水平軸風力機葉片結冰分布數值模擬與冰風洞試驗研究.pdf

1、在風能利用高速發(fā)展的大背景下，如何提高風力發(fā)電機組的可靠性、可維護性和抵抗各種極端氣候條件的能力受到了越來越多的關注，其中，適用于寒冷氣候條件的風力機研究便是近年來風力機研發(fā)的一個重要方向，而結冰問題又是寒冷氣候條件下的主要問題。風力機結冰是指在寒冷氣候條件下空氣中的液態(tài)水在風力機表面凍結并積累成冰的物理過程。葉片表面結冰后會降低翼型升力，增加阻力，導致風力機輸如功率降低。葉片結冰會改變其載荷分布，影響結構強度與疲勞壽命;葉片上的冰塊甩

2、落也會帶來安全隱患。針對水平軸風力機旋轉葉片結冰分布進行研究，在參考國內外結冰研究成果的基礎上，利用提出的準三維結冰數值模擬方法獲得了大型風力機的結冰分布，構建了結冰風洞試驗系統(tǒng)，試驗獲得了旋轉葉片模型的結冰分布。主要工作及獲得的創(chuàng)新性研究成果如下:
　　(1)提出了適用于水平軸風力機旋轉葉片準三維結冰數值模擬研究方法，并對水平軸風力機準三維結冰分布進行了數值模擬研究。借鑒飛行器二維云霧結冰計算理論與方法，依據風力機葉素理論工作原

3、理，提出了風力機旋轉葉片準三維結冰數值模擬研究方法。對在額定工況下運行的某1.5 MW水平軸風力機在不同環(huán)境溫度、液態(tài)水含量、水滴粒子平均直徑、結冰時間下的旋轉葉片結冰進行數值模擬。得到的主要結論:
　　1）利用該方法計算出了旋轉葉片結冰分布，歸納出兩種典型冰型，即流線型冰和角狀型冰;葉片發(fā)生結冰區(qū)域在尖部前50％-70％;隨著結冰時間增長，相同截面展向位置的翼型上的結冰類型不變，只在原有結冰形狀的基礎上不斷擴大，單位時間內擴大量

4、接近相等。當環(huán)境溫度及液態(tài)水含量一定時可推測出該處翼型結冰冰型，而水滴粒子平均直徑對結冰冰型影響較弱。環(huán)境溫度越高，液態(tài)水含量越大，越容易形成角狀型冰，反之環(huán)境溫度越低，液態(tài)水含量越小，越容易形成流線型冰;液態(tài)水含量及水滴粒子平均直徑越大，結冰區(qū)域越向葉片根部發(fā)展。
　　2）建立了風力機不規(guī)則冰形評價方法，分析了環(huán)境溫度、液態(tài)水含量及水滴粒子平均直徑對結冰特征量最大結冰厚度、結冰面積及結冰體積的影響規(guī)律。該成果可為風力機結冰控制策

5、略的開發(fā)與防除冰系統(tǒng)設計提供了有益參考。
　　(2)設計新型利用自然低溫的結冰風洞試驗系統(tǒng)，并對其性能進行了驗證。依托我國東北地區(qū)特有的持久穩(wěn)定的低溫環(huán)境，在實驗室既有的常規(guī)開口射流式風洞的基礎上，設計安裝了噴霧系統(tǒng)和氣道結構，形成了利用自然低溫的結冰風洞試驗系統(tǒng)。對結冰試驗系統(tǒng)的試驗段溫度，流場均勻性，液態(tài)水含量和水滴粒子平均直徑進行了測量，對不同工況下的玻璃鋼葉片進行了固定葉片結冰風洞試驗。
　　得到的主要結論是:

6、>　　1）當外界溫度穩(wěn)定時結冰風洞試驗段溫度亦保持穩(wěn)定，試驗段風速分布較均勻，對于液態(tài)水含量分布，在試驗段截面中心部分產生了較均勻區(qū)域，圍繞中心區(qū)域形成多個相近的環(huán)形區(qū)域。噴霧系統(tǒng)產生的水滴粒子直徑介于30μm～50μm之間，各項指標可在一定程度上滿足風力機結冰試驗需求。
　　2）利用該系統(tǒng)測試了固定葉片結冰分布，并與數值模擬結果進行了對比分析。在攻角較小且液態(tài)水含量較小時，通過試驗獲得的冰形與數值模擬結果重合度較高。當液態(tài)水含量

7、較大時，數值模擬雖然能夠得到不規(guī)則冰形，但與試驗結果偏差較大，表明數值模擬方法還不能完全計算所有工況下的葉片結冰，結冰風洞試驗仍是當前風力機葉片結冰研究必不可少的研究方法。該試驗系統(tǒng)的設計為風力機以及其它模型的結冰研究提供了新的試驗手段。
　　(3)研究了旋轉風力機葉片段模型結冰分布規(guī)律。在現有利用自然低溫的結冰風洞試驗系統(tǒng)的基礎上，增加了旋轉葉片試驗臺，形成了旋轉葉片結冰風洞試驗系統(tǒng)。在一定的結冰工況下，對不同直徑的圓柱和不同翼

8、型的葉片段在不同轉速條件下進行旋轉葉片結冰風洞試驗。得到的主要結論有:
　　1）獲得了旋轉圓柱結冰分布規(guī)律，通過正交試驗獲得了旋轉圓柱無因次結冰面積及無因次結冰駐點厚度的回歸模型方程，其預測趨勢與試驗結果具有較高吻合性，為旋轉葉片結冰研究提供了試驗基礎。
　　2）對于旋轉鋁制葉片，總體來看，轉速對結冰冰型影響明顯，轉速較低時結冰冰厚均勻，轉速較高時葉片前緣結冰增加，尾緣結冰減少;結冰時間對葉片結冰冰型影響較小，但是隨著時間的

9、增加，結冰量增加。對稱翼型與非對稱翼型結冰冰形存在明顯差異，非對稱翼型會有前緣結冰與尾緣結冰同時存在的工況;無因次結冰面積、無因次結冰駐點厚度隨結冰時間增加而增加，其他典型特征量變化較小;轉速不同對結冰典型特征量影響明顯，很大程度上決定其發(fā)展趨勢;非對稱翼型在一定工況下出現兩個結冰區(qū)域，需要增加額外的典型特征量進行分析。
　　3）對于玻璃鋼葉片，其結冰規(guī)律與鋁制葉片相同，通過正交試驗獲得了無因次結冰面積及無因次結冰駐點厚度的回歸模

10、型方程，在一定范圍內模型與試驗值重合性較高。該部分工作為大型風力機葉片結冰試驗研究奠定基礎。
　　(4)研究了針對水平軸風力機旋轉葉片結冰分布的相似方法，提出了一種偏心放置的繞軸旋轉葉片結冰風洞試驗系統(tǒng)并進行了驗證。分析現有結冰相似性研究的相關理論，利用旋轉葉片結冰相似方法，提出了一種偏心放置的繞軸旋轉葉片結冰風洞試驗系統(tǒng)，拓寬了結冰風洞試驗參數范圍，提高了結冰風洞的試驗能力，并對旋轉葉片結冰相似方法在風力機葉片結冰研究中的可行性

11、進行了驗證。
　　得到的主要結論有:
　　1）提出了一種偏心放置的繞軸旋轉葉片結冰風洞試驗系統(tǒng)，在不改變結冰風洞試驗段截面尺寸的前提下，提高了試驗模型的圓周速度，使其能進行更多工況的結冰試驗;對新結冰試驗系統(tǒng)的各項參數進行測量，試驗系統(tǒng)可滿足旋轉葉片結冰試驗需求;對比了改進前后旋轉圓柱及旋轉葉片的結冰冰形，兩者重合度較高，改進后的試驗系統(tǒng)可進行旋轉葉片結冰試驗。
　　2）驗證了旋轉葉片結冰相似方法在風力機旋轉葉片結冰研

12、究中的可行性，給出了霜冰及明冰狀態(tài)下縮比為0.5和0.25時的試驗參數，通過數值模擬獲得了該試驗參數下結冰冰形，與原始工況的結冰冰形相似度較高。利用風力機結冰相似方法，可以用翼型弦長0.21 m距轉軸0.5 m的葉片段模型結冰分布預測弦長0.84 m距轉軸38.1 m處的實際葉片翼型結冰分布，改進后的結冰風洞試驗系統(tǒng)可對該相似試驗工況進行試驗。
　　該研究屬于風力機結冰領域相關研究的前期應用基礎性研究，可為后續(xù)風力機災害預測，結冰