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技术

本发明专利技术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。提升了对应流段的加热效果。提升了对应流段的加热效果。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于叶片除冰
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0007]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：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]S5.基于覆冰特性数据库DATABASE，筛选出多组典型的结冰工况；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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；
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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：
[0023]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；
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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；
[0027]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；
[0028]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；
[0029]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。
[0030]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：
[0031][0032][0033]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。
[0034]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；
[0035]u1、u2的表达式为：
[0036]u1＝(2～3)u11；
[0037]u2＝(4～6)u11；
[0038]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。
[0039]进一步，在椎台流场结构的前端和末端连接有平滑的椎段。
[0040]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0041]本专利技术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，提升气流在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：林伟荣，唐烂芳，文军，吴忠伟，孟秀俊，陈宫，汪德军，胡辉，詹彪，朱玉瑞，吴孝伟，刘勇，
申请(专利权)人：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司中国华能集团有限公司，
类型：发明
国别省市：