风电叶片气热循环系统的流场与温度场研究
桂林电子科技大学 潘克强 梁才航
风力发电是一种可再生能源，近年来在我国和世界各国得到了越来越多的重视。风力发电机多设立在南方高山地带或者边疆地区。我国南方地区冬季虽然气温较高，但由于冻雨频繁，加上冻雨多发生在高海拔山区，这些区域的风机叶片很容易结冰也极易受到叶片覆冰问题的困扰，使得风力发电机组的输出功率大幅降低。严重的叶片覆冰现象对风机的危害极大：一是冰层会对叶片产生一个的不稳定不对称载荷，可能发生叶片折断、风力发电机损毁等事故，直接危及风机的正常运行；
二是覆冰后由于冰型表面粗糙，影响原本的叶片翼型，降低叶片气动性能，进而对风机的发电效率产生不利影响；
三是风电运行时叶片冰层会随时甩落，对附近的人员有较大安全隐患。
1.1 风力发电机叶片覆冰危害
一般情况下，风力发电机叶片表面覆冰后叶片表面形状发生改变，使叶片表面粗糙度增加，会使风力发电机叶片的阻力升高，随之其气动性能降低，最后会导致转速降低甚至保护停机，其风能可利用率会随之下降，影响电力系统稳定运行和企业的经济效益。随着越来越多的风电绿色能源不断投人生产和使用，叶片覆冰造成的机组不定期的停机或造成故障停机，这会影响电力系统的安全稳定运行。
当叶片表面覆冰时，叶片在旋转过程中会因局部覆冰质量过重而导致叶片产生振动，从而使叶片产生很大的振幅，此外叶片的质量增加还会改变叶片振动频率，当振动频率与设计频率有较大偏差时，很可能会使整条叶片产生共振，使叶片的整体结构产生破坏，且叶片表面上冰层会对叶片产生一个不稳定的不对称载荷，使叶片在旋转时可能发生叶片折断、甚至发生风力发电机倒塔损毁等事故，严重危及风机的正常运行。
当环境温度升高时，风力发电机叶片表面的覆冰的粘着力会逐渐减小，所以当风力发电机叶片在旋转时会因为离心力和冰块的重力共同作用下脱离叶片表面，被甩出的冰块从约百米高的位置砸向地面，使周围附近的设备造成严重损坏，同时对现场检修的运维人员带来较大的安全隐患。
1.2 风力发电机叶片覆冰类型
环境中的过冷却水滴的黏性会因为环境的不同而存在较大差异，因此在风力发电机叶片上的覆冰也会存在很大区别，这会导致叶片上的覆冰形状不一。不同的覆冰形状会对风力发电机叶片的气动性能产生不同的影响，覆冰的类型也会受到地区的环境、地形、风速等因素的影响，如果按照覆层表面的形状进行分类，可以分为雨凇、雾凇、湿雪和混合凇四种类型；
若按照冰层的形成机理分类，则可分为降水覆冰、云中覆冰和霜冻覆冰等。
雨凇。当环境温度在0℃至-5℃范围时，当风力发电机叶片与空气中的过冷却水滴发生碰撞时并没有立刻结冰，此时没有发生结冰的部分水滴会在离心力的作用下在叶片表面流动，在流动过程中发生结冰，最后的覆冰往往在尾部区域形成凸起形状，则这种覆冰称为雨凇。雨凇的黏附力很强，又因雨凇尾部是凸起形状，就会改变风力发电机叶片表面的流场分布，从而叶片的升力系数减小、阻力增大，叶片的风能利用效率也随之降低。
雾凇。是指云雾中的过冷水滴碰撞到0℃以下的叶片表面后，立即在叶片表凝结成的冰层。雾凇又可分为硬淞和软淞，若液滴含水量高且尺寸较大，将会结成半透明或白色的硬淞，硬淞与物体表面的粘附力很强，这种覆冰较难于清除，如果水滴含量小且尺寸也较小时，就会凝结成雪花状或针状的软淞，软凇的冰层结构较为松散，与物体的粘附力较低，较易清除。
降水覆冰。这种类型主要是因为风力发电机建立在高寒地区，且雨水或湿雪最容易出现在这种地区，雨雪天气造成风力发电机叶片出现覆冰现象也最为常见，当出现冻雨天气，在高寒地区由于整体空气低于零摄氏度，过冷的雨滴滴落在风机叶片上后含冰核的水层会瞬间凝结成冰，没有含冰核的水因流动聚集的原因同样会快速聚集成冰，这样会快速形成雨凇，这类雨凇形成的覆冰情况往往拥有着较高附着力。
云中覆冰。主要是指在空气温度在零下时，云雾中携带了大量的过冷水滴，当云雾与风力发电机接触时，由于风力发电机叶片在未加热的时候温度很低，所以这些云雾中的过冷水滴会在接触叶片时快速形成覆冰；
霜冻覆冰。在风力发电机组叶片结冰当中，霜冻覆冰主要是在贴近风力发电机组叶片的表面空气受到了叶片冷却的影响，所以在风力叶片发电在机组的叶片中形成了细密的晶体，这种白色晶体跟日常生活中的霜降有着共同之处，所以这种覆冰情况最容易清除掉。
2.1 叶片气热循环系统原理
由于风机在运行时的结冰主要是出现在风机叶片上，因此风机运行防除冰结构的核心是在风机叶片内设置加热系统，保证风机叶片上不出现结冰，根据风机叶片的结构，其内腔被分割成了叶片前边缘及叶片的后边缘，前后边缘在风机叶片叶尖的位置连通，在叶片根部的后叶片内汇聚成一个气流内循环的通道。根据叶片内部空间情况，决定在风机内设置了加热器、导风管、风机，加热器发热后由风机将热气流通过导风管送入到风机叶片的前缘通道内，再通过风机叶片尖部的缺口送入到后缘通道内，从而形成一个连续循环，实现对整个叶片表面的加热（图1）。
2.2 叶片气热循环系统控制
为满足风机叶片在不同工况下的防除冰控制需求，气热循环系统采用模块化的结构设计，主要包括了结冰监测、参数分析、数据处理、加热除冰执行控制四个部分。
结冰监测模块主要采用了双光纤监测传感器，设置在风机叶片前侧边缘，能够实时对风机叶片上结冰厚度、结冰速度、结冰分布情况进行监测并将监测结果传输给控制中心；
参数分析与处理单元主要是接收到结冰监测模块的数据信息，然后对风机整体的运行安全性进行判断，当判断需要除冰时系统便根据结冰参数制定合理的除冰方案；
加热除冰。系统接收到参数分析与处理单元的除冰参数信息后，开始启动风机叶片内的加热器和鼓风机，进行强制循环热空气加热除冰；
在整个除冰控制过程中，系统自动对风机叶片表面的结冰情况进行监测和反馈，从而实现风机叶片防除冰的动态反馈和调整，保证防除冰的效果和可靠性。
几何模型网格划分：叶片的几何模型利用Solidworks三维软件进行建模，风力发电机叶片结构具体如图2（a）所示。叶片整体呈现扁平长条形形状，长度约为40.2m，最宽的宽度约为2.8m，叶片最小厚度约为10mm，最大厚度约为313mm。叶片内部设置有两根剪切腹板，主要作用是加固叶片结构和分隔内部气流使其能够循环流动，如图2（c）所示。叶尖是叶片最容易结冰的位置，尖端为实心，如图2（d）所示。风机叶片内部较为复杂，因此网格划分采用四面体网格，并对叶片内部腹板和叶片曲面等结构进行网格加密处理，得到的网格单元数量约为一千万个，网格划分具体情况如图2（b）所示，风机叶片内部的网格进行了细化处理，网格的划分能够满足叶片内部流场和温度场的计算需求。
计算边界条件：数值计算采用k-e湍流模型，叶片前缘进口采用速度入口边界条件，速度选取20m/s、25m/s和30m/s，入口进风温度设置为90℃，出风口采用压力出口边界条件，相对压力为零，风机的腹板和叶片外壁面均设置为wall壁面，参考文献[3]提供的数据，壁面的对流换热系数设为12.5W/(m2·K)，环境温度设为-1℃。叶片及腹板的材料为玻璃钢，其比热容为1100J/(kg·K)，密度为1900kg/m3，导热系数为0.3W/(m·K)。基于simple算法进行求解，对叶片流场及温度场进行数值模拟计算，采用二阶迎风格式进行离散，最终计算各物理量收敛良好。
计算结果：当进风温度为90℃时，由进风速度为20m/s、25m/s和30m/s三种风速条件下的叶片内部温度场分布图可知，叶片内部的前缘内腔温度较高，而叶尖、腹板及出口位置的温度较低，可看出这三个位置容易产生结冰。
综上，本文阐述了叶片覆冰的危害及覆冰的类型，并对叶片气热循环系统的原理和控制进行介绍，利用Fluent软件对风电叶片的气热循环系统进行流动及传热的模拟仿真分析，得到以下结论：风机叶片的叶尖、腹板端面及叶片出口位置的温度较低，这三个位置产生的低温现象不能单纯通过提高气热循环系统的进风速度或进风温度来缓解；
通过仿真图片可看出，提高叶片气热循环系统的进口风速，比提高叶片进口温度这一措施对叶片的防除冰效果更好。