前缘的叶片前缘腹板和设置在壳体的叶片后缘的叶片后缘腹板，所述叶片前缘腹板和壳体之间的空腔形成循环出风通道，所述叶片前缘腹板和叶片后缘腹板之间形成循环回风通道，所述循环出风通道的头部安装有鼓风机，所述鼓风机的入风口安装有加热器，所述循环出风通道的尾部设有多个扰流板，所述叶片前缘腹板的尾部设有多个叶片前缘腹板通气孔，所述叶片前缘腹板通气孔连通所述循环出风通道和循环回风通道；

通过启动所述叶片的鼓风机和加热器，所述鼓风机的入风口和所述加热器的出风口温度迅速升温，气流从加热器的出风口出发，先经过循环出风通道，然后通过叶片前缘腹板通气孔进入到循环回风通道，最后回鼓风机，使气流在所述叶片内进行循环，提高所述叶片的内壁温度，当所述叶片的内壁温度智能控制装置检测到温度达到设定值时，通过控制加热器启停，使得叶片内壁温度智能控制装置的温度值控制在恒定范围。

进一步，所述鼓风机和所述加热器固定在隔板上，所述隔板通过紧固件与预埋在所述叶片前缘和所述叶片前缘腹板的法兰连接密封固定。

进一步，还包括系统流量智能调节装置，所述系统流量智能调节装置设置在隔板上。

进一步，靠近壳体的叶尖位置，所述叶片后缘的叶片后缘腹板之间安装有第一挡风板；靠近壳体的叶根位置，所述叶片后缘的叶片后缘腹板之间安装有第二挡风板。

进一步，还包括叶片内壁温度安全控制装置，所述叶片内壁温度安全控制装置安装在靠近加热器出风口的叶片前缘腹板上

进一步，还包括加热器过温保护装置，所述加热器过温保护装置设置在所述加热器上。系统运行过程中，加热器可能出现干烧的异常情况，该装置通过温度传感器反馈信号，当温度超出一定值，报系统安全故障。

进一步，所述叶片的叶根外侧上设有结冰探测装置。

进一步，所述机舱内安装有电滑环、机组控制柜和机组配电柜，所述机组控制柜和机组配电柜均连接所述电滑环，所述机舱的下部设有塔筒。

所述轮毂内设有除冰控制模块和配电柜，所述鼓风机连接有除冰控制模块和配电柜，所述除冰控制模块连接有电滑环。

进一步，所述叶片前缘上设有除冰关键区域，所述除冰关键区域上铺设有高导热性的碳纤维材料。

进一步，所述叶片前缘的非除冰关键区域、所述叶片后缘、所述壳体的叶尖和壳体的叶根上铺设有保温涂敷材料或保温装置，所述保温涂敷材料或保温装置用于减少叶片的散热损失。

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明为一种高效率的桨叶气热除冰装置，通过设置叶片前缘腹板通气孔，减少了除冰系统流动阻力；扰流板设置在叶片前缘的关键除冰区域，强化关键除冰区域叶片外壁温升；叶片后缘和叶片后缘腹板之间设置加挡风板，减少非关键除冰区域的散热损失，显著提高系统除冰能力，优化鼓风机风量和加热器功率选型设计，减少鼓风机和加热器功率和重量，便于安装和维护。

增加系统流量智能调节装置，在除冰系统刚开始运行时，系统流量智能调节装置开启，加速加热器出口风量到鼓风机入口的循环，缩短空气循环升温时间，提高除冰效率，增加机组发电量。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例一种高效率的桨叶气热除冰装置的结构示意图。

图2为本发明实施例叶片的内部的结构示意图。

图3为本发明实施例优化前叶片外壁和优化后叶片外壁的对比示意图。

图4为本发明实施例扰流板安装于叶片前缘腹板上的结构示意图。

图5为本发明实施例一种高效率的桨叶气热除冰装置的气流流动效果图。

图中：1-机舱；2-轮毂；3-叶片；4-机组控制柜；5-机组配电柜；6-电滑环；7-除冰控制模块；8-配电柜；9-塔筒；10-鼓风机。

11-加热器；12-扰流板；13-叶片前缘腹板通气孔；14-隔板；15-系统流量智能调节装置；16-第一挡风板；17-第二挡风板；18-叶片内壁温度安全控制装置；19-加热器过温保护装置；20-结冰探测装置；21-除冰关键区域。

31-壳体；32-叶片前缘；33-叶片后缘；34-叶尖；35-叶根；36-叶片前缘腹板；37-叶片后缘腹板；38-循环出风通道；39-循环回风通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

参看图1-5，一种高效率的桨叶气热除冰装置，包括机舱1、轮毂2和多个叶片3，所述机舱1连接轮毂2，多个所述叶片3设置在所述轮毂2上，所述叶片3包括壳体31、设置在壳体31的叶片前缘32的叶片前缘腹板36和设置在壳体31的叶片后缘33的叶片后缘腹板37，所述叶片前缘腹板36和壳体31之间的空腔形成循环出风通道38，所述叶片前缘腹板36和叶片后缘腹板37之间形成循环回风通道39，所述循环出风通道38的头部安装有鼓风机10，所述鼓风机10的入风口安装有加热器11，所述循环出风通道38的尾部设有多个扰流板12。叶片前缘32的除冰关键区域21加装多个扰流板12，扰流板12每隔3-5m安装一块，强化关键除冰区域热气流与叶片前缘32内壁面的对流换热，显著提高叶片3外壁面温升，提高除冰效率，同时未明显增加流动阻力。

作为对本实施例的进一步说明，所述叶片前缘腹板36的尾部设有多个叶片前缘腹板通气孔13，所述叶片前缘腹板通气孔13连通所述循环出风通道38和循环回风通道39；叶片前缘腹板通气孔13等距设置在叶片前缘腹板36的尾部，显著降低叶片3内腔流动阻力，可以选型较小鼓风机10，甚至更轻的轴流风机，降低设备成本，减小设备体积，便于后期维修更换。

作为对本实施例的进一步说明，所述鼓风机10和所述加热器11固定在隔板14上，所述隔板14通过紧固件与预埋在所述叶片前缘32和所述叶片前缘腹板36的法兰连接密封固定。隔板14通过紧固件与预埋在叶片前缘32和叶片前缘腹板36的法兰连接并做相应密封，安装固定方便、后期维护更换方便，避免了现有技术的分段安装的通风管设置，可靠性高，不影响叶片3制造工期，成本低，提高了叶片3的厂内生产效率。

作为对本实施例的进一步说明，除冰装置还包括系统流量智能调节装置15，所述系统流量智能调节装置15设置在隔板14上。在隔板14上开孔，通过调节开孔面积，智能调节系统流量。在除冰系统刚开始运行时，系统流量智能调节装置15开启，加速加热器11出口风量到鼓风机10入口的循环，缩短空气循环升温时间。

作为对本实施例的进一步说明，靠近壳体31的叶尖34位置，所述叶片后缘33的叶片后缘腹板37之间安装有第一挡风板16；靠近壳体31的叶根35位置，所述叶片后缘33的叶片后缘腹板37之间安装有第二挡风板17。靠近叶尖34和叶根35两个位置，叶片后缘33与叶片后缘腹板37间分别安装挡风板，减少后缘非关键除冰区域的散热损失，显著提高除冰效率。

作为对本实施例的进一步说明，除冰装置还包括叶片内壁温度安全控制装置18，所述叶片内壁温度安全控制装置18安装在靠近加热器11出风口的叶片前缘腹板36上。

作为对本实施例的进一步说明，除冰装置还包括加热器过温保护装置19，所述加热器过温保护装置19设置在所述加热器11的出口上。因叶片3为玻璃钢材质，限制温度不超过75℃，因此加热器11出口附近叶片3内壁温度需要控制在75℃以内，优选的控制在70℃以内，该加热器过温保护装置19反馈温度传感器信号以调节加热器11的启停，控制加热器11出口温度。

作为对本实施例的进一步说明，所述叶片3的叶根35外侧上设有结冰探测装置20。

作为对本实施例的进一步说明，所述机舱1内安装有电滑环6、机组控制柜4和机组配电柜5，所述机组控制柜4和机组配电柜5均连接所述电滑环6。

作为对本实施例的进一步说明，所述轮毂2内设有除冰控制模块7和配电柜8，所述鼓风机10连接有除冰控制模块7和配电柜8，所述除冰控制模块7连接有电滑环6。

作为对本实施例的进一步说明，所述机舱1的下部设有塔筒9。

作为对本实施例的进一步说明，所述扰流板12为弧状扰流板12。弧状扰流板12的设计，提高强化传热的同时，不明显增加流动阻力。

作为对本实施例的进一步说明，所述叶片前缘32上设有除冰关键区域21，所述除冰关键区域21上铺设有高导热性的碳纤维材料，使除冰关键区域快速升温，局部冰快速溶解以带动周围冰融化，从而缩短除冰时间。

作为对本实施例的进一步说明，所述叶片前缘32的非除冰关键区域、所述叶片后缘33、所述壳体31的叶尖34和壳体31的叶根35上铺设有保温涂敷材料或保温装置，所述保温涂敷材料或保温装置用于减少叶片3的散热损失，提高加热器11利用率。

当风电机组因结冰停机或结冰探测装置20监测到即将结冰的信号时，机组控制柜4接收到叶片3除冰系统启动信号，并将指令发送给除冰控制和配电柜8，依次启动所述叶片3的鼓风机10和加热器11，所述鼓风机10的入风口和所述加热器11的出风口温度迅速升温，气流从加热器11的出风口出发，先经过循环出风通道38，然后通过叶片前缘腹板通气孔13进入到循环回风通道39，最后回鼓风机10，使气流在所述叶片3内进行循环，提高所述叶片3的内壁温度，当所述叶片3的内壁温度智能控制装置检测到温度达到设定值时，通过控制加热器11启停，使得叶片3内壁温度智能控制装置的温度值控制在恒定范围。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种高效率的桨叶气热除冰装置，包括机舱、轮毂和多个叶片，所述机舱连接轮毂，多个所述叶片设置在所述轮毂上，其特征在于：所述叶片包括壳体、设置在壳体的叶片前缘的叶片前缘腹板和设置在壳体的叶片后缘的叶片后缘腹板，所述叶片前缘腹板和壳体之间的空腔形成循环出风通道，所述叶片前缘腹板和叶片后缘腹板之间形成循环回风通道，所述循环出风通道的头部安装有鼓风机，所述鼓风机的入风口安装有加热器，所述循环出风通道的尾部设有多个扰流板，所述叶片前缘腹板的尾部设有多个叶片前缘腹板通气孔，所述叶片前缘腹板通气孔连通所述循环出风通道和循环回风通道；

通过启动所述叶片的鼓风机和加热器，所述鼓风机的入风口和所述加热器的出风口温度迅速升温，气流从加热器的出风口出发，先经过循环出风通道，然后通过叶片前缘腹板通气孔进入到循环回风通道，最后回鼓风机，使气流在所述叶片内进行循环，提高所述叶片的内壁温度，当所述叶片的内壁温度智能控制装置检测到温度达到设定值时，通过控制加热器启停，使得叶片内壁温度智能控制装置的温度值控制在恒定范围；

靠近壳体的叶尖位置，所述叶片后缘的叶片后缘腹板之间安装有第一挡风板；靠近壳体的叶根位置，所述叶片后缘的叶片后缘腹板之间安装有第二挡风板。

2.根据权利要求1所述的一种高效率的桨叶气热除冰装置，其特征在于：所述鼓风机和所述加热器固定在隔板上，所述隔板通过紧固件与预埋在所述叶片前缘和所述叶片前缘腹板的法兰连接密封固定。

3.根据权利要求2所述的一种高效率的桨叶气热除冰装置，其特征在于：还包括系统流量智能调节装置，所述系统流量智能调节装置设置在隔板上。

4.根据权利要求1所述的一种高效率的桨叶气热除冰装置，其特征在于：还包括叶片内壁温度安全控制装置，所述叶片内壁温度安全控制装置安装在靠近加热器出风口的叶片前缘腹板上。

5.根据权利要求1所述的一种高效率的桨叶气热除冰装置，其特征在于：还包括加热器过温保护装置，所述加热器过温保护装置设置在所述加热器上。

6.根据权利要求1所述的一种高效率的桨叶气热除冰装置，其特征在于：所述叶片的叶根外侧上设有结冰探测装置。

7.根据权利要求1所述的一种高效率的桨叶气热除冰装置，其特征在于：所述机舱内安装有电滑环、机组控制柜和机组配电柜，所述机组控制柜和机组配电柜均连接所述电滑环，所述机舱的下部设有塔筒；

所述轮毂内设有除冰控制模块和配电柜，所述鼓风机连接有除冰控制模块和配电柜，所述除冰控制模块连接有电滑环。

8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的一种高效率的桨叶气热除冰装置，其特征在于：所述叶片前缘上设有除冰关键区域，所述除冰关键区域上铺设有高导热性的碳纤维材料。

9.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的一种高效率的桨叶气热除冰装置，其特征在于：所述叶片前缘的非除冰关键区域、所述叶片后缘、所述壳体的叶尖和壳体的叶根上铺设有保温涂敷材料或保温装置，所述保温涂敷材料或保温装置用于减少叶片的散热损失。