風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片電加熱防/除冰控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范

備案信息

備案號(hào)：72486-2020

備案月報(bào)： 2020年第4號(hào)(總第240號(hào))

飛機(jī)結(jié)冰的防護(hù)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(guò)程中冰的形成，除冰是將飛機(jī)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(diǎn)抑制法

冰點(diǎn)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(diǎn)抑制法，向需要防護(hù)的部件表面噴涂防冰液，當(dāng)過(guò)冷水滴撞擊表面時(shí)與之混合，使得混合液體的凝固點(diǎn)低于水的凝固點(diǎn)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(wèn)，英國(guó)航空工程師開(kāi)發(fā)了便于時(shí)示除冰的多孔機(jī)翼前緣。該不銹鋼機(jī)翼前緣設(shè)計(jì)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(yùn)行3.5小時(shí)，但增加的附加重量為13.61kg。 該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:1，機(jī)翼前緣具有優(yōu)異的耐受性；2，在除冰工作結(jié)束后，不會(huì)有剩余冰層或再生冰層;3，系統(tǒng)硬件的壽命很長(zhǎng);4，耗能較少;5，飛行員除冰操作比較簡(jiǎn)單。但不足之處是:1，很難去除粘附強(qiáng)度很大的冰層;2，直升機(jī)由于工作時(shí)問(wèn)長(zhǎng)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(jī);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(jī)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(jī)部件加熱以達(dá)到防除冰的目的?；钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)一般從發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)內(nèi)引氣作為熱源。所引的熱空氣通過(guò)供氣管道分配到需要除冰的各個(gè)部件，經(jīng)過(guò)熱量交換破壞冰層與蒙皮問(wèn)的粘附強(qiáng)度，最后冰層在氣動(dòng)力與慣性力作用下從飛機(jī)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(diǎn)在于維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠，不足之處是發(fā)動(dòng)機(jī)引氣會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)部件以達(dá)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(jìn)器、機(jī)身頭錐、直升機(jī)螺旋槳與輪毅等。電熱防除冰可以連續(xù)也可以周期問(wèn)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(jī)結(jié)冰的蒙皮的縫隙中填充微波材料，當(dāng)飛機(jī)蒙皮發(fā)生結(jié)冰時(shí)，飛機(jī)上的微波發(fā)射器就會(huì)產(chǎn)生微波，并通過(guò)波導(dǎo)管射到冰層使冰融化。該系統(tǒng)多見(jiàn)于旋翼飛機(jī)，能耗少，使用與維護(hù)簡(jiǎn)單，但因?yàn)檠b有微波發(fā)生器，很容易被雷達(dá)捕獲。

（3）表面變形法

為減少大量能量的消耗，開(kāi)發(fā)了使飛機(jī)上的積冰發(fā)生變形破壞的除冰方法，屬于機(jī)械除冰范疇。當(dāng)蒙皮表面發(fā)生變形時(shí)，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(dòng)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(jī)械除冰方法之一，該方法是在需要防護(hù)的部位安裝充氣囊，當(dāng)有除冰需要時(shí)，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(dòng)外形。MV-22“魚鷹”與ATR42 飛機(jī)均裝有氣囊式除冰裝置。該除冰方法的優(yōu)點(diǎn)是工作可靠、節(jié)省能量，但它卻有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即阻力大，不適于高速時(shí)示的飛機(jī)，并且啟動(dòng)氣動(dòng)罩除冰時(shí)不可能進(jìn)行得很徹底，將留有一些剩余的冰，這會(huì)使得阻力增加，進(jìn)而破壞飛機(jī)原有的氣動(dòng)外形。

超聲波除冰的原理是利用超聲波驅(qū)動(dòng)器形成的Lamb和SH波在介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的速度差，在冰與粘附層界面形成剪切應(yīng)力，通過(guò)該剪切力達(dá)到去除冰層的目的。該項(xiàng)技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段，還沒(méi)有真正運(yùn)用在飛機(jī)上。

壓電除冰技術(shù)也是一種發(fā)展中的除冰技術(shù)，通過(guò)激勵(lì)壓電驅(qū)動(dòng)器，使得蒙皮在低頻范圍內(nèi)達(dá)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(guó)對(duì)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(wèn)放電技術(shù)在金屬蒙皮上形成電磁渦流場(chǎng)，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(dòng)并使冰層發(fā)生形變而破裂或者脫落，最后在氣動(dòng)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(jī)上，且顯示出高效、穩(wěn)定與節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

電加熱器工作原理

流體防爆電加熱器是一種消耗電能轉(zhuǎn)換為熱能，來(lái)對(duì)需加熱物料進(jìn)行加熱。在工作中低溫流體介質(zhì)通過(guò)管道在壓力作用下進(jìn)入其輸入口，沿著電加熱容器內(nèi)部特定換熱流道，運(yùn)用流體熱力學(xué)原理設(shè)計(jì)的路徑，帶走電熱元件工作中所產(chǎn)生的高溫?zé)崮芰浚贡患訜峤橘|(zhì)溫度升高，電加熱器出口得到工藝要求的高溫介質(zhì)。電加熱器內(nèi)部控制系統(tǒng)依據(jù)輸出口的溫度傳感器信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)電加熱器輸出功率，使輸出口的介質(zhì)溫度均勻；當(dāng)發(fā)熱元件超溫時(shí)，發(fā)熱元件的獨(dú)立的過(guò)熱保護(hù)裝置立即切斷加熱電源，避免加熱物料超溫引起結(jié)焦、變質(zhì)、碳化，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致發(fā)熱元件燒壞，有效延長(zhǎng)電加熱器使用壽命。

電加熱器應(yīng)用范圍

流體防爆電加熱器典型的應(yīng)用場(chǎng)合主要有：

⒈化工行業(yè)的化工物料升溫加熱、一定壓力下一些粉末干燥、化工過(guò)程及噴射干燥。

⒉碳?xì)浠衔锛訜?，包括石油原油、重油、燃料油、?dǎo)熱油、滑油、石臘等

⒊工藝用水、過(guò)熱蒸汽、熔鹽、氮（空）氣、水煤氣類等等需升溫加熱的流體加溫。

⒋由于采用先進(jìn)的防爆結(jié)構(gòu)，設(shè)備可廣泛應(yīng)用在化工、軍工、石油、天然氣、海上平臺(tái)、船舶、礦區(qū)等需防爆場(chǎng)所。

電加熱器功能特點(diǎn)

⒈體積小、功率大：加熱器主要采用集束式管狀電熱元件

⒉熱響應(yīng)快、控溫精度高，綜合熱效率高。

⒊加熱溫度高：加熱器設(shè)計(jì)最高工作溫度可達(dá)850℃。

⒋介質(zhì)出口溫度均勻，控溫精度高。

⒌應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)：該加熱器可適用于防爆或普通場(chǎng)合，防爆等級(jí)可達(dá)dⅡB級(jí)和C級(jí)，耐壓可達(dá)20MPa。

⒍壽命長(zhǎng)、可靠性高：該加熱器采用特殊電熱材料制造，設(shè)計(jì)表面功率負(fù)荷低，并采用多重保護(hù)，使電加熱器安全性和壽命大大增加。

⒎可全自動(dòng)化控制：根據(jù)要求通過(guò)加熱器電路設(shè)計(jì)，可方便實(shí)現(xiàn)出口溫度、流量、壓力等參數(shù)自動(dòng)控制，并可與機(jī)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。

⒏節(jié)能效果顯著，電能產(chǎn)生的熱量幾乎100%傳給加熱介質(zhì)。

將電能轉(zhuǎn)變成熱能以加熱物體。是電能利用的一種形式。與一般燃料加熱相比，電加熱可獲得較高溫度（如電弧加熱，溫度可達(dá)3000℃以上），易于實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制和遠(yuǎn)距離控制，（如車載電加熱杯）可按需要使被加熱物體保持一定的溫度分布。電加熱能在被加熱物體內(nèi)部直接生熱，因而熱效率高，升溫速度快，并可根據(jù)加熱的工藝要求，實(shí)現(xiàn)整體均勻加熱或局部加熱（包括表面加熱），容易實(shí)現(xiàn)真空加熱和控制氣氛加熱。在電加熱過(guò)程中，產(chǎn)生的廢氣、殘余物和煙塵少，可保持被加熱物體的潔凈，不污染環(huán)境。因此，電加熱廣泛用于生產(chǎn)、科研和試驗(yàn)等領(lǐng)域中。特別是在單晶和晶體管的制造、機(jī)械零件和表面淬火、鐵合金的熔煉和人造石墨的制造等方面，都采用電加熱方式。

根據(jù)電能轉(zhuǎn)換方式的不同，電加熱通常分為電阻加熱、感應(yīng)加熱、電弧加熱、電子束加熱、紅外線加熱和介質(zhì)加熱等。

隨著現(xiàn)代飛機(jī)對(duì)于高效、低能耗要求的提出，對(duì)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(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、能耗少、效率高及維修方便等顯著優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景，是一種極具發(fā)展前途的飛機(jī)除冰方式。

今后，在電脈沖除冰脈沖電路、脈沖激勵(lì)與除冰效果研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)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(jìn)一步完善電脈沖除冰的設(shè)計(jì)流程;針對(duì)電脈沖除冰會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)這一現(xiàn)象，應(yīng)論證電磁輻射干擾等是否會(huì)影響飛機(jī)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(wèn)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(wèn)題都是未來(lái)需要考慮和研究的內(nèi)容。