風(fēng)力發(fā)電機葉片覆冰與防冰除冰的基礎(chǔ)問題研究中文摘要

風(fēng)力發(fā)電機葉片覆冰會影響設(shè)備和運行的安全，減少發(fā)電量，危害嚴重。風(fēng)電在我國起步較晚，關(guān)于風(fēng)機葉片覆冰與防冰除冰的研究還未引起人們的重視，研究基本處于空白。因此，有必要盡早對風(fēng)機覆冰機理、覆冰模型、防冰除冰方法等基礎(chǔ)性問題展開研究，這樣才能防患于未然，保障我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。本項目擬在人工氣候室及自然覆冰試驗站研究風(fēng)機葉片覆冰增長與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系，使用流體力學(xué)、空氣動力學(xué)、熱力學(xué)相關(guān)理論建立風(fēng)機葉片的覆冰增長與預(yù)測模型；通過建立葉片表面熱平衡模型，確定不同環(huán)境條件下風(fēng)機葉片防冰、融冰所需的加熱功率及熱源的布置方式；在人工氣候室及自然覆冰試驗站驗證和完善風(fēng)機葉片覆冰模型，驗證提出的防冰除冰模型及方法。在我國極端氣候頻發(fā)及風(fēng)電市場呈現(xiàn)井噴式發(fā)展的背景下，本項目的研究將為解決風(fēng)力發(fā)電機在覆冰地區(qū)使用存在的問題提供理論基礎(chǔ)，既具有重要的學(xué)術(shù)價值，也具有工程緊迫性。

項目嚴格按照項目計劃書要求展開工作，并達到了相應(yīng)的目標(biāo)。本項目在國內(nèi)首次提出風(fēng)力發(fā)電機葉片覆冰與防除冰的研究方向并針對所涉及的基礎(chǔ)性問題開展了系統(tǒng)性的研究工作。通過機理分析、模型研究與試驗研究相結(jié)合的方法，在雨凇與霧凇、不同覆冰程度、不同表面粗糙度下研究風(fēng)力發(fā)電機葉片的覆冰機理、覆冰增長過程及其對風(fēng)機出力的影響，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)可以預(yù)測風(fēng)機葉片覆冰的數(shù)值計算方法；同時，分析并建立風(fēng)機防冰除冰過程中的熱平衡模型，并研究以防除冰元件設(shè)計、防除冰元件布置方式及防除冰功率選擇為核心的風(fēng)機葉片防冰除冰的方法和技術(shù)措施。研究發(fā)現(xiàn)：覆冰類型、覆冰程度和表面粗糙度均對葉片氣動特性有顯著影響；同時，本項目所建立的葉片覆冰增長模型、粗糙度模型、防冰除冰模型均與試驗結(jié)果有較好的吻合。研究結(jié)果為解決風(fēng)力發(fā)電機在覆冰地區(qū)使用存在的問題提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)；項目所建立的葉片覆冰增長模型和防冰除冰模型有助于推動國內(nèi)葉片覆冰及防除冰領(lǐng)域的研究，所設(shè)計的基于循環(huán)控制策略的風(fēng)力發(fā)電機葉片電加熱融/防冰技術(shù)與裝置具有較好的工程應(yīng)用前景和重要的工程應(yīng)用價值。

飛機結(jié)冰的防護系統(tǒng)可分為防冰系統(tǒng)與除冰系統(tǒng)，防冰意在防止在飛行過程中冰的形成，除冰是將飛機表面上已形成的冰去除。根據(jù)防除冰方法的原理，目前已經(jīng)使用和正在研發(fā)的防除冰系統(tǒng)主要包括以下三類：

（1）冰點抑制法

冰點抑制法，顧名思義就是降低液體的凝固溫度。液體防冰系統(tǒng)利用的原理就為冰點抑制法，向需要防護的部件表面噴涂防冰液，當(dāng)過冷水滴撞擊表面時與之混合，使得混合液體的凝固點低于水的凝固點從而阻止了冰的形成。該系統(tǒng)通常連續(xù)噴射防冰液，也可以周期性噴射，常用的防冰液為乙二醇、異丙醇、甲醇等。

二戰(zhàn)期問，英國航空工程師開發(fā)了便于時示除冰的多孔機翼前緣。該不銹鋼機翼前緣設(shè)計了可以用于流經(jīng)防冰的乙二醇溶液的孔。例如Cessna 206安裝了液體防冰系統(tǒng)，此系統(tǒng)裝載了27.25L乙二醇，可以運行3.5小時，但增加的附加重量為13.61kg。 該系統(tǒng)的優(yōu)點是:1，機翼前緣具有優(yōu)異的耐受性；2，在除冰工作結(jié)束后，不會有剩余冰層或再生冰層;3，系統(tǒng)硬件的壽命很長;4，耗能較少;5，飛行員除冰操作比較簡單。但不足之處是:1，很難去除粘附強度很大的冰層;2，直升機由于工作時問長而不適合安裝液體防冰系統(tǒng);3，也不適用于渦輪螺旋槳匕機;4，防冰液消耗量大，維修麻煩。

（2）熱融法

熱融法防除冰的原理是利用高熱量使冰融化并蒸發(fā)或直接升華，該方法受熱流大小的限制。此類系統(tǒng)可以采用加熱沖壓空氣、壓氣機引氣、高溫廢氣、熱油或者電熱能等方式。熱融法的典型代表為熱氣防除冰與電熱防除冰系統(tǒng)。

熱氣防除冰系統(tǒng)是利用熱空氣將飛機部件加熱以達到防除冰的目的?；钊桨l(fā)動機多采用汽油加溫器等加熱沖壓空氣作熱氣源;噴氣式發(fā)動機一般從發(fā)動機的壓氣機內(nèi)引氣作為熱源。所引的熱空氣通過供氣管道分配到需要除冰的各個部件，經(jīng)過熱量交換破壞冰層與蒙皮問的粘附強度，最后冰層在氣動力與慣性力作用下從飛機上脫落。由于蒙皮的熱慣性大，該系統(tǒng)不適用于周期性加熱，而多采用連續(xù)加熱方式。其優(yōu)點在于維護簡單，工作可靠，不足之處是發(fā)動機引氣會降低發(fā)動機的功效，增加了燃耗，且熱的利用率很低。

電熱防除冰方法就是將電能轉(zhuǎn)化為熱能，再加熱飛機部件以達到防除冰的目的。該蒙皮一般采用五層復(fù)合結(jié)構(gòu)，電熱片嵌入在蒙皮中。電熱防除冰技術(shù)通常用于熱氣防除冰系統(tǒng)難以涉及的部位，如推進器、機身頭錐、直升機螺旋槳與輪毅等。電熱防除冰可以連續(xù)也可以周期問斷加熱，不足之處是應(yīng)用范圍有限且消耗電能大。

另外一種正在研究使用的微波除冰方法也是利用升高表面冰層溫度的方法，在飛機結(jié)冰的蒙皮的縫隙中填充微波材料，當(dāng)飛機蒙皮發(fā)生結(jié)冰時，飛機上的微波發(fā)射器就會產(chǎn)生微波，并通過波導(dǎo)管射到冰層使冰融化。該系統(tǒng)多見于旋翼飛機，能耗少，使用與維護簡單，但因為裝有微波發(fā)生器，很容易被雷達捕獲。

（3）表面變形法

為減少大量能量的消耗，開發(fā)了使飛機上的積冰發(fā)生變形破壞的除冰方法，屬于機械除冰范疇。當(dāng)蒙皮表面發(fā)生變形時，粘附在蒙皮上的冰層也隨之改變，出現(xiàn)破裂或者脫落現(xiàn)象，氣動力或慣性力將殘余的冰帶走。主要的除冰系統(tǒng)包括氣囊式除冰、超聲波除冰、壓電除冰、電脈沖除冰等，下面逐一介紹這兒類除冰方法。

氣囊式除冰方法是最早出現(xiàn)的機械除冰方法之一，該方法是在需要防護的部位安裝充氣囊，當(dāng)有除冰需要時，氣囊充氣，氣管向外突出使得冰層形變破裂，當(dāng)除冰完成后，氣囊收縮恢復(fù)到原有的氣動外形。MV-22“魚鷹”與ATR42 飛機均裝有氣囊式除冰裝置。該除冰方法的優(yōu)點是工作可靠、節(jié)省能量，但它卻有一個致命的弱點，即阻力大，不適于高速時示的飛機，并且啟動氣動罩除冰時不可能進行得很徹底，將留有一些剩余的冰，這會使得阻力增加，進而破壞飛機原有的氣動外形。

超聲波除冰的原理是利用超聲波驅(qū)動器形成的Lamb和SH波在介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的速度差，在冰與粘附層界面形成剪切應(yīng)力，通過該剪切力達到去除冰層的目的。該項技術(shù)仍處于實驗研發(fā)階段，還沒有真正運用在飛機上。

壓電除冰技術(shù)也是一種發(fā)展中的除冰技術(shù)，通過激勵壓電驅(qū)動器，使得蒙皮在低頻范圍內(nèi)達到共振，并改變蒙皮上附著的冰層結(jié)構(gòu)以去除冰層。

電脈沖除冰系統(tǒng)是在俄羅斯發(fā)展較成熟的除冰系統(tǒng)，美國對其研究也比較充分，但仍滯后于俄羅斯。其原理如圖1所示，在金屬蒙皮下方安裝脈沖線圈，利用瞬問放電技術(shù)在金屬蒙皮上形成電磁渦流場，從而產(chǎn)生了瞬態(tài)的電磁力，該電磁力導(dǎo)致蒙皮快速振動并使冰層發(fā)生形變而破裂或者脫落，最后在氣動力和慣性力的作用下將殘余的積冰去除。該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在俄羅斯伊爾系列飛機上，且顯示出高效、穩(wěn)定與節(jié)能等優(yōu)點。

隨著現(xiàn)代飛機對于高效、低能耗要求的提出，對于防/除冰也有了相應(yīng)更高的要求，而電脈沖除冰技術(shù)以其具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、能耗少、效率高及維修方便等顯著優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景，是一種極具發(fā)展前途的飛機除冰方式。

今后，在電脈沖除冰脈沖電路、脈沖激勵與除冰效果研究的基礎(chǔ)上，針對影響電脈沖除冰效果的因素，如冰形、除冰部位、線圈安裝位置等，進一步完善電脈沖除冰的設(shè)計流程;針對電脈沖除冰會產(chǎn)生電磁場這一現(xiàn)象，應(yīng)論證電磁輻射干擾等是否會影響飛機的安全。

另外，研究復(fù)合材料在電脈沖除冰技術(shù)中的使用問題，以及與現(xiàn)有航空電子設(shè)備和電氣系統(tǒng)的一體化問題都是未來需要考慮和研究的內(nèi)容。

通過對國內(nèi)外電脈沖除冰技術(shù)研究現(xiàn)狀的整理，尤其是對國內(nèi)研究現(xiàn)狀的分析，可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)電脈沖除冰技術(shù)的研究起步較晚，還未完全掌握電脈沖除冰系統(tǒng)電動力學(xué)和結(jié)構(gòu)動強度設(shè)計與分析方法、電脈沖除冰結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估方法、電脈沖除冰技術(shù)的動強度和疲勞強度驗證試驗方法以及電脈沖除冰系統(tǒng)的綜合優(yōu)化設(shè)計與評估方法等關(guān)鍵技術(shù)，在型號應(yīng)用方面更是處于空白狀態(tài)。

如要將電脈沖除冰技術(shù)應(yīng)用于型號飛機上，則必須要解決在飛機上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，也是電脈沖除冰技術(shù)研究的難點與挑戰(zhàn)。

電脈沖除冰技術(shù)研究的難點之一是如何得到最優(yōu)的脈沖電路以及除冰電脈沖激勵的計算?？紤]到脈沖電路參數(shù)間的關(guān)系是復(fù)雜的、綜合作用的，需進行深入的理論研究以獲得脈沖電路電壓、電容、線圈尺寸、蒙皮材料以及線圈與蒙皮之間的間隙和脈沖力、脈沖時間等的基本關(guān)系，由此得到一個確定的設(shè)計方法，進而設(shè)計最優(yōu)脈沖電路。在得到脈沖電路的基礎(chǔ)上研究脈沖激勵，但因為脈沖激勵分布不均勻，若簡單的建立模型施加總電磁力，會影響計算精度，需按照脈沖力分布特點進行有限元網(wǎng)格的劃分，計算得到不同位置不同時刻的脈沖激勵。

電脈沖除冰技術(shù)研究的難點之二是冰層失效準則的研究。冰層失效準則的研究是進行除冰效果研究的前提，冰層失效問題的影響因素繁多，尤其需要了解冰層的物理屬性。由于冰層的物性參數(shù)受環(huán)境溫度、液態(tài)水含量、水滴直徑、撞擊速度等因素的影響，同時冰檬皮間的粘附強度還受基層材料、表面粗糙度等約束，因此在不同條件下產(chǎn)生的冰層其物性參數(shù)差別很大。這些都是冰層失效準則研究的關(guān)鍵。而除冰效果的仿真研究，是通過計算覆蓋在蒙皮上的冰層失效狀態(tài)，模擬出電脈沖除冰的除冰范圍，從而求解得到除冰效果。其中所選用的冰層失效準則是否適用是影響除冰效果計算的關(guān)鍵因素。

電脈沖除冰技術(shù)研究的難點之三是如何得到電脈沖除冰結(jié)構(gòu)的疲勞壽命時間。通過對除冰結(jié)構(gòu)疲勞性能的深入研究，從而獲得電脈沖除冰結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估方法。需結(jié)合蒙皮結(jié)構(gòu)電脈沖除冰的動強度和疲勞強度驗證試驗，提出電脈沖除冰結(jié)構(gòu)疲勞壽命的有效評估方法。為將來電脈沖除冰技術(shù)的裝機應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

電脈沖除冰技術(shù)研究的難點之四是脈沖線圈以及系統(tǒng)研制的工藝要求。目前國內(nèi)尚無能批量生產(chǎn)電磁脈沖線圈的廠家，并且尚無成熟的線圈制作工藝規(guī)程以及系統(tǒng)研制工藝規(guī)程。

在未解決上述難點之前，電脈沖除冰技術(shù)在國內(nèi)飛機型號上的應(yīng)用還需進行大量的理論研究與試驗研究的積累。電脈沖除冰技術(shù)在國內(nèi)飛機上的應(yīng)用研究對國內(nèi)防/除冰系統(tǒng)設(shè)計團隊來說是極具挑戰(zhàn)的研究項目。