CN116522530A - 一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法及基于其的流场结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于叶片除冰技术领域，具体涉及一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法，以试验方法观察目标应用机组叶片在各种可能结冰工况下的覆冰特性，并建立叶片覆冰时空发展特性的数据库；对叶片在气热除冰系统是否运行的两种情况下的数据库进行对比，结合覆冰特性，筛选出叶片展向与弦向方向上需要强化换热效果的区域；在该区域内部设计局部的强化换热结构，用以均匀地提升热气流在前缘强化加热段内的流速，提升气流在对应通流区域内的湍流度，强化了热气流与厚度较大的叶片中段前缘的整体换热效果，即在原有的气热除冰效果上，额外提升了对应流段的加热效果。
Description
技术领域
本发明属于叶片除冰技术领域，具体涉及一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法及基于其的流场结构。
背景技术
叶片覆冰问题的解决对于风电机组的安全运营与发电量提升等，具有重要的意义与价值。现阶段通用的除冰技术有气热除冰、电热除冰和防覆冰涂层等，本质上，各种除冰技术都存在不同程度的问题，比如气热除冰具有叶片整体加热效果一般、能耗高等问题；电热除冰存在防雷风险；防覆冰涂层只能防冰而不能除冰，在严重结冰天气下容易失效，且防冰寿命有限。不管是单一的防除冰技术还是混合防除冰技术组合，都需要开展关键技术研究，并综合权衡经济性等方面因素。
气热除冰是现阶段较常用的技术，但因为叶片的长度较长，在叶片弦向与展向方向上均不同程度地存在厚度分布不均的问题，同时，考虑到叶片的实际运行环境，单一气热除冰技术若要发挥预期的整体除冰效果，需要了解叶片在风机所处的结冰期内的结冰特性以及常用的气热除冰运行工况下的局部区域气固换热效果。
所以，若只是采用气热除冰的单一技术来除冰，存在以下问题：叶片虽然结冰情况相对严重，但因为厚度较小，热气流对叶尖的加热效果较好，使得叶尖部位不太容易出现覆冰；相比之下，叶片中段特别是前缘部分，由于叶片厚度较大，虽内部通有热气流，但加热效果欠佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法及基于其的流场结构，解决了叶片中段气热除冰效果欠佳的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法，包括以下步骤：
S1.以采用气热防除冰方式的特定风电机组作为目标风机，设计多组气象参数组合；
S2.基于目标风机的叶片状况，制作相同的叶片结冰试验模型，并配备对应的气热除冰装置；
S3.基于气象参数组合和叶片结冰试验模型，在风电机组的正常运转且在气热除冰系统不运行的情况下，开展叶片覆冰试验，观察风电机组叶片的结冰特性，得到叶片表面结冰的时空特性；
S4.对叶片表面结冰的时空特性进行量化分析，得到整支叶片在不同结冰气候下的覆冰演变规律，形成覆冰特性数据库DATABASE1；
S5.基于覆冰特性数据库DATABASE，筛选出多组典型的结冰工况；
在气热除冰系统启动运行时，设定同等结冰试验条件，开展叶片覆冰试验，观察风电机组叶片的结冰特性，得到叶片表面结冰的时空特性；
对叶片表面结冰的时空特性进行量化分析，得到整支叶片在不同结冰气候下的覆冰演变规律，形成覆冰特性数据库DATABASE2；
S6.针对选定的典型结冰工况，对比气热除冰系统是否运行下的叶片结冰数据库DATABASE1与DATABASE2，分别得到不同程度结冰情况下气热除冰系统在叶片上的失效区域；
通过对目标应用机组所处环境气候的综合分析，确定失效区域范围；
S7.在不改变运行热气流参数且不影响其余区域气热除冰效果的前提下，对上述失效区域范围设计强化气固换热效果的流场结构。
进一步，S1中，多组气象参数组合的设计具体为：收集并整理环境和气象因素，结合目标风机叶片出现最严重凝冻情况时的历史极端天气情况，设计多组气象参数组合；
环境和气象因素包括风速、气压、气温、湿度及空气中过冷水滴颗粒度分布信息。
进一步，S2中，气热除冰装置提供气热除冰气流参数，气热除冰气流参数与实际叶片气热除冰系统输出气流参数之间的映射关系取决于叶片结冰试验模型与对应的应用机组真实叶片的比例关系。
进一步，S3中，风电机组叶片的结冰特性，包括叶片覆冰的类型、发生区域和形成速度。
进一步，S4中，对叶片表面结冰的时空特性进行量化分析的过程中，需要提前做设定，具体为：
设定不同叶片展向位置上，叶片覆冰转变为较为严重或失控情况的临界值；
在覆冰开始出现后的设定时间内，在叶片弦向方向上，覆冰覆盖面积占比达到某临界值，或是在设定时间内叶片特定位置出现覆冰的厚度超过某个临界值，由于叶片气动特性的失效，叶片将会全被生长蔓延的覆冰覆盖。
进一步，S5中，依据S2步骤中的叶片模型比例关系，设定叶片在气热除冰系统最大输出功率下的气热系统运行参数，对选定的典型工况，在气热除冰系统按照上述功率运行的前提下，重复S3和S4的步骤，建立气热除冰工况下，叶片的表面结冰的时空发展特性，对该叶片表面结冰的时空特性进行量化分析，得到整支叶片在不同结冰气候下的覆冰演变规律，形成气热除冰系统运行的覆冰特性数据库。
基于所述设计方法所得到的流场结构，所述流场结构为在整只叶片中筛选出需要提升换热强度的前缘强化加热段；
在前缘强化加热段内设计椎台流场结构，用于改变前缘强化加热段内的热气流通流区域；
椎台流场结构由前端面、后端面以及渐变段构成，其中渐变段根据前端面和后端面的形状包络而成；
该椎台流场结构固定于叶片前缘的第一腹板上，第一腹板与椎台流场结构的中心重叠。
进一步，椎台流场结构的任意的截面i表面上任意点到同一位置的叶片前缘截面的最近距离ri保持一致，且该值有：
其中，r1为前端面距离叶片前缘的流道高度，r2为后端面距离叶片前缘的流道高度，L1为前端面与后端面之间的距离，Li为截面i中心到后端面中心的距离。
进一步，热气流在前端面距离叶片前缘的流道高度r1内的流速为u1，热气流在后端面距离叶片前缘的流道高度r2内的流速为u2；
u1、u2的表达式为：
u1＝(2～3)u11；
u2＝(4～6)u11；
其中，u11代表热气流在未设前缘强化加热段的叶片前缘内腔内的流速。
进一步，在椎台流场结构的前端和末端连接有平滑的椎段。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法，用正常的通用的运行方式去解决叶片根部和尖部(初步的对于叶片结冰区域的结论)的除冰需求；对于叶片中部及(或)其他区域，因为叶片厚度或是结冰情况较为严重，只能实现部分结冰情况。以试验方法观察目标应用机组叶片在各种可能结冰工况下的覆冰特性，并建立叶片覆冰时空发展特性的数据库；对叶片在气热除冰系统是否运行的两种情况下的数据库进行对比，结合覆冰特性，筛选出叶片展向与弦向方向上需要强化换热效果的区域；在该区域内部设计局部的强化换热结构，用以均匀地提升热气流在前缘强化加热段内的流速，提升气流在对应通流区域内的湍流度，强化了热气流与厚度较大的叶片中段前缘的整体换热效果，即在原有的气热除冰效果上，额外提升了对应流段的加热效果。
本发明还公开了基于设计方法所得到的流场结构，用以均匀地提升热气流在前缘强化加热段内的流速，提升气流在对应通流区域内的湍流度，强化了热气流与厚度较大的叶片中段前缘的整体换热效果，即在原有的气热除冰效果上，额外提升了对应流段的加热效果。
进一步，前缘强化加热段内任一截面，通流面积的高度保持恒定，有效保证了气流流速分布的均匀性。
进一步，提出了气流在前缘强化加热段内的流速变化，在流速提升、强化加热效果以及气热除冰系统的能耗和压头等关键参数间取得较好的平衡效果。
进一步，为避免通流面积的骤缩或骤扩导致的压力损失和流场变化，在椎台流场结构的前端和末端各设置了椎段，用于保证流场的平稳过渡。
附图说明
图1为本发明的一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法的流程图；
图2为叶片前缘气热强化加热段内的气固强化换热结构图；
图3为气固强化换热结构设计参数示意图。
其中，1、叶片前缘；2、叶片尾缘；3、第一腹板；4、第二腹板；5、前缘强化加热段；6、椎段；7、渐变段；8、前端面；9、后端面；10、截面i；11、前缘截面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。
本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法，包括以下步骤：
S1:针对采用气热防除冰方案的特定风电机组，收集并整理环境和气象因素(包括但不限于风速、气压、气温、湿度、空气中过冷水滴颗粒度分布等信息)，结合风电机组叶片出现最严重凝冻情况时的历史极端天气情况，选择并设计多组气象参数组合，将用于叶片覆冰特性试验。气象参数组合的选择与设计须能反映机组所处的正常结冰天气与严重(极端)凝冻天气的主要气象特征。
S2：基于气热防除冰改造目标风机的叶片状况(如表面材料、翼型、长度、表面粗糙度等)，还原并制作相同的叶片结冰试验模型；并配备对应的气热除冰装置(如通风机和加热器等)，提供特定参数的气热除冰气流参数(如流量、温度等)，气热除冰气流参数与实际叶片气热除冰系统输出气流参数之间的映射关系取决于叶片模型与对应的应用机组真实叶片的比例关系。
S3:在叶片结冰风洞试验设施中，基于上述气象数据设定和试验叶片设计，结合风电机组的正常运转(如转速等)，设置并还原风电机组叶片的结冰环境特性。
S4：在气热除冰系统不运行的情况下，开展叶片覆冰试验，观察风电机组叶片的结冰特性，包括叶片覆冰的类型、发生区域、形成速度等，得到叶片表面结冰的时空特性，即随时间发展的覆冰出现与发展特性。
对试验结果进行量化分析，结合现有的结冰理论，覆冰主要出现在叶尖以及叶片中后段的前缘处，因为叶尖与空气来流的相对速度更大，空气中的微小过冷水滴与更快速的叶片碰撞，过冷水滴更容易发生形态上的变化，即转变成固态并粘附在碰撞区域形成覆冰；在叶片中后段，其前缘容易结冰，则是由于空气来流先与前缘碰撞的缘故。相比之下，叶片的其他部位出现覆冰，更多是因为前缘等结冰后对叶片整体气动外形等的影响，导致冰层逐渐蔓延生长。
对叶片表面结冰的时间与空间发展特性进行量化分析。设定不同叶片展向位置上，叶片覆冰转变为较为严重(或失控)情况的临界值等，如覆冰开始出现后的特定时间内，在叶片弦向方向上，覆冰覆盖面积占比达到某临界值，或是在特定时间内叶片特定位置出现覆冰的厚度超过某个临界值，等等。超过该临界值，由于叶片气动特性的失效，叶片将很快全被生长蔓延的覆冰覆盖。
在上述设定下，基于叶片覆冰时空特性分析结果，得到整支叶片在不同结冰气候下的覆冰演变规律(包括结冰区域与厚度发展等)，形成覆冰特性数据库，基于该数据库，可以查询到特定叶片位置出现覆冰的时间，以及冰层厚度随时间的演变等。
S5:基于上述数据库，结合目标应用机组所处环境的气象特点与规律，筛选出多组典型的结冰工况(包括正常、严重及极端结冰情况)等，作为气热除冰系统运行与否的叶片结冰情况的对比组。
对应地，依据S2步骤中的叶片模型比例关系，设定叶片在气热除冰系统最大输出功率(即最高的热气流温度和最大的热气流量)下的气热系统运行参数，对选定的典型工况，在气热除冰系统按照上述功率运行的前提下，重复地开展叶片结冰试验，即重复S3和S4的步骤，建立气热除冰工况下，叶片的表面结冰的时空发展特性。正常地，由于上文提及的，叶片虽然结冰情况相对严重，但因为厚度较小，热气流对叶尖的加热效果较好，使得叶尖部位不太容易出现覆冰；相比之下，叶片中段特别是前缘部分，由于叶片厚度较大，虽内部通有热气流，但加热效果欠佳，导致在对比试验的各种工况下，将出现不同程度的覆冰情况。
S6：针对选定的典型结冰工况，对比气热除冰系统是否运行下的叶片结冰数据库，可分别得到正常、严重和极端结冰情况下气热除冰系统在叶片上的“失效”区域。通过对目标应用机组所处环境气候的综合分析，确定该区域的范围，比如叶片展向方向上的区域(即明确叶片中段需要提升加热效果的区域)和弦向方向上的区域(距离前缘中心点的具体区域)。
S7:对上述区域设计强化气固换热效果的流场结构，可在不改变运行热气流参数且不影响其余区域气热除冰效果的前提下，通过加强热气流与中段厚叶片的换热效果，额外地实现叶片中段具体区域的气热除冰效果。付出的代价一般是热气流流动阻力增大，通过增加通风机的压头提升流速，即可实现。
S8：对于上述的局部流场结构变化导致的局部换热效果和整体气热除冰效果，通过数值模拟方法或是上述试验方法进行验证。
针对步骤S7，提出了一种用于提升局部加热效果的内部流场结构。见下图：
结合图2与图3，简要介绍内部流场改变结构及其设计方法。其原理是基于固体表面附近区域流速的提升导致热流湍流强度的提升，从而导致换热强度的对应提升。
基于图1所示方法，在整只叶片中筛选出需要提升换热强度的前缘强化加热段5(除了前缘部分，还可能包括叶片弦向方向上的其余区域，如叶片的第一腹板3和第二腹板4之间的部分区域，其设计方法类似于叶片前缘段，在图2与图3中未画出)，前缘强化加热段5长度为L1。
在该区域的叶片前缘内，设计椎台型状的内置流场改变结构(简称椎台流场结构)，用于改变前缘强化加热段5内的热气流通流区域。椎台流场结构由前端面8、后端面9以及渐变段7构成，其中渐变段7根据前端面8和后端面9的形状包络而成，并依据图3所示及下述设计方法进行设计及包络。最后将该椎台流场结构固定于第一腹板3上，二者的中心重叠。
为避免叶片前缘内的热气流因通流面积的突然变化(即进入流道的骤缩及流出流道的骤扩)引发额外的压力损失和振动等情况，在椎台流场结构的前端面连接有平滑的椎段6，其方法类似于椎台流场结构的设计方法。同样地，在椎台流场结构的末端同样连接有椎段(图2中未画出)，避免了热气流在进入椎台流场结构前后的流场的突然变化。
椎段6和椎台流场结构的设计参见图3，本发明中，在椎台流场结构的任意的截面i10，截面i 10表面上任意点到同一位置的叶片前缘截面11的最近距离ri保持一致，即椎段6和叶片前缘1间的半环形通流区域的高度ri保持不变，且该值有：
其中，r1为前端面8距离叶片前缘1的流道高度，r2为后端面9距离叶片前缘1的流道高度，L1为前端面8与后端面9之间的距离，Li为截面i 10中心到后端面9中心的距离。
为了提升热气流在前缘强化加热段5内的换热效果，热气流流速相比在未设置前缘强化加热段5的前缘内的其他区域的流速要提升2～5倍。本发明中，将热气流进入前端面8对应通流截面的速度提升为2～3倍，热气流在后端面9对应通流截面内的速度提升为4～6倍，这样可以在流速提升与压力损失间取得平衡，获得较好的经济效益。同样的通流流量下，流速要提升，通流面积就得对应下降，流速提升2～5倍，通流面积就将为1/2～1/5，然后换算成对应的r1和r2。
对应地，u1和u2采用以下公式：
其中：u1、u2和u11分别代表热气流在r1、r2和未设前缘强化加热段5的叶片前缘内腔内的流速。S代表面积，S11对应u11所在的面积，即未设置强化加热段的原有空腔内的通流面积；s8是前端面的通流面积，s9是后端面的通流面积；
u1＝(2～3)u11；
u2＝(4～6)u11；
而椎段6的高度L0以及下游未画出的椎段的高度，一般可取为(0.5～0.7)L1，实现热气流在前缘强化加热段5内的加速流动，实现预期的强化换热效果。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.以采用气热防除冰方式的特定风电机组作为目标风机，设计多组气象参数组合；
S2.基于目标风机的叶片状况，制作相同的叶片结冰试验模型，并配备对应的气热除冰装置；
S3.基于气象参数组合和叶片结冰试验模型，在风电机组的正常运转且在气热除冰系统不运行的情况下，开展叶片覆冰试验，观察风电机组叶片的结冰特性，得到叶片表面结冰的时空特性；
S4.对叶片表面结冰的时空特性进行量化分析，得到整支叶片在不同结冰气候下的覆冰演变规律，形成覆冰特性数据库DATABASE1；
S5.基于覆冰特性数据库DATABASE1，筛选出多组典型的结冰工况；
在气热除冰系统启动运行时，设定同等结冰试验条件，开展叶片覆冰试验，观察风电机组叶片的结冰特性，得到叶片表面结冰的时空特性；
对叶片表面结冰的时空特性进行量化分析，得到整支叶片在不同结冰气候下的覆冰演变规律，形成覆冰特性数据库DATABASE2；
S6.针对选定的典型结冰工况，对比气热除冰系统是否运行下的叶片结冰数据库DATABASE1与DATABASE2，分别得到不同程度结冰情况下气热除冰系统在叶片上的失效区域；
通过对目标应用机组所处环境气候的综合分析，确定失效区域范围；
S7.在不改变运行热气流参数且不影响其余区域气热除冰效果的前提下，对上述失效区域范围设计强化气固换热效果的流场结构。
2.根据权利要求1所述的一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法，其特征在于，S1中，多组气象参数组合的设计具体为：收集并整理环境和气象因素，结合目标风机叶片出现最严重凝冻情况时的历史极端天气情况，设计多组气象参数组合；
环境和气象因素包括风速、气压、气温、湿度及空气中过冷水滴颗粒度分布信息。
3.根据权利要求1所述的一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法，其特征在于，S2中，气热除冰装置提供气热除冰气流参数，气热除冰气流参数与实际叶片气热除冰系统输出气流参数之间的映射关系取决于叶片结冰试验模型与对应的应用机组真实叶片的比例关系。
4.根据权利要求1所述的一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法，其特征在于，S3中，风电机组叶片的结冰特性，包括叶片覆冰的类型、发生区域和形成速度。
5.根据权利要求1所述的一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法，其特征在于，S4中，对叶片表面结冰的时空特性进行量化分析的过程中，需要提前做设定，具体为：
设定不同叶片展向位置上，叶片覆冰转变为较为严重或失控情况的临界值；
在覆冰开始出现后的设定时间内，在叶片弦向方向上，覆冰覆盖面积占比达到某临界值，或是在设定时间内叶片特定位置出现覆冰的厚度超过某个临界值，由于叶片气动特性的失效，叶片将会全被生长蔓延的覆冰覆盖。
6.根据权利要求1所述的一种提升叶片气热除冰整体效果的设计方法，其特征在于，S5中，依据S2步骤中的叶片模型比例关系，设定叶片在气热除冰系统最大输出功率下的气热系统运行参数，对选定的典型工况，在气热除冰系统按照上述功率运行的前提下，重复S3和S4的步骤，建立气热除冰工况下，叶片的表面结冰的时空发展特性，对该叶片表面结冰的时空特性进行量化分析，得到整支叶片在不同结冰气候下的覆冰演变规律，形成气热除冰系统运行的覆冰特性数据库。
7.基于权利要求1-6任意一项设计方法所得到的流场结构，其特征在于，所述流场结构为在整只叶片中筛选出需要提升换热强度的前缘强化加热段；
在前缘强化加热段内设计椎台流场结构，用于改变前缘强化加热段(5)内的热气流通流区域；
椎台流场结构由前端面(8)、后端面(9)以及渐变段(7)构成，其中渐变段(7)根据前端面(8)和后端面(9)的形状包络而成；
该椎台流场结构固定于叶片前缘(1)的第一腹板(3)上，第一腹板(3)与椎台流场结构的中心重叠。
8.根据权利要求7所述的流场结构，其特征在于，椎台流场结构的任意的截面i(10)表面上任意点到同一位置的叶片前缘截面(11)的最近距离ri保持一致，且该值有：
其中，r1为前端面(8)距离叶片前缘(1)的流道高度，r2为后端面(9)距离叶片前缘(1)的流道高度，L1为前端面(8)与后端面(9)之间的距离，Li为截面i(10)中心到后端面(9)中心的距离。
9.根据权利要求7所述的流场结构，其特征在于，热气流在前端面(8)距离叶片前缘(1)的流道高度r1内的流速为u1，热气流在后端面(9)距离叶片前缘(1)的流道高度r2内的流速为u2；
u1、u2的表达式为：
u1＝(2～3)u11；
u2＝(4～6)u11；
其中，u11代表热气流在未设前缘强化加热段(5)的叶片前缘内腔内的流速。
10.根据权利要求7所述的流场结构，其特征在于，在椎台流场结构的前端和末端连接有平滑的椎段(6)。
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