基于超声波法的风力机叶片翼型防除冰研究

发布时间：2020-08-18 13:34

【摘要】：以化石能源为主的常规能源,随着人类的不断开发与利用,不仅面临着枯竭的威胁,而且还造成了极为严重的环境问题,近些年可再生能源备受关注。其中,技术相对成熟的可再生能源—风能得到迅速发展。其中可耐极端气候条件的风能利用系统的研究正日益受到国际上的广泛关注,风力机叶片表面结冰后将产生一系列的后果：(1)结冰后叶片的翼型形状发生改变,其气动特性发生改变,降低了风力机组的工作效率；(2)结冰后叶片表面粗糙度增加,增大空气与风机叶片的摩擦力,增加转子负荷,影响风力发电机的效率；(3)风力发电机叶片质量增加,转子及传动系统负荷增加,导致轴承损坏及桨叶疲劳断裂。所以,研究结冰对于叶片翼型气动特性的影响并进行除、防冰研究就十分有必要。本文在现有实验室的研究基础上,提出了基于超声波法的风力机叶片翼型防除冰方法,结合风洞试验与数值模拟计算的方法探究了结冰对风力机叶片气动特性的影响,对超声波防、除冰理论与方法进行研究,设计超声波实验装置并进行了超声波除、防冰叶片准冰风洞试验研究。主要的研究内容与结果如下： (1)研究某覆冰状态下结冰前后风力机叶片气动特性。对翼型为NACA7715,叶片翼弦长为215mmm,试验温度为低温-10℃以下,风洞出口风速为6m/s,水滴流量为0.3L/min,叶片翼型的攻角为0°,结冰时间为100s这一工况下所获的风力机叶片结冰情况进行建模,通过CFD流体数值模拟计算的方法获得该种结冰形状在攻角范围为-10°-20。的气动特性。得出风力机叶片表面覆冰前后,其在不同攻角下升力系数与阻力系数的趋势大致相同,当在相同攻角情况下,阻力系数变大,升力系数变小。比较结冰前后风力机叶片的升阻比,在同攻角下均降低,且在100s结冰情况下风力机叶片表面的结冰升阻比较0秒时结冰的升阻比降低范围在35%-70%之间,甚至会使风力机叶片的升力方向发生改变。总的来说,风力机叶片表面覆冰降低了风力叶片的升阻比,破坏其原有的气动性,降低了风能利用率。 (2)对超声波防、除冰理论与方法进行研究,设计超声波实验装置。研究了超声波防、除冰理论；利用有限元分析软件ANSYS对7715翼型的玻璃钢风力机叶片进行模态分析,获得其相应振型及共振频率。得出第十一阶频率对应的振型图最佳,此时叶片上、下端发生弯振,且前部弯振更加剧烈,有助于防、除冰。此时,叶片的共振频率为1267.21Hz。确定压电陶瓷的安装位置,设计压电陶瓷的固定夹紧装置,选用超声波发生器,搭建超声波防、除冰实验台,完成超声波防、除冰实验设备连接。 (3)超声波微振动防、除冰叶片准冰风洞试验研究将0.1ml的液滴分别滴于风力机叶片的相同位置,开启风洞后将过冷空气吸入使叶片置于过冷环境中,在试验中,过冷空气被风洞由室外吸入,经风洞口流出,风洞出口风速为10m/s,达到室外过冷环境。试验过程中叶片叶表的温度为-3±2℃。根据试验结果得出,当振动频率由300Hz增长至700Hz过程中,结冰所需时间逐渐增长,此时的结冰时间为42s,当振动频率为700Hz时过冷液滴的结冰时间最长,当振动频率由700Hz增长至1500Hz时,过冷液滴的结冰时间逐渐缩短重新回归至25s附近。固可知,当振动频率为700Hz时近似的达到叶片的共振频率,此时由于共振现象,叶片表面的液滴结冰最困难,当振动频率逐渐远离700Hz时,结冰时间重新变短。在试验过程中,用手触碰叶片,700Hz振动是手的震感也最为明显,从此也能佐证此时叶片接近共振频率。加装超声波微振动防除冰装置的风力机叶片上的过冷液滴结冰时间都有所延长,大致接近10%,在振动频率为700Hz的情况下,改善率达到了70%,说明说明超声波微振动法除防冰是可行的。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK83
【图文】：

技术路线图,技术路线

-〗技术路线

冰风洞,试验系统,风洞

通过准冰风洞结冰试验研究，获得随时间推移叶片表面结冰生长情况，并将其转化为二维的结冰模型。图2-3为准冰风洞结冰试验系统。试验于2012年冬季进行，外部的过冷空气被吸入风洞内，在风洞的出口内侧装有喷水装置，风洞吸入的过冷空气与水雾混合后从风洞口喷出并撞击在叶片的表面。试验用风洞为开口直流式，风洞形式为热扩散式风洞，风洞出风口尺寸为0.4X0.4m;风速调节范围为1?15rn/s。试验用喷水装置为从上到下均匀分布的四个喷头，一字排^u，喷头在风吹出洞口时持续喷水，喷水的流量与粒子的直径可以控制。本次试验中采用高速摄像技术作为结冰过程的拍摄工具，高速摄像系统由高速摄像机、光源(2><1.0kW的鹤灯）、计算机、相关软件等组成。一 .、、、. ?速播影t壚i分为‘ ?岕.::,?:rr?^输、、-、 [i j ！—1、、? ： r\计栥 "！Sb ..^L.图2-3准冰风洞结冰试验系统Fig2-3 Ice freezes wind tunnel test system结冰叶片采用的是风力机常用翼型NACA7715,材质为木材并在表面喷涂油漆，从而保证叶片的光滑度。叶片翼弦长为215mm,试验温度为低温-ICTC以下，风洞出口风速为6m/s,水滴流量为0.3L/min

计算模型,叶片,风力机叶片

叶片气动特性的影响。计算模型的建立是利用建模软件建立风力机叶片与流体域的过程。在本文的试验模型如图2-6所示，风力机叶片的外围计算域为正方形，其边长为叶片弦长的11倍。由于NACA7715的1动中心不可知，固规定其距前缘四分之一翼弦并在翼弦上的一点为气动中心，取该点坐标为（0，0)且与正方形的计算域的中心点重合。本研宄中用到的其他的计算模型都是按照以上的方法建立。111.I-* 丨 ?‘图2-6叶片计算模型Fig2-6 Leaf blade calculation model网格的划分是进行流体计算的重要步骤，能否划分出合理的网格直接影响到数值模拟计算的准确性。在本研究中，所进行的二维风力机叶片计算结构不复杂，一般采用四边形网格，网格越密计算精度越高但相应的计算所需的时间越长，对于结构并不复杂的二维计算，网格无需过密

【参考文献】