[发明专利]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

说明书

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。

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。