一种基于气热除冰技术的空气层防除冰系统及其设计方法

摘要

本发明公开的一种基于气热除冰技术的空气层防除冰系统及其设计方法，属于风力发电技术领域。包括热风生成及循环系统、第一通风管、挡风板、第一抽风管、引风机、第二通风管、第三通风管、连接风管、第四通风管、回流挡板、第二抽风管和第三抽风管。通过挡风板和回流挡板封闭腹板间及腹板与叶片前缘/后缘间的热气流道，抽取部分回流热气，由热气喷出孔喷出，经空气来流裹挟后，在叶片外表面形成热空气薄层。有利于风机叶片外表面的受热与保温，减缓/抑制中段叶片表面与大气间的热传递，使得过冷水滴穿过该薄层掉落在叶片上不容易形成覆冰，从而在厚度较大导致热鼓风加热叶片效率不理想的叶片中段起到有效的辅助防除冰的效果。

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于气热除冰技术的空气层防除冰系统及其设计方法。

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，即在临近热气流的输送管出口部分与叶尖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，且接触到的热气流已对输气管下游的叶片部分加热而导致气流温度下降，使得叶片中段的厚叶片并不能被有效加热，有可能无法实现与叶尖等部位相同的除冰效果，即将出现覆冰的形成与发展，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基于气热除冰技术的空气层防除冰系统及其设计方法，能够在叶片中段的外表面区域形成连续的相对均匀的热空气薄层，使得系统输出的热气流能满足整个叶片相对均匀的加热与除冰需求。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于气热除冰技术的空气层防除冰系统，包括热风生成及循环系统、第一通风管、挡风板、第一抽风管、引风机、第二通风管、第三通风管、连接风管、第四通风管、回流挡板、第二抽风管和第三抽风管；

挡风板设在叶片前缘与第一腹板之间，挡风板上开设有通风孔，通风孔通过第一通风管与热风生成及循环系统的出风装置连接；回流挡板设在第一腹板与叶片尾缘之间，第二抽风管穿过回流挡板伸入第一腹板与第二腹板之间，第三抽风管穿过回流挡板伸入第二腹板与叶片尾缘之间，第二抽风管和第三抽风管均连接至热风生成及循环系统的回风装置；第一抽风管穿过回流挡板伸入第一腹板与叶片尾缘之间，第一抽风管通过引风机与第三通风管连接；叶片中段的叶片前缘上设置有若干热气喷出孔；第四通风管设置在叶片前缘处的叶片内表面上，且平行于叶片展向；第四通风管与第三通风管连接，同时通过若干连接风管分别与若干热气喷出孔连接；热气喷出孔喷出的热气流经空气来流的裹挟在叶片外表面形成热空气薄层。

优选地，热风生成及循环系统包括设在叶根内的鼓风机、加热器和控制器，鼓风机的入口连接有引风管，引风管开口处设有电动阀门，鼓风机的出口与加热器的入口连接，加热器的出口与第一通风管连接；第二抽风管和第三抽风管汇合至第二通风管，第二通风管连接至引风管；鼓风机、加热器、引风机和电动阀门分别与控制器连接。

进一步优选地，加热器的出口处设有热电偶，热电偶与控制器连接。

优选地，热气喷出孔包括第一热气喷出孔和第二热气喷出孔，若干第一热气喷出孔的轴线相对叶片弦线斜向叶片吸力面设置，若干第二热气喷出孔的轴线相对叶片弦线斜向叶片压力面设置。

进一步优选地，若干第一热气喷出孔的间隔相等，若干第二热气喷出孔的间隔相等。

进一步优选地，第一热气喷出孔的轴线与叶片弦线的夹角为45°～60°，第二热气喷出孔的轴线与叶片弦线的夹角为45°～60°。

优选地，叶片内表面、第一腹板或第二腹板上固定有若干基板，挡风板和回流挡板可拆卸地连接安装在基板上。

优选地，第三通风管设在第四通风管一侧的中部，若干连接风管均布在第四通风管的另一侧。

优选地，第四通风管为文丘里管结构。

本发明公开的上述基于气热除冰技术的空气层防除冰系统的设计方法，包括：

S1：根据风机的主要风速范围及翼型，确定能被叶片前缘前方空气来流顺利裹挟并能沿着叶片表面流动以形成空气薄层的喷射气流的位置、速度值与方向，对上述数值进行优化；

S2：结合上述优化后的数值，模拟不同的通风孔直径条件下，热气喷出孔所喷射气流形成的空气薄层在叶片展向方向上的有效宽度，选定合适的热气喷出孔直径；

S3：确定需要布置热气喷出孔的叶片中段的长度，初步确定叶片前缘展向方向上需要设置的热气喷出孔的数量，使整个需要设置热气喷出孔的叶片表面能形成连续的相对均匀的空气薄层；

S4：采用数值模拟对所有热气喷出孔在S1～S3中已确定的参数下运行时的空气薄层形成展开观察，进行参数的优化调整，形成热气喷出孔最终的设计参数；

S5：计算单个热气喷出孔的喷气流量，以及热气喷出孔的数量，计算引风机的抽气量；

S6：根据第三通风管、第四通风管和连接管道的结构参数，计算所有抽取气流量的沿程阻力，并对各管道的管径进行优化，减少阻力损失；

S7：基于抽气量与阻力损失，对引风机进行选型，并确定热风生成及循环系统的主要运行参数，使得热风生成及循环系统补充的空气量与引风机的抽气量保持平衡。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种基于气热除冰技术的空气层防除冰系统，通过挡风板和回流挡板封闭腹板间及腹板与叶片前缘/后缘间的热气流道，抽取部分回流热气，由热气喷出孔喷出，经空气来流裹挟后，在叶片外表面形成热空气薄层。有利于风机叶片外表面的受热与保温，减缓/抑制中段叶片表面与大气间的热传递，使得过冷水滴穿过该薄层掉落在叶片上不容易形成覆冰，从而在厚度较大导致热鼓风加热叶片效率不理想的叶片中段起到有效的辅助防除冰的效果。

进一步地，热风生成及循环系统的主要部件设在叶根内，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，通过热电偶对加热器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，第一热气喷出孔和第二热气喷出孔分别斜向叶片吸力面和叶片压力面设置，有利于热气流分别沿叶片吸力面和叶片压力面形成热空气薄层。

更进一步地，若干第一热气喷出孔和若干第二热气喷出孔的间隔相等，有利于在叶片外表面形成的热空气薄层均匀。

更进一步地，第一热气喷出孔的轴线与叶片弦线的夹角为45°～60°，第二热气喷出孔的轴线与叶片弦线的夹角为45°～60°，夹角过大，喷射的热气流更多为偏向垂直地射入叶片前缘来流中，热气流未能有效被叶片前缘来流充分裹挟变向，即热气流与叶片表面间未能有效紧密贴附，减低了热空气层的保护效果；夹角过小，喷射的热气流更多平行地射入叶片前缘来流并混合后在叶片的吸力面与压力面形成热空气层，受来流方向波动影响大，有可能在叶片的吸力面与压力面上无法形成相对一致的热空气层。

进一步地，叶片内表面、第一腹板或第二腹板上固定有若干基板，挡风板和回流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，第三通风管设在第四通风管一侧的中部，若干连接风管均布在第四通风管的另一侧，有利于热气流均匀布风，使热气喷出孔喷出的热气流相对均匀。

更进一步地，第四通风管采用文丘里管结构，有利于均衡所有进入连接风管的热气流，避免布置在第四通风管两端的连接风管分配到的热气流过少。

本发明公开的上述基于气热除冰技术的空气层防除冰系统的流道设计方法，通过对热气喷出孔的数量、布置位置、孔径与方向的设计，使得热气喷出孔喷出的热气流能顺利被叶片前缘来流裹挟，并沿着叶片的上下表面形成贴壁的展向方向上连续且总体上相对均匀的空气薄层。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为叶片内部热气输送局部管路示意图；

图3为叶片内部热气输送管路的A-A截面示意图；

图4为空气层防除冰法的通风孔结构示意图；

图5为挡板与腹板/叶片内表面固定安装示意图。

图6为叶片表面空气薄层的示意图；

图7为一种优化结构的第四通风管的剖面图。

图中：1、叶根；2、鼓风机；3、加热器；4、热电偶；5、第一通风管；6、挡风板；7、叶片前缘；8、叶尖；9、第一抽风管；10、引风机；11、第二通风管；12、第三通风管；13、第一腹板；14、第二腹板；15、叶片尾缘；16、控制器；17、连接风管；18、第四通风管；19、叶片外表面；20、叶片内表面；21、叶片弦线；22、第一热气喷出孔；23、第二热气喷出孔；24、电动阀门；25、回流挡板；26、第二抽风管；27、第三抽风管；28、基板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例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，为本发明的基于气热除冰技术的空气层防除冰系统，在叶片内部构建热风生成及循环系统，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适宜温度范围(不超过70℃)的热气流，在加热器3出口处布置有热电偶4用以测量气流温度，其信号被设置于叶根1处的控制器16采集并反馈控制设备的运行。

由于叶根及附近区域的叶片除冰需求相对较小，热气流通过第一通风管5被送至除冰需求较大的叶根外叶片段。由于叶片内部为封闭空间，叶片内设置有垂直布置的若干腹板(一般为2片，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)，用以连接固定叶片的吸力面与压力面。在叶片前缘7和第一腹板13间的合适位置布置挡风板6，挡风板6平行于叶片的弦向方向并与第一腹板13垂直，在挡风板6靠近第一腹板13的合适位置设置与第一通风管5外径相同的圆孔，将其与第一通风管5的出口直接连接。第一通风管5通过管箍等固定于第一腹板13上，鼓风机2与加热器3等固定于叶根1的内表面。

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，并分别回流至叶根1附近。

热气流通过第一通风管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8处厚度小，使得叶片处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，由于叶片厚度较大，而热气流相比挡风板6抽口温度已有下降，且挡风板6的出风口靠近第一腹板13，热风向叶尖8流动的过程中，其温度分布均匀性不佳(即在垂直于叶片展向的截面上，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。

在热气流的回流区末端，即第一腹板13与叶片尾缘15间区域，同样地设置回流挡板25。回流挡板25与叶片中较长的腹板(通常为中间的腹板，即第一腹板13)在靠近叶根1处的末端直接封闭性连接，同样的，回流挡板25垂直于第一腹板13且平行于叶片的弦线方向。如图1所示，相对较短的第二腹板14与回流挡板25间无连接，二者之间留有通流区域，避免因引风机的作用而改变回流在两个流道内的流量分配而影响叶片尾缘区域的叶片加热效果。

在回流挡板25上靠近叶片尾缘15的合适位置安装第一抽风管9，在引风机10提供的抽气动力下，抽取部分回流热气，通过第三通风管12输送至叶片中段位置。第三通风管12参考第一通风管5使用卡箍的固定方式，先固定于叶片内表面，再穿过回流挡板25并固定于第一腹板13。

在回流挡板25上分别设置位于第二腹板14的上部与下部的孔径较大的第二抽风管26和第三抽风管27，如图1，其中，第二抽风管26伸长并固定在第二腹板14的上部，利用鼓风机2提供的抽气动力，实现热气流在第二腹板14上方流道内的预期通流及换热效果。

第二抽风管26和第三抽风管27所抽取的气流汇合后通过第二通风管11回送至鼓风机2的入口，循环参与鼓风机2通风与加热器3加热。在鼓风机2的入口流道设置电动阀门24，并由控制器16对电控阀门24进行控制，通过调节电控阀门24的开度控制进入鼓风机2的空气量，作为被第一抽风管9抽取气流的补充气源。

设置于叶根1处的控制器16，结合热电偶4的测温以及原有的布置于叶片外表面的覆冰检测等测量数据(如叶片表面温度等)，综合控制引风机10、鼓风机2和加热器3的功率，使得第一通风管5出口的热气流量与温度能满足气热与空气层混合防除冰法的需求。通过各部件的运行参数与测量数据的耦合，得到适用于本发明的系统运行方法与优化参数组合。

引风机10抽取的热气流被输送至叶片中段，第三通风管12穿过第一腹板13后将延伸至叶片前缘7附近，参见图2与图3。设置固定于叶片内表面20且平行于叶片展向方向的第四通风管18，作为第三通风管12所输送气流的分配母管。在叶片中段的叶片前缘7的展向方向上以一定的距离间隔设置数量不等的热气喷出孔组合。每一个热气喷出孔组合包括位于弦线斜上方的第一热气喷出孔22和位于弦线斜下方的第二热气喷出孔23。

如图7，在本发明的一个较优的实施例中，第四通风管18为文丘里管结构，即第四通风管18的中段朝两端分别设置渐缩再渐扩的文丘里管结构，均衡所有进入连接风管的热气流，避免布置在第四通风管两端的连接风管分配到的热气流过少。

在图3中，用连接风管17连接第四通风管18和各个热气喷出孔。这样，引风机10在叶根处所抽取气流由各个热气喷出孔输送至叶片中段的叶片外表面19，经空气来流的裹挟在叶片外表面19形成热空气薄层，如图6。

图4列出了热气喷出孔的设计示意图，主要设计参数包括开孔的位置、通孔的直径与方向等，并结合适合的喷气速度进行设计。若热气喷出孔出口气速过大，即以高速射流形式喷出，则不易被叶片前缘7来流顺利裹挟，无法实现构建空气薄层的目的。主要借助于CFD数值模拟方法进行模拟观察，设计方法包括：

1)基于风机发电所设计的主要风速范围(如5～8m/s)及具体翼型等条件，假设热气流从叶片前缘7的展向方向上均匀喷出，确定能被叶片前缘7前方空气来流顺利裹挟并能沿着叶片表面流动以形成空气薄层的喷射热气流的位置、速度值与方向(对应图4中热气喷出孔的轴线与叶片弦线21夹角α1与α2)，优化其值组合；

2)结合上述喷射热气流的位置与速度组合，观察不同的热气喷出孔直径条件下，一个热气喷出孔组合所喷射气流形成的空气薄层的有效宽度(叶片展向方向)，选定合适的热气喷出孔直径(即图4中第一热气喷出孔22的内径d1及第二热气喷出孔23的内径d2)；

3)基于需要采用空气层法的叶片中段的长度，估计叶片前缘7展向方向上需要设置的热气喷出孔组合的数量，使得在整个叶片中段的叶片表面能形成连续的相对均匀的空气薄层；

4)基于数值模拟方法对所有热气喷出孔在上述设计参数下运行时的空气层形成展开观察，进行参数的优化调整，形成最终的设计参数；

5)计算单个热气喷出孔组合的喷气流量，以及热气喷出孔组合数量，计算引风机10的抽气量；

6)结合第三通风管12、第四通风管18、连接管道17等管道情况，计算所有抽取气流量的沿程阻力，并对各通风管与连接管的管径进行优化，减少阻力损失；

7)基于抽气量与阻力损失，对引风机10进行选型，并控制电动阀门24的主要运行参数(开度等)，使得补充进鼓风机2的空气量为引风机的抽气量。

出于风机叶片维护的需求，将挡风板6与回流挡板25设置成可拆卸形式。如图5所示，在叶片的腹板或是内表面固定安装小尺寸的基板28，以螺栓或是其它连接形式将挡风板6或回流挡板25固定于基板21上，方便维修时拆卸。为了减少挡板与管道的设置对机组运行载荷的影响，通流管道、挡风板6、回流挡板25及基板21等应选择密度小、强度大且相对耐热的材料。

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。