【张福鹏】风机叶片覆冰后冰层最厚处翼型表面电热除冰特性试验研究_25页_2mb

风机叶片覆冰后冰层最厚处翼型表面电热除冰特性试验研究总结

1. 研究背景与目的

1.1 风电发展现状

在“双碳”目标推动下，风能因其可再生、污染少等优势，已成为全球风电行业的主导力量。2023年，我国新增风电装机容量约为75GW，占全球新增装机容量的2/3，显示出强劲的发展势头。

1.2 风力机结冰问题

在寒冷及潮湿地区，风力机叶片容易发生结冰现象，严重影响其运行性能。结冰会导致以下问题：

• 降低输出功率
• 改变载荷分布
• 产生气动噪声
• 增加甩冰风险

1.3 风机叶片防/除冰方法

当前研究多集中在叶片腔体内部通热气或加电热丝的方式，但实际应用中更倾向于在叶片表面铺设加热膜。然而，针对叶片覆冰后冰层最厚处的除冰特性研究仍较为薄弱。

1.4 研究目的

本研究旨在针对风力机叶片覆冰后冰层最厚处的截面翼型，开展表面电热除冰特性的试验研究，以提高除冰效率并优化能耗。

2. 研究方法

2.1 试验样件

选取1.5 MW水平轴风力机叶片的3m比例模型，截取叶片覆冰后冰层最厚处作为试验翼型，材料为玻璃钢。

2.2 电热除冰特性试验系统

采用回流式结冰风洞试验系统，由制冷装置、喷雾装置和风道组成，用于模拟实际结冰环境。

2.3 电加热系统

电加热系统由电加热膜、试验样件和直流稳压电源（型号：R-SPS3020）组成，用于提供除冰所需的热能。

2.4 试验方案

研究环境温度、风速和能流密度对电热除冰特性的影响。试验参数如下：

• 环境温度：-5°C、-10°C、-15°C
• 风速：5 m/s、10 m/s、15 m/s
• 能流密度：8000 J/m²s、10000 J/m²s、12000 J/m²s
• 液态水含量：0.67 g/m³
• 平均体积直径：65 μm
• 结冰时间：6 min

3. 试验结果与分析

3.1 电加热除冰试验过程

• 温度影响：在-5°C时，冰柱逐渐变长，覆冰面积增加；在-10°C及以下时，冰层融化速率加快，且有向上融化的趋势。
• 风速影响：5 m/s时，冰层集中于叶片前缘，覆冰面积递增；10 m/s及以上时，冰层由前缘向尾缘生长，覆冰面积递减。
• 能流密度影响：随着能流密度增加，叶片底部冰层融化速率加快，冰层脱落速率提升，整体能量消耗呈下降趋势。

3.2 叶片表面覆冰面积变化

• 不同温度、风速和能流密度条件下，叶片表面覆冰面积均随除冰时间增加而递减。
• 环境温度越低，风速越高，能流密度越低，覆冰面积减少越快。

3.3 能量损耗

• 电加热系统能量消耗计算公式如下：
  $$
  P = E A \quad \text{（式1）}
  $$
  $$
  E_f = P t \quad \text{（式2）}
  $$
• 实验结果表明，随着环境温度降低、风速升高、能流密度降低，电加热系统消耗的能量呈递增趋势。

4. 结论

4.1 主要结论

• 叶片下缘有冰柱时，随着除冰时间增加，冰柱变长，覆冰面积增加；无冰柱时，冰层融化速率较快，且有向上融化的趋势。
• 冰层脱落面积约占初始结冰面积的80%。
• 环境温度：-5°C时为明冰，-10°C及以下时为霜冰，环境温度降低导致能量消耗增加。
• 风速：5 m/s时冰层集中于前缘，10 m/s及以上时冰层向尾缘生长，风速增加导致能量消耗增加。
• 能流密度：能流密度增加可加快冰层融化和脱落，同时降低电加热系统能量消耗。

4.2 研究展望

本研究为风力机叶片电热除冰技术提供了重要的实验数据支持，未来可进一步优化加热膜设计与布置，提高除冰效率与系统经济性。