沈 賀，魏 搏，姜 禹，郭文峰, ，李 巖,,*

1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 哈爾濱 150030 2.寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030

0 引 言

在寒冷潮濕環(huán)境中運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)容易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象[1-2]，影響風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)特性和載荷分布，降低風(fēng)力機(jī)輸出功率，甚至引發(fā)安全事故[3-5]。風(fēng)力機(jī)結(jié)冰的研究方法主要包括結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬[6]。結(jié)冰情況復(fù)雜，相較于數(shù)值模擬而言，結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)方法更容易獲得與實(shí)際環(huán)境相似的結(jié)果[7]。當(dāng)前，水平軸風(fēng)力機(jī)是大型風(fēng)力機(jī)的主流機(jī)型，國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)力機(jī)的結(jié)冰研究主要集中于水平軸風(fēng)力機(jī)。美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)Blasco等[8]研究了結(jié)冰粗糙度對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響。丹麥技術(shù)大學(xué)的Etemaddar等[9]模擬了風(fēng)力機(jī)葉片大氣積冰對(duì)其氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)的影響。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的易賢、周志宏、李維浩等[10-13]對(duì)影響結(jié)冰的主要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了研究。這些都為大型風(fēng)力機(jī)結(jié)冰研究奠定了基礎(chǔ)。

在小型風(fēng)能利用領(lǐng)域，垂直軸風(fēng)力機(jī)占有一定的市場(chǎng)，研究垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)冰也具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。李巖等[14-15]利用風(fēng)洞試驗(yàn)初步研究了小型垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)冰分布。然而，垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)冰情況較水平軸風(fēng)力機(jī)更為復(fù)雜，尚有很多需要探明的問(wèn)題。本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，研究了葉片數(shù)對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)冰分布的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用自然低溫和開口式風(fēng)洞搭建而成，包含有水霧噴射系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)和高速攝像機(jī)等。

圖1 結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of icing wi nd tunnel

風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為1.0 m×1.0 m，風(fēng)速范圍為0～20 m/s。水霧噴射系統(tǒng)由噴霧環(huán)、水泵、流量計(jì)、凈水器、PID溫度控制器和水箱等組成，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)由交流電機(jī)、變頻器、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)等組成。高速攝像機(jī)為Phantom v5.1，分辨率為1024 pixel×1024 pixel。高速攝像機(jī)安裝于風(fēng)輪上方，拍攝葉片的結(jié)冰過(guò)程。

圖2 水霧噴射系統(tǒng)Fig.2 Spray system

1.2 試驗(yàn)葉片

圖3為試驗(yàn)葉片樣件。葉片弦長(zhǎng)為100 mm，翼展為20 mm，表面粗糙度為3.2 μm。鋁在小型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片中應(yīng)用最為廣泛，故本文選取鋁制葉片。NACA0018翼型葉片的功率系數(shù)較高，所以試驗(yàn)葉片選用NACA0018翼型。

圖3 試驗(yàn)葉片樣件Fig.3 Blade rotor used for experiment

圖4為風(fēng)輪示意圖。風(fēng)輪中心與出風(fēng)口中心高度一致，位于風(fēng)洞出口外2.5 m處。試驗(yàn)前打開安裝口，將試驗(yàn)葉片安裝在試驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)的懸臂梁上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑為0.3 m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谠囼?yàn)段風(fēng)道截面上的投影面積約為3.53×104mm2，試驗(yàn)段風(fēng)道截面積為1×106mm2，阻塞比約為3.53%，壁面效應(yīng)可以忽略，無(wú)需修正。

圖4 風(fēng)輪示意圖Fig.4 Diagram of wind rotor

1.3 試驗(yàn)方案

表1為試驗(yàn)條件。低尖速比為風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的初始或非工作階段。風(fēng)力機(jī)葉片在低尖速比條件下結(jié)冰會(huì)破壞葉片氣動(dòng)性能，使風(fēng)力機(jī)以非正常工作狀態(tài)運(yùn)行甚至停機(jī)，故本試驗(yàn)選取了3種典型低尖速比：λ= 0.2、0.6、1.0。葉片數(shù)按照實(shí)度成倍增加的原則選取了3種（1、2、4）。試驗(yàn)時(shí)間初選10 、15 和20 min，綜合初測(cè)試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)效率，最終選取15 min作為結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，采樣間隔5 min。

表1 試驗(yàn)條件Table 1 Experimental condition

根據(jù)前期研究成果，確定了1組不同尖速比條件和不同葉片數(shù)的試驗(yàn)方案，如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Experimental scheme

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片表面結(jié)冰分布與形狀

圖5為旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰分布。從圖中可以看出，工況1～工況9的葉片表面全部覆冰。在葉片表面結(jié)冰初期，由于鋁的導(dǎo)熱系數(shù)較高，來(lái)流中的過(guò)冷水滴在與葉片碰撞的瞬間完成熱交換，達(dá)到熱平衡，過(guò)冷水滴迅速結(jié)冰。隨著結(jié)冰時(shí)間增加，葉片表面輪廓增大，捕獲來(lái)流中過(guò)冷水滴的數(shù)量增多，導(dǎo)致葉片表面冰層厚度呈增大的變化趨勢(shì)。在低尖速比條件下，葉片結(jié)冰受離心力和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響較小，葉片表面粗糙的霜冰層阻止了過(guò)冷水滴在葉片表面的流動(dòng)，使葉片能夠保持其基本的氣動(dòng)外形輪廓。隨著尖速比增大，葉片在單位時(shí)間內(nèi)掠過(guò)的面積增加，與來(lái)流中過(guò)冷水滴碰撞的頻率增大，導(dǎo)致葉片表面冰層厚度也不斷增大。

圖5 葉片結(jié)冰分布Fig.5 Icing distribution of blade

2.2 冰層厚度分布

圖6為冰層厚度示意圖。為定量分析葉片表面的結(jié)冰分布特征，定義結(jié)冰厚度參數(shù)H。Hi為i（i=1、2、3、4、5、6、7、8、9）工況時(shí)葉片翼型表面任意點(diǎn)法線方向的冰層厚度。x軸代表葉片翼弦上某點(diǎn)距葉片前緣的距離，y軸代表葉片厚度。

圖6 冰層厚度示意圖Fig.6 Schematic diagram of ice thickness

圖7為葉片弦長(zhǎng)相對(duì)位置圖。為定量對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果，本文將葉片弦長(zhǎng)無(wú)量綱化并進(jìn)行位置標(biāo)注，圖中橫坐標(biāo)軸正向?yàn)槿~片內(nèi)側(cè)，負(fù)向?yàn)槿~片外側(cè)，c為葉片弦長(zhǎng)，x/c為葉片弦長(zhǎng)相對(duì)位置。

圖7 葉片弦長(zhǎng)相對(duì)位置Fig.7 Relative position of the chord length

圖8為葉片冰層厚度圖。在工況1、2、3下，葉片內(nèi)外側(cè)冰層厚度由前緣至尾緣均呈先減后增的變化趨勢(shì)，冰層整體呈W型分布。隨著尖速比增大，在工況4～9下這一現(xiàn)象發(fā)生改變，葉片外側(cè)靠近尾緣處冰層凸起，而葉片內(nèi)側(cè)冰層呈滑梯狀，冰層厚度呈遞減趨勢(shì)。在所有工況下，多葉片風(fēng)輪的葉片冰層厚度大于單葉片風(fēng)輪，兩葉片風(fēng)輪的葉片冰層厚度大于四葉片風(fēng)輪。在葉片前緣區(qū)域，葉片外側(cè)冰層分布較內(nèi)側(cè)更陡峭，且隨著尖速比的增大這一現(xiàn)象愈發(fā)明顯。在工況8下，葉片表面冰層厚度顯著大于其他工況，最大冰層厚度為15.5 mm。

圖8 葉片冰層厚度Fig.8 The icing thickness of blade

圖9為葉片冰層平均厚度圖。在葉片弦長(zhǎng)0～10%區(qū)域內(nèi)，葉片內(nèi)、外側(cè)冰層厚度差值較葉片其他區(qū)域最大，且隨著風(fēng)輪的葉片數(shù)增加，差值呈先增后減的變化趨勢(shì)。隨著尖速比增大，差值呈遞增趨勢(shì)。在工況8下，葉片內(nèi)、外側(cè)冰層厚度差值最大為3.5 mm，當(dāng)尖速比由0.6增至1.0時(shí)，葉片內(nèi)、外側(cè)冰層厚度差值增幅最大為1.9 mm。當(dāng)風(fēng)輪的葉片數(shù)由1變?yōu)?或4時(shí)，葉片弦長(zhǎng)0～10%區(qū)域內(nèi)的冰層厚度增幅較葉片其他區(qū)域最大，且隨著尖速比增大冰層厚度增幅呈遞增趨勢(shì)。當(dāng)λ=1.0，葉片數(shù)由1變?yōu)?時(shí)，冰層厚度增幅最大為4.5 mm。

圖9 葉片冰層平均厚度Fig.9 The average ice thickness of blade

2.3 討論

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同條件下，隨著葉片數(shù)增加，風(fēng)輪周圍的流場(chǎng)發(fā)生變化，使來(lái)流中過(guò)冷水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，導(dǎo)致多葉片風(fēng)輪的葉片捕獲過(guò)冷水滴的能力強(qiáng)于單葉片風(fēng)輪的葉片，所以多葉片風(fēng)輪的葉片冰層厚度大于單葉片風(fēng)輪。但隨著葉片數(shù)增加，葉片間因“遮擋”而相互干擾的頻率增大，導(dǎo)致四葉片風(fēng)輪的葉片捕獲過(guò)冷水滴的能力弱于兩葉片風(fēng)輪的葉片，所以葉片冰層厚度呈先增后減的變化趨勢(shì)。隨著尖速比的增大，葉片受離心力和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響增強(qiáng)，葉片表面前緣至尾緣冰層厚度分布變化顯著，所以尖速比是影響葉片表面冰層厚度分布的主要因素。在不同工況下，葉片弦長(zhǎng)0～10%區(qū)域捕獲過(guò)冷水滴的能力顯著大于葉片其他部位。當(dāng)λ=1.0，風(fēng)輪的葉片數(shù)由1增為2時(shí)，葉片冰層厚度的增幅顯著大于其他工況。在工況1～3下，由于尖速比較低，離心力和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)葉片表面結(jié)冰的影響較小，葉片內(nèi)、外側(cè)冰層厚度差值較小。隨著尖速比增大，離心力和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響增大。當(dāng)作用在過(guò)冷水滴上的離心力大于過(guò)冷水滴與冰層表面之間的黏附力時(shí)，水滴將會(huì)在離心力的作用下脫離葉片表面，導(dǎo)致葉片內(nèi)、外側(cè)冰層厚度差值增大。在本研究試驗(yàn)條件下，當(dāng)風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)為2、尖速比為1.0時(shí)，葉片表面冰層厚度顯著大于其他工況，對(duì)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行影響最大。

3 結(jié) 論

1）垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片表面結(jié)冰分布受葉片個(gè)數(shù)和尖速比的影響顯著，葉片內(nèi)外表面的結(jié)冰總體呈現(xiàn)非對(duì)稱分布特點(diǎn)，葉片表面的冰層厚度隨葉片數(shù)增加呈先增后減的變化趨勢(shì)，且多葉片風(fēng)輪的葉片冰層厚度大于單葉片風(fēng)輪。

2）隨葉片數(shù)增加，葉片弦長(zhǎng)0～10%區(qū)域內(nèi)的冰層厚度增幅顯著大于葉片其他部位，最大增幅為4.5 mm；葉片內(nèi)外表面冰層厚度差值呈先增后減的變化趨勢(shì)，最大差值為3.5 mm。

3）隨尖速比增大，葉片前緣冰層厚度顯著大于葉片其他部位，最大冰層厚度為15.5 mm；葉片前緣內(nèi)外表面冰層厚度差值呈遞增的變化趨勢(shì)，最大增幅為1.9 mm。